落锤式压力发生器气动控制系统设计

　　1　引　　言

　　落锤式试验装置主要用于冲击条件下模拟试验,为被测试件或设备提供冲击载荷,如产生瞬态压力源,或对各种新型工程材料、火工品和阻尼器等进行冲击试验[1-5]。它的工作原理是利用重锤的势能在释放后转换成动能,以一定冲击速度产生冲击载荷,它是一种工作可靠、重复性好、试验成本低的试验装置。利用重锤下落后的动能,冲击密闭容积中的油液,产生类似半正弦压力波型的压力源,最高压力可达600MPa,可对各类高压传感器进行压力标定[6-9]。

　　现阶段,落锤式试验装置的大多采用电动机驱动提锤,传动过程需要减速器、钢丝绳、滑轮等,落锤定位精度低,占用场地较大,不便于实验室布置和操作使用。另外,当重锤下落冲击反弹后,若不接住即将再次下落的重锤,将产生二次冲击或多次冲击[10-12]。为了不影响冲击试验获得的数据,当重锤反弹时,需要有托锤机构迅速上升接住即将再次下落的重锤,要求托锤机构具有一定的启动速度。为了解决上述问题,本文提出采用无杆汽缸驱动托锤架运动,以PLC为核心对运动过程进行控制,提高试验过程的操作自动化,改善人机交流,不仅使落锤式压力发生器满足系统精度要求,而且还使其具有结构布置紧凑,占用场地少等优点。

　　2　气动控制系统设计

　　2.1　控制系统组成

　　落锤式压力发生器工作原理如图1所示。首先,系统需要有能够提升重锤、任意高度定位和二次托锤的执行元件和控制元件;其次,为了实现自动化操作,需要有控制器和位置检测传感器;最后,为了改善人机界面,需要有触摸屏和上位机与控制器进行通讯。

　　落锤式压力发生器的控制系统结构如图2所示,PLC作为控制系统的核心,直接完成对装置各部件的协调控制和运动位置检测,配有触摸屏作为现场调试设备,也可通过计算机远程控制、监测系统运行状态[13-14]。步进电机带动精密滚珠丝杠进行任意高度定位,并结合光栅尺进行闭环控制,无杆汽缸直接驱动托锤架实现提锤和二次接锤。

　　2.2　气动回路设计

　　落锤式压力发生器的气动控制回路如图3所示

　　根据落锤式压力发生器功能要求,首先需要将重锤提升至一定高度,再由挂锤、放锤机构释放重锤,重锤反弹后由托锤机构接住重锤。为此,选用两个无杆汽缸作为驱动元件,分别垂直对称布置在试验装置框架两侧内,　托锤架与无杆汽缸上的滑动平台连接,托锤架可托起重锤提升直至电磁铁底端面,电磁铁高度位置可由滚珠丝杆精确定位。当电磁铁吸附重锤后,托锤架正常回至最低位,等待二次接锤。