曲轴淬火机控制系统分析与故障处理

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从美国TOCCO公司引进的曲轴淬火机，用于康明斯曲轴（4B、6B）主轴颈和连杆颈的淬火。淬火变压器固定在变压器托架上，感应器夹紧机构也安装在该托架上（图1）。夹紧油缸由一个二位四通电磁换向阀控制，变压器托架由电液比例闭环控制系统控制。

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　　淬火变压器托架动作原理：曲轴水平放置于机床夹具里，由夹具头架驱动曲轴旋转。在变压器上安放相应的感应器（有三种感应器），夹紧感应器，变压器托架下降，使感应器落在相应的轴颈上，启动加热，同时曲轴旋转。此时，变压器托架处于随动状态。加热时间到，感应器升起，机床夹具驱动这个工位翻转至淬火液面下进行淬火。由单轴数控驱动变压器托架水平向右移动，加热工位移到下一个位置。一组杆颈或轴颈淬完以后，更换相应感应器。最后一个位置淬完以后变压器托架回到零位。

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    一、变压器托架电液比例控制系统

　　1．变压器托架电液比例闭环控制系统
　　如图2所示，5/3V一P/Q比例伺服阀型号为0811 402 106（德国Bosch公司产），该阀将流量控制和压力控制结合于一个阀中。P₁→A和P₂→B的流量撒于滑阀的开度。泵采用RACINE公司的PSV一PNSO一20HRM一52变量叶片泵，变压器托架油缸压力由压力传感器检测。压力传感器的信号送往电子压力控制器（P/Q控制器）。该控制器将实际的压力值与设定的压力值进行比较，如果前者小于后者，则指令阀打开（P₁→A），反之则指令阀回流（A→T）。变压器托架电液比例闭环控制系统原理图见图3，其框图见图4。
　　德国Bosch公司推出的高性能的用于闭环控制的比例伺服阀，是一种连续作用的电液控制阀。由于采用了高响应直流比例电磁铁和相应的放大器，含内置位置检测电子装置和反馈闭环，采用零开口四边滑阀，其输出稳态特性中无中位死区。
　　图2中的压力传感器，型号为0811 405 537。元件由不锈钢镀膜（弹性材料）薄层电阻应变片组成，采用全桥电路，带温度补偿集成电路与压力成正比的输出电压信号（1～6V），零点和灵敏度由制造商精确调整好。
 

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　　 安装时要注意使传感器尽可能靠近被测点，尽可能垂直安装，插头朝下以使闭死容积自动排气。

2．P/Q放大器控制比例伺服阀的控制机理（图3、图4）  

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　　5/3V一P/Q比例伺服阀使用的P/Q放大器，它包括一块母板和一块子板。母板是一块含有位置反馈控制的比例阀放大器。子板即 P/Q控制器，是个选配件。子板插在母板上，P/Q放大器作为一个信号组合单元使用。该单元对闭环控制回路中的压力和流量进行控制。输入参数是压力P和流量Q的给定信号，而反馈值则是实际压力和阀芯的实际位置。
　　 比例阀放大器和P/Q控制器组合的功能如下：当P_给定＞P_反馈时，作为流量控制器，即压力控制不起作用；当P_给定＜P_反馈时，作为压力调节器，并以一限幅器形式对给定Q进行叠加，此时子板传送P/Q的混合信号到母板，一旦到达给定压力，限幅器就会根据实际的监控压力控制阀芯位移的输入信号，以使P_给定一P_反馈=0。
　　当P_给定＞P_反馈或压力控制器关闭后，阀芯位置就与Q给定值相对应。Q给定值范围为U_E=0～士10V。为了实施有效的压力调节，光给定P不行，还必须给定Q，一般U_E＝十10V（最大值）。
　　TOCCO淬火机淬火变压器托架动作过程中有三种工作压力：上升时的压力4. 8MPa、下降时的压力4.4MPa、感应器加热曲轴时的平衡（随动）压力3.3MPa。三种工作压力由三个对应的指令电位器设定给定值。上升压力给定值（电位器1设定值）为4.34V；下降压力给定值（电位器2设定值）为3.35V；平衡压力给定值（电位器3设定值）为1.68V数值通过手动预置设定，运行时由PLC程序选通。

    二、控制系统存在的主要问题及故障处理方法

　　由于控制系统液压元件及电气元器件老化，机床一度动利异常，出现在曲轴加热或淬火工作过程中，淬火变压器托架油击压力不稳定，上下无规律运动而无法淬火，有时又在工作时失去反应，导致感应器损坏。

　　1．液压系统压力干涉
　　感应器装入变压器内夹紧油缸进行夹紧动作时，变压器手架瞬间下降后又上升。由于感应器夹紧油缸控制回路与变压Q油缸控制回路共用一个油源（见图2），当夹紧油缸动作时，油么压力瞬间大幅下降，造成比例伺服进口瞬间失压过大，比例伺月阀来不及关闭，从而产生变压器托架瞬间下降故障。
　　在系统中加一个单向阀（A—ROD一F原系统中无此阀），解决了原系统中用液控单词向阀来防止由油源突然失压过大而产生的压力干涉问题。

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　　2．系统压力不稳定
　　液压系统工作过程中，图2中油源压力表指针不停地摆动，同时变压器托架也跟随振动。由于油箱油温不高，故油泵内泄不大，配油盘没有问题，只有油泵的调压器阀芯锥面磨损，造成系统压力有规律地振动。
　　拆开油泵调压器，上磨床修磨调压阀芯，消除阀芯锥面磨损沟槽，故障现象消除。

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　　3．变压器油缸压力不稳定
　　按下降钮，使变压器托架向下动作。托架在下降过程中，有时降到一半或降到下位停不了多长时间就向上运动，有时停在中间，有时停在上位不动，突然又向下运动。造成这种现象，最有可能的原因是P/Q放大器的输入部分出了故障。经检查发现：电位器组的选通元件出了故障，继电器插头与插座之间松动，接触不良，造成P/Q放大器的输入指令不稳定，更新三套继电器及插座，故障消除：现已采用EAS、系列小型PLC：来选通比例伺服阀的设定电压值，动作更可靠。

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　　4．变压器托架抖动
　　曲轴在加热过程中，变压器托架上下无规律地振动，有时油缸失压较大，导致感应器损坏。参见图3，造成这一现象，最有可能的原因有两种：①比例放大器受到干扰；②系统反馈元件（即压力传感器）出了故障。经仔细排查（测量指令电位器设定值、比例放大器输入值及压力传感器反馈值），发现压力P给定信号至P/Q放大器箱之间的信号线，由于老化及受到加热系统供电线路的干扰，造成输入P/Q放大器的信号失真及不稳定；又由于液压油含水量较高，压力传感器受损，造成反馈信号不正常，与压力给定值叠加后再输入P/Q放大器，从而引发故障。
　　更换信号线、压力传感器及液压油；将电控柜与P/Q放大器箱之间的信号线穿在铁管内，使信号线屏蔽，提高抗干扰能力实施后，故障消除，系统稳定工作。

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    三、小结

　　1．5/3V一P/Q比例伺服阀将流量控制和压力控制结合于一个阀中，可以实现闭环压力控制和开环流量控制。实现闭环压力控制时，为了实施有效的压力调节，不但要给定P值，还必须给定Q值。选用比例放大器时，一定要选配一个子板，即选配一个合适的P/Q-控制器。而实现流量控制时，则不需配用P/Q控制器。
　　2．在电液比例控制系统中，一定要注意信号线的有效屏蔽保护，只有这样才能使系统正常工作。同时要注意液压油源的压力稳定性，压力波动不能太大，否则系统不能正常工作。比例放大器的输入端信号控制，最好采用可编程序控制器（PLC）控制，而不使用传统的继电器控制器。这样，系统长期工作稳定性会大幅提高。
　　3．-传感器安装时尽可能靠近被测点，并注意安装方向，以便快速、准确地取得测量值。