張春英

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

自動(dòng)化設(shè)備按照一定順序完成一系列動(dòng)作功能，一般采用程序控制法和液壓回路法。在程序控制法中，每一個(gè)動(dòng)作都應(yīng)對(duì)應(yīng)執(zhí)行元件、控制元件和檢測(cè)元件。這種方法的主要缺點(diǎn)是系統(tǒng)復(fù)雜，尤其是控制和檢測(cè)單元較多，系統(tǒng)可靠性低，元件多，需要很大的安裝空間且設(shè)備笨重；控制和檢測(cè)元件價(jià)格昂貴；系統(tǒng)復(fù)雜且技術(shù)含量低，技術(shù)難以保證。而液壓回路方法有壓力控制法、行程控制法等，這些方法都需要加裝一些邏輯閥，成本高，可靠性低，且體積和質(zhì)量較大，同時(shí)對(duì)于壓力設(shè)定等要求也較高。針對(duì)常規(guī)液壓方法存在的問(wèn)題，一些研究者提出了一些改進(jìn)意見。文獻(xiàn)[1]通過(guò)油缸內(nèi)置順序閥的方式實(shí)現(xiàn)雙出頭油缸的順序動(dòng)作，這種方法簡(jiǎn)單可靠，但這種方法僅限于雙出頭油缸，無(wú)法推廣使用；文獻(xiàn)[2]在油缸裝入單向閥，當(dāng)油缸到達(dá)極限位置方向閥打開液控?fù)Q向閥控制第二個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，可提高系統(tǒng)的可靠性，但該方法需要特殊設(shè)計(jì)單向閥，受到單向閥自身性能限制。

通過(guò)分析研究，本文采用了一種機(jī)械方法，它能簡(jiǎn)化系統(tǒng)，尤其能減少控制和檢測(cè)單元，提高系統(tǒng)可靠性；系統(tǒng)簡(jiǎn)化后，節(jié)省那些價(jià)格昂貴的控制和檢測(cè)元件，降低成本；可以節(jié)省空間，減輕質(zhì)量；能提升產(chǎn)品技術(shù)水平，提高附加值。

1 護(hù)鉆機(jī)構(gòu)

某型鉆機(jī)采用旋轉(zhuǎn)切削的方法在巖壁上鉆深孔，高速旋轉(zhuǎn)的鉆桿帶動(dòng)鉆頭在較大推進(jìn)力的作用下實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)破巖。由于轉(zhuǎn)速高，推進(jìn)力大，細(xì)長(zhǎng)的鉆桿在鉆進(jìn)初期容易產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象導(dǎo)致失穩(wěn)，為此設(shè)計(jì)了一個(gè)護(hù)鉆機(jī)構(gòu)。

1) 結(jié)構(gòu)組成：護(hù)鉆機(jī)構(gòu)主要由鉆桿、插桿、連桿、擺動(dòng)油缸和護(hù)鉆油缸組成，如圖1所示。插桿在護(hù)鉆油缸驅(qū)動(dòng)下沿著連桿的滑道滑動(dòng)，護(hù)鉆油缸伸出使插桿與連桿形成防護(hù)空間。護(hù)鉆油缸、插桿和連桿連接在一起，整體在擺動(dòng)油缸驅(qū)動(dòng)下繞著一點(diǎn)擺動(dòng)，在護(hù)鉆位置和躲避位置切換。

1-鉆桿； 2-插桿； 3-連桿； 4-擺動(dòng)油缸； 5-護(hù)鉆油缸。

2) 護(hù)鉆機(jī)構(gòu)工作過(guò)程:如圖2所示,護(hù)鉆時(shí)，擺動(dòng)油缸和插桿油缸都伸長(zhǎng)，插桿與連桿組成防護(hù)空間。插桿油缸縮短帶動(dòng)插桿打開，為護(hù)鉆機(jī)構(gòu)撤離護(hù)鉆位置做準(zhǔn)備；擺動(dòng)油缸縮短帶動(dòng)連桿到達(dá)躲避位置，擺動(dòng)油缸伸長(zhǎng)到達(dá)護(hù)鉆位置，插桿油缸伸長(zhǎng)進(jìn)行護(hù)鉆，如此反復(fù)，插桿和擺動(dòng)油缸按照一定順序動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了護(hù)鉆和躲避的功能要求。

(a) 護(hù)鉆

(b) 插桿打開

(c) 躲避位置

(d) 護(hù)鉆位置

2 機(jī)構(gòu)分析

針對(duì)鉆機(jī)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種機(jī)械式的順序動(dòng)作機(jī)構(gòu)，它有3種不同的結(jié)構(gòu)形式，它們都是采用一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和一個(gè)控制元件，但不需要檢測(cè)元件。

2.1 機(jī)械方法I

機(jī)械方法I的結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程如圖3所示?？煽縿?dòng)作的條件分析如下：

(a)→(b)：當(dāng)油缸縮短時(shí)打開插桿，而連桿不擺動(dòng)的條件是插桿與滑道之間的摩擦力f產(chǎn)生的力矩小于鉸點(diǎn)摩擦力矩M與下彈簧最小作用力產(chǎn)生的力矩F1min·l1之和，即：

(a)

(b)

(c)

(d)

f·lf≤F1min·l1+|M|

(1)

(b)→(c)：油缸繼續(xù)縮短碰到限位，連桿往回?cái)[動(dòng)，壓縮下彈簧。

(c)→(d)：油缸伸長(zhǎng)，連桿擺動(dòng)而插銷不會(huì)伸出的條件是插銷與孔之間的摩擦力產(chǎn)生的力矩與下彈簧力產(chǎn)生的力矩之和比鉸點(diǎn)摩擦力矩大，即：

F1·l1+f·lf≥|M|

(2)

由于F1∈(F1max，F(xiàn)1min)

可簡(jiǎn)化為：

F1min·l1+f·lf≥|M|

(3)

(d)→(a)：連桿到位后碰到限位，當(dāng)油缸伸長(zhǎng)時(shí)，插桿到位進(jìn)行護(hù)鉆。

由式(1)、式(3)可以發(fā)現(xiàn)，只要F1min·l1≥|f·lf±M|，則能確?？煽縿?dòng)作，即只要彈簧力足夠大，摩擦力和鉸點(diǎn)摩擦力矩很小則也能可靠動(dòng)作。

2.2 機(jī)械方法Ⅱ

機(jī)械方法Ⅱ的結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程如圖4所示。

(a)

(b)

(c)

(d)

可靠動(dòng)作的條件分析如下：

(a)→(b)：當(dāng)油缸縮短時(shí)打開插桿，而連桿不擺動(dòng)的條件是插桿與滑道之間的摩擦力f產(chǎn)生的力矩小于鉸點(diǎn)摩擦力矩M與上彈簧作用力產(chǎn)生的力矩F2·l2之和，即：

f·lf≤F2·l2+|M|

(4)

由于F2∈(F2max，F(xiàn)2min)

可簡(jiǎn)化為：

f·lf≤F2min·l2+|M|

(5)

(b)→(c)：油缸繼續(xù)縮短碰到限位，連桿往回?cái)[動(dòng)。

(c)→(d)：油缸伸長(zhǎng)，連桿擺動(dòng)而插銷不會(huì)伸出的條件是插銷與孔之間的摩擦力產(chǎn)生的力矩與上彈簧力產(chǎn)生的力矩之和比鉸點(diǎn)摩擦力矩大，即：

F2min·l2+f·lf≥|M|

(6)

(d)→(a)：連桿到位后碰到限位，當(dāng)油缸伸長(zhǎng)時(shí)，插桿到位進(jìn)行護(hù)鉆。

由式(5)、式(6)可以發(fā)現(xiàn)，只要F2min·l2≥|f·lf±M|，則能確?？煽縿?dòng)作,即只要彈簧力足夠大，摩擦力和鉸點(diǎn)摩擦力矩很小也能滿足可靠動(dòng)作。

2.3 機(jī)械方法Ⅲ

機(jī)械方法Ⅲ的結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程如圖5所示。

(a)

(b)

(c)

(d)

可靠動(dòng)作的條件分析如下：

(a)→(b)：當(dāng)油缸縮短時(shí)打開插桿，而連桿不擺動(dòng)的條件是插桿與滑道之間的摩擦力f產(chǎn)生的力矩小于鉸點(diǎn)摩擦力矩M與2個(gè)彈簧作用力產(chǎn)生的力矩之和，即：

f·lf≤F1min·l1+F2·l2+|M|

(7)

而F2∈(F2max，F(xiàn)2min)

可簡(jiǎn)化為：

f·lf≤F1min·l1+F2min·l2+|M|

(8)

(b)→(c)：油缸繼續(xù)縮短碰到限位，連桿往回?cái)[動(dòng)。

(c)→(d)：油缸伸長(zhǎng)，連桿擺動(dòng)而插銷不會(huì)伸出的條件是插銷與孔之間的摩擦力產(chǎn)生的力矩與兩彈簧力產(chǎn)生的力矩之和比鉸點(diǎn)摩擦力矩大，即：

F2min·l2+F1·l1+f·lf≥|M|

(9)

而F1∈(F1max，F(xiàn)1min)

可簡(jiǎn)化為：

F2min·l2+F1min·l1+f·lf≥|M|

(10)

(d)→(a)：連桿到位后碰到限位，當(dāng)油缸伸長(zhǎng)時(shí)，插桿到位進(jìn)行護(hù)鉆。

由式(8)、式(10)可以發(fā)現(xiàn)，只要F1min·l1+F2min·l2≥|f·lf±M|，則能確?？煽縿?dòng)作，即只要彈簧力足夠大，摩擦力和鉸點(diǎn)摩擦力矩很小則也能滿足可靠動(dòng)作。

通過(guò)以上3種機(jī)械方法的分析發(fā)現(xiàn)，機(jī)械方法Ⅲ是普遍形式，即去掉上彈簧F2=0，則得到機(jī)械方法I；去掉下彈簧F1=0，則得到機(jī)械方法Ⅱ。機(jī)械方法I、機(jī)械方法Ⅱ可以看作是機(jī)械方法Ⅲ的特例。由式(1)～式(10)可以發(fā)現(xiàn)，只要用一個(gè)足夠大力的彈簧就能滿足可靠動(dòng)作的條件，而用2個(gè)彈簧則沒(méi)有必要。因此，機(jī)械方法I和機(jī)械方法Ⅱ是推薦采用的結(jié)構(gòu)。

3 機(jī)械方法與傳統(tǒng)方法的對(duì)比

1) 性能對(duì)比。程序控制方法原理簡(jiǎn)潔，加入時(shí)間延遲，改變動(dòng)作順序很方便；但環(huán)節(jié)多，有誤動(dòng)作危險(xiǎn)，可靠性低。而機(jī)械方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作可靠，但可移植性差，不易進(jìn)行大規(guī)模推廣。

2) 成本對(duì)比。程序控制方法需要的執(zhí)行元件、控制元件、檢測(cè)元件多，成本高。而機(jī)械方法用的元件少，成本低廉，采用一些簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)，使其加工成本很低。

3) 空間和質(zhì)量。程序控制方法元件多，占用空間大，質(zhì)量大；機(jī)械方法用的元件少，占用的空間和重量就小。

4) 設(shè)計(jì)難度。機(jī)械方法每個(gè)具體結(jié)構(gòu)只需要設(shè)計(jì)一個(gè)專門機(jī)構(gòu)，其設(shè)計(jì)工作量大，經(jīng)常需要結(jié)構(gòu)的巧妙設(shè)計(jì)，對(duì)設(shè)計(jì)人員的要求更高。但也正因?yàn)榇?，所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)不容易仿造，可提高保密等級(jí)。

4 結(jié)論

順序動(dòng)作機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，需要從可靠性、經(jīng)濟(jì)性、成本、空間等各方面進(jìn)行綜合考慮，尋找最優(yōu)方案。當(dāng)遇到控制上的問(wèn)題時(shí)，不要為了簡(jiǎn)單就直接采用程序控制或者液壓方法，應(yīng)該盡量采用機(jī)械方法，以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本，減小質(zhì)量和節(jié)省空間，真正做到提升產(chǎn)品性能、提高設(shè)計(jì)水平。