高压无气喷涂机精确压力控制系统研究.pdf

高压无气喷机精确压力控制条统研究
□刘笃喜口庞彬口李浩□朱琳□赵小军
西北工业大学机电学院西安710072
摘要:为了解决现有高压无气喷涂机压カ控制误差大、喷涂压カ不稳定的问题,设计了一种用PD控制涂料压力
的高压无气喷涂机液压控制系统,研究了噴嘴结枃对涂籵压力的影响,并用 AMESIM软件进行建模和仿真。仿真结果表
明,本系统涂料压力波动范围小,提高了喷涂质量。
关键词:高压无气喷涂机压力控制喷嘴建模 AMESIM仿真
中田分类号:TH322;TP271+3
文献标识码:A
文章编号:1000-4998(2012)05-0036-03
近年来,喷涂正朝着机械化、自动化和连续化的方塞泵、溢流阀、二位二通换向阀、能器、过滤器、泄压
向发展,在经历了手刷、滚涂、空气喷涂后,高压无气喷阀、高压软管、喷枪、传感器等组成,如图2所示
涂以其生产效率高、操作时漆雾少、喷涂速度快、涂层
柱塞泵从涂料桶中吸取涂料,通过过滤器滤除涂
质量好等特点,逐渐在建筑、机械、船舶、家具等行业料中的污物,加压后通过单向和蓄能器,能器吸收
得到了广泛的应用。
柱塞泵产生的涂料压力脉动,保证涂料压力的平稳,涂
高压无气喷涂机将涂料增至高压,通过喷孔以扇料最后经过高压软管由喷枪喷出。压力表和压力传感
形雾状喷出,目前国内的高压无气喷涂机一般采用气器都应安装在流体速度比较平稳的位置,避免受到压
动式设计,以压缩空气为动力,通过改変进气压力来控力脉动的影响。为了防止系统因压力过高而出现泄漏
制涂料压力。这种系统缺点在于:系统压力比固定,进或者元件损坏,在液压泵压油口安装一个溢流阀。当喷
气压力的误差会通过压力比放大,导致涂料压力的误涂结東后,打开泄压阀,将涂料泄压。
差变大,使高压无气喷机液压系统内的涂料压力波
由于高压无气喷涂机在工作时涂料的压力很高,
动范围变大,直接影响喷涂质量。
从安全角度出发,安装了一个二位二通換向网,当溢流
本文设计了一种高压无气喷涂机液压控制系统,阀在工作过程中失去作用时,单片机会对传感器反馈
它能够实时反馈并控制涂料压力,并对直接影响系统的压力信息进行处理,给二位二通换向阀发出指令,换
喷涂质量的喷嘴结构进行建模分析,最后对整个液压向阀打开,使涂料压力降低
控制系统进行仿真分析。
1高压无气喷涂机控制系统设计
给定压力,②控制器上电机减速器」执行机构下气喷枪
液压
1.1高压无气喷涂机,总体结构设计
针对现有的高压无气喷涂机压力控制
压力传感器
误差大、涂料压力不稳定等问题,设计了
▲图1高压无气喷涂机控制系统结构图
种高压无气喷涂机的液压控制系统,结构如
图1所示。
系统采用单片机作为控制芯片,通过控
制电机转速来控制泵的输出,当传感器测量
的涂料压力与给定的工作压力产生偏差时,
单片机对接收到的压力信息进行处理,然后
发出指令来调整电机转速,从而改变泵的转
速,控制泵的ぼ力输出,使除料压力超于给态四m0人
定的工作压力,从而实现涂料压力的稳定。
1.2液压系统结构设计
高压无气喷涂机的液压系统主要由柱
▲图2高压无气喷涂机液压控制系统模型
收稿日期:2011年12月
36?2025
机械制造50卷第573期成、ラ
2高压无气喷涂机液压系统建模
根据计算公式,可对喷孔进行参数设置和建模。
2.1.3锥形阀单元模型
AMESIM是世界著名的工程系统高级建模与仿真
喷枪的喷嘴部分
平台2,本文用 A MIESIM软件对高压无气喷涂机的液是靠液压驱动的压力
压系统进行建模仿真,由于喷枪属于非标准的液压器驱动阅,在建模中,对
件,帯对喷枪进行设计建模。
应于锥形阀的控制模
2.1喷枪的建模
型3。工作原理主要
高压无气喷枪通过喷涂机给涂料产生压力,经过是依靠作用在阀芯上ず
喷枪喷嘴直接将涂料雾化。在高压无气喷涂过程中,喷的力将阀芯压紧在阀
嘴的性能直接决定了喷涂的质量,分析喷嘴在整个液座上形成封油面,切
压控制系统中对涂料压力的影响非常重要。
断中的涂料,当作
在建模过程中,根据喷枪结构及模型单元的液压用在阀芯上的涂料压
与机械特性,把喷枪刘分为3部分:容积腔单元、喷孔力与弹簧力相等时,
▲图3锥形阀结构简图
单元和锥形阀单元。
阀芯被推离开阀座,阀的通道打开,实现涂料的喷涂,
2.1.1容积腔单元模型
结构如图3所示。
容积腔模型可以模拟喷枪、液压阀或体积可变的
根据伯努利方程,锥形阀出口流量q1为:
液压腔,当涂料进人喷枪的液压腔时,通过容积腔模型
P4-P3)+02
5)
来模拟液压腔体积及压力的变化。压力変化的计算公
式如下:
涂料通过锥形阀的流通面积f为
dpb(p)>9(2)
fa-txsina(d-
(6)
(と+ルo
式中:2为锥形阀人口涂料速度;p4为锥形阀人口压
B(p)=092
力;为锥形阀锥角p3为锥形阀出口压力;X为阀芯
式中:B(pP)为有效体积的弹性模量;(P)为涂料流量;开度;d为锥形阀阀口直径;d。为阀芯直径。
为死区体积;为容积腔体积变化;p为涂料密度。
2.2液压控制系统模型
2.1.2喷孔单元模型
AMESIM具有特定的器件库,标准的液压器件均
在液压传动系统中,如果某点处的压力低于工作可在器件库中找到相应的模型,本系统所使用的PID
温度下油液的空气分离压时,原先溶解于液压工作介控制器、柱塞泵、溢流阀、二位二通换向网、蓄能器、过
质中的空气将被分离出来形成气穴,由于喷嘴的截滤器、泄压阀、喷枪、传感器等元器件均属于标准液压
面很小,液体的流速很高,因此压力越低,越容易产生器件,选择相应的模型对系统建模,高压无气喷涂机的
气穴,而气穴会引起液压系统性能恶化。气泡占据一定液压控制系统模型如图2所示。
空间,破坏液体的连续性,降低高压软管的通油能力
使容积效率降低,造成流量和压力波动,所以要尽量3压力控制过程仿真及分析
免气穴的产生。
对高压无气喷涂机的液压控制系统模型进行参数
根据气穴产生条件,当气穴系数?<0.4时,就会产设定,主要参数选取:PID控制参数K=45,Kr=5,KD
生气穴。
0.5,喷孔直径取1mm,锥形阀阀口直径d=5mm,阅芯
D2 D
直径d=8mm,仿真时间步长为0.02s,仿真时间为5
Pl02
s。在喷涂过程中,不同的涂料需要设置的喷涂压力不
式中:Pp为喷孔前的压强;P2为喷孔后的压强;。为液同,要分析在不同的压カ下,系统压力的稳定性,故选
体饱和压强
取2个常用的涂料喷涂压力进行仿真。
由于p,很小,可以忽略,得出pl2=3.5,当喷孔前
(1)当设定的工作压力为180bar(1bar=0.1
后的压强比是3.5时,就会产生气穴。为了提高喷涂质MPa)时,涂料压力仿真曲线如图4所示。
量,避免产生气穴,需要降低喷孔前的压强p1或提高
根据图4可以看出,当工作压力设定在180bar
喷孔后的压强p2。当无气穴时,流量计算公式为:
时,涂料压力在0.5s后趋于稳定,并保持在180bar
上下波动,压力的波动范同小于3<