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摘要：准动态压力校准机是一个半正弦压力发生器，对于工厂机床的正确运行起到至关重要的作用，气动托锤系统对于准动态压力校准系统有着重要的作用。本文在分析了压力校准机工作原理的基础上，着重论述了气动托锤系统的设计方案。
关键词：压力校准机 气动托锤系统 设计
准动态压力校准机是一个半正弦压力发生器，该机有3个主要功能，第1个功能是用半正弦压力脉冲对用于测量峰值的塑性敏感元件进行校准，从而消除其动态误差，使测得的膛压峰值与电测值保持一致，第2个功能是用半正弦压力脉冲对用于膛压测量的高压传感器进行动态校准以获得其灵敏度等工作参数；第3个功能是可对校准用的液压缸连同其上安装的测压器等进行局部温度控制，以便进行高温和低温的准动态校准，并由此求得高低温修正函数。
一、压力校准机的工作原理
半正弦压力源是落锤式的，其工作原理为(见图1所示)重锤由一定高度h自由下落而获得一定的动能。重锤接触活塞后依靠其动能推动活塞压缩缸内的液体，从而将重锤动能逐渐转变为缸内液体的压力势能，当动能减为0时活塞停止运动，压力也就达到峰值，然后被压缩的液体膨胀推动活塞及重锤向上运动，压力也逐渐降低，直到活塞恢复到起始位置，压力也恢复到0。这样，重锤下落打击活塞一次，即可在液压缸内产生一个半正弦形的压力脉冲。压力峰值及压力脉宽可以通过调节m，h和VO，S等参数来加以改变(m是重锤质量，h是落高，VO是液压缸初始容积，S是活塞工作面积)。
半正弦压力发生器由液压缸，重锤，重锤导轨，挂锤系统(含重锤提升及定位功能)，气动托锤系统和机架等部分组成，装置总体结构示意图如图2所示。
其中液压缸、重锤组件是半正弦压力发生器的主要部分，其他部件应为保证主要部分的正确工作而设置。下面，详细地讨论气动托锤系统设计。
二、气动托锤系统设计
对于准动态压力校准系统，气动托锤系统主要有2方面作用：
第一，在试验过程中，当重锤下落到最低位置时，起动无杆气缸带动托架向上运动并托住重锤，使之不能再次下落打击活塞。
第二，在平常状态下，利用气缸来托住重锤，以防止挂锤(电磁铁)机构长时间挂锤，造成电磁铁过热，并防止意外停电时重锤下落，准备试验时，气缸再将托住重锤送到挂锤架挂牢。
根据以上要求，我们设计了如图3所示的气动托锤系统。为了提高气缸运动稳定性，利用排气控制气缸速度。
1、2.电磁阀(常断)3、4.电磁阀(常通)
5、6.电磁阀7、8、9、10.带消声器的节流阀
图3气动托锤系统原理图
1、气动托锤系统原理 初始状态，二位三通阀1、2处于常断状态，电磁阀3、4的1个排气口用堵头堵住，电磁阀5、6的排气口上安装2个排气量不等的消声节流阀，主要是控制气缸的上升和下降速度。通过两端闭气，保证气缸活塞停止在任意位置。
重锤下落前，托盘在最低端，当光电传感器探测到重锤下落的最低位置时，电磁阀2、4、6通电，气缸上部通过阀2、4、6排气，阀6导向排气量较大的消声节流阀。此时，气缸的托盘开始快速上升，直到托住重锤，阀2、4、6随即断电，托盘托住重锤停在当前位置。
托锤盘平常上升动作：阀2、4通电，阀6断电，气缸上部通过阀6导向小排气量节流阀排气，托锤架低速上升，当把重锤挂在挂锤架时，阀2、4断电，托盘停住。
托锤盘下降动作：阀1、3、5通电，气缸下部排气，此时，阀5导向排气量较大的消声节流阀，托锤架下降，临近到位时，阀5断电，导向排气量较小的消声节流阀，速度减慢，当下降到位时，阀1、3断电，托盘停住。
2、动元件选择 下面通过计算气动托锤系统所需的流量和重锤重量来选择气动元件。
（1）气缸的选择 气缸的作用是利用气缸上的托盘接住重锤，并把重锤提升到挂锤机构。对于本校准装置，重锤和托盘的总重量最大为60kg，运动行程应达到1.2m，因此，我们选择了力士乐生产的活塞直径D为40mm的元活塞杆气杆170系列，它具有可调双向缓冲、可调速度等优点。
（2）气缸托锤系统流量计算 设工作压力选用0.4～0.6MPa，设气缸上升速度最高为1m/s。则两气缸所需有压流量为
因为两气缸内腔的容积为(气缸托盘的最大行程为S1＝1.2m)
因此，在一次工作循环过程中，气缸的托盘从下到上和从上到下所需的有压空气的总量为6L。
（3）气源调节器、气罐、电磁阀和消声器的选择 根据气缸所需的流量，我们选用FESTO气源处理三联件。该元件对空气进行过滤，油雾，并且经过处理可得一个稳定压力。
气罐主要是在压力不稳定或空气瞬间消耗时起补偿作用，即消除压力波动。因为气缸托盘上升时，两气缸内腔的容积为3L，同时考虑到安装空间上的问题，选择了5L的气罐。
根据两气缸最大耗气量为150L/min，该流量应小于二位三通阀的额定流量，我们选择了力士乐CD7系列(具有先导口的二位三通电磁阀)。
由于排气口的公称通径为G1/4，且考虑到调试过程中调节气缸托盘上升的速度，又能大大降低排气的噪声，选择了带消声器的节流阀。
(4)管径的选择 为了减小管道中的压力损失，管内流速不宜太高；但也不宜太低，此时整个系统的体积和成本增大。一般管道内的流速可取10～40m/s。根据对目前市场现有的气管的调研以及在安装过程中气管与气动元件通过管接头相互连接的方便性，管接头选择了快插式管接件，气管选择了内径9mm，外径12mm的尼龙管。
由于气缸的最大耗气量为Q＝150.72L/min，故管内的气体流速为
由于管内流速不是太高(＜70m/s)［3］，且连接管的长度小于10 m，压缩空气在管内流动的沿程损失也不会超过0.13MPa，故不必验算压力损失大小。
根据以上分析，选择并购买了相应的气动元件，并建立了气动托锤系统，用PLC控制做了现场实验。实验表明，当气缸采用两端闭气，使托锤架可以停在行程中的任意位置，且托锤机构上升、下降的响应时间短。上升、下降可根据排气阀调节，速度范围为0～1.2 m/s。但实验过程中发现，由于无活塞杆气缸滑块与活塞连接处有少量的漏气现象，托锤架在任意位置停止时间一般最长可达3～4 min，慢慢地向下移动，最后到底。为了克服这一缺陷，我们采取了以下措施：在图2中支架处安装一顶杆，通常状态，该顶杆处于水平状态，当托锤架托住重锤缓慢下降时，该顶杆处于垂直状态，顶住托锤架下降。通过实验也表明，托锤架的下降速度无需2种，只要缓慢下降即可。因此可把电磁铁5及一个消声节流阀去掉。改进后，达到了设计要求。
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
关键词：压力校准机 气动托锤系统 设计
准动态压力校准机是一个半正弦压力发生器，该机有3个主要功能，第1个功能是用半正弦压力脉冲对用于测量峰值的塑性敏感元件进行校准，从而消除其动态误差，使测得的膛压峰值与电测值保持一致，第2个功能是用半正弦压力脉冲对用于膛压测量的高压传感器进行动态校准以获得其灵敏度等工作参数；第3个功能是可对校准用的液压缸连同其上安装的测压器等进行局部温度控制，以便进行高温和低温的准动态校准，并由此求得高低温修正函数。
一、压力校准机的工作原理
半正弦压力源是落锤式的，其工作原理为(见图1所示)重锤由一定高度h自由下落而获得一定的动能。重锤接触活塞后依靠其动能推动活塞压缩缸内的液体，从而将重锤动能逐渐转变为缸内液体的压力势能，当动能减为0时活塞停止运动，压力也就达到峰值，然后被压缩的液体膨胀推动活塞及重锤向上运动，压力也逐渐降低，直到活塞恢复到起始位置，压力也恢复到0。这样，重锤下落打击活塞一次，即可在液压缸内产生一个半正弦形的压力脉冲。压力峰值及压力脉宽可以通过调节m，h和VO，S等参数来加以改变(m是重锤质量，h是落高，VO是液压缸初始容积，S是活塞工作面积)。
半正弦压力发生器由液压缸，重锤，重锤导轨，挂锤系统(含重锤提升及定位功能)，气动托锤系统和机架等部分组成，装置总体结构示意图如图2所示。
其中液压缸、重锤组件是半正弦压力发生器的主要部分，其他部件应为保证主要部分的正确工作而设置。下面，详细地讨论气动托锤系统设计。
二、气动托锤系统设计
对于准动态压力校准系统，气动托锤系统主要有2方面作用：
第一，在试验过程中，当重锤下落到最低位置时，起动无杆气缸带动托架向上运动并托住重锤，使之不能再次下落打击活塞。
第二，在平常状态下，利用气缸来托住重锤，以防止挂锤(电磁铁)机构长时间挂锤，造成电磁铁过热，并防止意外停电时重锤下落，准备试验时，气缸再将托住重锤送到挂锤架挂牢。
根据以上要求，我们设计了如图3所示的气动托锤系统。为了提高气缸运动稳定性，利用排气控制气缸速度。
1、2.电磁阀(常断)3、4.电磁阀(常通)
5、6.电磁阀7、8、9、10.带消声器的节流阀
图3气动托锤系统原理图
1、气动托锤系统原理 初始状态，二位三通阀1、2处于常断状态，电磁阀3、4的1个排气口用堵头堵住，电磁阀5、6的排气口上安装2个排气量不等的消声节流阀，主要是控制气缸的上升和下降速度。通过两端闭气，保证气缸活塞停止在任意位置。
重锤下落前，托盘在最低端，当光电传感器探测到重锤下落的最低位置时，电磁阀2、4、6通电，气缸上部通过阀2、4、6排气，阀6导向排气量较大的消声节流阀。此时，气缸的托盘开始快速上升，直到托住重锤，阀2、4、6随即断电，托盘托住重锤停在当前位置。
托锤盘平常上升动作：阀2、4通电，阀6断电，气缸上部通过阀6导向小排气量节流阀排气，托锤架低速上升，当把重锤挂在挂锤架时，阀2、4断电，托盘停住。
托锤盘下降动作：阀1、3、5通电，气缸下部排气，此时，阀5导向排气量较大的消声节流阀，托锤架下降，临近到位时，阀5断电，导向排气量较小的消声节流阀，速度减慢，当下降到位时，阀1、3断电，托盘停住。
2、动元件选择 下面通过计算气动托锤系统所需的流量和重锤重量来选择气动元件。
（1）气缸的选择 气缸的作用是利用气缸上的托盘接住重锤，并把重锤提升到挂锤机构。对于本校准装置，重锤和托盘的总重量最大为60kg，运动行程应达到1.2m，因此，我们选择了力士乐生产的活塞直径D为40mm的元活塞杆气杆170系列，它具有可调双向缓冲、可调速度等优点。
（2）气缸托锤系统流量计算 设工作压力选用0.4～0.6MPa，设气缸上升速度最高为1m/s。则两气缸所需有压流量为
因为两气缸内腔的容积为(气缸托盘的最大行程为S1＝1.2m)
因此，在一次工作循环过程中，气缸的托盘从下到上和从上到下所需的有压空气的总量为6L。
（3）气源调节器、气罐、电磁阀和消声器的选择 根据气缸所需的流量，我们选用FESTO气源处理三联件。该元件对空气进行过滤，油雾，并且经过处理可得一个稳定压力。
气罐主要是在压力不稳定或空气瞬间消耗时起补偿作用，即消除压力波动。因为气缸托盘上升时，两气缸内腔的容积为3L，同时考虑到安装空间上的问题，选择了5L的气罐。
根据两气缸最大耗气量为150L/min，该流量应小于二位三通阀的额定流量，我们选择了力士乐CD7系列(具有先导口的二位三通电磁阀)。
由于排气口的公称通径为G1/4，且考虑到调试过程中调节气缸托盘上升的速度，又能大大降低排气的噪声，选择了带消声器的节流阀。
(4)管径的选择 为了减小管道中的压力损失，管内流速不宜太高；但也不宜太低，此时整个系统的体积和成本增大。一般管道内的流速可取10～40m/s。根据对目前市场现有的气管的调研以及在安装过程中气管与气动元件通过管接头相互连接的方便性，管接头选择了快插式管接件，气管选择了内径9mm，外径12mm的尼龙管。
由于气缸的最大耗气量为Q＝150.72L/min，故管内的气体流速为
由于管内流速不是太高(＜70m/s)［3］，且连接管的长度小于10 m，压缩空气在管内流动的沿程损失也不会超过0.13MPa，故不必验算压力损失大小。
根据以上分析，选择并购买了相应的气动元件，并建立了气动托锤系统，用PLC控制做了现场实验。实验表明，当气缸采用两端闭气，使托锤架可以停在行程中的任意位置，且托锤机构上升、下降的响应时间短。上升、下降可根据排气阀调节，速度范围为0～1.2 m/s。但实验过程中发现，由于无活塞杆气缸滑块与活塞连接处有少量的漏气现象，托锤架在任意位置停止时间一般最长可达3～4 min，慢慢地向下移动，最后到底。为了克服这一缺陷，我们采取了以下措施：在图2中支架处安装一顶杆，通常状态，该顶杆处于水平状态，当托锤架托住重锤缓慢下降时，该顶杆处于垂直状态，顶住托锤架下降。通过实验也表明，托锤架的下降速度无需2种，只要缓慢下降即可。因此可把电磁铁5及一个消声节流阀去掉。改进后，达到了设计要求。
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”