电液比例技术在大吨位塔机液压系统中的应用.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 l 3年 第 1 1期 电液比例技术在大吨位塔机液压系统中的应用 刘帮才 ， 张 强 ， 戚振红 ， 张 凯， 胡建 军 徐9 、 I1 徐工液压件有限公司， 江苏徐州 2 2 1 0 0 4 摘要 介绍 了电液 比例技术的国内外发展现状及电液 比例控制技术的基本原理 和特点 。以大吨位塔机 液压 系统 为例 ， 阐述了双缸同 步回路 的工作原理 ． 以及闭环 比例控 制技术在大吨位塔机液压 系统 中的应用。可为大 吨位塔机液压系统 的设计提供理论参考 。 关键词 电液比例控制技术 ； 双缸 同步 回路 ； 大吨位塔机 中图分类号 T H1 3 7 ． 1 T H 2 1 3 ． 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 3 1 1 - 0 0 5 0 0 3 El e c t r o h y d r a u l i c P r o po r t i o na l Con t r o l Te c h n o l o g y Ap p l i c a t i o n s i n La r g e To n n a g e To we r Cr a ne Hy d r a u li c S y s t e m L I U B a n g - c a i ， Z H AN G O i a n g ， O l Z h e n h o n g ， Z H A NG K a i ， HU J i o - j u n X u z h o u X C MG H y d r a u l i c s C o ． ，L t d ． ，X u z h o u 2 2 1 0 0 4 ， C h i n a Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r ， t h e a c t u a l i t i e s a n d d e v e l o p me n t t r e n d o f t h e t e c h n o l o g y a t h o me a n d a b r o a d a r e i n t r o d u c e d ， a n d t h e b a s i c p ri n c i p l e a n d c h a r a c t e r i s t i c s o f e l e c t r o h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a l c o n t r o l t e c h n o l o g y a r e b rie fl y i n t r o d u c e d ． T h r o u g h t h e h y d r a u l i c s y s t e m o f l a r g e t o n n a g e t o we r c r a n e ， we s h o w t h e o p e r a t i o n p r i n c i p l e s o f t h e p a r a l l e l c y l i n d e r s s y n c h r o n o u s s y s t e m a n d c l o s e d l o o p p r o p o r t i o n a l c o n t r o l t e c h n o l o gy u s e d i n a l a r g e t o n n a g e t o we r c r a n e ． T h i s c a n b e u s e d a s a t h e o r e t i c a l p r e f e r e n c e w h e n d e s i g n i n g l a r g e t o n n a g e t o w e r c r a n e h y d r a u l i c s y s t e m． Ke y wo r d s e l e c t r o - h y d r a u l i c p r o p o rti o n a l c o n t r o l t e c h n o l o gy ； p a r all e l c y l i n d e r s s y n c h r o n o u s s y s t e m ； l a r g e t o n n a g e t o w e r c r a n e 0 引言 电液 比例控制技术起源于 2 0世纪 ． 并且经过了电 液控制技术 、电液比例控制技术以及电液伺服技术等 发展阶段 其应用覆盖了很多工程机械 ． 电液比例控制 技术 的广泛应用使工程简单化 、 高效化 、 信息化 、 安全 化 。电液 比例技术是在 以开环传动为主要特征的传统 液压传动技术和 以闭环控制为特征 的电液伺服控制技 术基础上 ．为适应一般工程 系统对传动与控制特性提 出的更高要求 ． 从 2 0世纪 6 0 、 7 0年代开始逐步发展起 来 的流体传动与控制领域 中一个具有旺盛生命力 的新 分支。在工程应用中， 液压技术越来越紧密地与电子技 术相结合。日益增长的电液集成系统． 也在工程机械得 到推广 近年来研发生产的插装式比例阀和比例多路 阀充分考虑到工程机械 的使用特点 ， 具有先导控制 、 负 荷传感和压力补偿等功能I 1 ] 有 ． 从小到大， 逐步形成 了较为完整 的体系和 比较完整 的系列型谱 ． 塔机成为建筑施工 中的关键设备 。 塔机行 业 也 成为 我 国发 展最 快 的建 筑 机械 行业 之 一 。随 着 国 内基础设施安装工程朝着大型 、 高效 、 安全方 向发展 ， 桥梁 、 电厂、 风电、 化工和高层房屋等领域的建设 ， 对大 型塔式起重机的需求呈快速发展趋势 。我 国塔机行业 经过 5 0年的发展 ．与先进 国家之间的差距大为缩小 ， 但在总体 的结构 、 性能 、 质量等方面与国外相 比还存在 一 定问题 ．尤其在制造质量及可靠性方面仍有较大差 距 ． 销量 主要还 是集 中在 中小 型塔机 上 。中小 型塔机 结 构简单 ． 应用广泛 。 大吨位塔机 的技术含量 和质量水平 还有待提高 ． 以满足大型重点工程的需要。本文详细介 绍 了一 种应 用 双缸 同步 回路 和 电液 比例 技术 的大 吨位 塔 机液压 系 统 1 电液 比例技术 的概况 我国塔机始于 2 0世纪 5 0年代 ，塔机行业从无到 1 ．1 电液 比例 技 术的发 展 收稿 日期 2 0 1 3 0 5 2 3 作者简介 刘帮才 1 9 7 6 - ， 男 ， 江西永丰人 ， 硕士， 高级工程师 ， 主要从事流 体传动与控制方面的研发T作。 5 0 从 2 0世纪 6 O年代后期瑞 士布林格 尔公司生产 K L比例复合阀起 。 到 2 0世纪 7 O年代初 日本油研公司 申请 了压力和流量 比例 阀二项专利为止 ，是 比例 阀的 诞生时期 。它在伺服阀基础上 ， 增大电一 机械转换器功 Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e Ms ／ No ． 1 1 ． 2 01 3 率 ， 适当简化伺服阀结构 。 降低制造成本 。用 比例电磁 铁代 替 开 关 电磁 铁 或 调节 手 柄 ．阀 的结 构 原理 和 设计 准则几乎没有变化 ． 其工作频宽仅在 1 5 Hz 之间 ． 稳态 滞环在 4 ％～ 7 ％之间 ． 多用于开环控制 。 1 9 7 5 ～ 1 9 8 0年间 ．比例技术的发展进入 了第 二阶 段。采用各种内反馈原理的比例元件大量 问世 ． 耐高压 比例 电磁铁和 比例放大器在技术上也 E t 趋成熟 ．比例 元件的工作频宽已达 5 ～ 1 5 Hz ．稳态滞环也减小到 3 ％ 左右。其应用领域 日渐扩大 。 开环闭环均可适用 。 2 0世纪 8 O年代 以来 ． 比例技术的发展进入了第三 阶段 。 比例 元件 的设 计 原理 进 一 步完 善 ， 采 用 了压 力 、 流量、 位移 内反馈及电校正等手段。除了比例阀在中位 仍保留死区以外 ．它的稳态和动态特性均 已和工业伺 服 阀无异 。另外 ， 比例技术开始和插装阀相结合 ， 形成 了电液比例插装技术。同时 ． 出现了电液一体化 的比例 元件 ．电液 比例技术逐 步形成 了 8 0年代 的集成化趋 势 。同时电液 比例容积元件 ． 各类 比例控制泵和执行元 件也相继 出现 2 O世纪 9 0年代中后期开始 ． 比例技术开始大量进 入行走机械领域 ， 各种节能的负载敏感控制 、 负载适应 控制等节能器件与系统 日益增多。其次 ， 伺服 比例阀的 出现 。 使 比例技术 与伺服技术 的交融与整合更进一步 。 电液 比例控制 的理论研究和技术的发展是液压工业领 域发展 的大趋势 ．是液压工业又一个新的技术热点和 增长 点囱 。 1 ． 2 电液比例技术与电液闭环比例技术 电液 比例控制 的核心是 比例阀 。 包括 比例压力 阀、 比例流量阀、 比例方 向阀和 比例复合 阀。比例控制技术 是在开关技术和伺服控制之间的过渡技术[3 1 与开关阀 相 比， 比例阀可简单地对油液压力 、 流量和方 向进行远 距离 的 自动连续控制或程序控制 。 响应快 ， 工作平稳 。 自动化程度高 ， 容易实现编程控制 ， 控制精度高 。 能大 大提高液压系统的控制水平。比例 阀把 电的快速性 、 灵 活性等优点与液压传动力量大 的优点结合起来 ．能连 续地 、 按 比例地控制液压 系统 中执行元件运动 的力 、 速 度和方 向， 简化 了系统 。 减少 了元件 的使用量 ， 并能防 止压力或速度变换时的冲击现象。与伺服阀相 比． 电液 比例阀虽然动静态性能有些逊色 ． 但使用元件较少 ． 结 构简单 ， 制造较 电液伺 服阀容易 ， 价格低 ． 系统 的节能 效果好 ， 使用条件 、 保养 和维护 与一般液压 阀相 同 。 大 大地减少了由污染而造成的工作故障 ．提高 了液压 系 统的工作稳定性和可靠性 。经过不断地开发研究 ． 闭环 比例阀的稳态和动态特性能 ． 几乎不 比伺服阀逊色 ． 实 现 了阀中位的零遮掩 电液 比例控制 系统分 为开环控制 和闭环控制 。 在 开环控制 系统 中， 油液 的泄漏 、 油液 的压 缩性 、 摩擦 、 零 点漂移 、 线性 误差 、 磨损 等都 是误差 产生 的来 源 。 在速 度控制 中 ．最重要 的干扰量是 加在执行元 件上 负载 的波动 ．这 可通过压力 补偿器来 调节节流 阀 口 的压差 ， 而部分 的加予补偿 。对 有些场合 ， 如进 行位 置控 制或需要 提高 系统 的性能时 ．电液 比例 阀也可 作 为信号转换 与放大元 件组成 闭环 控制系统 。闭环 调节 技术使用 闭环 比例 阀 ．连续监 测传感器 和闭环 电控器 ． 随时纠正误差 。图 1为闭环 电液 比例控制 系 统 方 框 图 给定 信号 被控 变量 图 1 闭环 电 液 比例 控 制 系统 方 框 图 2 电液 比例 控制 技术在大 吨位塔机 中的 应用 2 ． 1 同步 回路 在大吨位塔机顶升液压系统 中．单个液压缸不能 达到满意 的负载需求 ．需要使用两个或多个液压缸保 持相同的位移和速度 同步运行 ．用液压系统 中的同步 回路实现同步运动 ． 这里采用双缸同步回路。衡量同步 运动的好坏指标是 同步精度 ．同步精度以位置误差或 以进入油缸流量的分流误差来表示 然而各执行元件 负 载不均衡 、 摩擦阻力不等 、 液压缸泄漏量 的不 同、 油 液 中混入空气和系统各部件的制造误差等因素 ．使得 多缸同步控制系统 的精确同步遇到了极大的困难圈 因 此在现有的生产条件下提高系统 的同步精度具有重要 意义 。 同步回路按控制形式的不 同分为开环同步 回路和 闭环 同步 回路。开环 同步 回路分为流量式 、 容积式和机 械式 ， 控制元件分别采用液压 阀、 液压泵或执行元件 。 这 种 回路结构简单 、 费用较低 ， 但 由于没有位置反馈 ， 同步精度一般较低 ．而采用闭环 同步 回路可以在动作 的过程中连续修正同步误差。根据控制元件的不 同。 大 致 分为泵控式 和阀控式两种 根据 同步系统的构成形 式 ， 又可分为并联式 、 跟踪式和同调式 。本文采用并联 式阀控 同步 回路 ．图 2为并联式 闭环 同步 回路系统方 框图 ．通过反馈 同时调节各 回路中的比例 阀来保证各 回路 间的同步 51 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 3年 第 1 1期 昝 毒 ] 翟 二 兰 兰 茎 薹 篓 羹 L 二 匦 巫 筵 图 2并 联 式 闭 环 同 步 回路 系统 方 框 图 2 ． 2 大吨位塔机顶升 比例控制系统 图 3为某公 司大吨位塔机油缸顶升系统 ．它采用 计算机控制 的液压同步提升新原理 ．结合现代化施工 工艺 ． 将大吨位构件整体提升到遇到高度安装就位 ． 实 现大吨位 、 大跨度 、 大面积 的高空整体 同步提升 。该系 统为并联式闭环同步回路系统 ．由两个规格 的电液 比 例控制系统 、 提升液压缸、 传感器检测系统和计算机控 制系统组成 依靠两个提升液压缸的共同作用提升大 吨位 、 大尺寸构件 ． 因此对两个液压缸 的同步精度要求 很高 1 一 液 压 泉2 一 溢 流 阀 3 一电报 比例 阎4 一阀放 大 器5 一调 节器 6 一 检测装置7 一 顶 升油缸8 一 平衡 阀组9 一 负载保持溢流 阀 1 0 一 防爆 阀 1 1 - 安全阀 1 2 一 单项节流 阀 图 3大吨位塔机系统图 主 液压 系 统 主要 由 主 电机 、 主液 压 泵 、 电 液 比例方 向阀、 负载保持溢流阀、 防爆阀 、 单 向节流阀、 安全阀 、 顶升油缸等组成 系统通过 电机泵组将机械能转换为 液压能 ． 油液通过电液 比例阀． 经过负载保持溢流阀和 防爆 阀进入到液压缸的无杆腔， 从而实现顶升动作 。其 中负载保持溢流阀和防爆 阀．起到了保障液压油缸在 顶升及负载保持过程 中的安全性 在有杆腔处液压油 经单 向节流 阀流回油箱 ， 从而实现了顶升速度的可调 为确保安全 ， 还设置有过载保护阀 当液压缸执行 回收 动作时 ， 液压油经单 向节流阀进入到有杆腔 中， 当有杆 腔压力和无杆腔压力之和建立至足 以克服负载保持溢 流阀弹簧力时 ． 负载保持溢流 阀打开， 无杆腔处液压油 5 2 流 回油箱 ， 液压缸执行回收动作。在此过程中负载保持 溢流阀起到了建立一定背压的作用 ．保证液压缸在 回 收 过程 中的动 作平 稳性 电控 系统 是整 个 液压 系 统 的关键 ．图 3中只详 细 描述了一个闭环 回路 另外一路与该路相 同 。设定信 号一般 以模拟量的直流电压信号来输入 ．通常的形式 有 电位器 ， 函数发生器 。 数字控制信号 ， 或从设备 的其 他驱动系统来 的信号 。被控制量 液压缸位移 的实际 值 由位移传感器测得 ． 同样进行 D ／ A转换后 ， 输 出模 拟直流电压信号反馈给电子调节器 该系统采用配置 涡流感测传感器 的液压缸 ．利用位移传感器来分别对 两个 液压缸 的活塞位 置进 行测量 ．从而 实现远程控 制 在电子调节器 内实现给定信号与反馈信 号 的比 较 ， 得 出位置偏差 。此偏差值经过放大器放大后 。 作为 控制量输入给电液 比例 阀内置 比例放大器 ．比例放大 器经变换后输出电流信号至线圈 ．控制 比例电磁铁产 生 的 比例 电磁 力 ．调 整 阀 芯位移 ．进 而调 整 阀 的通流 面积和流量 ．从而保证顶升液压缸 的位移同步 。共同 完成顶升工作 3 结论 本系统 已投入使用 通过生产实践证 明 本系统能 够保证双缸同步动作 ，工作平稳可靠 。希望本文能对 大吨位塔机液压系统的设计起到一定的借鉴作用 由 上述可见 ．电液 比例控制技术能大大简化液压系统 ， 提高 系统 性 能 ．并 已经 在 现代 塔 机上 得 到 了较好 地 应 用 ．发挥了不可替代的作用。随着电液 比例 阀的性能 进一步提高和应用 日益广泛 ．必将使工程机械产 品的 技术水平 、市场竞争力得到更大程度提高。使工程机 械向高效化 、 节能化 、 自动化 、 信息化 、 智 能化 的方 向 快 速 发 展 参 考 文 献 [ 1 】 叶建文． 电液 比例控制 阀在在工程机械中的应用研究[ J ] ． 机电 产 品开发与创新． 2 0 0 7 ． 2 8 4 3 5 ． 【 2 ] 吴根茂， 邱敏秀， 王 庆丰， 等． 新编实用 电液 比例技 术【 M】 ． 杭州 浙 江大学 出版社． 2 0 0 6 1 2 1 3 ． [ 3 】 许振保 ， 赵春娥． 电液 比例控制技术 的研究[ J ] ． 机械制造 与 自 动化， 2 0 1 0 ， 3 9 1 5 2 5 4 ． [ 4 】 汪建晓． 电液 比例控制技术及在 自动液压压砖机 中的应用[ J J ． 陶瓷， 2 0 0 1 ， 3 3 4 3 7 ． 【 5 ] 冯 华 ． 液压 同步 的 实 现与 应 用 [ J ] ． 中 国科 技 信 息 ， 2 0 0 6 ， 9 29 6-2 98 ．