双吊点液压启闭机系统的设计.pdf

2 0 1 0年 2月 第 3 8卷 第4期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I C S F e b ． 2 0 1 0 V0 1 ． 38 No ． 4 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 0 4 ． 0 1 8 双吊点液压启闭机系统的设计 王守城 ，段俊勇 ，张文武 ，任海霞。 1 ．青岛科技大学机电工程学院，山东青岛2 6 6 0 6 1 ； 2 ．中国海洋大学信息学院，山东青岛2 6 6 1 0 6 ； 3 ． 青岛职业技术学院海尔学院，山东青岛2 6 6 5 5 5 摘要针对双吊点闸门液压启闭机在大中型宽跨度的河道中双缸不同步问题，分析了其产生原因，提出了采用液压同 步回路控制闸门的开启／ 停留／ 关闭，采用 “ 主从方式”控制策略组成闭环同步控制回路，克服了液压同步闭环控制系统所 特有的强耦合及非线性等特点而产生的误差 ，实现了精准的自动控制。 关键词液压启闭机；P I D调节；闭环控制；液压同步回路 中图分类号T l 2 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 4 0 5 1 4 De s i g n f o r Do ub l e Po i nt s Hy d r a u l i c He a d s t o c k Ge a r S ys t e m WANG S h o u c h e n g ， D UAN J u n y o n g ，Z HANG We n wu ，RE N Ha i x i a 1 ． C o l l e g e o f E l e c t r o me c h a n i e a l E n g i n e e r i n g ，Q i n g d a o U n i v e r s i t y of S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Q i n g d a o S h a n d o n g 2 6 6 0 6 1 ，C h i n a ； 2 ． I n f o r m a t i o n C o l l e g e ，O c e a n U n i v e r s i t y o f C h i n a ，Q i n g d a o S h a n d o n g 2 6 6 0 0 3 ，C h i n a ； 3 ． Ha i e r C o l l e g e ，Q i n g d a o T e c h n i c a l C o ll e g e ，Q i n g d a o S h a n d o n g 2 6 6 5 5 5 ，C h i n a A b s t r a c t T h e r e R s o n o f t h e t w o c y l i n d e r u n s y n c h ron i z e d p r o b l e m f o r t h e d o u b l e p o i n t h y d r a u l i c h e a d s t o c k g e a r i n th e m a j o r o r m e d i u m m o d e l w i d t h r i v e r W a S a n a l y z e d ．T h e t e c h n o l o g y u s e d h y d r a u l i c s y n c h ron i z a t i o n c i r c u i t a n d P L C c o n t r o l P I D a d j u s t m e n t w a s p rop o s e d ． Us i n g h o s t s l a v e c o n t r o l s t r a t e gy t o c o mp o s e c l o s e d l o o p s y n c h r o n i z a t i o n h y d r a uli c c i r c u i t ，the e l T o r Was r e d u c e d tha t W as p r o d u c e d f r o m t h e c h a r a c t e r i s ti c s o f c l o s e dl o o p c o n t r o l c o u p l i n g a n d mi s ali ．me n t o f t h e h y d r a u l i c s ync h r o n i z a t i o n c i r c u i t ．t h e a c c u - r a t e c o n t r o l wa s r e ali z e d ． K e y w o r d s H y dra u l i c h e a d s t ock g e a r ；P I D a d j u s tme n t ；H y dra uli c c l o s e d l o o p c o n t r o l ；H y d r a uli c s ync h r o n i z a ti o n c i r c u i t 液压系统具有 自身力量大、惯性小、运行平稳 ， 适合频繁换向和启动等优点，在水利电力行业中有 着极为广泛的应用。在三峡、小浪底、二滩等大型水 电枢纽中，都可以看到通过液压装置进行起 吊提升、 水平推拉、牵引和卷扬 ，对大型闸门进行启闭控制， 使一些巨大的组合件安装就位；通过超高压液压压 接钳实现电力导线的压接作业；采用液压技术实现 高压线的张力架线。总之 ，液压技术在整个水 电领 域无处不在 ，展示着它特有的魅力。 1 双吊点液压启闭机系统 液压启 闭机是 一种 应 用 江河 闸 门控制 的液 压 系 统 ，它对于实现水资源的调配控制 ，自然灾害的防 治有着十分重要的意义 。 1 ． 1 双 吊点液压启闭机功能介绍 双吊点液压启闭机采用单泵供油，双液压缸驱 动实现对闸 门的控制。整个过 程包括 闸门的上升 闸门开启 、上升到一定高度后的停留 闸门处于 指定开度 、下降到最低点 闸门关闭3个阶段。 系统采用 P L C 、视频采集设备进行控制，外加程控电 话在工程现场与中央控制室进行通讯联系，要求实 现闸门 3 个阶段准确自动控制，并能将现场情况以视 频的方式准确地呈现在控制人员的面前，控制通讯 系统布局如图 1 。 收稿 日期 2 0 0 9 0 2 0 5 作者简介王守城 1 9 6 4 一 ，男，教授 ，研究方向为液压伺服技术。 图 1 液压启闭机系统控制布局图 上升时，左右两边两个液压缸同步驱动，闸门上 5 2 机床与液压 第 3 8 卷 升，两边的比例调速 阀进行速度调节，采用以其中 一 个 的速 度 为 基 准 、让 另 外 一个 跟 随 的主 从方 式 ， 达到 同步之 目的。 在液压 控 制 系统 中 ，要 到达 同步 ，可 以采 用 串 联缸进行同步，也可以用精度较高的调速阀来同步 ， 甚至可以用两个独立、但结构配置完全相同的液压 系统来 同条件、同时刻驱动 以达到同步 之要求⋯。 对于采用 两个 独立 、结 构 配置 完 全相 同的 液压 系统 进行驱动的设备，从理论上讲 ，可以通过控制系统 准确地控制两个泵 同时、以相 同的参数启动工作， 此时两个 液压 缸 的运行 可 以达 到 同步之 功效 。实 际 中，很难确保两个系统同时启动 的初始条件相 同， 而应用这种 系统 主要是 考 虑到 实 际施工 现 场 的土建 方面 的情 况 ，有 的河 面较 宽 ，又 不方 便 把液 压 站安 装在河的 中央 距 离闸 门左右 两端 受力 处 相等 的地 方 。而采用 串联缸进行 同步 ，泵 的压力为两 个缸所 承受压力 之 和 ，考虑 到 闸 门的重 量 ，泵 的特 性成 为 制约其 广 泛 应用 的瓶 颈 。对应 于 电控 制 系统 来 说 ， 在控制方 面 的准确 及 时 ，也对 液压 系统 的 同步会 产 生重要影 响 虽然 说 只要 液压 系统 有足 够 的精度 来 保证同步举升 ，相关的控制检测环节可以省略，但 两个相配合 的体系之间都无法做到尽善尽美 ，只有 各 自发挥其特点，才能相得益彰，臻于至善。用传感 检测系统来保证控制精度，防止在上升出现 “ 卡死” 现象。对于 “ 卡死” ，最好的解决方法是采用 自动纠 偏装置。在位移传感器检测到左边液压缸行程较右 边大时，自动给定电流信号调节左边的比例调速阀， 降低其速度以 “ 等待”右边的液压缸跟进；或以其 中一个液压缸 的行程量作为反馈量 ，构造一个全闭 环 P I D系统 ；如果活塞杆 的行程不便于检测 ，也 可以 直接 以流量 为反馈量形成 一个半闭环 系统 ，P I D控制 部分作 为系统 控 制 的 中断子程 序 ，当左 右两 边 的 高度偏差超过设定值时，也即闸门左右两端的高度 相差超过警 戒 ，将 出现 “ 卡死 ” 时 ，进 行 自动 纠偏 处理。 闸门达到指定开度后 ，须停留，以便水流通过， 此时，泵卸荷 ，系统处于严格的保压状态。停留的时 间由需要排放的水量和水流速度决定 ，压力大小 由 系统 自动判定 ，要保证 闸门在 当前位 置处 于静止 状态。 闸门下降时，须匀速下降，下降速度 同样由比 例阀控制。 视频监控 系统将 各个 环 节 的视频 信 息传 递 给 中 控室操作人员，以便在各个检测环节传感器出现故 障、无法准确传递信息时，通过视频做 出人为的决 策 ，也是 系统控制 的重要保护措施 。 1 ． 2双吊点液压启闭机液压系统及工作原理 液压系统原理 图如 图 2 ，系统左右两边 为两个 阀 控系统，分布在闸门两端 ，执行机构液压缸缸体与土 建水泥墩固定。系统启动后 ，活塞杆同时顶起闸门向 上运动，实现闸门的开启。中间的一组阀控系统为备 用。系统下部为动力部分，液压泵一备一用 ，为系统 供油 ，系统工作压力 1 5 M P a ，单泵流量4 9 ． 5 L ／ m i n ， 主泵 电机 1 5 k W ，转速 1 5 0 0 r ／ m i n 。 系统开启之后，在闸门两端各安装有一个接近 开关 ，检测 到一 端液 压缸 活塞 杆接 触 到 闸门被顶 点 时，立即调整电磁 阀，使液压缸停止上升，系统泄 荷，保持杆的当前位置，如果检测到另外一端的活塞 杆也 到达 闸门被顶点时 ，再开始同步上升 ，这样是为 了让两活塞杆的初始位置在相同的高度 ，保证两边 是 同时接触 闸门 、同时举升的 。在上升过程 中通过调 速阀使两边的速度相等，如果出现偏差，造成闸门的 高度超出设定值 ，立即进行纠偏处理。水位的监测由 超声波传感器来检测 ，水位达到排放后的标准，闸门 开始下降关闭。下降过程 中的速度仍 由调速阀来控 制调 节。 液压 系统 的工作原理如下 在中央控制室 ，操作人员按下启动按钮，主泵电 机 1 0启动 ，叠加式溢流阀 1 2调节系统压力 ，此时 电 磁换 向阀 1 3得电，油液经板式单向阀 1 6和高压过滤 器 2 1 ，进入三位 四通 电磁换 向 阀 2 4 ，电磁铁 2 D T得 电，油液经过双向液压锁 2 6和单向节流阀3 1 后进入 液压缸的下腔 ，驱 动闸门上升 ，液压缸上腔油液经比 例阀2 5 后回油箱；在达到指定开度后，闸门停止上 升 ，停留一 段时间 ，让水流排 出，此时采用液压锁 保 压，维持闸门的停留状态 ，电磁换向阀 1 D T 、2 D T均 失 电，换向阀处于 中位 ，电磁 换 向阀 1 3处 于左边 工 作位，溢流阀远程控制 口压力为0 ，泵卸荷；闸门下 降时，电磁换向阀 1 3重新处于右边工作位，电磁溢 流阀在调定压力之下工作 ，1 D T得 电，电磁换 向阀 2 4处于左边工作位，油液经过液压锁 2 6的液控单向 阀和叠加式节流阀3 l的单 向节流阀后进入液压缸的 上腔 ，闸门开始下降，液压缸下腔的油液仍通过比例 阀回油箱，由于单向节流阀的作用，上升的速度将比 下降缓慢。囊式蓄能器 2 9放在支路，能有效地补充 系统泄漏，吸收液压冲击，使闸门的运行平稳。右边 系统与左边完全相同，液压缸活塞杆作用在闸门右 端与左端一起实现闸门的启闭、停留工作。 第 4期 王守城 等 双吊点液压启闭机 系统 的设计 5 3 1 一全铜球阀2 一油箱3 一液位液温计4 一液位控制器5 一温度变送器6 一空气滤清器7 一球阀8 一挠性接头 9 一齿轮泵1 0 一电机1 1 一吸油滤油器1 2 一叠加式溢流阀 l 3 一电磁换 向阀 l 4 一压力表开关1 5 一耐震压力表 l 6 一板式单向阀1 7 一高压球阀1 8 一回油滤油器1 9 一铜球阀2 0 一风冷却器2 l 一高压过滤器2 2 一高压球阀 2 3 一单向阀2 4 一电磁换向阀2 5 一比例阀2 6 一叠加式液控单向阀2 7 一高压球阀2 8 一板式溢流阀 2 9 一囊式蓄能器3 O 一压力变送器3 1 一叠加式节流阀3 2 一带排气测压接头3 3 一高压球阀 图 2 液压系统原理 图 2控制系统的主从控制策略 在该 系统 中 P I D的主从 控制策 略 ，如 图 3 ，以其 中一 个柱塞 缸的速 度为设 定值 S VS e t t i n g V a 1 ． n e E 3 3 ，另外一个柱塞缸跟随，保持同步，这样可以 有效地避免给定一个 固定的 S V，两个液压缸速度必 须同时满足 S V的 “ 高要求” 。在程序 中先将设定值 输入到 P L C的存储单元 ，与反馈过来 的反馈值进行 偏差运算 ，然后送人 P I D操作模块 ，经过运算后得出 操作值 ，经由模拟量输 出模块转换成相应 的模拟量 给比例 调速阀 ，对速度做 出调整 。 ⋯⋯一⋯一lc P I ⋯⋯⋯⋯⋯一 。 一 9 考 I 调节⋯ ⋯ ． 给 定 图 3 主从控制策略的 P I D原理图 5 4 机床与液压 第 3 8卷 3 结束语 液压锁 2 6 放在单向节流阀3 l 之后，避免了因节 流阀造成 的液压冲击对液控单向阀液控 口的影响 ， 使液控 口不稳定、不能保压，闸门在停 留过程中将 由于 自重而下落，产生事故。在闸门与滑轨之间可 安装液压装置支撑 ，用以平衡或抵消卡紧时产生 的 扭矩 J ，是在控制系统之外能采取的行之有效的防 卡死手段。系统启动后 ，能在换 向阀2 4处于失电的 状态下，进行油路 的循环，将有利于在左右两个支 撑点的管路系统中建立起相同的油压。换向阀 2 4的 中位机能为 “ Y”型，使系统在保压状态下将各油口 与油箱连 通 ，泄漏 油 直接 回油 箱 ，有 效 的 防止 了泄 漏油液污染河水。采用 “ 主从控制”的策略后，同 步精度得 到 了很大 的提 高 ，闸 门 “ 卡死 ” 的情况 基 本上不复存 在 。整 个 闸 门启 闭 机液 压系 统安 装在 沿 河道两侧的水泥砌成 的坑道 中，各液压元件应有较 好的防湿 、防潮处 理 ，特别 是需 要带 电工 作 的元 件 ， 电线路要做特别的处理，以免短路或漏电 ] 。 参考文献 【 1 】王守城 ， 容一鸣． 液压传动[ M] ． j E 京 中国林业出版社 ； 北京大学 出版社 ， 2 0 0 6 ． 8 ． 【 2 】 谢少荣 ， 罗均 ， 吴安德． 常用可编程序控制器及其应用 [ M] ． 北京 化学工业出版社， 2 0 0 6 4 1 ． 【 3 】 林建航， 黄万东， 田立超． 高压液压泵微机辅助测试试验 台系统设计[ J ] ． 福州大学学报 自然科学版， 2 0 0 2 ， 3 0 5 5 6 45 6 6 ． 【 4 】 T A N G B a o p i n g I m p l e m e n t a t i o n o f i n t e l l i g e n t v i r t u a l c o n t r o l s b a s e d o n Q i n m o d e l [ C] P r o c e e d i n g s o f t h e S e c o n d I n t e r - n a t i o n al S y mp o s i u m o n I n s t r u me n t a t i o n S c i e n c e a n d T e c h - n o l o g y， 2 0 02 ． 【 5 】 杨黎明， 等． 机械零件设计手册[ M] ． 北京 国防工业出 版社 ， 1 9 8 7 ． 【 6 】 刘培基 ， 王安敏． 机械工程测试技术[ M] ． 北京 机械工 业 出版社 ， 2 0 0 3 ． 上接 第 1 0 5页 物引起的擦伤 ，要清除污物，并用油石或刮刀将擦 伤部位修平；而对胶合、咬死及硬颗粒引起的研伤， 则必须进行 修 复。现 以实例 来探 讨 出现 研伤 后如 何 修复。 3 ． 1 滑动 轴承 与轴 的修 复 1 滑 动轴承 表 面被研 伤后 ，首选 的修 复方 案 应是刮研方法。一般来说，滑动轴承都留有可供调 整和修理的余量 ，可以满 足机床的一个修理周期。 如果研伤十分严重 ，修理余量不能满足，就需要考 虑更换了。两半瓦式滑动轴承研伤后，可以减薄垫 片重新组装后 ，刮研 轴瓦 内孔直 至达 到精度要求 为止 。 2 当轴颈有研伤后，可采用磨小轴颈、更换 滑动轴承的方法。但轴颈修磨量不宜太大，比如机 床主轴，修磨量不宜超过轴颈表面淬火厚度 ，或者 渗碳、氮化、氰化的厚度，修磨后轴颈表面硬度不得 低于原设计硬度的下限；对于传动轴来说，轴颈不 应小于在装配方向前端轴颈或凸台的尺寸。如果用 焊补的方法来修复轴颈，那么要考虑焊补加热过程 对轴的几何精度、机械强度及表面硬度的影响。轴 颈修复后，一般 都需要按轴颈 重新配做滑动轴 承 或称轴套 。 3 ． 2 机床导轨的修复 对于机床导轨的轻微研伤和擦伤，只要用刮刀 或油石修复，即可继续运行。而对胶合性研伤 ，则需 要用焊补或充填黏补的方法来修复，在机床大修理 时，对导轨一般是采取如下两种方法修复① 首先 把床身导轨进行精刨、精铣或精磨 ，将研伤修平，然 后根据床身导轨修去的尺寸以及滑板的磨损情况， 或者更换滑板 ，或者在滑板导轨上黏接其他补偿材 料，比如聚四氯乙烯软带、环氧类耐磨涂料、镶尼龙 板或金属板等 ，以补偿尺寸链 ；② 在精加工后的床 身导轨上镶上预先热处理过的钢导轨或淬硬钢带。 4 结束语 对 于某公 司在 生产 过程 和 维护设 备 过 程 中遇 到 的研伤现象 ，采取以上所述的相应措施，基本上都能 得 到很好 的解决 。 参考文献 【 1 】铁维麟． 机床使用保养调整技术问答[ M] ． 北京 冶金工 业出版社； 机械工业出版社， 1 9 9 9 ． 1 2 ． 【 2 】吴国 华． 金属切削机床 [ M ] ． 2版． 北京 机械工业出版 社， 2 0 0 1 ． 2 ． 【 3 】黄文虎， 夏松波， 刘瑞岩． 设备故障诊断原理技术与应用 [ M] ． 北京 科学出版社， 1 9 9 6 ． 8 ．