双缸同步液压翻转系统研究.pdf

2 塑 ； d o i l O ．3 9 6 9 ．is s n ． 1 0 0 8 0 8 1 3 ． 2 0 1 6 ．0 1 ．0 0 5 双缸同步液压翻转系统研究 滕 达 ， 张阿玲， 陈 炼， 朱 胜， 谭 技 湖北三江航天万山特种车辆有限公司 地面装备研究所， 湖北 孝感4 3 2 0 0 0 摘要 针对核电厂重型模块与工艺装置精确对接的难题， 分析了首台双缸翻转设备液压原理， 并针对其不足， 优化了液压同步控制 原理。在控制策略方面， 采取了“ 分级P I D ” 和“ 主从动” 控制策略相结合的方式， 极大改善了系统的同步精度和可靠性， 达到了设计技 术要求。 关键词 液压系统 ； 双缸同步 ； 主从动控制 ； 精确对接 中图分类号 T H1 3 7 ； T P 2 3 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 6 0 1 0 0 2 3 0 4 Re s e a r c h o n S y n c h r o ni z a t i o n Co n t r o l 0 f TwO Cy l i n d e r s Re v e r s i b l e Hy d r a u l i c S y s t e m T ENG Da ， Z HANG A l i n g , CHE N Li a n ， Z H U S h e n g , T AN J i Hu b e i S a n j i a n g S p a c e Wa n s h a n S p e c i a l V e h i c l e C o ． ， L t d ． ，I n s t i t u e o f G r o u n d E q u i p me n t ， Xi a o g a n 4 3 2 0 0 0 ， C h i n a Abs t r a c t I t i s d i ffic u l t t o a c c u r a t e l y d o c k i n g t h e p r o c e s s u n i t a n d h e a v y mo d u l e o f n u c l e a r p o we r p l a n t ， S O t h e p a p e r a n a l y z e s the p r i n c i p l e o f t h e t wo h y d r a u l i c c y l i n d e r r e v e r s i b l e s y s t e m， a n d o p t i mi z e t h e s y n c h r o n i z a t i o n c o n t r o l p r i n c i p l e ． T h e n e w c o n t r o l p o l i c y c o mb ine o f h i e r - a r c h i c a l P I D a n d Ma s t e r - s l a v e c o n t r o l ， a n d i t g r e a t l y i mp r o v e t h e s y n c h r o n i z a t i o n p r e c i s i o n and r e l i a b i l i t y ． Ke y wo r d s h y dr a u l i c s y s t e m ； tw o c y l i n d e r s y n c h r o n i z a t i o n ； m a s t e r - s l a v e c o n t r o l ； a c c u r a t e d o c k i n g O 引言 核电厂的工程应用中常需要使用重型模块 ， 模块 重约 8 0 t ， 外形尺寸约为 2 5 mX 4 ． 5 mX 3 ． 5 m， 该模块在施工 厂内进行制造。制造完毕后 ， 须由水平状态运输至作 业场地 ， 然后垂直安装 ， 并 同时与一工艺装置进行精确 对接并紧 固。在此之前 ， 该重 型模块一般是通过 36 台吊车进行安装 ， 这种安装方式安全性差 、 操作 困难 、 作业时间长、 安装费用高。为了克服这一难题， 研制了 一 台翻转对接设备 ， 此设备 的技术难 点之一是通过双 缸液压翻转系统将重型模块 由水平翻转至垂直状态 ， 并精确对接与安装。 该 翻转设备在工作过程 中涉及 到了双缸液压 同步 的问题 ， 这也是此设 备在出厂调试 以及用 户使用过程 中会遇 到且必须解决的难题之一。如果双缸 翻转不同 步 ， 轻则 延误重型模块 的准时安装 ， 费用提高 ， 重则 导 致重型模块和翻转设备的损坏。笔者设计了一种较好 的方案解决 了这一难题 ， 保证 了整个 工作 流程 的安全 性和可靠性 。 1 翻转原理分析 翻转设备通过两个油缸实现翻转 。在工作开始 前 ， 翻转设备处于水平状态， 两个油缸沿设备中心线对 称布置在两侧， 压力油流人油缸的大腔， 从而驱动翻转 收稿 日期 2 0 1 5 0 7 1 4 作者简介 滕达 1 9 8 5 一 ， 男 ， 湖北孝感人 ， 硕士研究生， 现从事车载电液 传动与控制技术的研究工作。 设备处于垂直状态。翻转设备及其工作状态分别如图 l ～ 图 3 所示。 图 1翻转设备初始状态 图 2 翻转设备工作状态 图3翻转设备最终状态 液 压 气 动 与 密 ／ 20 1 6年 第 O 1 期 当设备开始工作时 ， 由于流量分配精度的差异 ， 两 个油缸伸出的行程会有一定的差异 ， 如图2 所示 ， 假设 左 油缸 A C和右油缸 A C分别 翻转至 3 9 ． 5 。 和 4 0 。 ， 则油 缸 由 3 1 9 8 mm初 始 状 态 分 别 伸 长 至 6 3 9 4 ． 6 mm和 6 4 3 8 ． 5 mm， 此状态下所需 容量分别 为 4 0 7 L和 4 1 1 ． 6 L ， 两者所需容量相差 4 ． 6 L， 同步精度约为 1 ． 2 ％。 液压泵为P VI 8 0 变量泵 ， 转速为 1 4 5 0 r ／ mi n ， 则理论 平均分配流量为 1 3 0 ． 5 L ／ rai n 。一般 的同步分流 阀的精 度仅 4 ％左右 ， 亦即流量相差 5 ． 2 2 L ／ ra i n ， 因此一般的同 步分流阀达不 到所需精度 ， 并且分流 阀只能在行程终 端消除位置误差 ， 因此运动过程 中的累积误差很可能 会导致设备的损坏。 2 液压同步控制系统的设计 同步翻转控制部分主要 由三级油缸 、 平衡 阀、 整流 板、 调速阀和电磁换向阀等组成 ， 首台翻转设备液压同 步控制系统的翻转原理如图4 所示。 图 4首台翻转设备的液压控制原理 2 ． 1 负的负载的解决方案 由于重型模块在翻转至 9 O 。 时 ， 整台设备的重心 已 经过 了9 O 。 ， 此 时油缸处于被拉的受力状态 ， 为防止牵 拉状态 下的重型模块在其运动时失控加速 ， 因此在油 缸的进 出口增加了一个抗负负载的平衡阀。这个平衡 阀可以产生一个总是略高于负载压力的流阻， 这一流 阻压力 只是在负 的负载情况下才产生 ， 如果负载是正 的 ， 也就是负载作用于运动的相反方向， 平衡阀将完全 开启 ， 可使 回油流畅 ， 同时由于节流孔是 自调节 的 ， 因 而能连续适应负载的任何变化 。如果负载压力是起伏 波动变化的 ， 则 自适应调节的节流孔将改变开 口大小 ， 这将有效克服负载的起伏波动 。 2 ． 2 同步翻转原理的设计 由图 4 可知 ， 双缸同步翻转时 ， 其 同步控制精度完 全取决 于调速 阀。一旦调速阀的过流量被设定 ， 则翻 4 转过程 中， 双缸伸 出的速度就完全被确定 ， 不能精确微 量控制 。另外 ， 重型模块在放置在翻转设备时 ， 不能完 全保证模 块的质 心与 翻转设备 的质心在同一平 面 ， 这 就会导致左右两油缸受力不均匀 ， 进 一步增加 了同步 控制的难度 。 为了保证双缸在工作过程 中的同步精度和在其行 程的末端可以精确控制位移， 对图4 所示控制原理进行 了优化 ， 优化之后的控制原理如图 5 所示。 【 1 I 厂 I厂■ j 哐 旨 I ／ 入 ／ P r { } ● 图 5 改进后的控制原理 图5 所示液压原理在 图4的基础上 采用 了闭环控 制 ， 图 5 采用 了一个手动调速阀和电比例调速阀 ， 另外 增加 了一个小通径的电磁换 向阀和一个调速 阀 ， 进行 补油精确控制。 电气系统 中增加 了两个角度传感器 ， 以实时采集 角度 ， 便于控制器实时调节。当两个液压缸出现位置 误差时 ， 自动控制系统就会发 出信号 ， 调节 比例阀的开 度 ， 实现同步。 自动控 制系 统 的控 制策 略采 用分级 P I D控制 策 略， 即两个角度传感器检测的两油缸实时角度差值较 大时， 系统调用第一级 P I D程序， 通过图6 所示的控制 策略进行实时调节 。当两油缸接近终点时 ， 系统调用 第二级 P I D程序 ， 按照图 7 所示的控制策略进人精确控 图6第一级 P I D闭环控制策略 图 7 第二级 P I D闭环控制策略 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 0 1 ． 2 0 1 6 制阶段， 即两油缸实时角度的差值较小时， 控制器输出 控制信号驱动补油用的电磁阀实时调节阀口开度， 以 此达到精确控制油缸位移 的目的。 2 ． 3 工作流程 依照控制原理图5 所示 ， 当重型模块开始精确对接 之前 ， 首先将其翻转至 9 O 。 。此 时主电磁换 向阀右 阀芯 得 电， 压力油 P 1 经过换 向阀后 ， 油液分为两路 ， 一路流 经整流板和事先设定好的手动调速阀， 另一路同样先 经整流板 ， 然后经过 电比例调速阀 ， 最后经过平衡 阀后 到达油缸大腔 ， 亦即开始翻转 。设 置 电比例调速阀的 目的是 实现“ 主从 动控 制” ， 即通过第一 级 P I D程 序 自 动控制 电比例调速 阀， 实现右侧油 缸“ 跟从 ” 左侧油缸 的同步。 当两油缸接 近终点时 ， 控制 系统关 闭主电磁 换 向 阀， 停止调用第一级P I D 程序 ， 并 自动启用第二级P I D 程序 ， 实现小流量补油 ， 达到精确控制 的目的。 当需要收回时 ， 主电磁换 向阀左阀芯得 电， 压力油 P 2 经过主电磁阀后 到达油缸 的小腔 ， 在负载 的重力和 压力 油 P 2的共 同作用 下 ， 油缸 大腔 的油液经 过平衡 阀、 整流板和调速阀后 ， 回至油箱。下降过程中， 同样 通过第一 级 P I D程序 自动控制 电比例调速 阀 ， 以此实 现两油缸收回过程 中的同步。 通过A m e s im仿真软件的建模与仿真， 仿真时间为 3 5 s ， 得到仿真结果 ， 如图 8～图9 所示 ， 图 8 所示 的是在 第一 级 P I D程序 控制 下 ， 两个 油缸大 腔 的流 量 比较 。 图 9 所示 的是在第二级 P I D程序控制下 ， 两个油缸在接 近末端时的补油 比较。 一 左 油缸 A C ‘ ⋯ 右 油缸 A C 螽1 0 O 图8 I 级过程 中油缸大腔流量 一 左油缸 A C ⋯ 右油缸 A C b 80r 。置 70 一一一一一一一～一一一一一一一 6 ． 0 一 5 ． 0 f- 1 ．0 O 图9 I I 级过程中油缸大腔补油 由图 8和图 9 可 以看 出 ， 主动缸 左油缸 A C 与从 动 缸 右油缸 A C 最大 的流量差 值约为 3 L ／ mi n 。在补 油控制过程中 ， 两者差值约 1 L ／ mi n ， 其精度远远高于同 步分流阀， 系统的同步控制性能得到了有效提高。 2 ． 4 试 验验 证 优化翻转 控制原理后的设备按照 1 1 进行 了配重 调试试验 ， 翻转设备配重试验如图 1 O 所示。 图 1 0 配重调试试验 在配重调试过程 中， 通 过电控系统的上位机对油 缸行程的数据进行了实时检测， 任取3 个角度的数据， 如表 1 所示 。 表1油缸位移试验数据 名称 左油缸 右油缸 偏差 实测油缸工作长度 mm 6 2 1 0 ． 1 6 5 3 0 ． 7 6 6 0 3 ． 5 6 1 6 3 ． 9 6 4 7 1 ． 2 6 5 51 ． 2 4 6 ． 2 59 ． 5 5 2 ． 3 由实测数据可知 ， 三组数据中同步误差的最大值 为 5 9 ． 5 m m， 其同步精度约 l ％， 具有好的配重试验效果 ， 并完全超 出了预期值 。 3 结束语 综上所述 ， 翻转同步控制系统采用“ 分级 P I D ” 和 “ 主从动” 相结合的控制策略， 实现了系统的大偏差同 步控制和补油精确控制的复合调节。通过对同步翻转 液压系统的优化、 分析、 仿真与试验验证， 表明优化后 的液压 同步系统 在运行过程 中具有 同步精度高 、 安全 可靠 、 鲁棒性好的特点， 达到了设计 目的， 满足了设计 技术要求 ， 适合在工程机械领域的推广应用。 参考文献 [ 1 ] 高钦和， 黄先祥． 多级缸起竖系统运动过程的建模与仿真[ J ] ． 系统仿真学报， 2 0 0 5 ， 1 7 7 1 5 6 3 1 5 6 5 ， 1 5 6 8 ． [ 2 ] 于贵文， 臧克江，林晶． 双作用多级液压缸的设计【 J ] ． 中国工程 机械学报， 2 0 0 7 ，5 4 4 3 0 4 3 3 ． 液 压 气 动 与 密 ； d - ／ 2o l 6年 第 0 1 期 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 。 i s s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ． 2 0 1 6 ． 0 1 ． 0 0 6 二通 比例流量插装 阀的动态特性仿真 张 威 太原通泽重工有 限公司 ， 山西 太原0 3 0 0 3 2 摘 要 通过对二通比例流量阀工作原理的分析 ， 考虑负载特性 ， 利用仿真软件 A ME S i m建立了相应的液压模型并进行了动态仿真， 达 到研究二通比例流量阀动态特性的目的。在此基础上验证并修正仿真模型 ， 确保液压系统仿真时的准确性。 关键词 液压系统； 建模； 动态仿真； A ME S i m 中图分 类号 T H1 3 7 ． 5 1 文献标 志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 6 0 1 0 0 2 6 0 3 S i mu l a t i o n f o r Dy n a mi c Pe r f a l r ma nc e o f Pr o p o r t i o n Fl o w Ca r t r i d g e Va l ve zHANG Wle { T a i y u a n T o n g z e He a v y I n d u s t r y C o ． ， L t d ． ， T a i y u a n 0 3 0 0 3 2 ， C h i n a Ab s t r a c t By a n a l y s i s wo r k i n g p r i n c i p l e o f p r o p o r t i o n flo w c a r t r i d g e v a l v e a n d c o n s i d e r t h e l o a d c h a r a c t e ris t i c ， t h e 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 s y s t e m wa s mo d e l e d a n d d y n a mi c s i mu l a t e d b y me a n s o f s o ft wa r e AM ES i m ， i n o r d e r t o s t u d y d y n a mi c p e r f o r ma n c e o f p r o p o r t i o n flo w c a r t r i d g e v a l v e 。 Ve ri f y a n d c o r r e c t s i mu l a t i o n mo d e l t o e n s u r e t h e a c c u r a c y o f h y d r a u l i c s y s t e m s i mu l a t i o n ． K e y wo r d s h y dra u l i c s y s t e m ；mo d e l e s t a b l i s h； d y n a m i c s i mu l a t i o n； AM ES i m 0 引言 随着流体力学 、 算法理论 、 现代控制理论 、 可靠性 理论等学科的发展， 特别是在计算机技术飞速发展的 今 天 ， 流体仿真技 术也 日益成熟 ， 越来 越成为液压设 计人员 强有力 的辅助工具n 。由于 目前液压机对高速 度、 高压力、 高精度性能的要求， 所以从液压件的选型 开始就提 了很高 的要求 ， 普通滑 阀流动 阻力大 、 通 流能力小的特点已很难满足设计要求 ， 所以在设计上 大量选用 了满足此工作 性能 的二通 方 向插装 阀 。插 装 阀的应 用使系统 的结构和性 能都得到 了极 大 的改 善皿 1。其中二通比例流量插装阀是大流量柔性控制液 压系统设计 中的重要组成部分 ， 因此研究该类元件特 性对液压控制系统的静动态特性首先需建立关键元 件 的仿真模型 ， 然后在此基础上通 过对动态特性进行 研究最终达到优化系统性能的 目的。国内采用 P L C为 主控制器I 对实现复杂 的非线性控制算法存在一定 的 收稿 日期 2 0 1 5 0 9 0 9 基金项目 国家科技重大专项资助项目 2 0 1 1 Z X 0 4 0 0 1 0 5 1 作者简介 张威 1 9 8 2 一 ， 男 ， 山西太原人， 工程师， 硕士， 主要研究方向 为流体传动 。 - 一- - - - 一 - - 卜一 卜- 卜- - - - - 4 -- - t -- 一 - 一 【 3 ] 邓飙， 刘先煜， 董江曼． 八缸液压同步举升装置的设计【 J 】 ． 机床 与液压， 2 0 0 4 ， 4 1 2 6 - 1 2 6 ， 1 4 0 ． [ 4 】 张正中． 基于 A ME S i m的液压双缸同步动作仿真及试验研 究【 J 】 ． 金华职业技术学院学报， 2 0 1 1 ， 1 1 3 4 2 4 5 ． 【 5 】 王经伟． 液压系统同步回路的设计【 J 】 ． 流体传动与控制，2 0 1 0 ， 4 5 5 5 7 ． 2 6 困难 ， 因此研究简便且合适的控制方法实现大吨位负 载运 动时 的快速性 、 精 确性及平稳 性具有 现实 、 重要 的工程意义I 。 本文利用A ME S i m仿真软件中的液压元件设计 库 建立 二通 比例 流量插 装 阀 的仿真模 型 ， 并与 样本 曲线进行对 比 ， 验 证并修正仿 真模型 ， 确保 液压系统 仿 真 时 的准确性 。对 于 系统 的仿真 来说 ， 对所 选元 件 的仿 真是 基础 ， 只有 准确 的 描述 了元件 的仿 真才 能更加真实可靠 的对整个液压系统的动态特性进行 研 究分析 。 1 二通 比例流量插装阀仿真模型的建立 下面对 回路 中常用的如图 1 所示 的二通 比例流量 阀进行建模仿真。在AME S i m环境下 ， 利用 S k e t c h 模式 调用软件系统提供的机械库、 液压库和信号库建立如 图 2 所示的液压 系统仿真模型图 。主要仿真参数设置 列 表 1 。 t 己 1 牛 的垂 ； 为2 wRC E 6 3 一 K 0 0 1 1 4 ／ S G2 4 ／ M～ 5 4 。 通过查询该阀样本 中的结构参数以及对未知且重 要参数 的实际测量 ， 在定义模式 中汇总并输入该 阀的 具体设定参数， 下表 1 为该阀的主要设定参数。 - - - - - - - 一 - - - - - [ 6 】 徐达， 郝琢， 李华． 弹药自动填装机器人控制系统开发平台设 计[ J 1 ． 计算机测量与控制， 2 0 1 1 ， 1 9 4 8 5 7 8 5 9 ． [ 7 ] 吴光强， 王会义． 车辆静液压驱动与智能控制系统[ M】 ． 上海 上海科学技术文献出版社， 1 9 9 8 ． [ 8 】 徐达， 夏祥， 李华， 肖自强． 弹药自动装填机器人作业平台仿真 系统设计与实现『 J 1 ． 装甲兵工程学院学报， 2 0 1 2 ， 5 5 5 5 8 ．