重载升降平台纯水液压驱动系统设计.pdf

液 压 气动 与 密 ． - 1 2 0 1 2年 第 8期 重载升降平台纯水液压驱动系统设计 程 志 ， 徐 兵 浙江大学 流体动力与机电系统国家重点实验室， 浙江 杭州 3 1 0 0 2 7 摘 要 针对本升降平 台重载 、 低速 、 高可靠性 的要求 ， 在对液压驱动系统功能分析的基 础上设计 了纯水液 压驱 动系统 回路 ， 包括水缸 控 制系统 和泵站系统 。 系统采用进 口节流式调速回路 ， 对几种水缸速度控制回路进行 了比较分析 ， 依据水压阀的特性 ， 确定了比例 阀和 普 通节 流阀两种调速方案 ， 并对两种方 案进行 了仿真分析 ， 验证 了其速度平稳性及可靠性 。结合本系统对纯水液压系统设计与使用过 程中元 件与材料选择 、 水质控制 、 腐蚀与磨损 、 结构设计等要点 进行 了介绍 。 关键词 升降平台 ； 纯水液压 ； 调速回路 ； 仿真 ； 重载 中图分 类号 T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 2 0 8 0 0 7 8 0 5 W a t e r Hyd r a u l i c Dr i v i ng S y s t e m De s i g n o f a Li f t i ng P l a t f o r m wi t h He a v y Loa d C HE NG Z h i ， XU Bi n g S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f F l u i d P o w e r T r a n s m i s s i o n a n d C o n t r o l ， Z h e j i a n g U n i v e r s i t y ， Ha n g z h o u 3 1 0 0 2 7 ， C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e r e q u i r e me n t s o f h e a v y l o a d ， l o w s p e e d a n d h i g h r e l i a b i l i t y f o r t h e l i ft i n g p l a tf o r m， t h e f u n c t i o n o f t h e h y d r a u l i c d ri v i n g s y s t e m i s a n a l y z e d a n d t h e c i r c u i t o f t h e p u r e wa t e r h y d r a u l i c s y s t e m i s d e s i g n e d b a s e d o n t h e f u n c t i o n a n a l y s i s ． T h e p u r e w a t e r h y d r a u l i c s y s t e m i s c o n s i s t e d o f w a t e r c y l i n d e r c o n t r o l s y s t e m a n d p u mp s t a t i o n s y s t e m．T h e s y s t e m a d o p t s e n t ran c e t h r o t t l e s p e e d c o n t rol l o o p a n d d e t e r mi n e s t wo s p e e d c o n t rol l o o p O i l t h e b a s i s o f c o mp a ris o n b e t we e n t r a d i t i o n a l o i l h y d r a u l i c l o o p a n d wa t e r h y d r a u l i c v a l v e s ． S i mu l a t i o n s a r e c a r r i e d o u t t o v e ri f y t h e s t a t i o n a r i t y a n d r e l i a b i l i t y o f t h e s y s t e m．Th e ma i n p o i n t s f o r t h e d e s i g n a n d o p e r a t i o n p r o c e s s o f p u r e w a t e r h y d r a u l i c s y s t e m a r e a l s o i n t r o d u c e d c o mb i n e d wi t h t h i s s y s t e m， i n c l u d i n g s e l e c t i o n o f c o mp o n e n t s a n d ma t e r i als ， wa t e r q ua l i t y ma i nt e na n c e ， c o r r o s i o n a n d we a r pr o b l ems an d s t r uc t ur a l de s i gn ． Ke y wo r d s l i ft i n g p l a t f o rm ； p u r e w a t e r h y d r a u l i c； s p e e d c o n t r o l l o o p； s i mu l a t i o n ； h e a v y l o a d U 丹 lJ吾 近年来 ， 由于对液压系统环保性 、 安全性 以及经济 性的要求不断增加 ，用水代替矿物油作为液压系统 的 工作介质引起了人们极大关注 ，使纯水液压传动技术 重新成为国际液压行业的一大前沿研究课题。在国外 ， 纯水液压传动技术 已经在食品工业 、 海洋开发 、 核工业 以及移动机械等诸 多领域得到了广泛应用 ，而在国内 纯水液压传动技术的应用还仅局限在几个特殊领域如 喷雾 、 消防灭火等【 l 、2 1 。 液压升降平台以其功率密度大 ， 工作平稳 ， 易于实 现 自动化控制尤其是速度控制等优点广泛应用于各种 工程场 所 。 可靠性和速度平稳性是衡量液压升降系统的重要 指标 ， 而重载升降平 台的大负载、 大冲击给传动系统的 基金项 目 “ 十二五” 国家科技支撑计划 2 0 1 1 B A F 0 9 B 0 4 0 收稿 日期 2 0 1 2 0 6 ～ 0 8 作者简介 程志 1 9 8 8 - - ， 男 ， 山东临沂人 ， 硕士， 研究方向为流体传动及控制。 7 8 设计带来 了很大的困难。本文针对升降平台重 载 、 低 速 、 高可靠性的要求 ， 设计了纯水液压驱动系统 ， 在与 传统油压调速 回路对 比的基础上 ，对系统的速度可调 性和可靠性进行了分析 ，并对该水压系统设计与使用 维 护 的要点进 行 了介绍 。 1 液压驱动系统设计 1 ． 1 液压驱动系统功能分析 本系统通过控制一个水缸活塞杆的伸出与缩 回运 动实现升降平台的上升与下降。 要求升降平台在运动过 程中速度可调 ． 运动平稳。 系统的功能组成如图 l 所示。 1 ． 2液压驱 动 系统的 设计 本纯水液压驱动系统 回路包括水缸控制 系统 、 泵 站系统及控制系统。其技术性能指标见表 1 。 参照相关液压元件 国家及行业标准和技术要求[ 3 1 ， 所设计 的液压原理图如图 2所示 。 1 水缸控制系统 。升降平台一般采用柱塞缸作为 执行元件 。在本系统 中， 设计一种特殊结构的活塞缸代 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ No ． 8 ． 2 0 1 2 替传统的柱塞缸 ，大大减少执行元件出现外泄漏 的几 率。采用定量泵 7 、 溢流阀 9与节流阀 6构成进 口节流 式调速回路 ， 对水缸伸出运动进行速度控制。水缸活塞 杆依靠负载 自重缩回 ， 其速度 由比例阀 3决定。水缸的 伸出与缩 回动作由行程开关控制二位二通 电磁换 向阀 2和 4的开启与关闭实现 ， 其实物图见图 3 。 J 垴 女 lI 主 自 l l l l I鳖 些 丝I I 垫 堡 丝 I 堑 ● ● l泵 站 系 统f 缸 控 制 系 统 I 赢 - 7 - 匿 皇 茎丝H 查竺墨堡壅I 图 1 液压驱动系统功能组成框 图 表 1 液压驱动系统技术性能指标 参数 数值 系统压力 负载 液压用水温度 液压用水水质 装机功率 液压缸最低速度 1 4 班 a 2 0 t 5 C 纯水 去离子水 1 O k W 5 m m ／ s 图 2升 降 平 台纯 水 液 压 驱 动 系统 原 理 图 图 3 水缸控制系统阀块 实物图 2 泵站系统。系统包括两个独立的电机泵组 ， 由 两个 D a n f o s s P A H1 2 ． 5的柱塞水泵与电机组成 。其 中 系统的核心泵源模块采用与油压 系统类似 的单泵卸荷 启动方案。图 2中， 虚线框 中的阀 9 、 阀 1 0和相关压力 传感器与压力表集成在液压阀组上。旁路循环模块用 于持续对水箱 中的水进行冷却 、 过滤和紫外线消毒 ， 泵 站结构如图 4所示 。 水箱 纠 循环馍 泉源模 图 4泵 站 买 物 图 3 控制 系统。控制系统采用 P L C控制器 ， 完成系 统的动作及流程控制 ， 并对 系统 的温度 、 压 力 、 过滤 等 各项参数进行实时监控 、 超限报警与智能保护。由工控 机构成的数据采集系统对水缸 的运动状态及其他重要 参数进行采集 、 处理与显示 。 2 液压驱 动系统调速 回路设计 2 ． 1 系统 调 速 回路 设 计 水缸有杆腔与水箱连通 ， 始终为低 压腔。只需要 对进入 流 出 水缸 高压腔 无杆腔 的水介质进行 流 量控制 即可实现水缸活塞杆伸 出与缩 回的速度控制 。 参考 常规油压 系统 ，可 以设计如 图 5 a所示水缸调速 回路 。 图 5 a中 ． 采用 比例 阀 4调节水缸运动速度 ， 通过 调节 比例 阀开 口大小实现活塞杆速度 由快速到慢速的 平稳转换。在纯水液压传动技术中， 比例阀的可选择性 比较小 ， 比例阀阀芯结构一般为特殊 的曲线形式 ， 以 实现通过 比例阀的流量与输入控制信号之间的近似线 性对应关系。当使用这种 阀进行双向流量控制时， 水介 质频繁在阀的“ P ” 口与“ A ” 口之问正反 向交替流动易引 起 阀芯的快速磨损 ， 因此这种 比例阀一般适用于 由“ P ” E l 至“ A” 口的单向流量控制 ， 需要对水缸活塞杆伸出回 路与缩回回路单独设计 见图 5 b 。 79 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 2年 第 8期 高压水 a 回路 1 高压水 b回路 2 高压水 e 回路 5 图 5水缸速度控制回路原理图 图 5 b中， 节流阀6用于控制活塞杆伸出速度 ， 比例 阀 5用于控制水缸活塞杆缩回的速度 ，可以满足系统 设计要求。 纯 水 液压 比例 阀要 求 系统 的过 滤精 度 不 低 于 l O I x m． 当系统工况比较恶劣时 ， 容易产生 比例阀卡死或 快速磨损现象 。可以用节流阀速度快慢换接 回路代替 比例阀 ， 如 图 5 c所示 ， 二位二通电磁换 向阀 7与两个 节流阀 4 、 6组成速度换接 回路 ，通过选择合适的节流 阀开 口大小 ，实现水缸活塞杆由快速运动到慢速运动 的切换。 对 图 5 c中的节流阀负载特性进行分析 见图 6 。 节流阀 4与 6两端压差 忽略阀 2 、 3 、 5两端压差 在 活塞杆伸出时． 在活塞杆缩 回时， 由节流阀流量特性公 式 ， 可知当时 ， 两种工况下通过节流阀流量相差较大 ， 即活塞杆在伸出与缩回时运动速度有较大差别。 80 蚕 二 二 匡三三三三三三 匡 三 三 三 三 三 茎 查 塑 压 系统压力 P ， 高压水处压力 负载压力 P 水缸无杆腔进 口处压力 回水背压 P 3 回水处压力 图 6 不 同工况下节流阀负载特性示意图 为此 ， 将活塞杆伸 出回路与缩回回路分开设计 ， 如 图 5 d和图 5 e所示。针对活塞杆伸出与缩回运动不同 的负载特性 ， 调节不 同的节流阀开 口， 即可实现水缸伸 出与缩回速度分别可调 。图 5 d和 图 5 e分别为两节流 阀并联和两节流 阀串联形式。由于水的可压缩性 比较 差 ． 纯水液压系统刚性大 ， 在快速启闭液压阀时会引起 较大的冲击现象 ，对于两节流 阀并联形式尤为严重。 因此最终选用了图 5 b或者图 5 e作为水缸控制与调速 回路。 2 ． 2系统 调速 回路 仿真分 析 为了验证上述系统的性能 ，在液压系统设计基础 上 ， 建立 了液压 系统仿真模型 见 图 7 ， 对 系统 的调速 性能进行仿真分析 。 图 7液压驱动系统仿真模 型 依据系统实 际动 作过程 给电磁 阀相 应 的控制 信 号 ， 可以得到液压缸活塞杆的位移 曲线 见图 8 。 { _ 0 一 0 寨 媲_ J 0 _ o -0 活塞杆伸出 一、 一 、 、 一 、 一 、 一 、 一 ＼ 时间 ／ s 图 8 活塞杆位移曲线 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ No ． 8 ． 2 01 2 分别对 图 5中的比例 阀调速 回路 回路 2 与节 流 阀调速回路 回路 5 进行分析 ， 其活塞杆的速度曲线分 别如图 9 、 图 l 0所示 。 两种调速方式在活塞杆缩回时均 可 以实现活塞杆运动 由高速 1 0 mr r d s 至低速 5 mm ／ s 的缓冲。由两图中的矩形框线部分可以看 出， 比例阀调 速 比节流阀调速更平稳 ， 避免了速度 冲击。 纛 j i g 时间 图 9比例 阀调速 回路活塞杆速度 曲线 蠢 蜒 图 1 O节流阀调速回路活塞杆速 度曲线 对两 回路液压缸内压力变化进行分析 见 图 1 1 、 l 2 ， 在活塞杆缩回缓 冲运动 时 ， 节流 阀调速 回路 的速 度 冲击导致 了液压缸 内压力 冲击 ，但 由于运动速度较 慢 ， 该压力 冲击不足以对系统性能造成很大影响。 活塞杆伸出 』 } 括 蓉 杆 缩 回 一 - I 一 I 广 厂 一 』 图 1 1 比例 阀调速 回路液压缸压力 曲线 8 8 ％8 6 R 8 4 置8 2 曩8 0 0 2 0 4 0 6 0 8 0 时间 ／ s 图 1 2 节流 阀调速 回路液压缸压力 曲线 3 液压驱动系统设计及维护要点 尽管纯水液压传动技术相 比于传统油压技术具有 绿色 、安全等诸多优点 ，但是 由于水介质固有的粘度 低 、 润滑性能差 、 汽化压力高等特点 ， 也给水压 传动技 术的应用与研究带来 困难。因此在设计与使用水压传 动系统时， 要采取适当措施避免可能出现的问题[ 5 - 6 1 。 3 ． 1 元件与材料选择 应用于纯水液压系统的材料必须具有不生锈 、 耐 腐蚀 与抗流体 冲蚀的基本特性 ，常用 的材料包括不锈 钢、 陶瓷与工程塑料等。其 中不锈钢 以其 良好 的机械加 工性能与力学性能广泛应用于水压传动系统中，特别 奥氏体型不锈钢如 3 1 6 L 、 3 1 6 T i比普通不锈钢具有更好 的耐腐蚀性能 。 在设计系统时应 当注意 ，不仅与水介质接触的零 部件要选择不锈钢材质 。系统的连接紧 固件也尽量选 择不锈钢材料 ，防止其遇水后锈蚀而影响到连接功能 或者系统美观。 系统密封材料选择时应考虑其与水相容性及密封 性能。通常情况下 ， 油压系统采用的密封材料氟橡胶与 丁腈橡胶同样适用于水压系统 。 3 ． 2水质 控 制 水质控制包括水介质 的过滤、细菌控制 、 P H值及 化学杂质含量控制和水温控制等。水压系统 的过滤要 求与油压系统基本类似 。系统的过滤精度必须满足精 度要求最高的元器件的过滤精度要求 。常用的过滤器 采用不锈钢制造， 滤芯材料为玻璃纤维 。 当选用开式水箱时，水箱 内水介质长时间与外界 环境接触 ， 会造成细菌和藻类 的大量繁殖 ， 会使水产生 异味 。 严重时可能会堵塞过滤器 。常用且简单的措施是 采用紫外线杀菌消毒 ，通过连续 的对水箱 内水循环消 毒 ， 抑制细菌滋生。 当水介质 P H值过高或者过低 。 或化学杂质含量偏 高时 ， 会加剧水对系统元器件 的腐蚀作用 ， 进而影响系 统的清洁度 ， 因此需要对水进行定期检测 。一般系统配 有水质检测仪 ， 当水质不达标时 ， 尽早进行换水等维护 处理 。 纯水液压系统元器件对水温有 比较严格 的要求 。 一 般限制在 5 ℃一 5 0 c 【 ，水温升高会大大提高水 的汽化 压力 ， 加剧系统的汽蚀现象。系统需采用冷却器及加热 器使水维持在适宜的温度 ， 在特殊 的应用场合 。 可 以考 虑加入防冻剂等添加剂扩展温度范围。 3 ． 3 腐蚀与磨损 选择合适 的材料与防止汽蚀是减轻系统元器件腐 8 1 q ， R坦培坦艇 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 2年 第 8期 蚀与磨损现象的主要途径 。除了选择合适的工作温度 ， 增大泵吸入 口处 的压力 ， 减小阀 口处水介质的流速 ， 也 可以减小系统元件的气蚀破坏。 通过合理的设计 系统回路 见图 1 3 ， 可 以减小系 统关键元器件的磨损 ， 达到保护系统 、 延长系统使用寿 命 的目的。 高压水 a 回路 a 高压水 b 回路 b 图 1 3水 缸透 厦 控 制 回 路 原 理 图 在本 系统 中比例阀 5为调速 回路 的关键 元器件 ， 为了减小 比例阀阀芯的磨损 ，回路 b相对于 回路 a ， 将 比例阀 5放置于二位二通电磁换 向阀 3后面 ，减小对 比例阀的压力冲击 ， 可 以减小比例 阀阀芯的磨损。 3 ． 4结构设 计 纯水液压系统一般采用架高式水箱 ，以保证泵入 口处压力为正压 。在设计水箱及管路时 ，适当选择大 小 ， 减小管路 中水介质流速 ， 可以起到避免汽蚀与磨损 的作用 。 一 一n 一 - 一 上接第 7 7页 好 ，采用以上结构容易实现二位二通或二位三通水液 压换 向控制 ， 阀的结构相对较简单 ； 而现有水液压产品 中的二位四通和三位 四通换向阀，要么是采用两个 以 上的先导阀 ，要么是 由两个三通 阀组合成一个 四通 主 阀， 结构复杂 ， 体积重量大。因此还需要进一步寻求新 的结构来简化水液压 四通换向阀， 减小其体积重量 ， 提 高其工作可靠性。 参 考 文 献 【 I 】 杨华勇， 周华， 路 甬祥 ． 水液压技术 的研 究现状与发展趋势[ J ] ． 中国机械工程， 2 0 0 0 ， l 1 2 1 4 3 0 1 4 3 3 ． 『 2 I 刘银水， 黄艳， 贺小峰， 李壮 云． 几种油压 阀的结构 型式 对水的 适应性[ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 0 2 ， 9 3 3 1 6 1 7 ． [ 3 ] 刘银水， 黄艳， 贺小峰， 李壮 云． 水压阀的研究 与发 展【 J ] ． 液压与 气动， 2 0 0 1 ， 5 1 0 1 4 ． 『 4 】 E L WO O D C o r p o r a t i o n ． P a c k e d S p o o l 4 一 w a y D i r e c t i o n a l C o n t r o l V a l v e D a t a s h e e t【 E B ／ O L ] ． 2 0 0 6 - 0 3 [ 2 0 1 2 - 0 4 0 5 ] ． h t t p ／ ／ w ww ． e l wo o d ． C O B． 8 2 4结论 针对 重载升降平 台设计 了一种纯 水液压驱 动系 统。通过对水缸控制系统调速 回路分析 。 比较其与传统 油压调速回路的区别 ，提出了水压传动中比例阀和节 流阀两种调速方案 ，采用 A ME S i m软件对两种调速方 案进行了仿真 ，结果表 明两种方案均可以实现相关设 计要求 ，但 比例 阀调速回路相 比与节流阀调速回路具 有较小的速度冲击和压力冲击 。结合本系统设计与调 试过程 中的相关经验 ，对纯水液压系统设计与维护过 程中的一些要点进行了介绍 ，对后续水压系统的设计 有一定的参考价值。 参 考 文 献 [ 1 】 F i s h e r ．Wa t e r H y d r a u l i c s G e t t i n g Ho t A g a i n [ J ] ．H y d r a u l i c s P ne u ma t i c s， Ma y1 991， PP 35 -38 ． 【 2 】 周华 ， 杨华勇． 重新崛起 的现代水压 传动技术【 J J ． 液压气动与 密封 ， 2 0 0 0 ， 8 6 8 ． [ 3 】 E r i k T r o s t ma n n ．Wa t e r H y d r a u l i c C o n t r o l T e c h n o l o g y 【 M】 ． Ne w Yo r k， Ma r c e l De k k e r I n c ． ， 1 9 9 6 ． f 4 I D i p 1 ． 一 I n g ．Marc E m m a n e e 1 ．P r o p o r t i o n a l T e c h n o l o gy w i t h E l e c t r o n i c s o n B o a r d【 R1 ．T a m p e r e T h e T e n t h S e a n d i n a v i a n I n t e rna t i o n al C o n f e r e n c e o n F l u i d P o w e r ． 2 0 0 7 ． [ 5 】 E s m a e i l V a r a n d i l i ．P r o p e r t i e s o f T a p Wa t e r a s a H y d r a u l i c P r e s s u r e Me d i u m 【 R 】 ． T a m p e r e T h e P r o c ． o f t h e 6 t h S c a n d i n a v i a n I n t ．C o n f ．o n F l u i d P o we r ， 1 9 9 9 ． 【 6 】 周华 ， 杨华勇 ， 李家鑫． 纯水液压试验系统 的设计[ J 】 ． 液压气 动 与密封 ， 2 0 0 1 ， f 1 1 6 1 8 ． 【 5 ] E L WO O D C o r p o r a t i o n ．D i r e c t i o n a l C o n t r o l V a l v e s 2 一 ， 3 一 a n d 4 - w a y D I N P o p p e t S e ri e s D a t a s h e e t[ E WO L J ． 2 0 0 6 0 3 [ 2 0 1 2 - 0 4 - 0 5 ] ． h t t p ／ ／ w w w ． e l w o o d ． c o n． [ 6 ] D a n f o s s C o rpo r a t i o n ．D i r e c t i o n a l C o n t r o l V a l v e T y p e V D H 6 0 E C D a t a s h e e t [ E B ／ O L ] ． 2 0 1 0 - 0 3 f 2 0 1 2- 0 4 0 5 ] ． h t t p ／ ／ 、 ． da nf oS S ． c o m． c n． 【 7 ] Ha u h i n c o C o rpo r a t i o n ．3 ／ 2 Wa y B a l l S e a t V alv e ，D i r e c t c o n t r o H e d D a t a s h e e t【 E B ／ O L ] ． 2 0 0 5 0 3 [ 2 0 1 2 0 4 0 5 1 ． h t t p ／ ／ ．h a u h i n c o ． c o rn． 【 8 ] T i e f e n b a c h Wa s s e r h y d r a u l i k ．4 ／ 3 wa y P i l o t C o n t r o l S e a t V a l v e D a t a s h e e t[ E B ／ O L ] ．[ 2 0 1 2 - 0 4 - 0 5 ] ． h t t p ／ ／ w w w． T i e f e n b a c h - Wa s s e r h y d r a u l i k ． e u ． 【 9 ] MI D L A N D AC S ．Wa t e r Hy d r a u l i c S o l e n o i d V a l v e D a t a s h e e t 【 E B ／ O L ] ． 2 0 0 8- 0 7 [ 2 0 1 2 0 4- 0 5 ] ． h t t p ／ ／ w w w．e l l i n g s e n ． b i z ／ p r o d u c t s ／ s o l e n o i d - v a l v e s ／ h y d r a u l i c - s o l e n o i d - v a l v e s ． [ 1 0 】弓永军 ． 纯水 液压控 制阀关键 技术研 究[ D 】 ． 杭 州 浙江 大学， 2 0o5 ． [ 1 l 】 余瑞霞． 反渗透海水淡化系统余压能量回收装置过程特性的 研究[ D ] ． 天津 天津大学， 2 0 0 5 ．