畢業(yè)論文-機(jī)械設(shè)計制造及其自動化.doc

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輪式起重機(jī)伸縮臂液壓 和電氣控制系統(tǒng)設(shè)計 鄒　勇 [摘 要]　起重臂是輪式起重機(jī)主要的受力構(gòu)件,一般設(shè)計制作為箱形結(jié)構(gòu),起重臂內(nèi)裝有伸縮缸或伸縮系統(tǒng)和伸縮用滑塊而具有伸縮功能，它的設(shè)計是否合理直接影響著起重機(jī)的整機(jī)自重、承載能力、整機(jī)穩(wěn)定性,同時決定著起重機(jī)的發(fā)展。起重臂伸縮控制技術(shù)取決于伸縮機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式,起重機(jī)的單缸插銷式伸縮機(jī)構(gòu)采用單個油缸來推動各節(jié)臂的伸縮，采用機(jī)電液相結(jié)合的綜合控制技術(shù)來實現(xiàn)單個伸縮油缸自動進(jìn)行起重臂伸縮目標(biāo)的控制。本設(shè)計主要研究內(nèi)容如下：(1)通過對多種伸縮臂控制機(jī)理的優(yōu)缺點的比較,選出一種代表先進(jìn)研究方向的伸縮臂控制機(jī)理,并對其進(jìn)行詳細(xì)分析研究與設(shè)計計算。(2) 設(shè)計伸縮臂動作的液壓控制回路,并對主要元件的主要參數(shù)進(jìn)行設(shè)計計算,對系統(tǒng)一些主要靜態(tài)指標(biāo)進(jìn)行計算。(3)設(shè)計出伸縮臂電氣控制系統(tǒng)的控制流程圖,并用西門子編程軟件編制出伸縮臂動作的自動和手動控制程序,并進(jìn)行仿真驗證。 關(guān)鍵詞：伸縮臂；單缸插銷；輪式起重機(jī)；液壓；電氣控制系統(tǒng) 輪式起重機(jī)是工程機(jī)械產(chǎn)品中重要組成部分，由于它的機(jī)動性好而被廣泛應(yīng)用于礦山、建筑、港口、油田等領(lǐng)域。輪式起重機(jī)主要有3種基本類型:汽車起重機(jī)、輪胎起重機(jī)、全路面起重機(jī)。隨著世界經(jīng)濟(jì)和吊裝技術(shù)的發(fā)展，輪式起重機(jī)在國際國內(nèi)市場銷量都在不斷提高，可以說市場巨大。 第1章 多種伸縮臂控制機(jī)理 起重機(jī)伸縮控制技術(shù)取決于伸縮機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式，而伸縮機(jī)構(gòu)的技術(shù)直接影響起重臂的自重、整機(jī)的性能，也是制約起重臂乃至起重機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。因而國外知名企業(yè)對伸縮機(jī)構(gòu)的研究都很重視，都研制出了自己的專利技術(shù)。在輪式起重機(jī)各個部件中，吊臂是其中一個主要部件，其最大伸縮長度決定著起重機(jī)的最大工作幅度及最大起升高度。一般輪式起重機(jī)吊臂的伸縮節(jié)數(shù)為2－3節(jié)，每節(jié)臂長度一般為3m左右，這樣其工作幅度大約在12m以下，但有時用戶需要在更大的工作幅度或高度作業(yè)，為滿足這種需求，吊臂必須采用多節(jié)伸縮。下面介紹幾種典型的伸縮臂結(jié)構(gòu)和動作順序，并對他們之間的優(yōu)缺點進(jìn)行比較，并選擇其中的一種進(jìn)行具體分析設(shè)計。 1.1 多節(jié)伸縮臂結(jié)構(gòu)和控制原理 1.1.1伸縮臂的總體結(jié)構(gòu) 圖1.1 伸縮臂結(jié)構(gòu)示意圖 1.固定臂 2.一節(jié)伸縮臂 3.二節(jié)伸縮臂 4. 三節(jié)伸縮臂 5.四節(jié)伸縮臂 6.頂節(jié)臂 7.伸縮油缸 五節(jié)伸縮臂的結(jié)構(gòu)如圖1.1所示，伸縮油缸的組裝示意圖如圖1.2所示。伸縮油缸放置在吊臂的內(nèi)部，這使得吊臂外形簡單，結(jié)構(gòu)緊湊。一級缸的缸筒與二級缸的活塞桿鉸接，二級缸的缸筒與三級缸的活塞桿鉸接。伸縮缸上的A, B, C, D分別與固定臂、一節(jié)伸縮臂、二節(jié)伸縮臂、三節(jié)伸縮臂鉸接，當(dāng)一、二、三級伸縮缸按順序伸出時，帶動一、二、三節(jié)伸縮臂按順序依次伸出。四節(jié)伸縮臂及頂節(jié)臂是靠鋼絲繩帶動與三節(jié)伸縮臂同步伸縮的。油缸縮回時順序則相反，三節(jié)伸縮臂在油缸的帶動下首先回縮，四節(jié)伸縮臂及頂節(jié)臂在鋼絲繩的帶動下同步縮回。然后，二節(jié)伸縮臂、一節(jié)伸縮臂在油缸帶動下依次縮回?？梢姷醣鄣纳炜s基本上為順序伸縮，即伸出時截面大的臂先伸，回縮時截面小的臂先回，這樣有利于使伸出后吊機(jī)的起升載荷與起重特性相適應(yīng)。 圖1.2 油缸組裝示意圖 1.一級伸縮缸 2.二級伸縮缸 3.三級伸縮缸 1.1.2 油缸順序伸縮的原理 圖1.3 油缸順序伸縮液壓原理圖 1.手動換向閥 2.平衡閥 3.固定套 4.中心套 5，7，9，10單向閥 6.固定套 8.撞塊 如圖1.3所示，手動換向閥手把向前推，一級伸縮缸Al口進(jìn)油，經(jīng)過中心管、單向閥5進(jìn)入一級伸縮缸的活塞腔，由于一級伸縮缸的活塞桿與固定臂相連是固定的，在壓力油的作用下一級伸縮缸的缸筒外伸，活塞桿腔回油經(jīng)過B1口回到多路換向閥，此時中心管跟隨缸筒一起外伸，外伸到一定長度后，當(dāng)中心管左端的固定套與活塞碰上時，中心管被迫停止，如缸筒繼續(xù)伸，則中心管右端的固定套將單向閥7打開，并使缸筒也停止運動。此時高壓油通過單向閥7、油管到達(dá)二級伸縮缸的A2口，并通過中心管進(jìn)入到二級伸縮缸的缸底。這時一級缸已停止運動，由于二級伸縮缸的活塞桿與一級伸縮缸的缸筒相連接，因此二級伸縮缸的活塞桿是不動的。這樣在壓力油的作用下二級伸縮缸的缸筒外伸，回油經(jīng)B2, Bl回到換向閥。與一級伸縮缸同樣的原理，二級伸縮缸伸到一定程度，打開單向閥4，并停止運動。高壓油繼而進(jìn)入三級伸縮缸的A3口到達(dá)缸底，三級伸縮缸外伸。這樣一、二、三級伸縮缸依次外伸，就完成了順序伸出。 手動換向閥手把向后拉，一級伸縮缸的B1口即活塞桿腔進(jìn)油，由于B2, B3在結(jié)構(gòu)上與BI是相通的，因此二級缸和三級缸的活塞桿腔也同時有高壓油。由于單向閥5,9是關(guān)閉的，一、二級缸的回油路不通。而單向閥10, 7是打開的，三級缸活塞腔的油路可經(jīng)過A3、單向閥10 , A2口、單向閥7, A1口回到換向閥。因此三級缸首先回縮。當(dāng)三級缸縮到規(guī)定的長度，缸筒上的撞塊撞擊二級缸上的撞塊及推桿將單向閥9打開，二級缸活塞腔的回油路接通，二級缸開始回縮。同樣當(dāng)二級缸縮到規(guī)定的長度將單向閥S打開，一級缸回油接通，開始回縮。這樣三、二、一級缸依次縮回，完成了順序回縮。 1.1.3鋼絲繩帶動同步伸縮的原理 圖1.4第四節(jié)和頂節(jié)伸縮臂外伸示意圖 四節(jié)伸縮臂及頂節(jié)臂是靠鋼絲繩帶動伸縮的。如圖2.4所示，1和為鋼絲繩端部，固定在第二節(jié)伸縮臂上，2和2為導(dǎo)繩輪固定于第三節(jié)伸縮臂前端，導(dǎo)繩輪3固定于第四節(jié)伸縮臂上。當(dāng)?shù)谌?jié)伸縮臂在油缸帶動下外伸時，第二節(jié)伸縮臂是固定不動的(即1和1不動)，這樣固定在三節(jié)伸縮臂上的2 , 2外伸，就帶動3伸出，即第四節(jié)伸縮臂伸出。由圖2.4還可計算出，如果2, 2，伸出L，則3伸出2L，即2相對于1伸L, 3相對于2伸L。這樣第三節(jié)伸縮臂外伸時，第四節(jié)伸縮臂即以同樣的速度伸出。同樣的道理，4和4固定在第三節(jié)伸縮臂上，5和5為導(dǎo)繩輪固定于第四節(jié)伸縮臂上，6固定于頂節(jié)臂上。當(dāng)?shù)谒墓?jié)伸縮臂外伸時，第三節(jié)伸縮臂相對是固定不動的，這樣固定在四節(jié)伸縮臂上的4、 4’外伸，帶動6伸出，即頂節(jié)臂伸出。同樣頂節(jié)臂與四節(jié)伸縮臂速度也是相同的。這樣，三、四節(jié)伸縮臂及頂節(jié)臂達(dá)到同步伸出。 圖1.5伸縮臂縮回示意圖 如圖1.5所示:a, a為鋼絲繩端部，固定在第三節(jié)伸縮臂上;b ,b為導(dǎo)繩輪，固定在三級伸縮缸上;a、c為導(dǎo)繩輪，固定在二級伸縮缸上;d為導(dǎo)繩輪，固定在頂節(jié)臂上。三級伸縮臂在油缸帶動下回縮時，由于C . C與二級伸縮臂相連，此時固定不動，三級伸縮缸與三級伸縮臂相連即a, a、b, b一起回收，這樣就帶動d即頂節(jié)臂回收。由圖2.5可計算出三節(jié)伸縮臂回縮L，頂節(jié)臂回縮3L。又由圖1.4可知，6固定于頂節(jié)臂，4及4固定于三節(jié)伸縮臂。當(dāng)4及4隨三級伸縮臂縮L, 6縮3L時，就可帶動5及5縮2L.5和5固定于四節(jié)伸縮臂上，即第四節(jié)伸縮臂縮2L。這樣頂節(jié)臂回縮的同時就帶動了四節(jié)伸縮臂同時回縮。上述過程是同時發(fā)生的，并且三節(jié)伸縮臂、四節(jié)伸縮臂及頂節(jié)臂是以相同的速度同時縮回。 1.1.4總結(jié)評價 此種伸縮臂采用5節(jié)伸縮，伸縮臂節(jié)數(shù)多，工作幅度大。而且油缸采用內(nèi)置，結(jié)構(gòu)緊湊，且吊臂按順序伸縮。這種結(jié)構(gòu)在設(shè)計工作幅度大的起重機(jī)吊臂時可以參考，并且其原理亦可以用于其它類似的伸縮機(jī)構(gòu)。 1.2 單缸插銷式伸縮臂的插、拔銷軸機(jī)構(gòu)布置 1.2.1臂銷的位置檢測 圖1.6缸銷、臂銷結(jié)構(gòu)圖 在每節(jié)起重臂尾端的上方有一個能夠把臂與臂鎖定在一起并可以上下方向運動的銷軸(由于安裝在起重臂上稱為臂銷)，臂銷的作用是實現(xiàn)臂與臂之間的鎖定和解鎖，臂銷在彈簧力的作用下可以向上運動到另一節(jié)臂的臂孔中，這樣臂與臂之間不能相互運動以達(dá)到剛性鎖定的目地。當(dāng)臂銷受伸縮油缸上的臂銷缸控制下的拔銷機(jī)構(gòu)作用時，臂銷從另一節(jié)臂的臂孔中縮回，并向下移動，臂與臂之間處于解鎖狀態(tài)就可以相互運動，達(dá)到解鎖的目的，臂銷的上端有受力后鎖定結(jié)構(gòu)，防止臂與臂脫落。臂銷上下運動到終點位置后的位置檢測由圖1.6所示的接近開關(guān)完成，當(dāng)臂銷上移到終點位置后上側(cè)接近開關(guān)發(fā)出電信號，這時臂與臂處于鎖定狀態(tài)，臂銷缸下移到終點位置時下側(cè)接近開關(guān)發(fā)出電信號，這時臂與臂處于解鎖狀態(tài)。 1.2.2缸銷的位置檢測 在伸縮油缸缸頭的兩側(cè)設(shè)有可以左右方向運動的銷軸(由于安裝在伸縮油缸上稱為缸銷)，缸銷的作用是實現(xiàn)油缸與吊臂之間的鎖定和解鎖，缸銷初始位置在彈簧力的作用下可以左右方向運動并可以伸進(jìn)吊臂后端兩側(cè)銷孔中達(dá)到與臂剛性鎖定的目標(biāo)，這時油缸與吊臂鎖定成為一體，缸銷在缸銷油缸的作用下缸銷也可以從缸銷孔中縮回，吊臂與伸縮油缸的剛性鎖定解除。缸銷伸縮的檢測由伸縮油缸下方在左右缸銷的兩端安裝的兩個接近檢測開關(guān)完成，左缸銷外伸到終點時左側(cè)伸接近開關(guān)發(fā)出電信號(見圖1.6 )，右缸銷外伸到終點時右側(cè)伸接近開關(guān)發(fā)出電信號，當(dāng)左、右兩側(cè)的接近開關(guān)都發(fā)出電信號時說明左右缸銷都伸入進(jìn)了吊臂上的缸銷孔，伸縮油缸與吊臂處于鎖定狀態(tài)。左缸銷回收到終點位置后左側(cè)縮接近開關(guān)發(fā)出電信號，右缸銷回收到終點位置后右側(cè)縮接近開關(guān)發(fā)出電信號，當(dāng)左、右兩側(cè)接近開關(guān)同時發(fā)出信號后說明缸銷缸縮回出吊臂上的缸銷孔，油缸與吊臂處于解鎖狀態(tài)。 1.2.3起重臂臂位的檢測 在二、三、四、五每一節(jié)吊臂后端的左或右側(cè)都安裝了接近開關(guān)檢測板，在伸縮油缸缸頭兩側(cè)的浮動尼龍塊上共固定安裝了四個接近開關(guān)，分別可以檢測二、三、四、五四個臂尾位置的檢測板。 1.2.4缸銷缸與臂銷缸的液壓控制 缸銷缸與臂銷缸運動方向的控制和壓力的提供，用排量20L齒輪泵提供的70bar的恒定壓力油源作為控制臂銷缸和缸銷運動的動力，方向的控制由電磁換向閥控制，壓力油由伸縮油缸的中央芯管來傳送，中央芯管既作為進(jìn)油管又作為回油管使用，當(dāng)芯管進(jìn)油時臂銷缸或缸銷缸能夠動作，當(dāng)從芯管中回油時臂銷缸或缸銷缸復(fù)位，為了避免液壓系統(tǒng)和管路帶來的滯后現(xiàn)象芯管保證了一定的預(yù)壓力。 1.3 單缸插銷式伸縮臂自動伸縮控制過程 在作業(yè)前，操作者根據(jù)吊重作業(yè)的工況和起重機(jī)的起重性能表，通過顯示器來選擇起重臂的臂長組合。吊臂仰角為50至70左右，由于為了保證伸縮系統(tǒng)控制的可靠性和滿足伸縮機(jī)構(gòu)上的設(shè)計要求，各個缸銷孔與缸銷的間隙比較大，在吊臂仰角較小時由于磨擦力作用時，每一節(jié)臂的所在位置都不能確定是不是處于全縮位置，這樣伸縮油缸上的長度傳感器檢測出的長度就不能準(zhǔn)確代表伸縮臂上的臂銷銷軸所要動作的距離，容易造成誤控制，導(dǎo)致控制上的失敗。故進(jìn)行自動伸縮時，起重臂應(yīng)變幅到印角50至70左右。當(dāng)選擇自動控制伸縮系統(tǒng)來實現(xiàn)吊臂向外伸出時，當(dāng)預(yù)設(shè)置確認(rèn)后，控制器根據(jù)伸縮油缸上的長度傳感器確認(rèn)伸縮油缸缸頭所在的位置，確定伸縮油缸是伸出或者縮回，油缸會根據(jù)設(shè)置依次伸出五、四、三、二節(jié)起重臂，回收時依次回收二、三、四、五節(jié)起重臂，從而完成預(yù)設(shè)的伸縮目標(biāo)。 1.4 單缸插銷式伸縮臂自動伸縮控制可靠性保證和故障預(yù)防 單個伸縮油缸控制的多節(jié)臂自動伸縮系統(tǒng)是典型的機(jī)、電、液一體化系統(tǒng)，技術(shù)較為復(fù)雜，利用接近開關(guān)來檢測目標(biāo)并發(fā)出電信號，由控制器編程來集中控制，狀態(tài)的檢測和傳遞對設(shè)計質(zhì)量、制造質(zhì)量、元件的可靠性提出了很高的要求，而起重臂出現(xiàn)故障后的維修性差，因而在安全和可靠性設(shè)計方面中作了以下幾點面處理： (1)為確保安全性采用了液壓互鎖和機(jī)構(gòu)互鎖的雙保險設(shè)計思想，臂銷和缸銷只能有其中一個可運動，而不能同時運動，液壓上電磁換向閥數(shù)量減少和系統(tǒng)設(shè)計都可以實現(xiàn)方向選擇上的互鎖和機(jī)構(gòu)上的互鎖，臂銷與缸銷結(jié)構(gòu)上的互鎖由機(jī)構(gòu)設(shè)計來實現(xiàn)。 (2)伸縮油缸的工作壓力可以根據(jù)不同的伸縮工況來自動選擇，為保證伸縮機(jī)構(gòu)運動速度，伸縮油缸的運動速度很快，為了減小臂銷和缸銷在工作過程中的沖擊和震動，伸縮油缸在不同的工況下會自動選擇相應(yīng)的工作壓力。 (3)為了解決控制系統(tǒng)失效后的起重臂收回問題，增加了手動應(yīng)急操作工作方式。 (4)在任何的伸縮操作時，伸縮油缸的缸頭不能超過五節(jié)臂臂尾，防止油缸外伸運動過程中損壞起重臂的前端或其他機(jī)構(gòu)。 (5)當(dāng)伸縮油缸的缸頭不在吊臂的后端時(伸縮油缸上的接近開關(guān)不能檢測到撞塊位置)伸縮機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)可以進(jìn)行鎖定，在這一伸縮過程中不能進(jìn)行臂銷或缸銷的運動操作。 (6)伸縮油缸和附加其上的臂銷缸和缸銷缸密封件元件選取都保證了伸縮系統(tǒng)的持久性工作，首先采用了可靠的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)功能，采用了可以在低速時保證速度穩(wěn)定的密封元件，該密封元件能夠承受一定的徑向力。 (7)伸縮油缸兩側(cè)都安裝有導(dǎo)向滑板，滑板的前后兩端結(jié)構(gòu)都設(shè)計了可導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，在油缸的下方有兩個滑塊對伸縮油缸進(jìn)行輔助支撐，以提高伸縮油缸運動到臂后端位置時定位的準(zhǔn)確性，伸縮油缸滑塊進(jìn)入吊臂的導(dǎo)向滑槽中后，臂銷油缸、缸銷油缸運動才能順利完成。 (8)吊臂中液壓系統(tǒng)采用雙回路設(shè)計避免吊臂中電磁換向閥(缸銷、臂銷工況選擇)損壞后伸縮油缸不能縮回的可能。 (9)如果控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)發(fā)生故障，伸縮系統(tǒng)將向安全方向運動并進(jìn)行鎖定。 (10)為了消除各個液壓元件和控制系統(tǒng)帶來的滯后操作，伸縮系統(tǒng)的缸銷與吊臂孔配合間隙設(shè)計上較大，臂尾位置檢測接近開關(guān)都采用可伸縮式浮動結(jié)構(gòu)，保證了接近檢測開關(guān)在伸縮偏離位置時油缸檢測距離的準(zhǔn)確性，在檢測到需要動作的吊臂后端目標(biāo)后迅速減小主油泵的排量同時釋放缸銷，伸縮油缸迅速降低伸縮速度，保證缸銷在配合間隙內(nèi)能夠完成缸銷鎖定和臂銷運動的轉(zhuǎn)換過程，防止伸縮油缸受力時臂銷缸所受的摩擦力大而影響各個銷軸的運動，在進(jìn)行臂銷鎖定時采用預(yù)先釋放的思想方法提一前釋放臂銷滑動一端距離后進(jìn)入臂孔，這樣可以消除伸縮系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)制造上帶來的誤差和各個控制元件的滯后響應(yīng)帶來的影響。 (11)為了保證伸縮油缸和伸縮臂的裝配，缸銷缸與臂銷缸裝有快速接頭。 (12)具有伸縮油缸回縮自動加速功能，伸縮油缸回縮時可根據(jù)工作壓力信號自動加速，保證了伸縮的控制性能。 (13)在整個伸縮過程中監(jiān)控系統(tǒng)對系統(tǒng)的工作進(jìn)行實時跟蹤，通過顯示器可以對整個過程進(jìn)行監(jiān)控。 (14)在伸縮油缸伸縮時，由于臂長的不同起升動作將適應(yīng)性工作，這時主油泵將分離出一個油泵給起升油路提供工作用油。在吊臂回縮時單泵工作。 (15)因為發(fā)動機(jī)工作原因，在伸縮工作中讓液壓系統(tǒng)的功率、扭矩工作在發(fā)動機(jī)最佳工況，預(yù)防發(fā)動機(jī)熄火。 1.5 小結(jié) 本章通過對多種不同類型的伸縮臂結(jié)構(gòu)和控制方式進(jìn)行分析比較，得出結(jié)論，單缸插銷式伸縮臂以其在五節(jié)臂以上中大噸位起重機(jī)的起重臂中的優(yōu)勢，使得它的自動伸縮技術(shù)代表了當(dāng)代伸縮臂控制技術(shù)的發(fā)展方向。本文主要研究設(shè)計單缸插銷式伸縮臂的液壓和電氣控制系統(tǒng)。 第2章 液壓控制系統(tǒng)設(shè)計 2.1 液壓系統(tǒng)總體設(shè)計 液壓系統(tǒng)為采用電比例控制的閥控缸位置伺服系統(tǒng)。伸縮油缸的運動速度很快，為了減小臂銷和缸銷在工作過程中的沖擊和震動，增加了蓄能器。在，起重臂伸縮油缸兩側(cè)增加了連通郵箱的單向閥。用多路閥控制多個油路如伸縮油路、缸臂銷油路、起升油路、回轉(zhuǎn)油路、變幅油路等。泵體采用恒功率恒壓變量雙泵，系統(tǒng)壓力32MPa。預(yù)留壓力檢測口，便于系統(tǒng)調(diào)試和故障分析。伸縮臂液壓系統(tǒng)總體設(shè)計如圖3.1所示，A、B、 C分別連接至回轉(zhuǎn)、變幅、起升油路。 圖2.1伸縮臂液壓系統(tǒng) 2.2 液壓油源回路設(shè)計 圖2.2液壓油源回路 帶功率調(diào)節(jié)器的變量雙泵，兩個旋轉(zhuǎn)組件分別帶一個獨立的功率調(diào)節(jié)器。功率調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)與工作壓力有關(guān)的油泵排量，使其不超過給定的驅(qū)動功率。每一個調(diào)節(jié)器可獨立實現(xiàn)功率設(shè)定，且各不相同，每個泵均可獨立設(shè)定100%的驅(qū)動功率。雙曲線功率特性通過兩個測量彈簧近似實現(xiàn)。工作壓力借助一個多級活塞的測量面作用于測量彈簧，并影響一個從外部調(diào)整的彈簧力的測量面，從而決定功率的設(shè)定值。若液壓力之和超過彈簧力，則控制油流向變量活塞，泵回擺從而減小流量。 2.3 多路閥 輪式起重機(jī)油路很多，包括起升油路、變幅油路、伸縮油路、回轉(zhuǎn)油路，單缸插銷式起重機(jī)又包括缸銷、臂銷油路，所以必須使用多路閥。多路閥原理如圖3.4所示。左圖中A、B、C分別連接至回轉(zhuǎn)、變幅、起升油路，右圖為缸、臂銷動作控制多路閥。 圖2.3多路閥原理 2.4 電液伺服閥的設(shè)計 起重機(jī)起重臂的伸縮缸采用閥控缸位置伺服控制系統(tǒng)，主要控制元件為電液伺服閥。電液伺服閥是電液伺服系統(tǒng)中關(guān)鍵的精密控制元件，價格昂貴，所以伺服閥的選擇，應(yīng)用要謹(jǐn)慎。 在伺服閥選擇中考慮的因素有:A:閥的工作性能、規(guī)格;B:工作可靠、性能穩(wěn)定、一定的抗污染能力;C:價格合理;D:工作液、油源;E:電氣性能和放大器;F:安裝結(jié)構(gòu)，外型尺寸等等。 按照功能要求，本起重機(jī)伸縮臂液壓系統(tǒng)采用通用型射流管式流量電液伺服閥。用于位置伺服系統(tǒng)的控制，讓起重臂伸縮剛準(zhǔn)確伸縮到指定位置，使得缸銷、臂銷能準(zhǔn)確插入預(yù)設(shè)的銷孔內(nèi)。閥控缸式位置伺服系統(tǒng)見圖2.4。 圖2.4電液伺服閥控制的位置伺服系統(tǒng) 射流管閥是力反饋型伺服閥，銜鐵工作在中位附近，不受伺服閥中間參數(shù)影響，線性度好，性能穩(wěn)定，抗干擾能力強，零漂小，是高性能的伺服閥。射流管噴嘴為最小流通面積處，過流面積大，不易堵塞，抗污染性好。一般相頻寬可超過100Hz，高的亦可達(dá)到200Hz。其次射流管閥射流放大器部分壓力效率和容積效率較高，推動閥芯力較大。同樣道理射流管閥工作壓力范圍很廣，它的低壓工作性能優(yōu)良，它甚至可以在0.5MPa供油條件下正常工作。下面為了消除某些手冊的結(jié)論的影響，特作如下說明: 伺服射流管先導(dǎo)級具有如下工作特點: (1)較大的流量接受效率(90%以上的先導(dǎo)級流量被利用)使得能耗降低，對于使用多臺伺服比例閥的系統(tǒng)，此優(yōu)點更突出。 (2)伺服射流管先導(dǎo)級具有很高的無阻尼自然頻率(500Hz )，因此這種閥的動態(tài)響應(yīng)較高。 (3)性能可靠。伺服射流先導(dǎo)級具有很高的壓力效率(輸入滿標(biāo)定信號時，壓力效率高大80%以上)，因此她可提供給功率級滑閥較大的驅(qū)動信號，提高了閥芯的位置重復(fù)精度。 (4)最低先導(dǎo)級控制壓力僅2.5MPa，由于它的這一優(yōu)點，此閥可用于象汽輪機(jī)控制一類的低壓系統(tǒng)中。 (5)先導(dǎo)級過濾器的壽命幾乎是無限的，因為先導(dǎo)級的名義間隙均在200 u m以上。 (6)由于閥的頻率響應(yīng)改善，功率級滑閥的增益得到了提高，因此使得閥具有優(yōu)異的靜態(tài)和動態(tài)性能，并使控制系統(tǒng)的性能大大提高。 2.5 小結(jié) 本章主要討論了伸縮臂液壓系統(tǒng)的整體設(shè)計。設(shè)計出能完成功能的液壓缸，并對其結(jié)構(gòu)、運動速度、強度進(jìn)行設(shè)計。對多路閥、電液伺服閥進(jìn)行選擇設(shè)計，以滿足系統(tǒng)的動作要求。 第3章 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計 3.1 電氣控制系統(tǒng)總體設(shè)計 電氣系統(tǒng)采用先進(jìn)的PLC控制技術(shù)，機(jī)電液相結(jié)合，有效地保證主機(jī)所有功能的實現(xiàn)，充分體現(xiàn)集成控制的設(shè)計思想。這是本產(chǎn)品的關(guān)鍵核心技術(shù)采用基于PLC可編程控制系統(tǒng)，實現(xiàn)起重機(jī)的自動控制，讓起重機(jī)的所有操作變得更加簡單方便，大大提高起重機(jī)的作業(yè)安全性、可靠性和作業(yè)效率，大大降低了操作人員的勞動強度，充分體現(xiàn)了以人為本的設(shè)計理念。 該系統(tǒng)具有特殊設(shè)計的控制模塊確保系統(tǒng)在惡劣的環(huán)境下可以高效運行。具有良好的EMC電磁兼容和防震的連接器、外殼。系統(tǒng)可接入范圍廣泛的數(shù)字和模擬輸入輸出信號，具有處理各種傳感器信號以及控制各執(zhí)行元件的能力。S7-200還可以根據(jù)功能要求方便地擴(kuò)展I/O口。系統(tǒng)還具有接口可以處理智能傳感器，各種電磁閥等控制元件以及其他的系統(tǒng)。 主要功能為:①電比例控制參數(shù)的數(shù)字化調(diào)整和顯示。②電比例系統(tǒng)的故障代碼顯示。③液壓系統(tǒng)實時檢測數(shù)據(jù)的顯示。④單缸伸縮控制系統(tǒng)，控制伸縮缸銷、臂銷的解鎖與鎖定及油缸的伸縮動作，從而實現(xiàn)吊臂的伸縮控制。 3.2 控制系統(tǒng)的硬件選擇設(shè)計 3.2.1可編程控制器 采用西門子57-200PLC，配置CPU226模塊，可提供24路數(shù)字量輸入和16路數(shù)字量輸出，7個可供擴(kuò)展模塊，實時時鐘。CPU226具有如下性能特點: (1) 24輸入/16輸出共40個數(shù)字量I/O點。 (2)可連接7個擴(kuò)展模板單元，最大可擴(kuò)展至248個數(shù)字量或35路模擬量I/O點。 (3) 13KB的程序和數(shù)據(jù)存儲區(qū)空間。 (4) 6個獨立的30KHz高速計數(shù)器，2路獨立的20KHz的高速脈沖輸出。 (5)具有PID控制器。 (6) 2個RS-485通信/編程口。 (7)具有多點接口MPI通信協(xié)議。 (8)具有點對點接口PPI通信協(xié)議。 (9)具有自由通信口。 (10) I/O段字排可以很容易地整體拆卸。 CPU226的接線圖如圖3.1所示。 圖3.1 CPU226接線圖 3.2.2人機(jī)操作界面HMI 人機(jī)操作界面采用文本顯示器TD200 o TD200是57-200的操作員界面，其功能如下: (1)顯示文本信息。通過選擇項確認(rèn)的方法可顯示最多80條信息，每條信息最多看包含4個變量?？娠@示中文。 (2)設(shè)定實時時鐘。 (3)提供強制/O點診斷功能。 (4)可顯示過程參數(shù)并可通過輸入鍵進(jìn)行設(shè)定和修改。 (5)具有可編程的8個功能鍵，可以代替普通的控制按鈕，從而可以節(jié)省8個輸點。 (6)具有密碼保護(hù)功能。 TD200不需要單獨的電源，只需要將它的連接電纜接到CPU22X的PPI接口上，用STEP-Micro/WIN軟件進(jìn)行編程。 3.2.3傳感器 傳感器選用選用抗振、抗電磁干擾、高精度低零漂，具有溫度補償功能的傳感器，即使在持續(xù)的高強度作業(yè)時，仍然保持其應(yīng)有的品質(zhì)。由于實踐中發(fā)現(xiàn)電流型抗電磁干擾能力強，系統(tǒng)所有的模擬傳感器都選擇是電流型。 3.2.4電比例手柄 手柄選用光電型電比例手柄，有X和Y雙軸電壓模擬量輸出，并有安全開關(guān)和方向開關(guān)等開關(guān)量輸出，適合移動式起重機(jī)惡劣的工作環(huán)境。 圖3.2手柄開關(guān)量輸出電路圖 圖3.3手柄模擬量輸出電路圖 3.2.5 DC輸入模塊和接近開關(guān) 輸入模塊采用DC輸入模塊接近開關(guān)的輸出類型要求與輸入模塊的類型相反。本設(shè)計方案中輸入模塊采用PNP型，接近開關(guān)采用NPN型。 3.2.6通信處理器 通信處理器采用EM277。EM277是連接SIMATIC現(xiàn)場總線PROFIBUS-DP從站的通信模板，使用EM277可以將S7-200 CPU作為現(xiàn)場總線PROFIBUS-DP的從站連接到網(wǎng)絡(luò)中。在EM277中，有一個RS-485接口，傳輸速率從9.6、19.2、45.45、93.75、187.5和500Kb/s-1 Mb/s，而1.5、3.6、12Mb/s，可自動設(shè)置。 3.2.7編程設(shè)備和軟件 采用個人計算機(jī)作為編程設(shè)備，但須配置制造廠提供的專用編程軟件。S7-200的編程軟件為STEP7-Micro/MIN，通過一條PC/PPI電纜將用戶程序送入PLC中。 3.3 小結(jié) 本章主要對伸縮臂的電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行了總體設(shè)計。設(shè)計出能夠完成伸縮臂動作要求的硬件電路，并對能夠完成功能的各電氣元件進(jìn)行設(shè)計，使系統(tǒng)具有高的可靠性和穩(wěn)定性。 結(jié)論和展望： 本文以研發(fā)適合中國國情的、中價位、高性能的大噸位輪式起重機(jī)所急需攻克的關(guān)鍵技術(shù)之一—輪式起重機(jī)伸縮臂液壓和電氣控制系統(tǒng)作為研究對象。借鑒國外先進(jìn)技術(shù)，成功設(shè)計出單缸插銷式伸縮臂液壓和電氣控制系統(tǒng)，引領(lǐng)行業(yè)輪式起重機(jī)產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展方向，提升我國起重機(jī)行業(yè)整體競爭實力。在本論文中，本人所得出的結(jié)論如下: (1)通過比較多種伸縮臂控制機(jī)理的優(yōu)缺點，最終確定了單缸插銷式伸縮控制技術(shù)代表了伸縮臂控制機(jī)理的先進(jìn)技術(shù)方向。 (2)伸縮臂動作的液壓控制回路采用閥控缸電液位置伺服系統(tǒng)，能夠?qū)ι炜s臂伸縮進(jìn)行精確定位。對整個伸縮系統(tǒng)的液壓控制回路的主要元件如主泵、閥和液壓缸的主要參數(shù)進(jìn)行設(shè)計計算，并對系統(tǒng)的一些主要靜態(tài)指標(biāo)進(jìn)行計算。 (3)設(shè)計出控制系統(tǒng)的硬件電路，對系統(tǒng)的主要電氣控制元件進(jìn)行設(shè)計計算，在滿足基本功能的條件下，使其具有高的可靠性和穩(wěn)定性。 (4)采用PLC可編程控制技術(shù)，實現(xiàn)了通過一根雙作用往復(fù)式伸縮油缸來實現(xiàn)起重臂的全部伸縮動作。通過計算機(jī)控制系統(tǒng)的顯示屏信息提示進(jìn)行人機(jī)對話，實現(xiàn)起重臂按設(shè)定的工作模式和邏輯程序順序伸縮以及對起重臂伸縮狀態(tài)的實時監(jiān)控。 (5)建立液壓系統(tǒng)關(guān)鍵控制回路的數(shù)學(xué)模型，采用AMESim模擬軟件對伸縮臂位置伺服系統(tǒng)以及缸銷液壓系統(tǒng)進(jìn)行了分析仿真。 (6)設(shè)計出電氣控制系統(tǒng)的控制流程圖，并用西門子編程軟件STEP7-Micro/MIN編制出伸縮臂動作的自動和手動控制程序，并進(jìn)行仿真驗證。 本文的研究工作還只是開始，今后還應(yīng)就如下方面開展研究工作: (1)液壓和電氣系統(tǒng)的可靠性研究、故障自診斷功能和維修參考方案; (2)電液控制位置伺服系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計; (3)選擇研究更先進(jìn)的電氣控制元件并進(jìn)行研究設(shè)計; (4)進(jìn)一步進(jìn)行控制系統(tǒng)的可視化和智能化研究。 參考文獻(xiàn)： 1.柳洪義.機(jī)械工程控制基礎(chǔ)，北京:科學(xué)出版社，2006, 6-42. 2.王十剛.液壓系統(tǒng)可視化動態(tài)建模技術(shù)及其軟件實現(xiàn)方法研究[D].大連:大連理工大學(xué)，2001. 3.章宏甲。液壓傳動，北京:機(jī)械出版社，1997, 32-44. 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