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    液壓翻板地磅的雙液壓缸同步控制問題分析

    本文針對液壓翻板地磅雙液壓缸運行出現的同步問題進行了原因分析,并對常用的同步控制方法進行了比較,根據系統的具體情況提出了問題解決思路和方法。
    一、概述
    液壓翻板地磅是集電子稱重和自動卸載于一體的散狀物料汽車卸車裝置,已經廣泛用于糧油加工、飼料加工、造紙制漿和港口等行業,對散狀物料進行自動卸載,如小麥、大豆、玉米、花生和稻谷等的稱重和卸載,同時也廣泛適用于化工、冶金、礦山及一切有散狀物料接收作業的部門和單位。
    載重汽車按指令沿導向線就位翻板平臺,起升擋輪器,檔位器擋住汽車后輪;主起升油缸升起,使翻板平臺傾斜到一定角度,在這個過程中車內的物料被逐漸卸出;當物料卸凈后,翻板平臺落下到位,擋輪器收回;汽車沿導向線離開翻板平臺,完成整個卸料過程,其優點是人工干涉小,卸車效率高。
    翻板平臺的翻轉是由平臺兩側的兩個三級起升液壓缸的頂升實現的,平臺可由液壓缸抬至傾角40°左右,傾角大小由操作員根據物料特性設定和調節,為了實現平臺的平穩頂升,保證兩個三級液壓缸的同步運行是保證設備穩定運行的前提條件,否則將出現爬行、別勁、振顫等問題,甚至出現上不能上,下不能下的尷尬情形,嚴重時還會出現車輛傾覆等安全事故,因此必須高度重視液壓翻板汽車衡雙液壓缸的同步控制問題。
    二、三級液壓缸
    1.油缸
    即液壓缸,液壓缸是輸出力和活塞有效面積及其兩邊的壓差成正比的直線運動式執行元件,它的職能是將液壓能轉換成機械能。液壓缸的輸入量是流體的流量和壓力,輸出的是直線運動速度和力。液壓缸的活塞能完成直線往復運動,輸出的直線位移是有限的,液壓缸是將液壓能轉換為往復直線運動的機械能的能量轉換裝置。液壓缸基本上由缸筒和缸蓋、活塞和活塞桿、密封裝置、緩沖裝置與排氣裝置組成。
    多級油缸又稱套疊式柱塞油缸,其閉合高度小、行程大,因此當油缸長度尺寸受到嚴格限制,而要求有油缸長度的兩倍或三倍行程時,就需要要采用這種油缸。三級油缸的簡圖如圖1所示。柱塞為三級套疊,最大行程約可為油缸長度的三倍。

    通過三級液壓缸套裝在一起的結構方式,當液壓油作用時推動一級缸頂出,到規定長度時帶動二級缸、三級缸,減少了安裝空間。在輸出力要求不變的場合,便于系統壓力的設定和調節,在一定流量下實現多級速度伸出,降低材料損耗、減輕主機的重量,便于運輸吊裝。
    長行程三級同步伸縮液壓缸結構復雜、加工難度大,在生產過程中由于鋼管材料、密封件規格以及加工成本的限制,各級柱塞的結構尺寸不可能達到完全同步的要求尺寸,只能在現有條件的基礎上使各級柱塞的相對速度近似相等。
    2.造成液壓缸不同步的原因分析
    根據液壓缸的特性,任何兩個以上的液壓缸同時完成同一個工作就存在一個液壓缸的同步問題,在本文討論的液壓翻板地磅中,同時使用兩只三級液壓缸進行平臺的頂升工作就存在一個兩只液壓缸的同步控制問題,否則將出現兩只液壓缸運行不同步,易造成頂升運行發生顫動、不平穩,造成無法正常頂升問題,甚至出現汽車側翻事故,因此有必要對這兩只液壓缸進行同步控制問題進行研究分析。
    通過對液壓翻板汽車衡進行分析研究,造成兩只液壓缸不同步(翻板兩側不同步)的原因主要是:
    (1)兩只液壓缸參數不一致;一致性差。
    (2)多級液壓缸固有的特性。
    (3)兩側機械結構有差異,摩擦力不同。
    (4)液壓缸的控制方法
    所有這些原因,有些是可以通過保證安裝質量或完善結構降低影響量,但有些影響使無法完全避免的,同時,本系統的動力都是由兩側的液壓缸來提供的,一旦結構固定,相關影響也就固定了,因此,如何設計對兩只液壓缸的同步控制是保證平臺頂升穩定運行的關鍵。
    三、常用同步控制器件
    1.分離集流閥
    分流集流閥也稱速度同步閥,是液壓閥中分流閥、集流閥、單向分流閥、單向集流閥和比例分流閥的總稱。同步閥主要是應用于雙缸及多缸同步控制液壓系統中。通常實現同步運動的方法很多,但其中以采用分流集流閥—同步閥的同步控制液壓系統具有結構簡單、成本低、制造容易、可靠性強等許多優點,因而同步閥在液壓系統中得到了廣泛的應用。分流集流閥的同步是速度同步,當兩油缸或多個油缸分別承受不同的負載時,分流集流閥仍能保證其同步運動。
    分流閥的作用是使液壓系統中由同一個油源向兩個以上執行元件供應相同的流量(等量分流),或按一定比例向兩個執行元件供應流量(比例分流),以實現兩個執行元件的速度保持同步或定比關系。
    集流閥的作用,則是從兩個執行元件收集等流量或按比例的回油量,以實現其間的速度同步或定比關系。分流集流閥則兼有分流閥和集流閥的功能。
    2. 流量控制閥
    流量控制閥簡稱流量閥,它通過改變節流口通流面積或通流通道的長短來改變局部阻力的大小,從而實現對流量的控制,進而改變執行機構的運動速度。流量控制閥包括節流閥、調速閥、分流集流閥。
    3.同步馬達
    同步馬達在液壓系統中用于同步控制時,比其他調速閥控制精度要高得多。但是同步馬達仍然存在著明顯的誤差,如果能正確使用,就能更好地發揮同步液壓馬達的同步功效,實現更精準的同步控制。
    影響液壓同步馬達同步誤差的主要因素:
    液壓同步馬達是由加工精度較高、尺寸相同的若干個液壓馬達組成。
    相同的尺寸和較高的加工精度,使得通過每一個液壓馬達的流量(排量)近似相同,再者,由于液壓執行器的截面積(排量)相同,從而實現速度同步。液壓同步馬達精度較高,但實際使用中還存在著明顯的誤差,其同步精度主要受以下一些因素的影響:
    (1)液壓馬達及液壓執行器的加工精度;
    (2)負載的均勻程度;
    (3)液壓管道的布置;
    (4)介質中氣體的含量;
    由于以上原因,液壓同步馬達在實際使用時,存在著明顯的誤差,所以要解決液壓同步馬達的同步誤差,就必須解決以上問題,正確、合理地使用液壓同步馬達。
    四、常用液壓多缸同步的優缺點
    1.分流集流閥同步
    使用分流截流方式實現同步,優點是價格便宜、安裝方便、流量范圍大。缺點是精度低、抗偏載能力差、需要反復調節,只適用同步要求不高、沒有同步危險的地方。屬于低端產品,也比較成熟,誤差終點補償,正常同步精度5%-10%。
    2.同步馬達
    同步馬達也是采用容積同步方式,用同心軸連接,同步性能好,抗偏載能力強,抗污染能力強,缺點:體積大,噪聲較大,價格高,維修困難,使用有限制,必須在轉速范圍才可以,目前是主流,使用范圍廣。同步精度1%-10%。
    3.復合控制
    用分流、截流、調速閥、單向閥等組成一個控制回路,是目前采用的比較多,效果比同步閥稍好,缺點也是抗偏載能力差,需要反復調節,油路多,需要有專業知識。
    4. 比例伺服系統
    用比例閥或者伺服閥,位移傳感器組成一個閉環回路,體積小、結構緊湊,運用電腦程序控制,高速響應,動態調整,抗偏載能力強、精度高、專業性強,對油品和操作環境有相當的要求,關鍵部件依賴進口,價格高,維護保養困難。只適應與小流量、大流量價格極高精度難控。精度0.01%-1%具體看傳感器精度,閥精度和CPU處理能力。
    5. 程控液壓同步分流器
    采用PLC將模擬量流量數字化,用容積同步的方式保證精度和安全,采用多點電控修正誤差,高精度可加裝位移傳感器和電控比例修正精度可堪比伺服,運行平穩無噪音,可以不加傳感器也可高精度,無爬行。集成同步模塊,可以實現免調試,還可以無極調速,一個系統多個速度控制,缺點體積較大、性價比高、目前正在推廣。
    五、同步控制分析
    由于液壓系統的泄漏、執行元件等存在的非線性摩擦阻力、控制元件間的性能差異、結構剛度、負載和系統各組成部分的制造誤差等因素的影響,使得液壓同步的高精度問題還未能完全得到解決。
    實現液壓同步驅動一般有開環控制和閉環控制兩種基本形式。
    采用開環控制的液壓同步驅動因為它完全依靠液壓控制元件(如同步閥、各類節流閥或調速閥)本身的精度來控制執行元件的同步驅動,而不對執行元件的輸出進行檢測與反饋來形成閉環控制,所以它不能消除或抑制對高精度同步的不利因素的影響,因此,只適用于同步要求較低的場合。
    在同步要求較高的場合就需要采用閉環控制,需要對輸出量進行檢測與反饋,從而形成閉環控制,最大程度消除器件差異、結構等不利因素的影響以獲得高精度的同步驅動。隨著現代控制理論以及計算機技術的發展,液壓同步閉環控制已經越來越得到人們的重視,這種控制形式幾乎在所有需要高精度液壓同步驅動的各類主機上都得到了較好的應用。
    六、液壓翻板汽車衡工作分析
    液壓翻版一般是3.5米寬,18米長的平臺,可以承載需要卸料的汽車,載重一般在60t以上,一端(卸料端)的兩側是固定軸端(如圖2所示中的A點,)翻板以此點為固定圓心頂起,在平臺中間部位(如圖2所示中的B點)的兩側設置兩個多級液壓缸,作為頂升動力,液壓缸的固定端固定在設備基礎上(如圖2所示中的C點)。

    當需要卸料時,啟動液壓缸頂升翻板平臺,使可安全??吭诜迤脚_上的汽車隨翻板平臺一起傾斜到需要角度從圖2所示狀態到圖3所示狀態,從而將物料依靠重量自動卸載,傾斜角度可根據物料特性不同而進行調整,卸料完成后再啟動油缸回收,恢復到圖2所示狀態。

    七、液壓翻板工作工程中的同步問題
    由于液壓翻板工作工程中(從圖2所示狀態到圖3所示狀態或從從圖3所示狀態到圖2所示狀態)是靠翻板兩側的三級液壓油缸提供動力的,兩個油缸一同完成一個工作就存在一個工作同步問題。
    仔細分析設備工作過程和狀態,兩個液壓缸在工作過程中受到的壓力是變化的,剛開始頂升時壓力最大,隨著頂升角度的加大,液壓缸所受到的壓力減??;同時由于汽車上車的位置有偏差,也造成兩個液壓缸的受力不同,有大有小,這些也能造成液壓缸不同步問題發生。
    所謂液壓翻板的同步問題就是保證兩個液壓缸的運行平穩,不犯別,從整個系統來分析,造成設備運行不同步的可能原因主要有以下幾點:
    1.設備固定端(A點)兩側軸不同心;
    2.兩個液壓缸的安裝位置不對稱、軸不同心,造成兩側頂升同樣高度或角度需要的液壓缸行程不同;
    3.兩個多級液壓缸的加工精度低,不能保證兩個多級液壓缸的參數一致;
    4.翻轉平臺剛性差,造成兩個液壓缸在運行過程中的受力不穩定。
    5.兩個液壓缸在運行過程中受到的摩擦阻力不同。
    6.液壓缸的同步控制比較簡單或未考慮。
    7.未采用可靠的閉環控制方式,或采用的采樣點不合理。
    八、解決同步問題的方法
    1.解決好制造、安裝問題,保證各軸的同心度和位置的對稱一致,各連接處保證潤滑良好,確保各活動連接處運轉良好。
    2.保證翻轉平臺的剛性滿足要求(一般沒有問題)。
    3.購買加工精度高、一致性好的質量穩定的三級液壓缸。
    4.采用閉環控制方式
    仔細分析翻板平臺的運行過程,所以看出,所謂的同步問題最根本的是保證翻轉平臺在液壓缸的作用下兩側的上升角度一致,只要平臺角度一致了就不會出現液壓缸別勁問題,從而影響液壓缸的平穩運行。
    因此,解決液壓缸的同步問題根本就是解決翻轉平臺兩側上升角度一致問題,所以在翻轉平臺兩側的合適位置增加角度傳感器實時檢測平臺上升的角度,并根據檢測結果進行兩個液壓缸的控制從而保證平臺兩側上升角度差在合適范圍內(具體參數需要根據實際確定)是解決液壓翻板地磅液壓缸同步問題的根本思路。
    在液壓缸上增加拉伸傳感器,實際就是控制兩個液壓缸的行程一致,但由于液壓缸行程一致了并不能完全保證平臺上升角度一致,從而造成兩個液壓缸有可能在平臺的影響下出現別勁問題,進而影響液壓缸的平穩運行,出現不同步問題。因此若保證通過控制兩個液壓缸行程一致來解決同步問題必須在保證制造質量、安裝質量、維護質量的前提下,才能達到較好的控制效果。
    九、結束語
    影響液壓翻板地磅雙液壓缸同步運行的因素很多,通過對翻板平臺工作過程進行分析可以看出,要解決同步問題,首先要保證設備的各運行點的加工質量、安裝質量和維護質量,以及液壓缸的采購質量,在此基礎上可以有多種同步控制方法得到較好的兩個三級液壓缸的同步運行效果,但最可靠的控制方法還是增加角度傳感器以實現平臺兩側上升角度一致的閉環控制方式,從而保證兩個液壓缸的穩定可靠同步運行。
     
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