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液压翻板地磅的双液压缸同步控制问题分析

本文针对液压翻板地磅双液压缸运行出现的同步问题进行了原因分析,并对常用的同步控制方法进行了比较,根据系统的具体情况提出了问题解决思路和方法。
一、概述
液压翻板地磅是集电子称重和自动卸载于一体的散状物料汽车卸车装置,已经广泛用于粮油加工、饲料加工、造纸制浆和港口等行业,对散状物料进行自动卸载,如小麦、大豆、玉米、花生和稻谷等的称重和卸载,同时也广泛适用于化工、冶金、矿山及一切有散状物料接收作业的部门和单位。
载重汽车按指令沿导向线就位翻板平台,起升挡轮器,档位器挡住汽车后轮;主起升油缸升起,使翻板平台倾斜到一定角度,在这个过程中车内的物料被逐渐卸出;当物料卸净后,翻板平台落下到位,挡轮器收回;汽车沿导向线离开翻板平台,完成整个卸料过程,其优点是人工干涉小,卸车效率高。
翻板平台的翻转是由平台两侧的两个三级起升液压缸的顶升实现的,平台可由液压缸抬至倾角40°左右,倾角大小由操作员根据物料特性设定和调节,为了实现平台的平稳顶升,保证两个三级液压缸的同步运行是保证设备稳定运行的前提条件,否则将出现爬行、别劲、振颤等问题,甚至出现上不能上,下不能下的尴尬情形,严重时还会出现车辆倾覆等安全事故,因此必须高度重视液压翻板汽车衡双液压缸的同步控制问题。
二、三级液压缸
1.油缸
即液压缸,液压缸是输出力和活塞有效面积及其两边的压差成正比的直线运动式执行元件,它的职能是将液压能转换成机械能。液压缸的输入量是流体的流量和压力,输出的是直线运动速度和力。液压缸的活塞能完成直线往复运动,输出的直线位移是有限的,液压缸是将液压能转换为往复直线运动的机械能的能量转换装置。液压缸基本上由缸筒和缸盖、活塞和活塞杆、密封装置、缓冲装置与排气装置组成。
多级油缸又称套叠式柱塞油缸,其闭合高度小、行程大,因此当油缸长度尺寸受到严格限制,而要求有油缸长度的两倍或三倍行程时,就需要要采用这种油缸。三级油缸的简图如图1所示。柱塞为三级套叠,最大行程约可为油缸长度的三倍。

通过三级液压缸套装在一起的结构方式,当液压油作用时推动一级缸顶出,到规定长度时带动二级缸、三级缸,减少了安装空间。在输出力要求不变的场合,便于系统压力的设定和调节,在一定流量下实现多级速度伸出,降低材料损耗、减轻主机的重量,便于运输吊装。
长行程三级同步伸缩液压缸结构复杂、加工难度大,在生产过程中由于钢管材料、密封件规格以及加工成本的限制,各级柱塞的结构尺寸不可能达到完全同步的要求尺寸,只能在现有条件的基础上使各级柱塞的相对速度近似相等。
2.造成液压缸不同步的原因分析
根据液压缸的特性,任何两个以上的液压缸同时完成同一个工作就存在一个液压缸的同步问题,在本文讨论的液压翻板地磅中,同时使用两只三级液压缸进行平台的顶升工作就存在一个两只液压缸的同步控制问题,否则将出现两只液压缸运行不同步,易造成顶升运行发生颤动、不平稳,造成无法正常顶升问题,甚至出现汽车侧翻事故,因此有必要对这两只液压缸进行同步控制问题进行研究分析。
通过对液压翻板汽车衡进行分析研究,造成两只液压缸不同步(翻板两侧不同步)的原因主要是:
(1)两只液压缸参数不一致;一致性差。
(2)多级液压缸固有的特性。
(3)两侧机械结构有差异,摩擦力不同。
(4)液压缸的控制方法
所有这些原因,有些是可以通过保证安装质量或完善结构降低影响量,但有些影响使无法完全避免的,同时,本系统的动力都是由两侧的液压缸来提供的,一旦结构固定,相关影响也就固定了,因此,如何设计对两只液压缸的同步控制是保证平台顶升稳定运行的关键。
三、常用同步控制器件
1.分离集流阀
分流集流阀也称速度同步阀,是液压阀中分流阀、集流阀、单向分流阀、单向集流阀和比例分流阀的总称。同步阀主要是应用于双缸及多缸同步控制液压系统中。通常实现同步运动的方法很多,但其中以采用分流集流阀—同步阀的同步控制液压系统具有结构简单、成本低、制造容易、可靠性强等许多优点,因而同步阀在液压系统中得到了广泛的应用。分流集流阀的同步是速度同步,当两油缸或多个油缸分别承受不同的负载时,分流集流阀仍能保证其同步运动。
分流阀的作用是使液压系统中由同一个油源向两个以上执行元件供应相同的流量(等量分流),或按一定比例向两个执行元件供应流量(比例分流),以实现两个执行元件的速度保持同步或定比关系。
集流阀的作用,则是从两个执行元件收集等流量或按比例的回油量,以实现其间的速度同步或定比关系。分流集流阀则兼有分流阀和集流阀的功能。
2. 流量控制阀
流量控制阀简称流量阀,它通过改变节流口通流面积或通流通道的长短来改变局部阻力的大小,从而实现对流量的控制,进而改变执行机构的运动速度。流量控制阀包括节流阀、调速阀、分流集流阀。
3.同步马达
同步马达在液压系统中用于同步控制时,比其他调速阀控制精度要高得多。但是同步马达仍然存在着明显的误差,如果能正确使用,就能更好地发挥同步液压马达的同步功效,实现更精准的同步控制。
影响液压同步马达同步误差的主要因素:
液压同步马达是由加工精度较高、尺寸相同的若干个液压马达组成。
相同的尺寸和较高的加工精度,使得通过每一个液压马达的流量(排量)近似相同,再者,由于液压执行器的截面积(排量)相同,从而实现速度同步。液压同步马达精度较高,但实际使用中还存在着明显的误差,其同步精度主要受以下一些因素的影响:
(1)液压马达及液压执行器的加工精度;
(2)负载的均匀程度;
(3)液压管道的布置;
(4)介质中气体的含量;
由于以上原因,液压同步马达在实际使用时,存在着明显的误差,所以要解决液压同步马达的同步误差,就必须解决以上问题,正确、合理地使用液压同步马达。
四、常用液压多缸同步的优缺点
1.分流集流阀同步
使用分流截流方式实现同步,优点是价格便宜、安装方便、流量范围大。缺点是精度低、抗偏载能力差、需要反复调节,只适用同步要求不高、没有同步危险的地方。属于低端产品,也比较成熟,误差终点补偿,正常同步精度5%-10%。
2.同步马达
同步马达也是采用容积同步方式,用同心轴连接,同步性能好,抗偏载能力强,抗污染能力强,缺点:体积大,噪声较大,价格高,维修困难,使用有限制,必须在转速范围才可以,目前是主流,使用范围广。同步精度1%-10%。
3.复合控制
用分流、截流、调速阀、单向阀等组成一个控制回路,是目前采用的比较多,效果比同步阀稍好,缺点也是抗偏载能力差,需要反复调节,油路多,需要有专业知识。
4. 比例伺服系统
用比例阀或者伺服阀,位移传感器组成一个闭环回路,体积小、结构紧凑,运用电脑程序控制,高速响应,动态调整,抗偏载能力强、精度高、专业性强,对油品和操作环境有相当的要求,关键部件依赖进口,价格高,维护保养困难。只适应与小流量、大流量价格极高精度难控。精度0.01%-1%具体看传感器精度,阀精度和CPU处理能力。
5. 程控液压同步分流器
采用PLC将模拟量流量数字化,用容积同步的方式保证精度和安全,采用多点电控修正误差,高精度可加装位移传感器和电控比例修正精度可堪比伺服,运行平稳无噪音,可以不加传感器也可高精度,无爬行。集成同步模块,可以实现免调试,还可以无极调速,一个系统多个速度控制,缺点体积较大、性价比高、目前正在推广。
五、同步控制分析
由于液压系统的泄漏、执行元件等存在的非线性摩擦阻力、控制元件间的性能差异、结构刚度、负载和系统各组成部分的制造误差等因素的影响,使得液压同步的高精度问题还未能完全得到解决。
实现液压同步驱动一般有开环控制和闭环控制两种基本形式。
采用开环控制的液压同步驱动因为它完全依靠液压控制元件(如同步阀、各类节流阀或调速阀)本身的精度来控制执行元件的同步驱动,而不对执行元件的输出进行检测与反馈来形成闭环控制,所以它不能消除或抑制对高精度同步的不利因素的影响,因此,只适用于同步要求较低的场合。
在同步要求较高的场合就需要采用闭环控制,需要对输出量进行检测与反馈,从而形成闭环控制,最大程度消除器件差异、结构等不利因素的影响以获得高精度的同步驱动。随着现代控制理论以及计算机技术的发展,液压同步闭环控制已经越来越得到人们的重视,这种控制形式几乎在所有需要高精度液压同步驱动的各类主机上都得到了较好的应用。
六、液压翻板汽车衡工作分析
液压翻版一般是3.5米宽,18米长的平台,可以承载需要卸料的汽车,载重一般在60t以上,一端(卸料端)的两侧是固定轴端(如图2所示中的A点,)翻板以此点为固定圆心顶起,在平台中间部位(如图2所示中的B点)的两侧设置两个多级液压缸,作为顶升动力,液压缸的固定端固定在设备基础上(如图2所示中的C点)。

当需要卸料时,启动液压缸顶升翻板平台,使可安全停靠在翻板平台上的汽车随翻板平台一起倾斜到需要角度从图2所示状态到图3所示状态,从而将物料依靠重量自动卸载,倾斜角度可根据物料特性不同而进行调整,卸料完成后再启动油缸回收,恢复到图2所示状态。

七、液压翻板工作工程中的同步问题
由于液压翻板工作工程中(从图2所示状态到图3所示状态或从从图3所示状态到图2所示状态)是靠翻板两侧的三级液压油缸提供动力的,两个油缸一同完成一个工作就存在一个工作同步问题。
仔细分析设备工作过程和状态,两个液压缸在工作过程中受到的压力是变化的,刚开始顶升时压力最大,随着顶升角度的加大,液压缸所受到的压力减小;同时由于汽车上车的位置有偏差,也造成两个液压缸的受力不同,有大有小,这些也能造成液压缸不同步问题发生。
所谓液压翻板的同步问题就是保证两个液压缸的运行平稳,不犯别,从整个系统来分析,造成设备运行不同步的可能原因主要有以下几点:
1.设备固定端(A点)两侧轴不同心;
2.两个液压缸的安装位置不对称、轴不同心,造成两侧顶升同样高度或角度需要的液压缸行程不同;
3.两个多级液压缸的加工精度低,不能保证两个多级液压缸的参数一致;
4.翻转平台刚性差,造成两个液压缸在运行过程中的受力不稳定。
5.两个液压缸在运行过程中受到的摩擦阻力不同。
6.液压缸的同步控制比较简单或未考虑。
7.未采用可靠的闭环控制方式,或采用的采样点不合理。
八、解决同步问题的方法
1.解决好制造、安装问题,保证各轴的同心度和位置的对称一致,各连接处保证润滑良好,确保各活动连接处运转良好。
2.保证翻转平台的刚性满足要求(一般没有问题)。
3.购买加工精度高、一致性好的质量稳定的三级液压缸。
4.采用闭环控制方式
仔细分析翻板平台的运行过程,所以看出,所谓的同步问题最根本的是保证翻转平台在液压缸的作用下两侧的上升角度一致,只要平台角度一致了就不会出现液压缸别劲问题,从而影响液压缸的平稳运行。
因此,解决液压缸的同步问题根本就是解决翻转平台两侧上升角度一致问题,所以在翻转平台两侧的合适位置增加角度传感器实时检测平台上升的角度,并根据检测结果进行两个液压缸的控制从而保证平台两侧上升角度差在合适范围内(具体参数需要根据实际确定)是解决液压翻板地磅液压缸同步问题的根本思路。
在液压缸上增加拉伸传感器,实际就是控制两个液压缸的行程一致,但由于液压缸行程一致了并不能完全保证平台上升角度一致,从而造成两个液压缸有可能在平台的影响下出现别劲问题,进而影响液压缸的平稳运行,出现不同步问题。因此若保证通过控制两个液压缸行程一致来解决同步问题必须在保证制造质量、安装质量、维护质量的前提下,才能达到较好的控制效果。
九、结束语
影响液压翻板地磅双液压缸同步运行的因素很多,通过对翻板平台工作过程进行分析可以看出,要解决同步问题,首先要保证设备的各运行点的加工质量、安装质量和维护质量,以及液压缸的采购质量,在此基础上可以有多种同步控制方法得到较好的两个三级液压缸的同步运行效果,但最可靠的控制方法还是增加角度传感器以实现平台两侧上升角度一致的闭环控制方式,从而保证两个液压缸的稳定可靠同步运行。
 
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