劉昌吉, 李遠(yuǎn)慧, 陳新元, 付連東, 鄧江洪
(1.武漢鋼鐵公司 港務(wù)公司,武漢430082;2.武漢科技大學(xué) 機(jī)械自動化學(xué)院,武漢430081)
混勻取料機(jī)料耙驅(qū)動機(jī)構(gòu)由曲柄連桿驅(qū)動改為液壓系統(tǒng)驅(qū)動后,消除了減速機(jī)損壞、軸銷斷裂,減少了料耙開裂、耙齒磨損、脫落、牛腿變形等故障。但由于料耙自重大、負(fù)載也大,所以慣性大,而料耙成往復(fù)運(yùn)動,運(yùn)行速度較大、運(yùn)行周期短,加速度也大,導(dǎo)致?lián)Q向沖擊大。這加快了液壓管道、液壓元件的損壞,針對上述問題,對原有液壓系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。采用了壓力補(bǔ)償器加比例換向閥控制方案,PLC 輸出梯形指令信號,控制通過閥口的流量,從而調(diào)節(jié)換向時(shí)料耙的速度,減少沖擊。
改進(jìn)后的液壓系統(tǒng)原理如圖1 所示。該液壓系統(tǒng)分為循環(huán)冷卻系統(tǒng)和主泵系統(tǒng)。
圖1 液壓系統(tǒng)原理圖
循環(huán)冷卻系統(tǒng)保證油液的清潔度和溫度在允許范圍內(nèi)。該系統(tǒng)采用三螺桿泵將油箱中的油吸出,經(jīng)10μm 的管路過濾器過濾、獨(dú)立式強(qiáng)制冷油冷卻裝置降溫后,送回油箱中。
主泵系統(tǒng)采用恒壓變量泵,高壓油經(jīng)板式過濾器過濾后,經(jīng)比例閥、壓力補(bǔ)償器進(jìn)入油缸一腔,另一腔液壓油經(jīng)壓力補(bǔ)償器、比例閥回油箱,液壓油在回油箱之前經(jīng)箱上回油過濾器過濾。過濾器的過濾精度為10μm。在主泵出口裝有電磁溢流閥,控制系統(tǒng)壓力。
為了監(jiān)測油箱中液壓油量,在油箱上安裝了翻板式液位計(jì),并設(shè)置高、低、極低三個(gè)液位點(diǎn);為了保證系統(tǒng)的油液清潔度,在各過濾器上安裝了壓差發(fā)訊器,壓差值設(shè)定在0.25MPa;為了便于檢修,在主泵和三螺桿泵吸油口安裝了蝶閥,該蝶閥帶有限位開關(guān),避免蝶閥未開而啟動泵,導(dǎo)致泵故障。
該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是采用了比例換向閥,閥的開口隨給定信號變化。但是比例換向閥只能起到節(jié)流作用,通過閥的流量隨壓差改變。在恒壓系統(tǒng)中,為了準(zhǔn)確控制通過比例閥的流量,必須保證負(fù)載壓力波動在很小的范圍內(nèi)。所以該系統(tǒng)中采用了雙出口壓力補(bǔ)償器,對負(fù)載壓力進(jìn)行補(bǔ)償,保證比例閥的壓油口與回油口的壓差為恒定值。
圖2 比例換向閥控制信號曲線
改進(jìn)后的系統(tǒng)電氣控制的關(guān)鍵在于比例換向閥的控制信號給定。它需要保證在料耙換向時(shí),通過閥口的流量減少,換向后,通過閥口的流量迅速增加。綜合考慮料耙的運(yùn)行速度、運(yùn)行周期、現(xiàn)有泵的排量、電機(jī)功率、液壓元件性能,最終采用了梯形信號,見圖2。
該系統(tǒng)設(shè)置了4 個(gè)感應(yīng)式限位開關(guān)A、B、C、D,沿料耙運(yùn)動方向,從左往右依次安裝,以監(jiān)測料耙的位置。將比例閥的控制信號曲線分成8 段,分別為a、b、c、d、e、f、g、h。當(dāng)料耙向右運(yùn)動,經(jīng)過感應(yīng)開關(guān)A,料耙速度開始增加,比例閥給定信號按曲線a 增加;當(dāng)料耙向右運(yùn)動,經(jīng)過感應(yīng)開關(guān)B,比例閥給定信號為b 段,是定值,料耙向右按設(shè)定最大速度勻速運(yùn)行;當(dāng)料耙向右運(yùn)動,經(jīng)過感應(yīng)開關(guān)C,比例閥給定信號為c 段,料耙向右減速運(yùn)動;當(dāng)料耙經(jīng)過感應(yīng)開關(guān)D,比例閥信號發(fā)生跳躍,為d 段,然后信號為曲線e段,料耙反向加速;料耙向左運(yùn)動經(jīng)過感應(yīng)開關(guān)C 后,比例閥信號保持在f 段,料耙向左勻速;料耙向左運(yùn)行經(jīng)過感應(yīng)開關(guān)B 后,比例閥信號為曲線g 段,料耙向左減速;料耙向左經(jīng)過感應(yīng)開關(guān)A,比例閥信號按h 跳變后,料耙立刻反向,然后進(jìn)入a 段,開始下一循環(huán)過程。
各加速、減速段信號,按時(shí)間的增加遞增或遞減,如a段,設(shè)定斜率k=10,時(shí)間間隔為Δt=100ms,信號初始值為i0。自A 被感應(yīng)開始計(jì)時(shí),歷時(shí)為t,則x=t/Δt,比例閥給定信號為i=i0+kx,由于比例閥有死區(qū),因此初始值i0應(yīng)在該值附近設(shè)定。
由于料耙運(yùn)動的方向與比例方向閥的工位對應(yīng),因此可以根據(jù)上一短時(shí)間段比例閥的控制信號所在范圍來判斷料耙的運(yùn)動方向。
該系統(tǒng)采用控制器為施耐德Quantum 系列PLC,編程語言LL984,比例閥控制曲線a 段的程序如圖3 所示。
圖3
改進(jìn)后的比例系統(tǒng)在使用過程中,沖擊明顯減小。通過利用NI USB-6009,對A 腔、B 腔、泵出口壓力進(jìn)行測量,將測量值和給出閥信號值在同一坐標(biāo)圖中顯示,如圖4,橫坐標(biāo)為時(shí)間,縱坐標(biāo)為測量值。
由圖4 可知,(1)料耙的運(yùn)動周期約為8.2s,符合工藝需要;(2)由于壓力補(bǔ)償器的作用,料耙接近換向時(shí),兩腔壓差波動小,油缸平穩(wěn)減速;換向時(shí),工作腔、回油腔壓力同時(shí)升高,這是壓力補(bǔ)償器對回油口形成背壓達(dá)到的,沖擊減?。?3)料耙運(yùn)動時(shí),負(fù)載變化造成油缸工作腔壓力連續(xù)較大的變化,而回油腔壓力在1MPa 左右輕微波動,但機(jī)構(gòu)小車在比例閥的驅(qū)動下做平穩(wěn)的運(yùn)動。(4)換向時(shí),泵出口壓力過高,可以通過適當(dāng)降低溢流閥設(shè)定值降低泵出口壓力。
圖4 改進(jìn)后壓力測試曲線
圖5 改進(jìn)后壓差測試曲線
比例閥信號控制通過現(xiàn)場調(diào)試,利用程序進(jìn)行了優(yōu)化。調(diào)試前的系統(tǒng)工作曲線如圖5 所示,波動曲線為油缸兩腔的壓差曲線。4 處與3 處壓差比較,4 處壓差也應(yīng)平滑下降,但實(shí)際4 處壓差先快速上升后才下降,且最大壓差明顯高于3 處,對應(yīng)分析比例閥信號曲線,2 處信號值比1 處信號值略大,即換向時(shí),在信號2 處系統(tǒng)流量略大于信號1 處流量,對機(jī)構(gòu)運(yùn)動的速度影響不大,但增加了沖擊。因此,程序調(diào)試,減低比例閥在換向點(diǎn)2 處的信號,降低系統(tǒng)流量,消除沖擊,改善了機(jī)構(gòu)運(yùn)動。
換向沖擊是運(yùn)動速度快、換向頻繁、負(fù)載大的設(shè)備存在的主要問題之一,換向沖擊大大減少元件的壽命,加速密封失效,導(dǎo)致泄漏等,同時(shí)影響設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)采用比例換向閥與壓力補(bǔ)償器代替電液換向閥后,系統(tǒng)沖擊顯著減小,設(shè)備故障率進(jìn)一步降低。該方式可以作為其它重載、高速、換向頻繁的設(shè)備液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的借鑒。
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