田東亮，尹玉梅

（1.荊州理工職業(yè)學(xué)院機(jī)電與汽車工程學(xué)院，湖北荊州 434000；2.荊州理工職業(yè)學(xué)院電子信息學(xué)院，湖北荊州 434000）

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展和人類文明的進(jìn)步，汽車逐漸成為人們的必要交通工具之一。隨之而來，汽車的維修與保養(yǎng)任務(wù)也愈來愈重，在汽車修理廠，舉升機(jī)是不可或缺的設(shè)備，老式的舉升機(jī)一般以電機(jī)作為動(dòng)力源，采用齒輪齒條或者鋼絲繩索等機(jī)械元器件作為構(gòu)件，比較容易磨損，時(shí)常需要保養(yǎng)或定期的更換元器件，成本比較高。采用液壓做動(dòng)力源的舉升機(jī)，則克服了上述諸多缺點(diǎn)，同時(shí)還具有低噪聲、長壽命、低成本等優(yōu)點(diǎn)，成為了目前舉升機(jī)發(fā)展的主要趨勢[1]。

根據(jù)本地市場的需求情況，設(shè)計(jì)一種四柱四缸式液壓舉升機(jī)。采用德國費(fèi)斯托公司（Festo）開發(fā)的FluidSIM 軟件進(jìn)行液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過可編程邏輯控制器進(jìn)行程序調(diào)試，之后基于OPC 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了PLC 軟件和系統(tǒng)回路之間的數(shù)據(jù)通信[2]。通過模擬仿真，驗(yàn)證了方案的可行性。最后該設(shè)備應(yīng)用到本地市場修理廠，使用效果良好，達(dá)到了設(shè)計(jì)的初衷。

1 提出方案

如圖1 所示，四柱式液壓舉升機(jī)主要有液壓泵站、橫梁、平臺(tái)、立柱等部分組成。設(shè)備在工作過程中，要求該設(shè)備穩(wěn)定可靠。因此產(chǎn)品應(yīng)具有以下特點(diǎn)。

（1）鎖緊功能。防止工作時(shí)發(fā)生意外，系統(tǒng)采用并聯(lián)液控單向閥的鎖緊回路。同時(shí)為了確保進(jìn)一步的安全性，該設(shè)計(jì)配備了機(jī)械式的鎖緊機(jī)構(gòu)，確保工作人員的安全。

（2）同步功能。產(chǎn)品在運(yùn)行過程中，特別是克服負(fù)載做功時(shí)，必須保證各個(gè)舉升油缸在伸出或者回位時(shí)的速度同步，以免負(fù)載出現(xiàn)左右或者前后側(cè)翻，系統(tǒng)采用同步閥（又稱分流積流閥）來保證多缸同步工作。

（3）平衡功能。產(chǎn)品回位時(shí)，由于設(shè)備自重及負(fù)載本身重力的作用，可能造成設(shè)備的迅速下滑而出現(xiàn)意外，本文采用單向節(jié)流閥設(shè)計(jì)了平衡回路，來調(diào)節(jié)設(shè)備的下降速度，保證產(chǎn)品安全平穩(wěn)回位。

（4）保壓緩解沖擊功能。為了避免液壓系統(tǒng)漏油造成舉升機(jī)下降，同時(shí)緩解執(zhí)行元件突然運(yùn)行或停車時(shí)帶來的液壓沖擊，采用蓄能器補(bǔ)油，吸收壓力脈動(dòng)或緩解沖擊。

2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

根據(jù)市面上常見的車型現(xiàn)狀，確定設(shè)計(jì)產(chǎn)品的主要參數(shù)：全程上升和下降時(shí)間70 s 左右，舉升極限高度1850 mm，最大承重負(fù)載4800 kg[3]。

2.1 主油缸主要參數(shù)確定

（1）活塞直徑確定。根據(jù)不同負(fù)載條件下的工作壓力[4]表格推薦數(shù)據(jù)，選定油缸的工作壓力P 為3.0 MPa。由壓力公式P=F/S，可知油缸活塞直徑D=，油缸推力F 取最大負(fù)載的1/4，即1200 kg，效率取0.96，帶入上式中，可知D=72.10mm，根據(jù)缸筒系列推薦值，D 取80 mm。

圖1 四柱式液壓舉升機(jī)

（2）活塞桿直徑確定。由于單缸壓力P≤5 MPa，根據(jù)活塞桿直徑的選取表格[4]來選取d=0.5 D，即d 取40 mm。

（3）缸筒壁厚確定。缸筒的材料選用無縫鋼管，壁厚可根據(jù)薄壁筒公式δ=PyD/2［σ］，來計(jì)算。取鋼管的抗拉強(qiáng)度許用應(yīng)力520 MPa，［σ］=520/5=104 MPa，Py=1.5P=4.5 MPa，將各數(shù)據(jù)帶入薄壁筒公式可知δ=1.73mm，圓整后取其壁厚δ=2mm。

2.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

FluidSIM 軟件是德國費(fèi)斯托公司開發(fā)的一款液氣壓軟件，該軟件能夠快捷地設(shè)計(jì)出液氣壓回路，同時(shí)可以對其進(jìn)行仿真校驗(yàn)，查找設(shè)計(jì)過程中所出現(xiàn)的問題，以便及時(shí)地修正設(shè)計(jì)[5]。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采用FluidSIM 軟件，設(shè)計(jì)的四缸四柱式液壓舉升機(jī)液壓系統(tǒng)圖如圖2 所示。

2.3 液壓系統(tǒng)電氣控制回路設(shè)計(jì)

OPC（OLE for Process Control）是一個(gè)基于COM 技術(shù)的接口標(biāo)準(zhǔn)，他可以從不同數(shù)據(jù)源存取數(shù)據(jù)，通過OPC 客戶端與OPC 服務(wù)器通信，獲取OPC 服務(wù)器的各種信息[6]。本文通過FluidSIM 軟件的OPC 端口，將系統(tǒng)中的輸入信號(hào)，寫入到OPC Server 中，同時(shí)將PLC處理后的信號(hào)，經(jīng)OPC Server 傳送到液壓系統(tǒng)中[2，7]，從而對系統(tǒng)中的電磁鐵等執(zhí)行元件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。液壓系統(tǒng)的I/O 接線圖如圖3 所示。

2.4 程序設(shè)計(jì)

圖2 液壓系統(tǒng)

PLC 具有可靠性高、功能強(qiáng)大、易學(xué)易用等諸多優(yōu)點(diǎn)[8]，廣泛應(yīng)用在機(jī)械制造、石油化工、冶金、食品飲料等工業(yè)和民用領(lǐng)域中。考慮到三菱公司的PLC價(jià)格低廉，緊湊、質(zhì)量高、速度快等諸多優(yōu)點(diǎn)，選用三菱FX2N 系列的PLC，進(jìn)行程序的編制，部分程序如圖4所示。

2.5 仿真及其結(jié)果分析

運(yùn)行三菱MX OPC Server，完成服務(wù)器的相關(guān)配置，打開QF 總開關(guān)，系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，按下SB1 按鈕，系統(tǒng)開始工作，如圖2 所示，鎖緊油缸關(guān)閉鎖緊機(jī)構(gòu)，舉升油缸升起。按下其他按鈕，均能按照預(yù)期的設(shè)定工作。通過建立液壓元器件狀態(tài)圖，可以實(shí)時(shí)的顯示該設(shè)備的運(yùn)行狀況。圖5 為舉升主油缸運(yùn)動(dòng)狀態(tài)圖，單缸克服負(fù)載的最大推力12 000 N，速度和加速度僅在開始工作瞬間出現(xiàn)抖動(dòng)，之后速度迅速穩(wěn)定在0.05 m/s，加速度0 m/s2，最大的舉升位移量1850 mm，達(dá)到預(yù)期效果。

圖3 液壓系統(tǒng)I/O 接線圖

圖4 部分程序

圖5 舉升主油缸運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

3 結(jié)論

根據(jù)本地市場需求，設(shè)計(jì)了一款四柱式液壓缸。同時(shí)基于OPC 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了液壓系統(tǒng)和控制軟件之間的通信，通過對液壓系統(tǒng)的模擬仿真，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性[2]。隨后該產(chǎn)品應(yīng)用到本地市場，運(yùn)行狀態(tài)正常，為液壓產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。