畢業(yè)論文機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化

1、輪式起重機(jī)伸縮臂液壓和電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(shí)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(xiāo)式伸縮機(jī)構(gòu)采用單個(gè)油缸來(lái)推動(dòng)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(lái)實(shí)現(xiàn)單個(gè)伸縮油缸自動(dòng)進(jìn)行起重臂伸縮目標(biāo)的控制。本設(shè)計(jì)主要研究?jī)?nèi)容如下：(1) 通過(guò)對(duì)多種伸縮臂控制機(jī)理的優(yōu)缺點(diǎn)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(duì)其進(jìn)行詳細(xì)分析研究與設(shè)計(jì)計(jì)算。(

2、2) 設(shè)計(jì)伸縮臂動(dòng)作的液壓控制回路, 并對(duì)主要元件的主要參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算, 對(duì)系統(tǒng)一些主要靜態(tài)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。(3) 設(shè)計(jì)出伸縮臂電氣控制系統(tǒng)的控制流程圖, 并用西門(mén)子編程軟件編制出伸縮臂動(dòng)作的自動(dòng)和手動(dòng)控制程序,并進(jìn)行仿真驗(yàn)證。關(guān)鍵詞：伸縮臂；單缸插銷(xiāo)；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(dòng)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(lèi)型: 汽車(chē)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(guó)際國(guó)內(nèi)市場(chǎng)銷(xiāo)量都在不斷提高，可以說(shuō)市場(chǎng)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

3、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(guó)外知名企業(yè)對(duì)伸縮機(jī)構(gòu)的研究都很重視，都研制出了自己的專(zhuān)利技術(shù)。在輪式起重機(jī)各個(gè)部件中，吊臂是其中一個(gè)主要部件，其最大伸縮長(zhǎng)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(zhǎng)度一般為3m左右，這樣其工作幅度大約在12m以 下，但有時(shí)用戶(hù)需要在更大的工作幅度或高度作業(yè)，為滿(mǎn)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(dòng)作順序，并對(duì)他們之間的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較，并選擇其中的一種進(jìn)行具體分析設(shè)計(jì)。1.1 多節(jié)伸縮臂結(jié)構(gòu)和控制原理圖

4、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(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊。一級(jí)缸的缸筒與二級(jí)缸的活塞桿鉸接，二級(jí)缸的缸筒與三級(jí)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(jí)伸縮缸按順序伸出時(shí)，帶動(dòng)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(dòng)與三節(jié)伸縮臂同步伸縮的。油缸縮回時(shí)順序則相反，三節(jié)伸縮臂在油缸的帶動(dòng)下首先回縮，四節(jié)伸縮

5、臂及頂節(jié)臂在鋼絲繩的帶 動(dòng)下同步縮回。然后，二節(jié)伸縮臂、一節(jié)伸縮臂在油缸帶動(dòng)下依次縮回?？梢?jiàn)吊臂的伸縮基 本上為順序伸縮，即伸出時(shí)截面大的臂先伸，回縮時(shí)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(jí)伸縮缸 2. 二級(jí)伸縮缸3. 三級(jí)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(dòng)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(dòng)換向閥手把向前推，一級(jí)伸縮缸Al 口進(jìn)油，經(jīng)過(guò)中心管、單向閥進(jìn)入一級(jí)伸縮缸的活塞腔，由于一級(jí)伸縮缸的活塞桿與固定臂相連是固定的

6、，在壓力油的作 用下一級(jí)伸縮缸的缸筒外伸，活塞桿腔回油經(jīng)過(guò)B1 口回到多路換向閥，此時(shí)中心管跟隨缸筒 一起外伸，外伸到一定長(zhǎng)度后，當(dāng)中心管左端的固定套與活塞碰上時(shí)，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(kāi)，并使缸筒也停止運(yùn)動(dòng)。此時(shí)高壓油通 過(guò)單向閥7、油管到達(dá)二級(jí)伸縮缸的 A2口，并通過(guò)中心管進(jìn)入到二級(jí)伸縮缸的缸底。這時(shí)一級(jí)缸已停止運(yùn)動(dòng)，由于二級(jí)伸縮缸的活塞桿與一級(jí)伸縮缸的缸筒相連接，因此二級(jí)伸縮缸的活塞桿是不動(dòng)的。這樣在壓力油的作用下二級(jí)伸縮缸的缸筒外伸，回油經(jīng) B2, Bl 回到換向閥。與一級(jí)伸縮缸同樣的原理，二級(jí)伸縮缸伸到一定程度，打開(kāi)單向閥4，并停止運(yùn)動(dòng)。高

7、壓油繼而進(jìn)入三級(jí)伸縮缸的A3 口到達(dá)缸底，三級(jí)伸縮缸外伸。這樣一、 二、 三級(jí)伸縮缸依次外伸，就完成了順序伸出。手動(dòng)換向閥手把向后拉，一級(jí)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(jí)缸和三級(jí)缸的活塞桿腔也同時(shí)有高壓油。由于單向閥5,9 是關(guān)閉的，一、二級(jí)缸的回油路不通。而單向閥10, 7是打開(kāi)的，三級(jí)缸活塞腔的油路可經(jīng)過(guò)A&單向閥 10 , A2 口、單向閥7, A1 口回到換向閥。因此三級(jí)缸首先回縮。當(dāng)三級(jí)缸縮到規(guī)定的長(zhǎng)度， 缸筒上的撞塊撞擊二級(jí)缸上的撞塊及推桿將單向閥9 打開(kāi)， 二級(jí)缸活塞腔的回油路接通，二級(jí)缸開(kāi)始回縮。同樣當(dāng)二級(jí)缸縮到規(guī)定的

8、長(zhǎng)度將單向閥S 打開(kāi)，一級(jí)缸回油接通，開(kāi)始回縮。這樣三、二、一級(jí)缸依次縮回，完成了順序回縮。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(dòng)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(dòng)下外伸時(shí)，第二節(jié)伸縮臂是固定不動(dòng)的（ 即 1 和 1' 不動(dòng) ） ，這樣固定在三節(jié)伸縮臂上的2 , 2' 外伸，就帶動(dòng)3 伸出，即第四節(jié)伸縮臂伸出。由圖2.4 還可計(jì)算出，如果2, 2,伸出L,則3伸出2L,即2相對(duì)于1伸L, 3相對(duì)于2伸

9、L。這樣第三 節(jié)伸縮臂外伸時(shí)，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(shí)，第三節(jié)伸縮臂相對(duì)是固定不動(dòng)的，這樣固定在四節(jié)伸縮臂上的4、 4 外伸，帶動(dòng) 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(jí)伸縮缸上;a、 c' 為導(dǎo)繩輪，固定在二級(jí)伸縮缸上;

10、d 為導(dǎo)繩輪，固定在頂節(jié)臂上。三級(jí)伸縮臂在油缸帶動(dòng)下回縮時(shí)，由于C . C' 與二級(jí)伸縮臂相連，此時(shí)固定不動(dòng)，三級(jí)伸縮缸與三級(jí)伸縮臂相連即a, a' 、 b, b' 一起回收，這樣就帶動(dòng)d 即頂節(jié)臂回收。由圖2.5 可計(jì)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(jí)伸縮臂縮L, 6縮3L時(shí)，就可帶動(dòng)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(shí)就帶動(dòng)了四節(jié)伸縮臂同時(shí)回縮。上 述過(guò)程是同時(shí)發(fā)生的，并且三節(jié)伸縮臂、四節(jié)伸縮臂及頂節(jié)臂

11、是以相同的速度同時(shí)縮回。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(jì)工作幅度大的起重機(jī)吊臂時(shí)可以參考，并且其原理亦可以用于其它類(lèi)似的伸縮機(jī)構(gòu)。1.2 單缸插銷(xiāo)式伸縮臂的插、拔銷(xiāo)軸機(jī)構(gòu)布置 圖1.6缸銷(xiāo)、臂銷(xiāo)結(jié)構(gòu)圖個(gè)能夠把臂與臂鎖定在一起并可以上下方向運(yùn)動(dòng)的銷(xiāo)軸 （由于安裝在起重臂上稱(chēng)為臂銷(xiāo)），臂 銷(xiāo)的作用是實(shí)現(xiàn)臂與臂之間的鎖定和解鎖，臂銷(xiāo)在彈簧力的作用下可以向上運(yùn)動(dòng)到另一節(jié)臂 的臂孔中，這樣臂與臂之間不能相互運(yùn)動(dòng)以達(dá)到剛性鎖定的目地。當(dāng)臂銷(xiāo)受伸縮油缸上的臂 銷(xiāo)缸控制下的拔銷(xiāo)機(jī)構(gòu)作用時(shí)，臂銷(xiāo)從另一節(jié)臂的臂孔中縮回，并向下移動(dòng)，臂

12、與臂之間處 于解鎖狀態(tài)就可以相互運(yùn)動(dòng)，達(dá)到解鎖的目的，臂銷(xiāo)的上端有受力后鎖定結(jié)構(gòu)，防止臂與臂 脫落。臂銷(xiāo)上下運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn)位置后的位置檢測(cè)由圖1.6所示的接近開(kāi)關(guān)完成，當(dāng)臂銷(xiāo)上移到終點(diǎn)位置后上側(cè)接近開(kāi)關(guān)發(fā)出電信號(hào)，這時(shí)臂與臂處于鎖定狀態(tài)，臂銷(xiāo)缸下移到終點(diǎn)位置時(shí) 下側(cè)接近開(kāi)關(guān)發(fā)出電信號(hào)，這時(shí)臂與臂處于解鎖狀態(tài)。在伸縮油缸缸頭的兩側(cè)設(shè)有可以左右方向運(yùn)動(dòng)的銷(xiāo)軸（由于安裝在伸縮油缸上稱(chēng)為缸銷(xiāo)），缸銷(xiāo)的作用是實(shí)現(xiàn)油缸與吊臂之間的鎖定和解鎖，缸銷(xiāo)初始位置在彈簧力的作用下可以 左右方向運(yùn)動(dòng)并可以伸進(jìn)吊臂后端兩側(cè)銷(xiāo)孔中達(dá)到與臂剛性鎖定的目標(biāo)，這時(shí)油缸與吊臂鎖 定成為一體，缸銷(xiāo)在缸銷(xiāo)油缸的作用下缸銷(xiāo)也可以從缸銷(xiāo)孔中

13、縮回，吊臂與伸縮油缸的剛性 鎖定解除。缸銷(xiāo)伸縮的檢測(cè)由伸縮油缸下方在左右缸銷(xiāo)的兩端安裝的兩個(gè)接近檢測(cè)開(kāi)關(guān)完成， 左缸銷(xiāo)外伸到終點(diǎn)時(shí)左側(cè)伸接近開(kāi)關(guān)發(fā)出電信號(hào) （見(jiàn)圖1.6）,右缸銷(xiāo)外伸到終點(diǎn)時(shí)右側(cè)伸接 近開(kāi)關(guān)發(fā)出電信號(hào)，當(dāng)左、右兩側(cè)的接近開(kāi)關(guān)都發(fā)出電信號(hào)時(shí)說(shuō)明左右缸銷(xiāo)都伸入進(jìn)了吊臂 上的缸銷(xiāo)孔，伸縮油缸與吊臂處于鎖定狀態(tài)。左缸銷(xiāo)回收到終點(diǎn)位置后左側(cè)縮接近開(kāi)關(guān)發(fā)出 電信號(hào)，右缸銷(xiāo)回收到終點(diǎn)位置后右側(cè)縮接近開(kāi)關(guān)發(fā)出電信號(hào)，當(dāng)左、右兩側(cè)接近開(kāi)關(guān)同時(shí) 發(fā)出信號(hào)后說(shuō)明缸銷(xiāo)缸縮回出吊臂上的缸銷(xiāo)孔，油缸與吊臂處于解鎖狀態(tài)。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(kāi)關(guān)檢測(cè)板，在伸縮油缸缸 頭兩側(cè)的浮

14、動(dòng)尼龍塊上共固定安裝了四個(gè)接近開(kāi)關(guān)，分別可以檢測(cè)二、三、四、五四個(gè)臂尾 位置的檢測(cè)板。缸銷(xiāo)缸與臂銷(xiāo)缸運(yùn)動(dòng)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(xiāo)缸和缸銷(xiāo)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)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(lái)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(shí)臂銷(xiāo)缸或缸銷(xiāo)缸能夠動(dòng)作，當(dāng)從芯管中回油時(shí)臂銷(xiāo)缸或缸銷(xiāo)缸復(fù)位，為了避免液壓系統(tǒng)和管路帶來(lái)的滯后現(xiàn)象芯管保證了一定的預(yù)壓力。1.3 單缸插銷(xiāo)式伸縮臂自動(dòng)伸縮控制過(guò)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(guò)顯示器來(lái)選擇起重臂的臂長(zhǎng)組合。吊臂仰角為50°

15、至70°左右，由于為了保證伸縮系統(tǒng)控制的可靠性和滿(mǎn)足伸縮機(jī)構(gòu)上的設(shè)計(jì)要求，各個(gè)缸銷(xiāo)孔與缸銷(xiāo)的間隙比較大，在吊臂仰角較小時(shí)由于磨擦力作用時(shí)，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(zhǎng)度傳感器檢測(cè)出的長(zhǎng)度就不能準(zhǔn)確代表伸縮臂上的臂銷(xiāo)銷(xiāo)軸所要?jiǎng)幼鞯木嚯x，容易造成誤控制，導(dǎo)致控制上的失敗。故進(jìn)行自動(dòng)伸縮時(shí)，起重臂應(yīng)變幅到印角50°至70°左右。當(dāng)選擇自動(dòng)控制伸縮系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)吊臂向外伸出時(shí)，當(dāng)預(yù)設(shè)置確認(rèn)后，控制器根據(jù)伸縮油缸上的長(zhǎng)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(huì)根據(jù)設(shè)置依次伸出五、四、三、二節(jié)起重臂，回收時(shí)依次回收

16、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(xiāo)式伸縮臂自動(dòng)伸縮控制可靠性保證和故障預(yù)防單個(gè)伸縮油缸控制的多節(jié)臂自動(dòng)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(kāi)關(guān)來(lái)檢測(cè)目標(biāo)并發(fā)出電信號(hào)，由控制器編程來(lái)集中控制，狀態(tài)的檢測(cè)和傳遞對(duì)設(shè)計(jì)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(jì)方面中作了以下幾點(diǎn)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(xiǎn)設(shè)計(jì)思想，臂銷(xiāo)和缸銷(xiāo)只能有其中一個(gè)可運(yùn)動(dòng)，而不能同時(shí)運(yùn)動(dòng)，液壓上電磁換向閥數(shù)量減少和系統(tǒng)設(shè)計(jì)都可以實(shí)現(xiàn)方向選擇上的互鎖和機(jī)構(gòu)上的互鎖，臂銷(xiāo)與缸銷(xiāo)結(jié)構(gòu)上的互鎖由

17、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)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(lái)自動(dòng)選擇，為保證伸縮機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度，伸縮油缸的運(yùn)動(dòng)速度很快，為了減小臂銷(xiāo)和缸銷(xiāo)在工作過(guò)程中的沖擊和震動(dòng)，伸縮油缸在不同的工況下會(huì)自動(dòng)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(wèn)題，增加了手動(dòng)應(yīng)急操作工作方式。(4) 在任何的伸縮操作時(shí)，伸縮油缸的缸頭不能超過(guò)五節(jié)臂臂尾，防止油缸外伸運(yùn)動(dòng)過(guò)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(shí)(伸縮油缸上的接近開(kāi)關(guān)不能檢測(cè)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(guò)程中不能進(jìn)行臂銷(xiāo)或缸銷(xiāo)的運(yùn)動(dòng)操作。(6) 伸縮油缸和附加其上的臂銷(xiāo)缸和

18、缸銷(xiāo)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(lái)實(shí)現(xiàn)功能，采用了可以在低速時(shí)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(jì)了可導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，在油缸的下方有兩個(gè)滑塊對(duì)伸縮油缸進(jìn)行輔助支撐，以提高伸縮油缸運(yùn)動(dòng)到臂后端位置時(shí)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(xiāo)油缸、缸銷(xiāo)油缸運(yùn)動(dòng)才能順利完成。(8) 吊臂中液壓系統(tǒng)采用雙回路設(shè)計(jì)避免吊臂中電磁換向閥(缸銷(xiāo)、 臂銷(xiāo)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(yùn)動(dòng)并進(jìn)行鎖定。(10) 為了消除

19、各個(gè)液壓元件和控制系統(tǒng)帶來(lái)的滯后操作，伸縮系統(tǒng)的缸銷(xiāo)與吊臂孔配合間隙設(shè)計(jì)上較大，臂尾位置檢測(cè)接近開(kāi)關(guān)都采用可伸縮式浮動(dòng)結(jié)構(gòu)，保證了接近檢測(cè)開(kāi)關(guān)在伸縮偏離位置時(shí)油缸檢測(cè)距離的準(zhǔn)確性，在檢測(cè)到需要?jiǎng)幼鞯牡醣酆蠖四繕?biāo)后迅速減小主油泵的排量同時(shí)釋放缸銷(xiāo)，伸縮油缸迅速降低伸縮速度，保證缸銷(xiāo)在配合間隙內(nèi)能夠完成缸銷(xiāo)鎖定和臂銷(xiāo)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換過(guò)程，防止伸縮油缸受力時(shí)臂銷(xiāo)缸所受的摩擦力大而影響各個(gè)銷(xiāo)軸的運(yùn)動(dòng)， 在進(jìn)行臂銷(xiāo)鎖定時(shí)采用預(yù)先釋放的思想方法提一前釋放臂銷(xiāo)滑動(dòng)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(lái)的誤差和各個(gè)控制元件的滯后響應(yīng)帶來(lái)的影響。(11) 為了保證伸縮油缸和伸縮臂的裝配，缸銷(xiāo)缸與臂

20、銷(xiāo)缸裝有快速接頭。(12) 具有伸縮油缸回縮自動(dòng)加速功能，伸縮油缸回縮時(shí)可根據(jù)工作壓力信號(hào)自動(dòng)加速，保證了伸縮的控制性能。(13) 在整個(gè)伸縮過(guò)程中監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)的工作進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，通過(guò)顯示器可以對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控。(14) 在伸縮油缸伸縮時(shí)，由于臂長(zhǎng)的不同起升動(dòng)作將適應(yīng)性工作，這時(shí)主油泵將分離出一個(gè)油泵給起升油路提供工作用油。在吊臂回縮時(shí)單泵工作。(15) 因?yàn)榘l(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)最佳工況，預(yù)防發(fā)動(dòng)機(jī)熄火。1.5 小結(jié)本章通過(guò)對(duì)多種不同類(lèi)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(xiāo)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(shì)，使

21、得它的自動(dòng)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(jì)單缸插銷(xiāo)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(jì)2.1 液壓系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)速度很快，為 了減小臂銷(xiāo)和缸銷(xiāo)在工作過(guò)程中的沖擊和震動(dòng)，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(gè)油路如伸縮油路、缸臂銷(xiāo)油路、起開(kāi)油路、回轉(zhuǎn) 油路、變幅油路等。泵體采用包功率恒壓變量雙泵，系統(tǒng)壓力32MPa預(yù)留壓力檢測(cè)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(jì)如圖3.1所示，A、B、C分別連接至回轉(zhuǎn)、 變幅、起開(kāi)油路。圖2.1伸縮臂液壓系統(tǒng)

22、2.2 液壓油源回路設(shè)計(jì)圖2.2液壓油源回路帶功率調(diào)節(jié)器的變量雙泵，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)組件分別帶一個(gè)獨(dú)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(guò)給定的驅(qū)動(dòng)功率。每一個(gè)調(diào)節(jié)器可獨(dú)立實(shí)現(xiàn)功率 設(shè)定，且各不相同，每個(gè)泵均可獨(dú)立設(shè)定 100%勺驅(qū)動(dòng)功率。雙曲線(xiàn)功率特性通過(guò)兩個(gè)測(cè)量彈 簧近似實(shí)現(xiàn)。工作壓力借助一個(gè)多級(jí)活塞的測(cè)量面作用于測(cè)量彈簧，并影響一個(gè)從外部調(diào)整 的彈簧力的測(cè)量面，從而決定功率的設(shè)定值。若液壓力之和超過(guò)彈簧力，則控制油流向變量 活塞，泵回?cái)[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(xiāo)式起重機(jī)又包括缸銷(xiāo)、臂銷(xiāo)油路，所

23、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、起開(kāi)油路，右圖為缸、臂銷(xiāo)動(dòng)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(jì)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(jià)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(jià)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

24、，讓起重臂伸縮剛準(zhǔn)確伸縮到指定位置，使得缸銷(xiāo)、臂銷(xiāo)能準(zhǔn)確插入預(yù)設(shè) 的銷(xiāo)孔內(nèi)。閥控缸式位置伺服系統(tǒng)見(jiàn)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(xiàn)性度 好，性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，零漂小，是高性能的伺服閥。射流管?chē)娮鞛樽钚×魍娣e處， 過(guò)流面積大，不易堵塞，抗污染性好。一般相頻寬可超過(guò)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(dòng)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(cè)的結(jié)論的影響，特作如

25、下說(shuō)明：伺服射流管先導(dǎo)級(jí)具有如下工作特點(diǎn)：(1)較大的流量接受效率(90%以上的先導(dǎo)級(jí)流量被利用)使得能耗降低，對(duì)于使用多臺(tái)伺服比例閥的系統(tǒng)，此優(yōu)點(diǎn)更突出。(2) 伺服射流管先導(dǎo)級(jí)具有很高的無(wú)阻尼自然頻率(500Hz ) ，因此這種閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)較高。(3) 性能可靠。伺服射流先導(dǎo)級(jí)具有很高的壓力效率( 輸入滿(mǎn)標(biāo)定信號(hào)時(shí)，壓力效率高大80%以上) ，因此她可提供給功率級(jí)滑閥較大的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，提高了閥芯的位置重復(fù)精度。(4)最低先導(dǎo)級(jí)控制壓力僅2.5MPa,由于它的這一優(yōu)點(diǎn)，此閥可用于象汽輪機(jī)控制一類(lèi) 的低壓系統(tǒng)中。(5) 先導(dǎo)級(jí)過(guò)濾器的壽命幾乎是無(wú)限的，因?yàn)橄葘?dǎo)級(jí)的名義間隙均在200 u m 以上

26、。(6) 由于閥的頻率響應(yīng)改善，功率級(jí)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(dòng)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(jì)。設(shè)計(jì)出能完成功能的液壓缸，并對(duì)其結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)速度、強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)多路閥、電液伺服閥進(jìn)行選擇設(shè)計(jì)，以滿(mǎn)足系統(tǒng)的動(dòng)作要求。第 3 章 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 電氣控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)， 充分體現(xiàn)集成控制的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)起重機(jī)的自動(dòng)控制，讓起重機(jī)的所有操作變得更加簡(jiǎn)單方便，大大提高起重機(jī)的作業(yè)安 全性、

27、可靠性和作業(yè)效率，大大降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，充分體現(xiàn)了以人為本的設(shè)計(jì)理 念。該系統(tǒng)具有特殊設(shè)計(jì)的控制模塊確保系統(tǒng)在惡劣的環(huán)境下可以高效運(yùn)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(hào)，具有處理各種傳感器信號(hào)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?cái)U(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: 電比例控制參數(shù)的數(shù)字化調(diào)整和顯示。電比例系統(tǒng)的故障代碼顯示。液壓系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)的顯示。單缸伸縮控制系統(tǒng)，控制伸縮缸銷(xiāo)、臂銷(xiāo)的解鎖與鎖定及 油缸的伸縮動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)吊臂的伸縮控制。3

28、.2 控制系統(tǒng)的硬件選擇設(shè)計(jì)采用西門(mén)子57-200PLC,配置CPU226真塊，可提供24路數(shù)字量輸入和16路數(shù)字量輸出，7個(gè)可供擴(kuò)展模塊，實(shí)時(shí)時(shí)鐘。CPU22機(jī)有如下性能特點(diǎn):(1) 24 輸入 /16 輸出共 40 個(gè)數(shù)字量I/O 點(diǎn)。(2) 可連接 7 個(gè)擴(kuò)展模板單元，最大可擴(kuò)展至248 個(gè)數(shù)字量或35 路模擬量I/O 點(diǎn)。(3) 13KB 的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)空間。(4) 6個(gè)獨(dú)立的30KHz高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20KHz的高速脈沖輸出。(5)具有PID控制器。(6) 2 個(gè)RS-485通信/編程口。(7) 具有多點(diǎn)接口MPI 通信協(xié)議。(8) 具有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口PPI 通信協(xié)議。(9)

29、具有自由通信口。(10) I/O 段字排可以很容易地整體拆卸。CPU226勺接線(xiàn)圖如圖3.1所示。1. 81 訕5 !00000000000 000000000000行1d ij以七T*町* 8fUiilL圖柄模出電00(300000000000 00000000000000L L L L L i U L L L1 U I L LllLLLi j L t IJ J I L I t Ll ,圖3.1 CPU226接線(xiàn)圖人機(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(guò)選擇項(xiàng)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(gè)變

30、量?？娠@示中文 (2)設(shè)定實(shí)時(shí)時(shí)鐘.提供強(qiáng)制/O點(diǎn)診斷功能。(4)可顯示過(guò)程參數(shù)并可通過(guò)輸入鍵進(jìn)行設(shè)定和修改。(5)具有可編程的8個(gè)功能鍵，可以代替普通的控制按鈕，從而可以節(jié)省8個(gè)輸點(diǎn)。(6)具有密碼保護(hù)功能。CPU22X的PPI接口上，用TD200不需要單獨(dú)的電源，只需要將它的連接電纜接到STEP-Micro/WIN軟件進(jìn)行編程。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(bǔ)償功能的傳感器，即使 在持續(xù)的高強(qiáng)度作業(yè)時(shí)，仍然保持其應(yīng)有的品質(zhì)。由于實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)電流型抗電磁干擾能力強(qiáng), 系統(tǒng)所有的模擬傳感器都選擇是電流型。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(kāi)關(guān)

31、和方向開(kāi)關(guān) 等開(kāi)關(guān)量輸出，適合移動(dòng)式起重機(jī)惡劣的工作環(huán)境。圖3.2手柄開(kāi)關(guān)量輸出電路圖3.3手?jǐn)M量輸路圖3.2.5 DC 輸入模塊和接近開(kāi)關(guān)本設(shè)計(jì)方案輸入模塊采用DC俞入模塊接近開(kāi)關(guān)的輸出類(lèi)型要求與輸入模塊的類(lèi)型相反 中輸入模塊采用PNPffl,接近開(kāi)關(guān)采用NPNHo通信處理器采用EM277 EM27況連接SIMATIC現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)PROFIBUS-DP站的通信模板， 使用EM27加以將S7-200 CPU乍為現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn) PROFIBUS-DP從站連接到網(wǎng)絡(luò)中。在EM277, 有一個(gè) 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

32、 ,而 1.5、3.6、12Mb/s,可自動(dòng)設(shè)置。采用個(gè)人計(jì)算機(jī)作為編程設(shè)備，但須配置制造廠提供的專(zhuān)用編程軟件。S7-200 的編程軟件為STEP7-Micro/MIN,通過(guò)一條PC/PPI電纜將用戶(hù)程序送入PLC中。3.3 小結(jié)本章主要對(duì)伸縮臂的電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)出能夠完成伸縮臂動(dòng)作要求的硬件電路，并對(duì)能夠完成功能的各電氣元件進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(guó)國(guó)情的、中價(jià)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(duì)象。借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，成功設(shè)計(jì)出單缸插銷(xiāo)式伸縮臂液壓和電氣控制系統(tǒng)，引領(lǐng)行業(yè)輪

33、式起重機(jī)產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展方向，提升我國(guó)起重機(jī)行業(yè)整體競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。在本論文中，本人所得出的結(jié)論如下:(1) 通過(guò)比較多種伸縮臂控制機(jī)理的優(yōu)缺點(diǎn)，最終確定了單缸插銷(xiāo)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(dòng)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(duì)整個(gè)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(jì)計(jì)算，并對(duì)系統(tǒng)的一些主要靜態(tài)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。(3) 設(shè)計(jì)出控制系統(tǒng)的硬件電路，對(duì)系統(tǒng)的主要電氣控制元件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，在滿(mǎn)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(shí)現(xiàn)了通過(guò)一根雙作用往復(fù)式伸縮油缸

34、來(lái)實(shí)現(xiàn)起重臂的全部伸縮動(dòng)作。通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的顯示屏信息提示進(jìn)行人機(jī)對(duì)話(huà)，實(shí)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(duì)起重臂伸縮狀態(tài)的實(shí)時(shí)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AMESimt擬軟件對(duì)伸縮臂位置伺服系統(tǒng)以及缸銷(xiāo)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了分析仿真。(6) 設(shè)計(jì)出電氣控制系統(tǒng)的控制流程圖，并用西門(mén)子編程軟件STEP7-Micro/MIN 編制出伸縮臂動(dòng)作的自動(dòng)和手動(dòng)控制程序，并進(jìn)行仿真驗(yàn)證。本文的研究工作還只是開(kāi)始，今后還應(yīng)就如下方面開(kāi)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(jì);(3) 選擇研究更先進(jìn)

35、的電氣控制元件并進(jìn)行研究設(shè)計(jì);(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(dòng)態(tài)建模技術(shù)及其軟件實(shí)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(dòng)，北京: 機(jī)械出版社，1997, 32-44.4. 陳祥華 . 變頻恒壓供水系統(tǒng)節(jié)能分析LJ ，機(jī)電設(shè)備，2003， 5(6): 43-45.5. 王俊普 . 智能控制，合肥: 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1996, 25-44.6. 李永堂 . 液壓系統(tǒng)建模與仿真，北京: 冶金工業(yè)出版社，2003.2, 6

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