（流体机械及工程专业论文）干冰制冰机液压控制系统的设计与研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文 摘要 制冰机是一种将工业产液态c 0 2 加工为块状或颗粒状干冰的机械设备，本论 文的目的就是设计出一款能自动稳定可靠运行的干冰制冰机液压控制系统。 本论文通过对干冰制冰机工艺流程的分析，设计出一个使用继电器控制的液 压系统，并将广泛应用于航空航天领域的液压伺服技术引入其中，对所设计系统 进行分析改进，得到了基于伺服控制技术的干冰制冰机系统；根据液压系统的控 制要求，选择了合适的p l c 控制器，并进行了软硬件的设计，提出了一套设计高 性能液压制冰机的完整方案：首先利用先进的集电路设计、模拟和液压仿真于一 体的a u t o m a t i o ns t u d i o 软件进行了制冰机初始设计，并对其进行动态仿真，通过 对其运行状态及系统受力情况分析，发现其运行产生大惯性与高冲击力，严重影 响制冰机正常稳定运行；为了改善液压系统性能和控制精度，使用液压伺服控制 技术，对系统改进，通过对液压伺服控制系统建模，借助m a t l a b 软件对系统模型 进行静动态特性分析，得出设计的系统为一稳定并有较大超调量的系统。为了使 系统稳定可靠、无误差无超调，通过试凑法设计出合适的p i d 控制器；最后，使 用s h n c n s 公司的p l c ，完成了控制系统的硬件与软件设计。 通过该论文工作，将机械、电子、液压控制等多学科技术有机结合，从理论 上完成了高性能液压干冰制冰机液压控制系统的设计，将对干冰制冰机实际工程 设计会有很大的指导作用；另外，该论文的设计方法，对于工业上其他压缩成型 设备的设计也将具有重大参考意义。 关键词：伺服系统，液压，p i d 控制，p l c ，特性分析 西北工业大学硕士学位论文a b s t r c t a b s t r a c t d r yi c cm a c h i n ei sak i n do fd e v i c ew h i c h m a k e st h ec 0 2f o r mc h e m i c a lp l a n tt o b l o c ko rg r a i n i nt h i sp a p e rad r yi c em a c h i n ef l u i dd r i v e ra n do o n t r o is y s t e mi s d e s i g n e dt ow o r ka u t o m a t i c a l l ya n ds t e a d i l y a f t e ra n a l y z i n go ft h ew o r k i n gt e c h n i q u ep r o c e d u r eo fd r yi c em a c h i n e , af l u i d d r i v es y s t e mi sd e s i g n e db a s e d0 1 1r e l a y , a n dt h es e r v os y s t e mu s e di nt h ed o m a i no f a v i a t i o na n ds p a c ei su s e d a f t e ra n a l y z i n ga n di m p r o v e m e n to fh y d r a u l i cp r e s s u r e s y s t e ma s e r v oa n dc o n t r o id r yi c em a c h i n es y s t e mi sg a i n e db a s e do ns e r v oa n dc o n t r o i s y s t e m ；o nt h er e x l u c s to fc o n t r o lo fh y d r a u l i cs y s t e m , t h er i g h tp l cc o n t r o l l e ri su s e d a sw e l la st h es o f ta n dh a r dw a r ea 船d e s i g n e d , a n dai n t e g r a t e ds c h e m et om a k et h ed r y i c em a c h i n ep e r f o r mw e l l ：f i r s t l ya na d v a n c e ds o r w a r en a m e da u t o m a t i o ns t u d i oi s u s e dt od e s i g nt h ep r i m a r ys y s t e m ，a n di tt u r no u tt ob eh a v el a r g ei n e r t i aa n dw a l l o p w h i c hh a sab a de f f e c t0 1 1t h ed r yi c em a c h i n e ；t bi m p r o v et h ep e r f o r m a n c oo f h y d r a u l i c p r e s s u r es y s t e m , t h es 0 1 r a r em a n a bi su s e di n t oi tt oa n a l y z et h es m i l ea n dd y n a m i c c a p a c i t y , i tf i n d so u tt ob et h a tt h es y s t e mi ss t a b l ea n dh a sl a r g eo v e r s h o o t i n gn u m b e r t om a k et h es y s t e ms t a b l ea n dh a v en oo v e r s h o o t i n gn u m b e r , ap r o p e rp m c o n t r o l l e ri s d e s i g n e d ；f i n a l l yt h eh a r d w a r ea n ds o r w a r eo f t h ec o n t r o ls y s t e mi sf i n i s h e du s i n gp l c o fs i m e n s i nt h i st h e s i s ，b yu s i n gt h et e c h n i q u eo f m a c h i n e ，e l e c t r o na n dh y d r a u l i cc o n t r o l ，a h i g h - p o w e r e dh y d r a u l i cd r yi c em a c h i n ei sf i n i s h e d t 1 l em e t h o dw i l lb eh a v el a r g e d i r e c t i v em e a n i n g , o nt h es i d e ，t h em e t h o do fd e s i g nw i l lh a v el a r g er e f e r e n c et oo t h e r c o m p r e s sm a c h i n e k e yw o r d s ：s e r v os y s t e m ，h y d r a u l i c ，p i dc o n t r o l l e r , a n a l y z i n go f c h a r a c t e r i s t i c i i 西北工业大学业 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文 ：作 的知识产权单位属丁二西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业 大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：到撵 阳曰年中月a 日 指导教师签名： 年月臼 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成 果，不包含本人或其他己申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：到塑鲑 砷9 年中月勺2 日 西北工业大学硕士学位论文第一章引言 1 1 研究背景及目的 第一章引言 c 0 2 作为一种重要的化工原料，在工农业生产和人们的日常生活中发挥着举足 轻重的作用，如人工降雨，食物冷冻与仓储，舞台效果，饮料制作等。随着我国 经济的发展与人民生活水平的提高，c 0 2 的制造、存储和运输越来越受到人们的重 视。一般情况下，化工厂生产出来的是c 0 2 液体或气体，不便于长时间贮存和远 距离运输，而干冰( 固态c 0 2 ) 占用空间小，存储容易，运输方便，因此采用压 缩成形技术将液态c 0 2 变成适合存储和运输的块状干冰成了人们的一个思考方向。 压缩成形技术就是利用压力将置于模具内的粉料压紧至结构致密而形成的具 有一定形状和尺寸的坯体的成形方法【1 1 。 干冰制冰机是一种使用先进制冷技术，先通过节流膨胀，把液态c 0 2 变成雪 花状，再使用压缩成型技术，将雪花状c 0 2 通过压力系统压紧而形成块状或颗粒 状干冰的机械装置。使用千冰制冰机，可以方便快捷地制成干冰，便于c 0 2 的存 储和运输。 按照压力系统来分，目前常见的干冰制冰机主要有机械传动式制冰机和液压传 动式制冰机。机械传动式主要采用机械传动原理，由动力装置推动刚性杆压缩模 具内雪花状c 0 2 ，基于刚性机械零部件之间的间隙与干摩擦特性，刚性机械运行 时噪声大，效率低，发热严重，现阶段在压力机械方面广泛使用液压传动技术。 液压制冰机采用液体介质作为传动介质，推动液压执行元件工作，具有动作迅 速，传动快，运行稳定，噪声小，效率高、控制方便等优点。这里主要是针对液 压干冰制冰机液压传动与控制系统的设计和研究。 1 2 研究概况与方法 液压制冰机主要采用液压传动与控制技术。液压传动技术是一门古老而又新兴 起的学科，如果从1 7 世纪中叶巴斯卡提出静压传递原理、1 8 世纪末英国制成世界 上第一台水压机算起，液压传动已有三百年的历史。随着现代自动控制技术、微 电子技术、计算机技术等方面的发展和石油工业的推动，近代液压传动( 主要是 液压伺服控制技术) 在工业上得到真正推广应用，渗透到国民经济的各个领域中 去。国外目前生产的9 5 的工程机械、9 0 的数控加工中心、9 5 以上的自动生产 线都采用液压传动。我国的液压工业开始于2 0 世纪5 0 年代，8 0 年代起更加速了 对西方先进液压产品和技术的有计划引进、消化、吸收和国产化工作。目前我国 的液压产品已从低压到高压形成系列，并在各个领域中均得到广泛的使用【2 】。 西北工业大学硕士学位论文 第一章引言 目前国内外液压制冰机的发展趋势是液压系统简单紧凑、调节方便、节能、低 噪声、高自动化与智能化、能长时间稳定可靠的运行。国内外各种型号与样式的 干冰制冰机得以开发，如美国的c o l dj e t 制冰机、瑞士a s c o 公司的p 6 0 0 型与 a p m 4 0 型干冰制冰机、意大利m e c 公司的p e l l e t i z z a t o r e 干冰制粒机、丹麦的 u n i o n 制冰机等。 对于液压传动与控制系统的设计，相应的研制费用高，设计周期长，另外实际 样机试制和试验测试都需要较长的时间，耗费大量的经费及人力物力，且在原理 样机设计阶段或产品参数未完全确定的情况下不可能进行实际试验。因此液压仿 真技术成为弥补此种不足的最佳手段，目前在设计过程中广泛利用了液压仿真技 术，它可以进行多种设计，并为液压机械的设计提供理论指导，所以，在液压机 械设计过程中和试验阶段之前进行液压仿真工作是非常必要和重要的。 液压系统仿真技术始于2 0 世纪5 0 年代，当时，德国亚琛工业大学的d s h 和 英国b a t h 大学的b a t h f p 推出得最早，在行业中影响也最大p j 。随着流体力学、现代 控制理论、算法理论、可靠性理论等相关学科的发展，特别是计算机技术的突飞猛 进，液压仿真技术也日益成熟 4 1 。近年来，又有很多液压仿真软件和通用仿真软件 应运而生，比较具有影响力的如德国的d s h p l u s ，英国的b a t l d f p ，瑞典的h o s p a n ， 荷兰的2 0 s i m , 美国的e a s y 5 和s i m u l i n k ，法国的a m e s i m 5 ，奥地利的a u t o m a t i o n s t u d i o 等。 b a t h 邱系统是专门用于液压与气动系统的时域仿真软件，它采用面向原理图 的图形建模方法，但原理图的编辑过程仍然比较粗糙，仿真的速度也不太理想。 d s h p l u s 软件现为德国f l u i d o n 股份有限公司的产品，是专用的液压仿真软件系 统。该软件拥有优化功能，通过自动搜索获得对要优化的控制器的设置或者是参 数的最优值。同时，它提供了对m a t l a b ，s i m u l i n k 和a d a m s 等许多软件的接 口，也可以将输出接人硬件系统中，参加系统运行。该软件的最重要的特点有这 样几点：与多数软件拥有接口；具有丰富的元件库；仿真算法中融入神经网络技 术【2 9 】。a m e s i m 系统是由法国i m a g i n e 公司开发的，可用于完成工程系统的建 模。该软件的界面用c + + 实现，算法用f o r t r a n 语言实现，不需要其他商用软 件作支撑。它不要求用户具备完备的仿真方面的专业知识，更易于为广大工程技 术人员掌握和使用。但是，该软件无优化功能。也无网络功能，不能远程异地仿 真功能，也无动画功能1 2 9 。a u t o m a t i o ns t u d i o 软件是一个集电路设计、模拟和液 压仿真的软件包，非常方便于自动控制和液压机械的应用与设计，并能方便的设 计所需要的电气控制原理图，将液压、机械和电子技术有机的结合起来，是一种 新一代的自动化和液压动力工业领域的工具，它可以动态仿真，可以直观、方便 的反映液压系统运行情况，对液压系统的设计具有很好的帮助和指导意义。 2 西北工业大学硕士学位论文第一章引言 上述液压及通用仿真软件各具特点，在现在的液压系统设计过程中均得到广泛 应用。基于本论文的干冰制冰机设计过程中涉及到机械、电子、液压、控制等多 学科、多领域等特点，本文使用a u t o m a t i o ns t u d i o 软件进行了系统设计与仿真。 干冰制冰机是集机、电、液于一体的现代化高技术设备，目前的控制部分主要 采用传统的控制手段，如继电器控制系统，虽然结构简单，价格低廉，但其接线 复杂，机械触点多，可靠性低，使用寿命短，这些缺陷与局限性可以通过p l c 控 制器来弥补和改善。 随着大规模集成电路和继电器控制技术的发展，人们针对工业控制开发出了一 种具有可编程能力的功能强大的控制工具- p l 七，它以微处理器为核心，用编写 的程序进行逻辑控制，通过数字量和模拟量的输入输出来控制机械设备或生产过 程。它不仅能实现继电器的逻辑控制功能，同时还具有数字量和模拟量的数据采 集和控制，p i d 调节、通信联网、故障自诊断等功能。另外p l c 具有可靠性高， 抗干扰能力强，编程容易，维护方便等特点，它已经被广泛应用于包括过程控制， 位置控制等很多场合的控制领域。 考虑到p l c 能直接利用其闭环控制模块来实现p i d 控制，且p l c 能方便的与 液压伺服阀等液压元件进行互连，在液压制冰机控制系统的设计过程中，使用p l c 能快捷方便的实现控制要求。 1 3 论文主要工作 本课题根据干冰制冰机的工作原理与工艺流程，主要对制冰机的液压传动系统 和控制系统进行了设计与研究，由于时间和经费等条件的限制，研究重点主要集 中在对液压传动系统的计算机仿真设计及干冰制冰机控制系统设计上，使其传动 与控制基本上实现了制冰机的运行要求，为今后干冰制冰机样机的设计与试制提 供有力的依据。 本课题主要工作如下： 1 、设计液压系统，绘制液压原理图 根据干冰制冰机工艺流程及设计要求，确定液压执行元件以及各基本回路，把 它们有机的结合在一起。另外，为了便于液压系统的维护和监测，在系统中主要 路段装设必要的检测元件( 如压力表、温度计等) 。绘制液压原理图时，在图中按 照国家标准绘制液压元件符号。 2 、对系统进行液压仿真 根据液压原理图，使用a u t o m a t i o ns t u d i o 软件建立液压系统图，并设定液压元 器件工程结构尺寸及其他参数，通过仿真，观察系统是否能按所设计流程工作， 修改所设计液压系统原理图，直到系统满足设计工艺流程。 西北工业大学硕士学位论文第一章引言 3 、分析液压系统静动态特性 使用液压伺服技术，改进设计的液压系统，根据液压传动系统设计要求，确定 控制系统应该达到的特性指标。建立动态系统的动态模型，进行静动态特性分析， 计算出系统的特性指标。 4 、设计合适的p i d 控制器 在对液压传动系统的静动态特性分析的基础上，为了使系统运行稳定、控制 准确和反应快速，根据控制要求设计了p i d 控制器，并使用m a t l a b s i m u l i n k 软件进 行仿真，确定p m 控制器各参数。 5 ，设计控制电路，编写控制程序 根据控制要求，确定p l c 的i o 点数和控制模块。分配i o 点后，画好i o 接 线原理图。将液压传动工艺过程分为若干个阶段，确定每一个阶段的输入信号和 输出要控制的设备，还有不同阶段之间的联系，画出程序流程图，最后在s t e p 7 上 使用梯形图编写控制程序。 通过对干冰制冰机液压系统的设计与研究，基本实现了干冰制冰机液压与控制 系统。 4 西北工业大学硕士学位论文第二章干冰制冰机系统概述 第二章干冰制冰机系统概述 液压式干冰制冰机系统主要由三部分组成：干冰节流膨胀系统、液压传动系统、 控制系统。本项目研究的干冰制冰机系统原理图如图2 1 所示： 图2 - 1 干冰制冰机系统原理图 由图2 - 1 可以看出，干冰制冰机将液态c 0 2 首先通过节流膨胀系统，使其转化 为雪花状，然后再通过液压传动系统将雪花状c 0 2 按照控制系统要求压紧至结构 致密形成颗粒状或块状干冰。 2 1 节流膨胀系统 化工厂生产出来的一般为液态c 0 2 ，若将其通过节流膨胀系统，在节流阀扩散 段部分，液态c 0 2 减压，一部分c 0 2 气化，并吸收热量，另一部分骤冷变成雪花 状，并通过雪花塔进入压缩仓。 2 2 液压传动系统 液压传动系统一般由能源装置、液压执行元件( 液压缸或液压马达等) 、调节 控制元件和液压辅助元件( 管道等) 组成。 能源装置是一种将机械能转换成液体压力能( 如压力和流量) 输出的转换装置， 一般最常见的有液压泵，它向系统提供一定的压力和流量的油液【5 1 。 液压执行元件在液压系统中是对外界做功的元件，它直接将液体的压力能转化 为机械能。一般分为两大类：一类为旋转式，如液压马达；另一类为往复运动型， 如能往复直线运动的液压缸嘲。 辅助元件是除上述三种装置之外的其他装置，如液压油箱、滤油器、蓄能器、 导管、接头等。虽然它们在液压系统中起辅助作用，但这些元件对液压系统的稳 定、可靠持久的工作有重大作用。 干冰制冰机液压传动系统部分主要用于将节流膨胀系统产生的雪花状c 0 2 压 紧至结构致密而形成颗粒状或块状干冰，并将生成的干冰推出模板孔。 在该液压传动系统中，要求动模和静模部分均为往复直线运动，选择液压缸作 西北工业大学硕士学位论文第二章干冰制冰机系统概述 为液压执行元件。为了使液压缸按要求换向和往复运动，设计时，可以使用电磁 阀来作为动模和静模液压缸的方向换向阀。在设计液压系统时，选择合适的液压 辅助元件，如压力表、油箱和过滤器等。 2 3 控制系统 本控制系统主要由p l c 和各种外围控制电路组成。通过外围控制电路操作， p l c 应能根据控制指令，完成干冰制冰机系统的启动、状态检测、液压系统的连 续控制等功能及各功能之间的切换。 控制系统的基本功能为： ( 1 ) 启动液压泵前，先控制卸荷阀卸荷，使液压源能够轻载启动，防止液压系统 启动时出现以意外事故。 ( 2 ) 液压系统运行过程中，应能对系统进行稳定可靠的连续控制，自动消除随机 性干扰对系统的影响，保证液压系统的平稳性。 ( 3 ) 控制系统还需要配备相应外设，使p l c 能读取外部数据( 如行程开关，传感 器等) ，并能通过外部设备控制被控对象( 如电磁线圈，继电器等) 。 6 西北工业大学硕士学位论文 第三章液压传动系统的设计及改进 第三章液压传动系统的设计及改进 液压系统是压力机械的动力来源，液压系统设计的先进性、合理性是压力机械 先进性的重要标志，也是压力机运行稳定性、可靠性的标志。 目前大型干冰制冰机基本上都采用全液压传动控制。其液压传动系统的基本工 作原理是：首先静模液压缸运动，合模，待雪花状c 0 2 通过雪花塔进入干冰压模 仓后，另一动模液压缸运动，加压，压紧雪花状c 0 2 至其致密形成千冰颗粒或干 冰块，然后静模液压缸退回，压模仓打开，动模液压缸运动，将压成的于冰从模 具内推出。 3 1 系统基本方案设计 干冰制冰机压制过程的方案是设计制冰机液压传动系统的基础。方案的选择与 雪花状c o ：的特性、产品的尺寸、生成干冰的速度及质量要求等因素有关，另外， 还需要对产品的生产效率及成本，自动化程度等因素综合考虑。应力求使所设计 的系统方案先进可靠，机械结构简单完善，在保证加工质量的前提下具有较商的 生产效率，并能很好的降低干冰制冰机的设计与制造成本。 干冰制冰机液压系统的工作循环为； 其中，合模由动模液压缸完成，其动作分为快速合模和锁定模具。锁定模具的时 间较长，直到开模前，这段时间都是锁模阶段。 a 执行机构的确定 本干冰制冰机液压系统均为单纯的直线往复式运动，故各直线运动机构均采 用单活塞双作用液压缸直接驱动。 b 合模时执行机构回路 执行机构由动模和静模两个液压缸来完成。首先静模液压缸从初始状态运动， 到达设定位置后停止，雪花状c 0 2 进入料仓后，动模液压缸运动，到达位置后压 缩雪花状c 0 2 ，将其压实并成型，接着静模液压缸退回初始位置，动模液压缸后 退并接着前进，将压缩成的模型推出仓口，最后动模液压缸退回至初始状态，完 成一个周期。 c 液压源回路 液压系统的工作介质完全由液压源来提供，液压源的核心是液压泵。在干冰 西北工业大学硕士学位论文 第三章液压传动系统的设计及改进 制冰机液压系统工作过程中，动模液压缸在压缩物料之前运动速度快、推力小， 在压紧物料时，要求液压缸运动速度小，推力大，为了实现上述两种运动的相互 转换，可以考虑采用高低压双泵供油的差动连接回路，见图3 1 。 图3 1 差动连接回路供油系统 1 - 大流量液压泵2 - 4 流量液压泵 差动连接回路是在不增加液压泵的流量和功率的前提下，实现液压缸快慢速运 动的一种既简单而又经济的有效方法【6 】。液压系统在轻载快速时，进入液压缸的流 量是两个液压泵的流量之和，在动模液压缸因阻力而压力上升时，小流量液压泵 的压力通过顺序阀外控口使顺序阀工作，大泵卸荷，系统仅由小流量泵供油，使 动模液压缸慢速运动。使用差动连接回路供油系统，可以满足动模液压缸小推力、 高速度与大推力，小速度的工作行程的转换。 d 锁定回路 锁定回路的作用是当执行元件停止工作时，将其锁定在规定的位置上。一般常 见的锁定回路有单向阀简单回路和液控单向阀连锁回路。单向阀锁定回路只能将 活塞杆所顶在形成终端的位置，而采用两个液控单向阀的联锁回路( 见图 3 - 2 ) 可 以将活塞锁定在任意规定的位置上，只有当电磁阀通电切换时，液控单向阀才能 反向打开，允许液压缸运动，此回路所定精度比较耐卯。 8 西北工业大学硕士学位论文第三章液压传动系统的设计及改进 图3 - 2 液控单向阀的联锁回路 l - 液控单向阀2 - 电磁换向阀3 溢流阀 为了使动模液压缸在停止工作时候能够停在规定的位置，可以使用锁定回路， 由于锁定液压缸时液压缸并不处在活塞的终端位置，采用单向阀锁定回路不合适， 可以选择两个液控单向阀的连锁回路。 3 2 液压系统图及工作原理 3 2 1 液压系统图绘制 液压执行元件以及各基本回路确定之后，把它们有机的结合在一起。去掉重复 多余的元件，另外为了便于液压系统的维护和检测，可以在系统中的主要路段装 设必要的检测元件( 如压力表等) 。最后绘制的于冰制冰机液压系统图如图3 3 所 示： 9 西北工业大学硕士学位论文第三章液压传动系统的设计及改进 图3 - 3 干冰制冰机液压系统图 l - 动模液压缸2 一静模液压缸3 一雪花塔4 - 液控单向阀5 三位四通电磁阀 6 - - - 位四通电磁阀7 顺序阀s 二位二通电磁换向阀9 - 流量液压泵l o 大流量液压泵 如图所示，系统采用双泵( 9 和1 0 ) 组合供油，二位二通电磁换向阀8 用于 双泵卸荷。系统的执行机构为压缩雪花状c 0 2 的动模液压缸1 和静模液压缸2 ，此 两缸对顶布置，其中动模缸1 由3 位四通电磁换向阀5 换向，静模液压缸由二位 四通电磁换向阀6 换向。两个液压缸行程上布置的行程开关s q l 、s q 2 、s q 3 和 s q 4 分别给出系统动作或延时的电信号。 3 2 2 液压系统工作原理 干冰制冰机液压系统的工作流程图如图3 - 4 一军= 雾鬈 西北工业大学硕士学位论文 第三章液压传动系统的设计及改进 图3 4 制冰机机工作流程图 1 ) 启动设备 按下启动开关后，电磁铁3 y a 通电，使电磁换向阀8 切换至上位，液压泵卸荷， 以便轻载启动双泵驱动电机m o t e t 。延时3 s 以后，双泵电机m o t e r 通电运行，液 压泵对系统加载， 2 ) 静模到位并停止 双泵电机启动后，延时3 s ，电磁铁3 y a 断电使换向阀8 复位，同时2 y a 通电 使二位四通换向阀通电切换至左位，即加载的同时静模液压缸2 向左运动，当静 模液压缸运动至最左端时，液压缸活塞顶住模仓右端，模仓右端关闭，并压下行 程开关s q 2 。 3 ) 动模运动压制成型 当行程开关s q 2 压下后，电磁铁1 y a 通电，使电磁阀5 切换至左位，动模液 压缸l 从料仓左端起向右快速运动压缩雪花状c 0 2 ，当其向右运动到压下行程开 关s q 3 时，将干冰压缩成所需形状。 4 ) 静模退回初始位 行程开关s q 3 被压下后，电磁铁2 y a 断电，电磁阀6 在弹簧力的作用下回复 至右位，液压油推动静模液压缸2 向右运动，直到液压缸最右侧。 5 ) 动模将干冰推出仓 静模液压缸后退的同时，电磁铁4 y a 通电，电磁阀5 切换至右位，动模液压缸 向左运动。当液压缸运动到压下行程开关s q 4 后，电磁铁4 y a 断电，1 y a 通电， 电磁阀5 切换至左位，动模液压缸向右运动，将压制好的干冰颗粒或块状从料仓 中推出。 6 ) 动模退回初始位 液压缸运动到最右边，压下行程开关s q l 后，电磁铁1 y a 断电，4 y a 通电， 液压油进入动模液压缸右侧，推动活塞向左运动，当其运动到最左端时，压下行 程开关s q 0 ，动模液压缸活塞退回至原位，从而完成一个循环。之后，转入电磁 铁2 y a 通电，静模液压缸活塞2 左移，第二个循环开始。 3 3 液压系统主要参数确定 液压系统的主要参数是压力和流量，它们是设计液压系统，选择液压元件的主 要依据。压力决定于外负荷，流量取决于液压执行元件的运动速度和结构尺寸”1 。 西北工业大学硕士学位论文 第三章液压传动系统的设计及改进 3 3 1 液压缸的载荷组成与计算 图3 - 5 表示一个以液压缸为执行元件的液压系统计算简图。 f w 图3 - 5 液压缸主要设计参效 图中： 4 = 三d 2 无杆腔活塞有效作用面积( 坍2 ) ； 鸣= 三d 2 有杆腔活塞有效作用面积( m 2 ) ； e 液压缸工作腔压力( p a ) ； 最液压缸回油腔压力( p a ) ； d 活塞直径( 脚) ： d 活塞杆直径( 辨) ： e 液压缸受到的负载压力( n ) 。 一般情况下，液压缸在受压状态下工作满足： 只4 一只a 2 一昂= m a ( 3 1 ) 式中：m 活塞杆质量( 堙) ； a 活塞杆运动加速度( m s 2 ) 。 为了确定液压缸内径( 即活塞外径) d 和活塞杆径d ，按经验引入一个结构 系数西，即 妒= 丢- 0 2 5 o 7 【5 1 ( 3 - 2 ) 由公式( 3 1 ) 可得，活塞直径： 。= 、f 磊4 ( 票f w + m a ) ； ( 3 - 3 ) 本液压制冰机属小型液压机类型，载荷最大时为压缩粉料c 0 2 工况，此时压力 西北工业大学硕士学位论文第三章液压传动系统的设计及改进 由小流量液压泵提供。设计时，压制干冰块大小s 为1 5 c m x1 5 c m ，压制时最大压 强为1 6 个大气玉, l s l ，初步调整系统工作压强p 为1 6 m p a ，可以选择西= o 5 ，即 d = 2 d 。 压缩系统处于平衡状态( 液压活塞加速度a = 0 ) 时，系统工作的最大载荷力 为： f w = j 嗒= 1 6 1 0 6 p a x ( o 1 5 x 0 1 5 ) = 3 6 x1 0 n 压缩粉料c o z 过程中，液压缸活塞杆工作在受压状态。只液压缸有杆腔直接 接油箱，故只印。另外液压缸直径d 和活塞杆直径d 的计算值要按照国家标准规 定的液压缸的有关标准进行圆整，在选择直径时最好选用国产标准液压缸【5 1 ，可以 选择d = 1 0 0 m m ，d = 5 0 m m 。 此时系统最大工作压力为： = f w a l = 4 f ：t d 。4 6 m p a ( 3 4 ) 液压缸的行程主要依据机构的运动要求而定，但为了简化工艺与设计成本，在 选择液压缸时，应该根据工作的最大压力与尺寸，并尽量按国家标准给出的标准 系列值。 3 。3 2 液压泵选择 液压泵是将驱动电机的机械能转化为液压能的能量转换装置，是液压系统中的 能源。目前常用的液压泵有齿轮泵、叶片泵、柱塞泵三大类。 液压泵的选择要根据液压泵的工作压力、排量等参数来确定。 液压泵的工作压力是指它的输出压力，即泵出口处油液为了克服阻力所需建立 的压力。它随阻力的增大而升高，随阻力的减小而降低。在一定程度上来说，液 压泵的工作压力取决于外负载的大j d s j 。由式3 4 可知，系统的最大工作压力为 4 6 m p a ，考虑管路沿程损失和油液泄露损失，选择液压泵时，可根据实际情况选 择合适工作压力流量泵。 液压泵的排量是指在无泄露情况下，泵轴每转动一周，泵所排出的油液体积， 它的大小完全取决于泵密封工作腔的大小【5 l 。在实际选择时，应根据外界作动装置 ( 如液压缸等) 所需流量与运动速度来选择大小和转速合适的液压泵。 静模液压缸向左和动模液压缸开始向右运动时，液压系统轻载，静模液压缸由 小流量液压泵供油，动模液压缸由双泵同时供油，液压缸速度较大；当动模液压 缸运动，压缩雪花状c 0 2 ，液压缸杆受到负载力逐渐加大，当管路压力增大到顺 序阀7 ( 见图3 3 ) 设定压力时，顺序阀7 打开，大流量泵1 0 通过顺序阀卸荷，动 模液压缸由小流量泵9 供油，活塞运动减慢。 设计时，液压缸快进速度为0 6 m s ，慢进速度为0 2 m s 。 西北工业大学硕士学位论文 第三章液压传动系统的设计及改进 如图3 - 3 所示，泵1 0 为大流量泵，流量为q 1 ，泵9 为小流量泵，流量为q 2 ， 当动模液压缸轻载向右运动时，泵9 与泵l o 同时给动模液压缸无杆腔供油，此时 动模液压缸的运动速度： 矾：继( 3 5 ) 4 在液压缸压缩雪花状c 0 2 ，液压缸载荷逐渐加大，当顺序f 爵在远控端压力作 用下导通时，只有小流量泵9 给液压缸供油，此时动模液压缸的运动速度： n ：鱼( 3 - 6 ) 4 由式3 5 和3 - 6 可得： 导= 单( 2 2 = 苦2 b ， v 2 u 由式3 - 6 有： 奶_ - - y 2x a l = 0 2 d 2 4 = 1 5 x1 0 q 所3 s = 9 4 2 l m i n 带入式3 7 得： q l = 2 xq 2 = 1 8 8 4 l m i n 上述计算结果为理论流量，即在不考虑泵的泄露情况下的流量。而实际情况下， 由于油泵的泄露等原因，实际流量往往小于理论流量，此时取系统泄蘑系数k 为 1 2 ，求得液压泵需要提供的流量： 9 ；= k xq 1 = 2 2 6 o l m i n ( 3 - 8 ) 姨= 1 2 xq 2 = 1 1 3 o l m i n ( 3 9 ) 式中纠为计算出大流量液压泵流量，鲮为计算出的小流量液压泵流量。在实际 设计过程中，可以根据现有定型产品进行选择合适的液压泵。 3 3 3 液压阀的选择 液压罚的选择应该根据系统工作压力和实际通过该阀的最大流量选择有定型产 品的阔件【7 】。 可以根据式3 - 4 。3 8 和3 - 9 选择合适的三位四通换向电磁阀5 和二位四通换 向阀6 。 3 4 液压系统性能验算 液压系统初步设计是在某些估计参数情况下进行的，当各回路形式，液压元 件及液压管路完全确定以后，针对实际情况对所设计的系统进行各项性能分析。 在这里，使用了新一代的集机电液于一体的仿真软件a u t o m a t i o ns t u d i o 对所设计 1 4 西北工业大学硕士学位论文第三章液压传动系统的设计及改进 的液压系统进行仿真，直观方便的反映液压系统运行情况。 使甩互m 皤哑o ns t u d i o 软件建立液压系统图( 见图3 - 3 ) ，根据上述计算结果 设置爵参数，在a u t o m a t i o ns t u d i o 软件中建立s f c 文件，按照液压系统工作流程 建立功能顺序图( s f c ) 如图3 6 ： 5 6 图3 - 6 液压系统功能图 仿真过程中，液压系统将按照上述s f c 功能图顺序执行。 西北工业大学硕士学位论文第三章液压传动系统的设计及改进 首先，启动开始按扭( s t a r t 按扭) ，3 y a 线圈带电，二位二通换向阀上位接 通，等2 s 后，m o t o r 启动，液压泵轻载启动。 液压泵启动4 s 后，3 y a 线圈断电，液压泵驱动液压系统运行，同时2 y a 线圈 通电，静模液压缸向在液压油作用下向左运动，当压下行程开关s q 2 时，1 y a 线 圈通电，动模液压缸向右运行。 当动模液压缸活塞右移压下行程开关s q 3 以后，2 y a 线圈断电，二位四通电 磁阀6 回复到右位，静模液压缸向右运动，同时4 y r a 线圈通电，三位四通换向阀 5 切换至右位，动模液压缸向左运行。 当动模液压缸向左运动到压下行程开关s q 4 后，1 y a 线圈通电，动模液压缸 向右运动，一直到达最右端，压下行程开关s q l ，此时1 y a 断电，4 y a 线圈通电， 动模液压缸向左运动到最左端。 当动模液压缸活塞运动到最左端压下行程开关s q o 后，一个工作循环完成， 接着重复启动液压泵后的步骤。 设计时假设液压缸l 与活塞连动的运动部件质量为1 0 k g ( 此部分与所选择液 压缸材料、长度、活塞所连物件有关) 。 运行仿真系统，绘制液压缸l 活塞运动速度曲线如图3 7 ： l y l 埽_ ， 髅撼 群搏擀斟掣封# h 群麟 嘲 弩 娃 带鞲i e 曼蹦越酬 ：； 薄埘 r 一强七廿 专+ 卜上l il 产卞一一 图3 - 7 液压缸活塞运动速度曲线 速度变化部分数据如表3 1 所表示： 表3 - 1 速度变化表 l t n i 时间( m s )1 8 7 1 8 81 9 6 1 1 9 81 1 9 9岫 2 0 1 随度( c m s )o o 5 8 0 3 2 o 4 1 8 7 6b 3 2 从图中可以看出，液压缸l 在向右运动过程中，最开始基本上保持匀速运动， 当液压缸运动到压下行程开关s q 3 以后，三位四通电磁阀5 的4 y - a 线圈接通，接 通后液压缸活塞应该马上换向运动，但是由于活塞运动惯性与速度的影响，活塞 1 6 西北工业大学硕士学位论文第三章液压传动系统的设计及改进 还需要继续往右运动一段距离，待活塞速度向右为0 后才开始反向；同样，当液 压缸l 活塞向左运动到压下行程开关s q 4 时，4 y a 线圈断电，i y a 线圈接通，换 向阀快速换向，活塞由于惯性和速度原因也要继续运动一段距离。在电磁阀快速 换向过程中，油液快速换向，液压缸速度快速变化，容易使油液产生过高的冲击 压力，它不仅伴随产生振动和噪声，而且会因过高的冲击力而使管路、液压元件 遭到破坏。 此处主要是由于液体及液压缸运动时的惯性作用引起的压力冲击，液压缸活 塞压力的增大值为： 丝：m 竺n ( 3 1 0 ) t 式中：m 与活塞连动的运动部件的质量( k g ) ； 血液压缸活塞速度的变化量( m s ) ； ，液压缸速度变化为舢时所需要时问( s ) 。 从表3 1 可以看出，速度变化最快时刻在1 9 6 譬一1 9 9 s 处，此时产生的冲 击力最大。 在运动部件质量m = 1 0 k g ，面积a i = 加2 4 = 0 0 3 聊2 ，速度v 从一0 4 c m s 运 动到1 8 7 6 c m s 需要时间0 0 1 s 的情况下，液压缸活塞压力的增大值为： a f ：m a _ z ：1 0 - 0 4 + 1 8 7 6 1 0 五：1 8 7 2 n t0 1 由计算可知，在液压缸活塞由于运动部件惯性作用使得在电磁换向阀突然换向 时产生较大的冲击力。在长期作用下，如此大的冲击力将产生很大的振动和噪声， 同时，也将使液压元件遭到破坏，液压系统将无法长时间安全稳定的运行。 为了使液压系统能快速长时间稳定安全的运行，还需要对所设计液压系统进行 部分改进。 3 5 液压系统改进设计 使用传统的液压技术设计时，由于液压阀的快速换向，使得液压系统中油液 迅速变向，液压缸活塞在运行过程中产生较大的冲击力，为了使液压系统能安全、 稳定、自动、准确快速的达到控制要求，可以在液压系统中引进液压伺服控制技 术。 3 5 1 液压系统结构改进设计 液压伺服控制技术是早已成熟的液压传动技术的新发展，是自动控制领域的一 个重要组成部分，它具有响应速度快，控制精度高等特点，能很好的用来改善液 西北工业大学硕士学位论文第三章液压传动系统的设计及改进 压系统性能。 液压伺服控制系统，是一种采用液压伺服技术，以液压动力作为执行机构并 具有反馈控制的控制系统。它不仅能自动、准确而快速地复现输入量的变化规律， 而且还能对输入信号实行放大与变换作用【lo 】。与传统的液压传动控制系统相比较， 液压伺服控制技术在控制系统中引入了反馈系统，使得液压系统能按照输入的控 制信号进行工作，典型的液压伺服控制系统由液压放大转换元件、液压执行元件、 检测反馈元件和比较元件等组成，如图3 8 所示： 图3 8 液压伺服控制系统图 图中，控制系统向系统输入个控制信号，与同时检测系统输出的负反馈信 号进行比较，比较后的偏差信号经过放大转换元件的放大转换，变成较大功率的 液压信号( 压力、流量) ，驱动液压执行元件，带动负载运动【l l 】。 考虑到直接使用一般换向阀作为换向装置时，引起液压介质和液压缸内活塞运 动速度的突变，产生较大的冲击力，在长时间运行时，将造成系统大的振动和高 分贝噪声以及系统运行不稳定。为了改善干冰制冰机液压系统运行的可靠性和稳 定性，这里将液压伺服技术引入其中，用来改善系统稳定性、精度及可靠性。 在现代控制系统中，由于电信号与电子设备的易操作和方便维护等特性，使得 电子技术在自动化领域得到广泛应用，此处，由于选择p l c 技术来控制液压伺服 系统，所需阀体可以选择电液伺服阀。在图3 3 中，主要由于电磁阀及锁向回路的 影响造成了液压缸在需要被锁定时产生大的冲击力，为了减小冲击，可将液压伺 服技术应用于其中，使用电液伺服阀替代其中的锁向回路及换向阀，构成一个典 型的电液伺服阀控制系统，以实现液压活塞的快速准确定位。 电液伺服阀控制系统将电子和液压有机的结合起来，既具有快速易调和高精度 的响应能力，又能控制大惯量实现大功率运动输出i 】。在设计干冰制冰机液压系 统时，由于检测信号为液压缸位移，为模拟信号，检测反馈量也为模拟信号，这 里使用模拟位置伺服系统。 改进后的干冰制冰机液压系统结构图如图3 - 9 ： 1 8 西北工业大学硕士学位论文第三章液压传动系统的设计及改进 图3 - 9 改进后的干冰制冰机液压系统图 i 域压缸2 静模液压缸3 雪花塔纠空制器5 - - - - 位四通电磁伺服阀6 - - - - 位四通电磁换向 阀7 顺序阀8 二位二通电磁换向阀9 小流量液压泵1 0 - 大流量液压泵1 1 输入信号 如图3 - 9 所示，在系统中改用了电磁伺服阀，且加入了一个反馈系统和一个 p i d 控制器，此时系统将按照输入信号来自动调节，以达到控制系统的要求。 3 5