（机械工程专业论文）舞台机械吊杆的液压驱动及控制.pdf

工程硕士学位论文 皇曼! ! ! 皇苎曼曼曼! ! 曼! ! ! 曼! ! 曼! 曼曼曼曼曼皇詈鼍鼍! ! ! ! 曼鼍! 暑曼曼皇曼! 曼! 兰! ! ! ! ! ! 曼曼曼曼! 曼! ! ! ! 曼曼曼! 鼍鼍! ! ! 摘要 上世纪8 0 年代，国内相继出现了舞台机械制造的专业厂。兰州理工大学机 械工厂是国内最早开发此产品的厂家之一，产品目前己销往全国各个省、市、自 治区。已为一大批剧场装备了整套舞台机械设备。 本课题是以舞台机械为对象，依据我国市场的需求及产品的运行情况和用户 的意见，完成了舞台吊杆的液压控制。实现了国内吊杆液压控制的空白。主要是 要对吊杆的液压控制部分建立数学模型，为液压吊杆今后的设计和生产提供了理 论依据。并且对吊杆系统做了动态仿真，真正使液压吊杆在设计和使用上做到“永 无一失”，使液压吊杆的设计应用达到完美，填补舞台机械的空白。在综合分析 吊杆平稳性的过程当中，主要是对吊杆的控制过程作了研究对象，在对吊杆的控 制反馈的过程中，控制液压马达，实现平稳的无级变速，进行过载保护，对舞台 的安全提供了更大的保障。 课题主要采用液压系统控制和闭环反馈控制原理对舞台吊杆进行控制，实现 了无级变速。其设备占地面积小，控制灵活平稳，无噪音，并且实现多吊杆多泵 站的控制，使舞台吊杆实现无级变速，灵活了演出的效果，减少了舞台演出的空 隔时间。其中对电液比例控制在系统中的功用进行了说明，重点对电液比例阀同 步控制系统的同步误差与阀控马达回路的动态特性进行分析。 此外对舞台吊杆的平稳性作了理论上的论述，想通过对舞台吊杆的改进，进 一步对舞台机械进行研究，并且对液压系统的稳定性进行控制。 在电器设计上主要依托p l c 、马达电机，光敏控制等对舞台吊杆进行准确定 位控制。 关键词：舞台吊杆、无级变速、闭环反馈、液压马达、p l c 、电液比例阀。 舞台机械吊杆的液压驱动及控制 a b s t r a c t f r o m1 a s tc e n t l l r y8 0s ，m ep r o f e s s i o n a lp l 趾t sf o rp l a 仃0 胁m a c l l i n em a l l l l f 如t 1 1 r e a p p e a ri ns u c c e s s i o n m a c h 曲es h 叩o f l a n z h o uu 试v e r s i t ) ，o f t e c h n o l o g ya n ds c i e n c e i so n eo ft 1 1 ee a r l i e s tp l a mi nd c v e l 叩i n gt h i sp r o d u c t ，t h e i rp r o d u c th a v es e l l t oa 1 1 o v e r 也ec h i n a 龃db e e nc 彻叩l c t es e to fs c e i l i cm e c h a n i c a lf a c i l i t ye q u i p p e dt om a n y t l l e a l e r s 眦st a s k 址e sm ep l a 仃o l 珊m e c h a n i c a lf a c i l i t ya st 鹕e t ，a c c o r d h l gt om a r k e t r e q u i r e m e n t s ，p r o d u c ts i 似i o na n dc u s t o m e r ss u g g e s t i o n st of i n i s ht l l eh y d r a u l i c c o m r 0 1s y s t e mo fp l a t f o 珊b o o m ，a 工l df i nl i pt l l eb l a n k n e s smp l a t f o r mb o o m h y 出a u l i cc o r 岫is y s t e mi i lc l l i i l a 1 kk e y s t o n ei st 0e s t a b i i s hd i g i 诅1m o d e lf o rb o o m h y d r a u l i cc o n l r 0 1s y s t e m ， s u p p l i e st l l et h e o r e t i cg i s tt oh y d r 卸1 i cb o o mi nt h e 触d e s i 印a n dp r o d u c t i o n ，a n dm d k et l l ed y i 衄i ce n 州a t e ，f o ra c l l i e 、，i 】呜t o “n e v e r f 缸1 u r c ”i nd e s i g 皿姐du s eo fp l a t f o r n lb o o mh y d r a u l i cc o n t r 0 1s y s t e m ma ：k et h e p i 施衄b o o mh y c l r a m i cc o n t r o ls y s t e m sd e s i g na n da p p l i c a t i o nt ob ep e r f c c ta n d t o f i uu pm eb l a i l k n e s si np l a t f o 衄m e c h a n i c a lf a c i l 吨d u r i i l 2t h eb o o ms t a b i l i t y s i n t e g m t e da n m y s i s ，t h em a i nr e s e a r c ht a 唱e ti sc o n c e m e da _ b o u tc o n t r 0 1p r o c e s so f b m ht h ef e e d b a c kc o n t r o lo f b o o m ，t oc o n t r 0 1h y d r a u l i cm o t o r ，a c h i e 、，i 】呜s t a b l e c o m i r m o u s l yv a d a b l et r a n s m i s s i o n ，c a r r y i n gt l l r o u 曲 o v c r l o a d p r o t e c t i o n t h e n p m v i d i n gm em a ) 【i m 瞄s a f b t yf o rp l a t f o n 1 kt a s ka d o p t sm a “yt l l et l l e o r yo f h y d r a u l i cc o n 廿0 1s y s t e ma z l dt h e o r yo f c l o s e d l o o pf e e d b a c kt oc o n t r o lt h eb o o m ，i m p l e m e n tt h ec o n t i n u o u s l yv a r i a b l e 们n s m i s s i o n i h cv o l 啪eo f 矗l c i l 时i ss m a l l ，e a s i l yc o n 廿d la i l dn on o i s e 1 1 1 e c o n 协) io fm u i t i b o o m sa n dm i l l t i - p 啪ps t a t i o n sr c a c h e st i l ea i l no fc o n 血u o u s l y v 舐a b l et r a n s m i s s i o n ，m a k e sm es h o we 虢c tt ob ed i v e r s i t ya n dr c d u c et l l es h o w i n t e r v a l ht h es y s 把i i l ，g i v i i l gm ei n s 蛔】c t i o na i m e dt of 1 1 n c t i o no fe l e c 伍c ，l l y d r a u l i c p r o p o r t i o n a lc o n t r o l ，a n di ne l e c m 饥y d r a u l i cp r o p o r t i o n a l v a l v e ，ss y n 加1 1 i c c o n b o ls y s t e m ，m 蒯ya i l a l y s e st h es y 幽n i ce o ra n dv a l v ec o 曲lm o t o rl o o p s d ”姗i cc h 舡a c t e r i s 血一j m o r e o v e r ，m r o u g ht h eb o o ms t a b i l i t y1 l l e o r e t i cs c a t e m e n tw a n tt oi m p r o v et h e r o l l e ro fp l a t f o 衄b o o m ，h a v ep o s s i b i l i t yf o rf h r t h e rr e s e a r c hi np l a t f o mr n a c h i n e ， 趾dt oc 伽血_ o lh y d r a u i i cs y s t e m s s t a b i l i t y t h ee l e c 哦cd e s i 弘r c l yo n 岵p l c ，m o t o r p h o t o c o n 山l c t i v cc o n 曲lf o r 坨 d l a 仃。衄b o o m ss t a ：b l ec o i l 仃0 1 k e yw o r d s ： p 1 8 t f o r mb o o m ，c o n t i n u o u s l yv a r i a b l et r a n s m i s s i o n ，l o o pf e e d b a c k h y d r a u l i cr 吣t o r ，p l c ，e l e c t r i c h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lv a l v e i i 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：易协 日期：毋6 年；月跏日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校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，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 易恤 弓未勿 日期：姗6 年 日期：幽6 i 年 ；月o b 日 弘月f o 日 工程硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 通常人们都将“舞台”一词表示最文雅、最高尚的场所，我们现在所设计的 “舞台机械”才是真正意义上的舞台。给观众提供美好又舒适的处所，给演出创 造更好的得心应手的平台。无论是大型可升降组合旋转舞台还是大型升降乐池， 或是悬挂绚丽灯光的计算机控制自动定位吊杆，这些都是由舞台设计的工程 技术人员将现有的最先进的驱动设备、控制系统、用最优质的材料，设计成最优 化的构件组合，即机械化舞台来实现的。 舞台机械源自欧洲，镜框式舞台出现在1 7 世纪的欧洲，为舞台机械提供了用 武之地，。1 9 世纪后半叶，欧洲出现了木铁合制的较为复杂的舞台机械，其中有 吊装悬空飞行的机械，也有更换背景的机械，大都是用人力推动的绞盘驱动，通 过复杂的滑车绳索系统传动来实现其动作。同时还有一些简单的人力升降台。 1 8 7 4 年落成的巴黎大歌剧院，为安装起吊机械建造到3 5 7 m 高，1 8 8 1 年建成的 奥匈帝国的陪都布达佩斯国立歌剧院第一个安装了水压式的机械升降台，此时的 工业技术和材料都有了巨大的发展。1 8 9 6 年，德国的舞台机械设计师卡尔劳顿 士拉格尔发展了电力驱动的转台安装在慕尼黑地方剧院，此后推广到全欧洲。 1 9 9 0 年菲利茨博兰特在柏林的皇家剧院首先安装了车台。1 9 0 4 年到1 9 1 4 年间 德莱士顿国家话剧院把升降台和车台结合起来形成了世界上第一个混合型的机 械舞台。特别是1 9 世纪最后2 0 年，舞台技术在德国出现了突飞猛进的进展。有 一系列的新发明，包括以动力驱动的升降舞台。自此舞台机械化迅速发展。在这 一过程中，升降舞台的驱动方式也从人力操纵逐步更换为液压或电力驱动的过 程。 近年来，随着艺术和大众性娱乐及各种社会活动( 演讲报告、招待会、时装 表演等等) 的增加，舞台背景的要求在逐步增加，其调速范围增加，承载能力增 加，安全性增加，要求有较高的定位精度，易于实现舞台机械的自动化、智能化、 及较高的安全性、可靠性。为此，如何提高液压吊杆的驱动和控制方式、提高承 载能力、提高安全性、减少噪音等，是我们对吊杆的最具有现实意义的要求。所 以发展液压吊杆是我们国家涵待解决的问题，对提高我国的舞台机械水平具有深 远的意义。 1 2 舞台机械中吊杆的分类和特点 111111 图卜1 吊杆类型示意图 舞台机械吊杆的液压驱动及控制 舞台吊杆按照其结构和驱动方式分为以下几种类型： 1 、手动吊杆 1 ) 手动带平衡重单式吊杆。 2 ) 手动带平衡重复式吊杆。 2 、电动吊杆 影视用吊杆按照其结构和驱动方式不同，分为下列几种形式： l 、管式手动吊杆 2 、手动吊杆 3 、铰链式手动吊杆 4 、电动吊杆 5 、移动式吊杆 6 、固定式吊杆 下面以电动吊杆为例简述吊杆的组成及工作原理 吊杆的基本功能是起落演出用的灯、景和幕布等，为完成这一作业，吊杆 主要要有一套实现升降运动的机构，通过一台驱动机提供动力，以一组钢丝滑轮 组作为执行机构实现升降运动，还必须要有必备的安全装置和电器控制系统等设 备是其典型的组成结构。 如图卜2 所示， 图卜2 吊杆原理 图中：1 、驱动机构2 、行程开关组件3 、钢丝绳4 、行程极限 开关组件5 、滑轮组件6 、吊杆杆体 1 ) 驱动机构：驱动机构的传动形式一般较多由电动机通过联轴器或直联齿 轮减速器带动卷筒，再通过卷筒收放钢丝绳来实现吊杆的升降。 2 ) 吊点滑轮组：吊点滑轮是由三绳单槽、四槽、五槽、六槽( 根据吊点需 求而定) 导向轮及定位滑轮组组成。吊杆钢丝绳通过个导向轮与吊杆连接。 3 ) 吊杆：吊杆的结构视悬挂物体而定，可以有单吊杆或双吊杆，杆长视台口 宽度和吊点梁而定。 4 ) 限位开关：为了防止吊杆冲顶和下行触及台面，在吊杆上设有两套限位 装置。分别控制吊杆上升、下降行程位置时，装载比例丝杠装置；上升极限位置 处的行程开关。当吊杆达到预定的上升、下降行程位置时，装在比例丝杠上的行 程开关动作切断控制回路，吊杆停止运行。当吊杆达到最高位置且行程开关失灵 2 工程硕士学位论文 时，极限开关迅速动作切断电源，吊杆停止运行。 5 ) 电气控制系统：吊杆控制系统是基于可编程控制器( p l c ) 而开发的计算 机控制系统，图卜3 为系统原理简图。其工作原理为：计算机接受键盘命令，经 过程序分析、计算，得到输出信号，经过p l c 输出模拟量驱动相应的接触器动作， 以控制驱动机的启动于升降。对相应反馈，系统具有完善的保护功能，确保吊杆 运行的安全性和可靠性。 图卜3控制系统原理简图 1 3 传动方式的比较及液压传动的特点 每种传动方式都各有其特点、用途和适用范围。 l 、机械传动是通过齿轮、齿条、带、链条等机件传递动力和进行控制，其 优点是：传动准确可靠、制造简单、操作容易、维护方便和传动效率高等。缺点 是：远距离传动困难，结构比较复杂等。 2 、电力传动是利用电力设各并调节电参数来传递动力和进行控制，其优点 是：能量传递方便；信号传递迅速：标准化程度高；易于实现自动化等。缺点是： 运动平稳性差，易受外界负载的影响；惯性大，启动及换向慢：成本较高；受温 度、湿度、振动、腐蚀等环境影响大。为改善其传动性能，往往与机械或液压传 动结合使用。 3 、气压传动是用压缩空气作为工作介质进行能量传递控制。其优点是：结 构简单；成本低；易于实现无级调速；阻力损失小；动作迅速反应快：防火、防 爆，其安全性较高；对工作环境适应性好。缺点是：空气易压缩，负载对传动特 性的影响较大；工作压力低，只适用于小功率的传动，安全性较低。 4 、液压传动是利用液体作为工作介质利用液体的压力进行能量传递控制。 与其它传动方式相比，液压传动有其独特的优点： ( 1 ) 单位功率的重量轻，既能以较轻的设备重量获取很大的力和力矩。例如， 液压缸的力和重量比，比直流电机约大1 0 0 倍；中等功率液压马达与一般直流电 机比，其转矩与惯量比大1 0 2 0 倍，功率与重量比大，利用液压传动容易获得 很大的驱动力和转矩。 ( 2 ) 由于体积小、重量轻、因而惯性小，启动、制动迅速。例如启动一个中等 功率的电动机需要几秒钟，而启动相当功率的液压马达只需要0 1 s 左右。所以 利用液压传动易于实现平稳地频繁起、停、换向和变速。 舞台机械吊杆的液压驱动及控制 ( 3 ) 在运行过程中能方便地进行无级变速调节，调速范围大j 而且低速性能好。 ( 4 ) 易于实现自动化。液压传动的控制调节比较简单，操作比较方便、省力， 易于实现自动。特别是与电力传动配合使用，更易于实现省力化、自动化和远距 离操作。 ( 5 ) 易于实现过载保护，工作安全可靠。液压系统的工作压力很容易由压力控 制元件来控制，只要设法控制压力在规定的限度内，就可以达到防止过载、避免 事故的目的，使工作安全可靠。 ( 6 ) 液压系统的可以随设备的需要任意安排，可以把液压马达或液压缸安置在 远离原动机的任意位置，不需要中间的机械传动环节。如果液压马达或是液压缸 在工作时本身的位置也在改变，只要采取饶性管道连接就可以了。这是机械传动 难以实现的。 ( 7 ) 液体工作介质是具有弹性和吸震能力，使液压传动运转平稳、可靠。运转 时可自润滑，且易于散热。所以使用寿命很长。 ( 8 ) 易于实现标准化、系列化、通用化，便于设计、制造维护和推广使用。 5 、液压传动虽然存在许多优点，但是也存在一些缺点： ( 1 ) 液压传动以液体为工作介质，在液压系统在工作中设置不好会产生泄露， 再加上液体具有一定的压缩性，难以实现严格的传动比。 ( 2 ) 液体黏度和温度有密切的关系，当黏度随温度变化时，将直接影响泄露， 压力损失及通过元件的流量。所以液压系统不宜在很高和很低的温度下工作。 ( 3 ) 液压系统中能量要经过两次转换，故传动效率较低，一般只有4 0 5 0 。 工作可靠性目前还不如电力和机械传动。 ( 4 ) 液压元件的制造精度要求商。使用维护要求有一定的专业知识和较高的技 术水平。故障原因很难确定。 总的来说，液压传动有许多优越性，但是其缺点也不能忽视。尤其是对于舞 台机械，其利用率不高，使用不频繁。为了适应市场和竞争能力，液压传动技术 一直在不断的发展，借助现代科技的支持和手段，液压技术在不断发展，使其缺 点逐步被克服，性能不提高，应用领域不断的扩大。舞台机械的要求也越来越高， 这就需要利用液压技术，液压传动技术再舞台机械终将会得到更加广泛的应用。 1 4 液压传动技术的发展概况及舞台吊杆的液压控制设计方案 液压技术相对机械传动来说，是一门新兴的技术。液压技术的发展是和流体 力学的理论、研究成果和工程材料、液压介质等相关学科的发展是紧密相连的。 1 6 5 0 年帕斯卡提出了封闭静止液体中压力传播的帕斯卡原理；1 6 8 6 年牛顿揭示 了粘性流体的内摩擦定律；到1 8 世纪，流体力学的两个重要方程一一连续方程 和伯努利方程相继建立，这些理论为液压技术的发展奠定了理论基础。1 7 9 5 年 英国人布拉默发明了世界上第一台水压机，是他提出水不但可以进行能量的传 递，而且可以进行信号控制，标志现代液压技术工程应用的开始。 与此同时，舞台技术也随科学的进步、工程学科的更新和工业技术水平的提 高而迅速发展。传统的木制舞台逐渐转换为金属制的舞台，舞台机械的驱动方式 也开始由人力控制逐步更换为动力驱动。由于液压传动的特点，当时的舞台机械 工程师迅速将液压传动技术应用在升降舞台。在近期。欧洲的大多数剧场的吊杆 已经采用液压马达驱动，其特点就是便于反馈控制和无级调速。利用的液压系统 4 工程硕士学位论文 驱动的舞台吊杆主要有2 种： 1 、水力一机械系统 这种系统比较复杂，水是在一个封闭的有回路的系统中，此方案需要复杂的 控制系统，需要设计特殊的阀门与调节器，以改变水流的方向。另一点就是提升 或下降的舞台构件不一定直接连接在活塞上，可以用机械的方式传递。 2 、液压油控制系统 由于水的润滑性差，易于产生锈蚀。而随着输配电、电动机的发明，液压系 统在舞台机械上一度减少，但是随着1 9 0 5 1 9 0 8 年威廉斯和詹尼两位美国工程 师发明了用油工作的液压传动装置，1 9 3 6 年威克斯发明了先导式溢流阀，以及 丁晴橡胶等耐油材料的出现。特别是二次世界大战期间，由于军事工业的发展的 迫切要求，液压传动系统得到了迅速发展。近3 0 年以来液压技术在实现高压、 高速、大功率、高效率、低噪音、高可靠性、高度集成化方面都取得了重大进展， 在完善发展比例控制、伺服控制、开发数字控制技术及机电一体化方面也有许多 的新成就。液压技术已经成为包括传动、控制、检测在内的对现在机械装备的技 术进步。已经广泛的应用于各工业部门。在国内外，液压传动技术已经在舞台机 械领域被大量采用，出现了液压驱动升降台、转台、吊杆的设各，1 9 9 0 年建成 的斯图加特州立剧院，甚至采用液压驱动全套舞台机械设备。但是在国内还是没 有出现液压吊杆。 传统的电动吊杆有许多优点，如安全可靠、操作方便、体积小、重量轻和价 格便宜等。在运行的时候，由于电机运行速度是恒定的，不容易进行调速。在电 机启动的时候产生冲击电流，使系统负荷增大，容易产生振动，损坏机械，使误 差增大，产生定位误差。 我国的液压技术起步晚、起点低，与国外的先进水平还有很大的差距，液压 传动在舞台机械上的应用也十分有限，在国内还没有出现液压吊杆。尤其我国液 压元件还不过关，容易出现很多的故障并且成本较高有关。采用进口的元件会使 成本加高。在国内经济增长的大环境下，人们的购买能力的提高，对产品的使用 性能的要求也越来越高，液压系统已经成为市场的需求。所以本课题以市场为基 础，以用户为根本，研制舞台吊杆的液压控制和驱动。 其设计方案为： 、 采用液压马达，单独由1 0 2 0 台左右的马达由一个泵站控制，分别由电液 比例阀控制进行调速，其控制调速由闭环控制系统，通过p l c 单片机进行流量控 制，进而控制液压马达的转速，达到速度控制。此种吊杆系统有很高的调速范围， 很高的承载能力，及过载保护功能，使机械系统寿命延长。易于实现控制的自动 化、智能化，以及较高的安全性、可靠性。单独采用这样的液压系统很难满足这 些要求，因此综合机械、电子、液压等各种传动方式的优点，取长补短，充分发 挥各自的长处，才能实现液压吊杆最优化的设计。 1 5 课题内容和、特点及意义 随着中国经济的发展，全国各地正在兴建越来越多的剧场，剧场已经不再是 经济文化中心城市的专利，许多小城镇也有建设和装备剧场的需求。然而，由于 中国地域辽阔地区问的差异很大，这就要求根据不同的价位进行设计和供货。所 以舞台机械工程在我国一直要坚持低成本高性能，并且要分高、中、低不同的档 次分别对待。对经济发达的文化中心、开放中心等要提供高性能、高技术的设备； 对经济欠发达的地区，根据其经济承受能力提供中低档次的设备。本课题的选题 及研究就是针对国内经济发展的形势应运而生的。 吊杆是任何一个剧院都必须具备的最基本的舞台设各之一，并且是一个剧场 中装备数量最多的设备。本研究通过对亚压吊杆的研制开发，在设计上的各个关 键环节，从理论上给于分析、研究，为以后的吊杆研究发展提供借鉴，同时也为 社会提供了一种大众化的低价高性能的舞机设备。该种设备占舞台面积小，运行 平稳，可以自动定位，提升力大，有过载保护作用，可以实现无级变速，运行时 基本无噪音，为演出提供了很好的条件，为舞台安全和减少换景时间创造了有利 条件。 在机械部分以减速系统的稳定性、可靠性以及吊杆的平稳性为重点进行设 计。 在液压系统的设计当中，重点考虑系统的平稳性、无级变速控制和噪音等方 面的指标。 在控制系统的设计当中，主要以闭环控制为主，重点从可控性、平稳性入手。 1 6 论文工作 1 、根据技术参数及性能价格比，制定了液压吊杆的总体设计方案，重点对本 设备的工作级别、驱动元件的选择、速度控制方式的选择作了较为详细的论述。 2 、对液压吊杆的机构和关键零件进行了详尽的设计计算。 3 、在分析了吊杆实际系统的运动规律后，建立其运动微分方程，即系统的 数学模型。对吊杆在几种典型工况下的运动力学进行了分析。按照数值计算的方 法建立了系统的动态仿真模型，即二次模型。用m a t l a b 语言进行程序设计，通 过计算机求解，同时用图标表示出吊杆位移响应曲线及弹性力响应曲线。 4 、对泵站减噪、隔音的主要因素进行分析，提出了相应的解决方案和措旋。 工程硕士学位论文 第二章舞台机械吊杆结构的设计与分析 2 1 液压吊杆的总体设计 在吊杆的设计初级阶段，除了确定总体方案外，基本参数的合理选择是至关 重要的。吊杆的主要参数包括：表征吊杆作业能力的最大起重量，表征作业范围 的最大行程也叫提升高度这些参数使用户确定的，同时也必须符合有关的技术标 准。 2 1 1 液压吊杆的总体构成 液压驱动吊杆的总体构成由三部分构成：电气控制元件、液压驱动元件、机 械传动元件。 液压驱动元件的作用是将电能转化为机械能，通过液压元件控制调节液体压 力与流量，最后由液压马达输出动力。 机械传动元件有减速器、滚筒、滑车组、吊杆等组成，它们的作用就是将液 压马达传来的动力传递给滚筒。由钢丝绳提升，通过滑车组，提升舞台吊杆。 电气控制单元的作用就是控制检测各个元件，将信息反馈给控制系统，再准 确执行控制系统反馈的各项命令。 2 1 2 液压吊杆的总体设计 一、总体思路 针对吊杆的发展趋势，主要要求充分发挥液压系统和机械系统的共同优点加 上现代控制的优势，考虑技术可行性和经济性等因素确定了以下设计思路： 1 、在系统满足用户的要求的情况下。尽量减少系统的重量，主要是吊杆自 身的重量。 2 、液压系统的动静态特性良好，安全可靠，结构简单。 3 、采用闭环控制，提高控制精度。 4 、采用微机控制，使操作更为简单，便于普及。 二、主要技术参数及要求 1 、吊点数：6 。 舞台机械吊杆的液压驱动及控制 2 、最大起重量：8 0 0 k g 。 3 、提升速度：o 3 3 m s 。 4 、最大行程：2 3 m 。 5 、吊杆的静载荷q 耋8 0 0 n 。 动载荷q 2 三1 2 8 0 n 。 6 、钢丝绳的缠绕方式：单层缠绕。 7 、减小设备占用面积及空间，对所选的减速器要求：在保证输入输出效率 的基础上，尽量减少减速器的宽度。 8 、液压元件要求体积小，采用l 型安装。 9 、泵站要求噪音控制，采用硬隔音措施。 1 0 、用计算机控制。 2 1 3 液压驱动元件 液压驱动系统是液压舞台吊杆的的重要组成部分，设计时必须满足吊杆的全 部使用功能所需的技术要求。而且动态特性好、效率高、安全可靠、结构简单、 经济性好、使用维护方便等。为此，要明确与液压驱动系统有关的液压吊杆参数 的确定原则，要与液压吊杆的总体设计( 包括机械、电气设计) 综合考虑，做到 机、电、液相互配合，保证液压吊杆总体的性能最好。 根据吊杆使用的工况，其液压系统必须解决以下问题：( 1 ) 保证动作平稳，吊 杆上的载荷重量变化很大，并且机械传动零件加工误差、安装误差及吊杆的偏载， 都会导致液压马达负荷变化很大，液压系统必须克服负载变化对速度的影响，确 保机构无冲击的平稳运行。( 2 ) 由于采用6 0 8 0 根吊杆，液压马达的控制精度必 须要做到速度和精度的一致。( 3 ) 根据吊杆的动静载荷、速度的计算，得出上升过 程液压马达承受的压力约为9 1 3m p a ( 9 0 1 3 0 b a r ) 。单台液压马达的理论压力 为2 5 0 b a r 。再考虑到舞台机构的自重及载重，液压系统必须要有缓冲，以确保 在启动、停止时能够减少冲击。( 4 ) 下降时候的失重现象十分严重，必须加以控制， 尤其是在很多吊杆的控制当中，载荷较电动吊杆大很多的情况，必须考虑其安全 性，一旦失控将造成十分严重的后果。 共同的设计主要是围绕如何解决前面提到的问题，缓冲、变载功能都有典型 回路可以实现。但是系统会显得复杂，可以采用流量变量泵，比例阎叠加进口 压力补偿器，较好的可以实现控制速度、缓冲的问题，并且系统简介，调试方便。 该系统中，根据液压马达传感器的反馈信号，连续控制阀口开度，使之输出 一个与主控比例阀相适应地流量，当速度产生变化的时候，放大器求得一个信号， 调整比例阀的开口，使比例阀的开口相应的变化，直至速度为调控速度。该系统 是一种位置闭环系统，控制精度主要取决于流量传感器的检钡0 精度和比例阀的响 应特征。理论上该回路没有累积误差。 比例换向阀对流量的控制是通过阀芯的节流作用来实现的，因此其流量对压 力即比例换向阀前后压差变化敏感。系统中进口压力补偿器的作用就是保证比例 阀的p 口与a 口或p 口与b 口之间的压力恒定：当吊杆上升的时候，比例阀换向， a 口为压力油口，b 口为回油口，a 口压力高于b 口压力，压力油通过进口补偿 器中的梭阀，与p 口与b 口压力油共同作用在进口压力压力补偿器的阀芯两端， 它们之间的压差由弹簧决定基本保持不变，当载荷变化即a 口压力变化的时候， p 口和a 口之间的压差将保持不变：下降时的原理相同，只是比例阀a 口为回油 口，b 口压力油通过梭阀与p 口共同作用在阀芯两端，比例阀的p 口与b 口压差 工程硕士学位论文 保持恒定，由于进口压力补偿器的作用保证了比例阀前后压差的不受载荷变化的 影响，比例阀的开口在恒定电流作用下基本保持恒定，于是通过比例阀的流量基 本恒定，从而保证速度平稳。 采用比例阀还可以方便的解决缓冲问题。通过调整比例阀换向控制电流的上 升和下降斜坡，可以改变其换向时间，使比例阀开口缓慢打开和关闭，升降台升 降动作可以缓慢开始和结束，减少压力冲击和惯性冲击，很好的解决了缓冲问题。 2 1 4 液匝吊杆的工作级别 一台好的机械设计应该充分考虑设备的使用寿命和使用条件，这样在设计上 才可以接近实际使用要求。因此，必须根据实际使用载荷情况和作用时间来选择 零部件的强度和寿命。为世所设计的吊杆既具有先进性又具有耐用性和可靠性， 零部件的规格品种应尽量少，使用寿命又要求尽可能大，这样有利于制造厂进行 系列化生产，也有利于用户选择系列产品，并降低成本，缩短基本建设工期。这 就要求机构在设计时首先要确定吊杆的工作级别一将机构按照载荷情况和作用 时间加以分类，这种分类的等级称为机构的工作级别。根据我国有关规定，规定 划分机构的因素只有两个： 1 、表明机构运转时间长短的机构利用等级 机构利用等级表明机构工作的繁忙程度，按照总设计寿命z ( 小时数) 分为 十级，见表其标识的总设计使用寿命是机构零件在使用年限中处于运转的小时 数。其关系如下： z = b d y 式中d _ 机构每年实际运转的天数，一般取d = 2 5 6 ： y 机构的设计使用年限，一般y = 8 ： b 机构平均的每天运转的小时数。 表2 1 机构利用等级总设计寿命z平均每天运转 说明 标号( 小时)小时数b t o 2 0 0 0 1 2 5 t i 4 0 0o 1 2 5 o 2 5 不经常 t 2 8 0 0 0 2 5 o 5 t 3 1 6 0 00 5 1 0 t 43 2 0 01 0 2 0 l 6 3 0 02 o 4 0 经常使用 t b1 2 5 0 04 0 8 o t 2 5 0 0 08 1 6 t b 5 0 0 0 0 1 6 繁忙使用 l 1 0 0 0 0 0 1 6 2 、表明机构受载荷情况的机构载荷状态 机构载荷状态表明一个机构及其零件的受载轻重程度和这些载荷对零件损 坏效应的大小。按照我国起重机设计规范g b 3 8 1 1 ，机构载荷状态根据名义载 荷谱系数i ( 1 i l 的不同分为4 级，见表2 舞台机械吊杆的液压驱动及控制 表2 2 名义载荷 载荷状态谱系数说明 i ( 1 l 。一轻0 1 2 5 机构经常承受轻的载荷，偶尔承受最大载荷。 l 广中 0 2 5 机构经常承受中等的载荷，较少承受最大载荷。 l 。一重 o 5 机构经常承受较重的载荷，也常承受最大载荷。 l 4 一特重 1 0 0 机构经常承受最大的载荷 机构工作级别根据机构的利用等级和载荷状态按照对角线原则分为8 级，从 m 卜m 8 ，见表2 3 注：对角线原则：以名义载荷谱系数l ( i n 的4 个值为列，以利用等级t o t 9 为行排成矩形表，在表格中利用等级和载荷系数值都是按照相邻值为倍数增加 的，在表中从左下到右上的对角线上的各个系数与t i 值的乘积均相等。由于 乘积k m t i 代表了零件的疲劳的损伤率，因此当按对角线原则设计一个机构时， 若载荷状态增大一档，那么它的利用级别就要降低一档。 表2 3 名义载荷谱机构利用等级 载荷状态 系数l ( i i lt ot lt 2t alt 5t 6t -l l l l 一轻0 1 2 5m ， m 2 m 3地 m j m bm tm 日 l 2 _ 中 0 2 5 m lm z地 h i d 地 m 6地 地 k 一重 0 5 0 m im 2m 3乩地也m tm 日 k 一特重1 0 0m m 2地札m 5 地 m ，m 日 表2 一l 和表2 2 位我们提供了进行机构传动件如齿轮、轴、轴承等设计计算 ( 特别是寿命计算) 的重要依据，而表格2 3 的工作级别也为钢丝绳选择、滑轮 及卷简直径的选择等设计计算提供了参考依据。 根据对国内舞台机械的使用现状，得出结论认为，包括吊杆在内舞台机械工 作类型属于轻级间歇运行机构。因而吊杆设计时，机构传动件的设计可以按照表 2 1 中t 。一t e 级、表2 2 中轻l 一1 的载荷状态进行计算。 钢丝绳选择、以及根据钢丝绳卷绕构件直径与钢丝绳直径比不小于某一规定 值决定的滑轮及卷简直径等的计算则不能按照表2 3 提供的机构工作级别进行 计算。由于吊杆运行场所的特殊性，以及受设备结构设计限制或吊杆受力不均等 诸多客观因素的影响，单根钢丝绳的安全储备必须很高。以满足舞台机械的特殊 要求，因为现在“万无一失”对舞台机械已经不够，必须做到“永无一失”。这 样要求其对设各的安全系数必须高于一般的机械，一般要求安全系数不能低于9 ， 对于吊点小于4 的吊杆，安全系数必须高于1 2 6 。 2 ，1 5 计算载荷的确定 结构强度的设计必须依据机械的使用环境与载荷，包括长期运行的环境和载 荷。( 正常工况、特殊工况和可能出现的非正常工况等) 有针对性地进行。在大 多数情况下，载荷不是单一的、恒定的，而是多个的、变化的，甚至是随机的。 1 0 是否全部要进行考虑，需要认真分析，以区分主要载荷、有影响的部分和可忽略 的部分，将主要的和有影响的部分按照一定的原则加以归纳，作为结构强度设计 的已知载荷。 吊杆是在演出场合周期循环工作的机械，它在不同的循环中载荷以及载荷的 位置是不一样的，主要是在启动、制动、会产生动载荷。这些动载改变了构件正 常的受力。只有确定了吊杆在工作当中可能的各类载荷及其组合，才能运用各种 设计准则对有关构件进行设计，才能真正应用到马达，计算出真正的负荷，对马 达的速度和流量进行反馈控制。一般吊杆的载荷在分析中只考虑两种载荷： l 、正常工作载荷 它是由零部件疲劳、磨损、和发热的一种计算载荷。它需要考虑的是吊杆在 正常情况下，无动载荷时的受力。 2 、工作最大载荷的组合 这是吊杆及其零部件静强度、稳定性的计算载荷。所要考虑的是吊杆在工作 时可能发生最不利时的载荷组合。如上升时的最大启动载荷和下降时的最大制动 载荷等。通常这样的动态力可以按照公式p = f c ：计算。 f 一起升载荷 口广起升载荷动态系数。 为安全起见，式中砧：按照公式： c2 = l + 1 0 0 v v 起升载荷的直线运动速度。 2 1 6 传动形式的确定 吊杆的传动形式随设备层的安装条件而定，一般要求传动形式尽可能的简 单，占地面积要小。一般是液压马达通过联轴器带动减速器，再由减速器带动卷 筒。在高速轴上安装上机械制动器，以便将物体安全的停止于既定的悬空状态。 由于采用了液压传动系统，其传动机构与电驱动的相比大为简化， 液压马达 制动带 图弘2 吊杆的传动形式和制动器 f 如图弘2 所示，驱动卷筒直接刚性的安装在减速器涡轮双输出轴上，这样省 去了一套复杂的连接，还简化了结构，使整个驱动机结构紧凑，体积小，重量轻。 尤其是在液压传动过程，可以实现无级变速，省去了复杂的机械传动系统，简化 了传动过程，使系统噪音大为减低，传动具有过载保护的功能，提高了系统的安 全性。但是要考虑液压马达的动力损失和传动的速度稳定性。 舞台机械吊杆的液压驱动及控制 2 1 7 驱动元件的选择 一般液压系统的同步实现方法有开环控制和闭环控制两种。开环控制的液压 系统同步回路主要有机械联接同步回路、节流阀同步回路、分流集流阀同步回路 等，因为它们主要是靠液压控制元件( 如同步阀、节流阀或调速阀) 本身的精度 来控制执行元件的控制精度，而不对执行元件的输出进行检测和反馈构成闭环控 制，所以不能够消除和抑制对高精度同步的不利因素的影响。对于液压吊杆不 能采用这样的控制系统，因为对于吊杆是比较分散的，其最远分布跨距在2 0 m 左 右，很难由元件本身精度来控制。闭环控制有电液比例阀和电液伺服阀，与开环 控制相比，尽管闭环控制的组成比较复杂，造价较高，但是由于它是对输出量进 行检测、反馈，从而构成反馈闭环控制系统，在很大程度上消除或抑制了不利因 素的影响，所以可以获得很高的控制精度。所以液压系统的闭环控制越来越得到 人们的重视，特别是对于现代控制理论和计算机控制系统的发展，几乎所有高精 度的液压驱动机上都已经使用了闭环反馈控制，尤其是电液比例阀是比较新型的 电液控制元件，虽然它比电液伺服阀的相应频率低，但是由于它的造价低、抗污 染能力高、性能良好，所以由它组成的同步闭环控制已经大量用于系统响应频率 响应适中而需要较高精度的主机上，具有良好的应用前景。 1 、对液压马达的要求 在选择液压马达的时候，主要是通过液压马达的流量和转速进行选择。 一般马达的选择应有如下技术性能： ( 1 ) 马达的功率要求重复工作，可以承受正反运转和启动载荷。 ( 2 ) 具有较高的启动力矩，过载能力要强，满足吊杆在满载时启动加速的动力 矩要求，且启动要迅速平稳。 ( 3 ) 满足吊杆在运行过程的速度平稳性，工作可靠，维护和调整方便。 ( 4 ) 系统在运转的时候要求无噪音，所以要对泵站进行硬隔音。 ( 5 ) 考虑启动时液压系统的安全性，主要是马达的液压损失及启动力矩。 ( 6 ) 具有很高的制动性，主要是考虑吊杆在任意位置不下滑。 懑液压马达的选择 根据舞台吊杆的使用工况，其液压驱动系统要求在使用的时候，要求马达的 转速不能很高，所以选择马达的时候，必须考虑马达的最高转速，并且吊杆起重 量大，产生的扭矩大，所以选择大扭矩低转速马达。但是考虑液压马达的成本， 因而选择马达和减速器配合使用。这样，马达的转速可以稍微提高，降低成本。 为了满足设计要求，设计采用v i c k 职s 液压元件，即可以满足使用要求，且安全 可靠，可以降低成本。 。 p i i = n ，( 1 0 0 0 xr i 。i2 ) r i 。为减速机效率，取0 9 r l ：为其它效率，取o 9 6 p 。1 = f v ( 1 0 0 0 n 。t l ：) = 8 0 0 0 o 3 3 ( 1 0 0 0 o 9 0 9 6 ) = 3 0 5 8 k w p 。液压马达的输出功率。 根据计算选择马达最好在其功率范围的最佳点。并且要采用液压马达的负反 馈控制，基于以上的计算和要求，采用s t a f f a 带连续排量控制的液压马达。 工程硕士学位论文 图2 3s t a f f a 带连续排量控制的液压马达 由于设计采用低转速马达，根据扭矩计算和马达性能的要求，采用s t a f f a 0 h m c l 2 5 ，其撮大排量为6 5 0 0 c m r ，2 5 0 b a r ，转速范围为1 9 0 6 0 0 r n i 1 ，平均实际 运行扭矩位2 9 9 n m b a r ，其制动用马达做制动器，用扭矩作为制动力矩。 3 、减速器的选择 用于吊杆的减速器考虑的冈素有： 1 ) 机构工作类型 2 ) 配用马达的额定功率p r 3 ) 输入转速，即马达的转速 4 ) 传动比，保持吊杆的运行速度，符合删户的使用要求 t b 于本课题采用的是低转速的液压马达，| l = i 5 卡| ：的运行速度不是很高，通过减 速器与福在连接与液压马达直接驱动负载相比，可使折算到马达上的等效载荷惯 量减小，有助于提高液压马达的低速稳定性。所以采用常用的涡轮、蜗杆传动减 速器，这种减速器可以分为蜗杆下置式单级蜗杆减速器和蜗杆上置式单级蜗杆减 速器两种，蜗杆上置减速器在啮合处的冷却和润滑都很好，蜗杆轴