（机械电子工程专业论文）重型冶金料篮车升降液压装置监控系统开发与研究.pdf

摘要 摘要 随着我国钢铁工业的发展，对炼钢各个环节的工作效率和工作稳定性要求进 一步提高。其中，废铁的料篮车运输过程是炼钢步骤的重要环节。提高料篮车运 输质量和安全性已成为炼钢工业的一项重要课题。 论文在研究料篮车液压可靠性原理的基础上，设计和开发了基于5 1 单片机 控制的料篮车液压可靠性监控系统。通过系统硬件和软件的设计和开发，制作了 嵌入式系统的监控装置。此监控装置不仅能够实现相关参数的采集，而且具有模 拟量输出控制液压缸和显示报警的功能。 为了验证基于5 1 单片机控制的料篮车液压可靠性监控系统的可靠性，本论 文设计了液压缸监控系统数据采集验证实验。在实验中得出数据，并进行分析和 比较，从而得出监控系统具有可靠性和可行性的特点。 基于5 1 单片机控制的料篮车液压可靠性监控系统的设计与开发，为以后料 篮车嵌入式安全控制技术奠定了坚实的基础，随着系统的不断完善，必定能够优 化和完善料篮车监控系统，达到实时、高速、安全的控制目标。 关键词：料篮车液压缸，可靠性监控系统，p i 控制。 广东工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi r o na n ds t e e li n d u s t r yi no u rc o u n t r y , t h er e q u i r e m e n tf o r t h ew o r ke f f i c i e n c ya n dw o r k i n gs t a b i l i t yf o re a c hs t e po fs t e e lm a k i n gw i l lb eh i g h e rt h a n b e f o r e a n do n eo ft h em o s ti m p o r t a n tl i n k f o rs t e e lm a k i n gi st h et r a n s p o r tp r o c e d u r eo f s c r a pi r o ns t u f fb a s k e tc a r t a g e a d v a n c ei nq u a l i t ya n ds e c u r i t yo fs t u f fb a s k e tc a r t a g eh a s b e c o m eai m p o r t a n tp r o b l e mo fs t e e l m a k i n gi n d u s t r y b a s e do nt h er e s e a r c hi nh y d r a u l i cr e l i a b i l i t yp r i n c i p l eo fs t u f fb a s k e tc a r t a g e ，t h et h e s i s h a sd e s i g n e da n de x p l o i t e ds t u f fb a s k e tc a r t a g e sh y d r a u l i cr e l i a b i l i t ym o n i t o rs y s t e mt h a t b a s e do n51s i n g l ec h i pc o n t r 0 1 t h r o u g ht h ed e s i g na n de x p l o i t a t i o no fs y s t e mh a r d w a r e a n ds o f t w a r e ，i th a se x e c u t e de m b e d d e ds y s t e m sm o n i t o r i n gd e v i c e t h i sm o n i t o r i n g d e v i c en o to n l yc a i lr e a l i z et h ec o l l e c t i o no fr e l e v a n tp a r a m e t e r , b u ta l s op o s s e s st h e f u n c t i o no fa n a l o gq u a n t i t yo u t g o i n gc o n t r o lh y d r a u l i cc y l i n d e ra n dd i s p l a ya l a r m i no r d e rt od e m o n s t r a t et h er e l i a b i l i t yo fs t u f fb a s k e tc a r t a g e sh y d r a u l i cr e l i a b i l i t ym o n i t o r s y s t e mw h i c hb a s e do n51s i n g l ec h i pc o n t r o l ，t h et h e s i sh a sd e s i g n e dad a t aa c q u i s i t i o n d e m o n s t r a t i o ne x p e r i m e n tf o re m b e d d e dh y d r a u l i cc y l i n d e rm o n i t o r i n gs y s t e m f r o mt h e e x p e r i m e n t ，w ec a no b t a i nd a t au s e df o ra n a l y s e sa n dc o m p a r e ，t h e nw ec a l lk n o w nt h e m o n i t o r i n gs y s t e mh a s t h ec h a r a c t e r i s t i co fr e l i a b i l i t ya n df e a s i b l e t h ed e s i g na n d e x p l o i t a t i o no fs t u f fb a s k e tc a r t a g e sh y d r a u l i cr e l i a b i l i t ym o n i t o rs y s t e mt h a tb a s e do n5 1 s i n g l ec h i pc o n t r o l ，c a nm a k eac o n s i s t e n tf o u n d a t i o nf o r f u r t h e rs e c u r i t yc o n t r o l t e c h n o l o g yo fs t u f fb a s k e tv e h i c l e ，a st h ec e a s e l e s sd e v e l o p m e n to fs y s t e m ，i tm u s tc a n o p t i m i z ea n dp e r f e c tt h es t u f fb a s k e tc a r t a g e sm o n i t o r i n gs y s t e m ，t h e no b t a i nt h ea i mo f r e a lt i m e ，h i g hs p e e da n ds e c u r e k e yw o r d s ：s t u f fb a s k e tc a r t a g e sh y d r a u l i cc y l i n d e r , r e l i a b i l i t ym o n i t o r i n gs y s t e m ，p i c o n t r o l i i 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 6 5 指导教师签字：名锣 论文作者签字： 南沧夏 j 肿3 年f 月引日 1 1 引言 第一章绪论 随着我国钢铁工业的发展，对炼钢各个环节的工作效率和工作稳定性要 求进一步提高。其中，废铁的料篮车运输过程是炼钢步骤的重要环节n 2 1 。 由于废铁和炼钢炉相距甚远，使用料篮车运输废铁，在运料的过程中会遇到 许多工作状况( 如转弯) ，要提高料篮车的运输质量减少运输事故，必须要求 料篮车的转向系统具有一定的可靠性、稳定性和安全性。 目前的料篮车主要采用人工远程遥控方式控制其转向和制动1 ，通过远 程遥控开关，根据工作人员的经验和判断，决定料篮车的转向以及危险情况 时的制动。此人工反馈控制系统依赖于与工作人员的经验，控制精度不高， 反应慢，可靠性差。本课题通过研制具有自动控制功能的料篮车转向监控系 统，可以实时采集料篮车当前的运动状况，预测料篮车将要发生侧翻的情况， 并及时报警和制动，制止危险状况的发生。 1 2 重型冶金料篮车升降液压系统监控系统的设计目的和意义 目前，液压技术在很多领域都有着广泛的应用，液压技术在整个国民经 济中起着很大的作用。随着各行各业对液压设备需求的增加和对产品质量不 断提高的要求，对液压系统可靠性的要求也就越来越高。料篮车系统的可靠 性和它的工作状况( 如车速、液压缸) 位移有密切的联系。设计液压系统的 监控系统能够准确反映料篮车的工作状态，并对液压缸的状态进行实时监控， 使液压缸的位移始终保持在安全工作范围之内，进而实现料篮车的安全作业。 通过对料篮车嵌入式监控系统的研究，对解决现有人工远程控制的不足，提 高料篮车工作系统的可靠性具有重要意义。 提高各类机械的使用性能，延长寿命、降低故障和能耗是我们各类技术 人员不懈的努力方向。当前性能优良的各种工程机械在我国各项建设中都起 着重要的作用，但是经常发生的各种故障和工作失效也都在苦恼着各使用部 广东工业大学工学硕上学位论文 门，使之不能称心如意的按期完成任务并取得理想的经济效益1 。 通用液压元件的基本结构已经定型，但新材料和表面处理方法以及高效 加工工艺的应用，进一步改进结构和降低成本仍然是竞争永恒的主题。特别是 在柱塞泵的发展方面。液压传动与电传动技术的竞争将更加激烈。有时展览 会上日本油研展出的用双向变频电机驱动定量柱泵组成的“伺服控制单元” 就是电传动向液压传动挑战的典型例子“1 。在该控制单元中，液压系统只有 一台带油箱的定量泵、一个带传感器的油缸和一套闭式油路，单向、溢流阀组 和两根管道，省去了庞大的油箱、诸多的液压阀的大量管道，并使变量泵被淘 汰。该系统已用于液压电梯，也可应用于其它单缸液压系统。虽然目前该 系统价格较高，但随着变频调速技术的进步和生产批量的加大，该系统的推广 应用将使相当多的液压泵、阀甚至液压辅件被淘汰出局。 与电子信息技术相结合是当今液压技术发展的主要方向：液压传动与电 子技术相结合的产品一电液伺服早在2 0 世纪5 0 年代末就早已出现，而今天 电液比例阀已在大部分领域取代了电液伺服阀，此外高频响比例阀控制泵变 量机构的电子油泵、带总线控制的电磁阀和带传感器的伺服油缸、油马达以 及由它们组成的液压系统完美地体现了电子信息技术和液压技术结合不仅大 大提高了液压系统的技术含量，而且大大提高了其附加值8 1 。 液压传动与控制设备在国民经济各部门担当着重要角色，搞好设备的可 靠性分析与技术改进是保证其运行可靠、性能良好并充分发挥效益的基本措 施，历来为人们所关注目前，液压技术及相关的测试技术在不断发展，微电子 技术与液压技术的结合日趋紧密，市场竞争也对企业的设备系统提出了更高 的要求，这一切都将使有关的工程技术工作变得更加艰巨复杂与此同时，系 统科学与信息科学有关理论的应用使液压工程技术方法发生了重大变化因 此，更好的搞好液压设备的可靠性分析与技术改进变得刻不容缓1 。 液压系统可靠性分析技术对工业、企业的作用和意义，主要归纳为如下 几个方面u 0 1 ： ( 1 ) 在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题；及时掌握设备运行状态 异常或故障的早期征兆，以便采取相应的措施，避免或减少重大事故的发生。 ( 2 ) 通过对设备状态异常的原因和性质进行分析，采取适当的措施，对设备 状态实行在线调理，延长设备运行周期，为生产和维修决策提供科学依据。 2 第一章绪论 ( 3 ) 通过分析得到大量机器状态数据，可以更充分地了解设备的性能，为改 进设备设计、制造水平及产品质量提供有力依据。增加产品和工程的可靠性； ( 4 ) 本文提出的方法可以丰富液压系统得可靠性理论，提高液压系统可靠性 分析的技术水平。 ( 5 ) 料篮车升降液压系统中电控装置的应用增加了系统的可靠性，电控装置 运行自动化程度高，可长期连续运行，具有完善的保护功能。 ( 6 ) 设计安装电子位移传感器监视，及时报警并关闭系统，为升降系统的安 全性提供了足够的保证。 总之，本课题的研究填补了国内外在料篮车液压系统可靠性分析研究上 的空白，为迸一步完善液压系统的有关参数提供了方法，为优化料篮车液压 系统提供了更为有效的依据；同时，提高料篮车质量，延长料篮车的使用寿 命，为提高钢厂的经济效益探索有效的途径，为液压技术更好的应用起推动 作用 1 1 1 。 本设计在研究基于重型冶金料篮车升降液压系统可靠性设计原理的基础 上，利用重型冶金料篮车升降液压系统监控方法，设计开发料篮车升降液压 监控系统，实现对料篮车危险工况的监控并制止危险工况的发生。这个监控 系统是以a t 8 9 c 5 1 单片机为核心，对料篮车运动速度和液压缸位移进行采集 和处理。根据测得速度和液压缸的位移状态量对料篮车工作状况进行预测和 判断，并及时制止危险工况的发生。研制和开发料篮车升降液压监控系统， 实现冶金废铁运输系统的自动控制，有利于提高系统的可靠性和安全性。 1 3 国内外研究现状和发展趋势 近年来，液压系统的可靠性研究主要集中在以下几个方面n 2 1 ： 1 、针对液压元件的可靠性研究与设计 对于任何一个液压系统，其元件的可靠性都是系统可靠性的基础，液压 元件大多精密而贵重，结构复杂，不少是单件小批量生产和设计，因而液压 元件的可靠性研究工作十分重要且有不少困难现阶段液压元件的可靠性研 究工作主要有以下几个方面： 利用故障树分析法( f t a ) 与失效模式效应和致命度分析法( ( f m e c a ) 对 广东工业大学工学硕士学位论文 液压元件进行可靠性分析和设计 利用新理论对液压元件进行新的分析和设计采用新的设计理论代替 旧的设计方法，设计出新型可靠的元件 液压元件可靠性试验的研究 由于，液压元件的寿命试验是液压系统可靠性研究的基础，因而如何找 到有效、经济、快速的试验方法是一个重要的课题。 2 、针对整个液压系统的可靠性研究 液压系统的可靠性研究和其它系统一样，主要以整修液压系统为目标， 进行液压系统可靠性预测和分配，液压系统可靠性分析，液压系统可靠性设 计，液压系统可靠性试验，液压系统可靠性增长，液压系统可靠性管理等几 方面的工作。目前研究的主要方向有： 液压系统的可靠性预测 计算一个系统的可靠度是衡量一个系统优劣以及是否满足任务要求的一 个重要参数，也是系统和系统问相互评判的一个重要手段，是系统可靠性研 究的重要一部分 1 ；3 1 0 主要有三种方法：( a ) 对系统建立精确或半精确的模型， 利用“金字塔模型对系统可靠度进行计算从元件到系统，逐个建模计算其 特点是充分利用各级实验信息方法容易掌握，缺点是计算方法复杂，计算量 大，具有误差累积，特别是对于可靠度低的复杂系统误差较大( b ) 模拟法，即 蒙特卡罗法采用随机抽样法得到系统的可靠性数据( c ) 上下限法主要应用于 大型复杂系统的可靠性预计工作中对于大型系统小子样复杂系统，由于可靠 性综合的数学处理困难较大，至今仍不成熟。传统的可靠性预测以独立的元 件失去效率为基础，采用指数模型估计元件的可靠性这种方法导致“修后如 新”的误导，忽略了预修的作用，对于机械液压系统的可靠性预计产生极大 的误差。因而开发新的可靠性预计模型成为目前主要的研究方向之一 1 4 1 。 液压系统的可靠性分析。 通过对液压系统进行可靠性分析得出的可靠性信息，故障模式，故障间 的传播关系等，可以用来深层地了解液压系统的内部结构，为液压系统的设 计管理和故障诊断提供大量的方便和依据。目前较常用的方法是故障树分析 ( f t a ) 和故障模式效应及致命度分析法( f m e c a ) n 钉。这两种方法都是试图建 立清晰的规则，以此为背景进行故障的分析和推理 4 第一章绪论 液压系统的可靠性设计 可靠性工程中最重要的一环是可靠性设计，“可靠性是设计出来的 这一 概念已被人们认同系统的设计可靠度是系统可靠度的最大极限。因而，在设 计中提高系统的可靠性是十分重要的在机械系统中可靠性设计的方法很多， 具体到液压系统的设计来说，主要采用冗余设计和降额设计来提高整机的可 靠度也有用新的回路和实现方式代替旧的系统实现，以提高系统可靠度冗 余设计主要用于比较重要的系统中，以确保系统的任务可靠性。航天领域较 多采用这种方法n 。 液压系统的可靠性管理 液压系统是一种以油液为介质的精密机械组成的系统，它要求操作人员 具有一定的专业知识，对液压系统进行合理地维护和操作。液压系统最大的 特点是它以油液为介质，并且液压元件有许多阻尼小孔和间隙运动，一旦油 液有污染，很可能会加速液压元件的磨损，引起元件阻塞，卡死甚至失效 油液污染是液压系统故障的一个主要因素据麻省理工学院r o b i n o w i c z 博士 研究发现，液压系统中有7 0 的故障是由于液压系统的油液污染引起得油液 污染主要来自系统外部污染物、元件内部污染物和油液自身的氧化和变质 因此控制油液污染，是提高液压系统可靠性极重要的一环“，文献对在设计 和使用中如何控制液压系统中油液污染进行了研究还有不少文章对油液的 监测和滤油装置进行研究 近年来引进的德国k a m a g 型料篮车其主机均为液压传动，其优良的性能 及可靠性为我国钢厂废钢料运输上规模上档次起了重要的影响。上世纪8 0 年代后期，我国液压行业也从国外引进了元件的制造技术。如德国力士乐液压 元件生产线及制造技术，但其应用效果与国外设备相差甚远，尤其是可靠性与 国外设备相比相差很大，国外液压设备已占整个机械设备的6 0 以上，而我国 生产的液压设备由于其可靠性差却无法大量使用推广钉。一个典型的例子 是，2 0 0 5 年广州珠钢公司从上海水工机械厂购入一台大型料篮车，在现场调 试了3 个月之久，因液压系统故障率太高，只好退货，给双方带来几百万元 的重大直接损失，可见此类问题之严重。 料篮升降液压的特点是：在升降系统中，有上升电磁阀和下降电磁阀， 打开上升电磁阀，油路接通柱塞缸的油腔，推动柱塞外伸，使平台升起。中 广东工业大学工学硕士学位论文 停时，切断上升电磁阀的电源，阀的下游有一液压锁，封住柱塞缸的回油， 则台架锁定在当前位置上。因为液压锁的作用，使平台的沉降量几乎为零。 平台下降时，接通下降电磁阀，柱塞缸的油液经下降阀再经缓降节流片返回 油箱。节流片的作用是用来控制台架下降速度的。 上述系统可靠性比较低，在功能上还存在着一些不足之处，具体表现在此 料篮车在提升和下降的过程中，如果液压缸控制不同步，液压缸伸出位置相 差太大。就会导致料篮倾覆。 1 4 重型冶金料篮车升降液压系统监控系统的研究内容 1 4 1 重型冶金料篮车升降液压监控系统的监测原理探索与建模 液压升降监控系统是实现料篮车自动控制关键部分，其核心是料篮车工 况预测原理和控制方式 1 9 1 0 本课题通过对料篮车升降液压控制系统进行建 模，根据料篮车的车速和液压缸的位移预测当前料篮车所处的工作状况，并 判断是否有发生侧翻的可能性，若具有侧翻状况则通过制动和报警，避免危 险事故的发生。 系统模型采用两轮简化模型，根据预设的侧翻工况参数，计算料篮车侧 翻临界状况的相应车速和液压缸位移。并将此参数制成数据库，输入给单片 机由其进行判断和处理。 1 4 2 重型冶金料篮车升降液压监控系统硬件以及软件的设计与 开发 硬件电路部分以单片机a t 8 9 c 5 1 为核心，基本功能包括数据采集、a d 转 换、数据处理、数据显示、d a 转换等。监控系统还带有7 8 0 5 芯片，它可以 将1 2 v 一2 4 v 的电压转5 v 电压，使得监控系统可以直接应用在工业控制上， 用2 4 v 蓄电池供电，实现嵌入式管理的功能。 软件程序部分是利用c 语言进行编程控制单片机a t 8 9 c 5 1 进行各项工作 的。它的主要功能包括控制数据采集芯片a d c 0 8 0 9 工作，采集、处理和显示 车速、液压缸位移，通过d a 转换控制液压缸位移和料篮车制动等。 6 第一章绪论 1 4 3 重型冶金料篮车升降液压监控系统的实验研究 为了验证重型冶金料篮车升降液压系统监控系统的正确性和准确性，设 计了重型冶金料篮车升降液压监控测试系统，并以此系统为基础进行实验。 7 广东工业大学工学硕士学位论文 第二章重型冶金料篮车升降液压系统 2 1 重型冶金料篮车简介 料篮车是专门为钢厂运输料篮而设计和生产的自行式平板车。它是高技术含 量的“机一电一液”一体化产品。采用液压驱动、各行走桥采用液压悬挂、液压 连杆转向、车架液压调平。驱动、转向和调平均通过专用的进口车用控制器进行 控制。车主要由车架、悬挂、驱动桥、从动桥、转向机构、驾驶室及动力、气动、 液压、微电、电器系统等部件组成。 a ) 料篮车车体b ) 料篮 图2 1 重型冶金料篮车 f ig 2 1t h eh e a v ym e t a la n dm a t e r i a lv e h i c l e s 2 2 重型冶金料篮车主要技术参数 以国产某重型冶金料篮车为例，主要参数规格如下： 1 额定装载质量2 0 0 0 0 0 k g 2 车辆自身质量4 3 0 0 0 k g 3 总质量2 4 3 0 0 0 k g 4 轴线悬挂4 8 5 轴载质量 3 2 0 0 0k g 6 驱动轴从动轴数量4 4 第- 二章重型冶金料篮车升降液压系统可靠性设计 7 牵引力2 9 0 0 0 k g f 8 车速 空载、平地1 3 5 k m h 满载、平地 6k m h 满载、爬坡 3 5k m h 微动0 2k m h 9 满载爬坡能力 纵坡7 横坡2 1 0 轮胎规格数量 1 2 o o 一2 0 ( 实心) 3 2 1 1 轮辋规格数量 8 5 - 2 0 3 2 1 2 平台最低位置 1 5 0 0 m m 1 3 平台升降总行程7 0 0m m 1 4 离地间隙( 正常行驶时) 2 0 0 m m 1 5 平台尺寸 长 9 0 0 0n u n 宽4 0 0 0m i l l 2 3 重型冶金料篮车的结构 重型冶金料篮车主要由车架、悬挂、驱动桥、从动桥、转向机构、驾驶室及 动力、气动、液压、微电、电器系统等部件组成。其结构图如图2 2 。 2 4 重型冶金料篮车升降液压系统 重型冶金料篮车液压系统由行走驱动、转向和悬挂等系统组成。驱动液压系 统是变量泵、马达组成的闭式系统。转向、悬挂液压系统是a i o v o 泵供油的并联 开式系统，悬挂形式为液压悬挂，其升降或调平用翘板开关远程控制电磁阀实现。 料篮车液压升降系统主要由泵、阀和液压缸组成，如图2 3 。 9 广东工业大学t 学硕上学位论文 l | |i ；|1 - 冀二j ，：l ：；tt ， l，一 一 w 玉。 “t 常 ：i 蝴零； ； z?，? i 内；? ： j ，螂 n 吞“”w ，：熬l ? ”t 叫 。扣 j卫一 。i 二。 一 是一矗上 街盯功一 - ：l山 j 飞： ；， 向；妇 ，壤土蠡 阱 。o 一繁罄 c 、n岛。瑟黪= 2 裁i ! i e ，口熊 醴 1 下； 懈w = 枷止f 扛y “：i 。! 蕊 0 t彳?p j 一i ：” 4山 ；“j 野山：?。 一 ，也型r ： i - 、r 一五f ef f 。l a 。j4 皈 图2 2 重型冶金料篮车结构图 f i g 2 2s t r u c t u r a ld r a w i n go ft h eh e a v ym e t a lm a t e r i a l v e h i c l e s 在升降系统中，有上升电磁阀和下降电磁阀，打开上升电磁阀，油路接通柱 塞缸的油腔，推动柱塞外伸，使平台升起。中停时，切断上升电磁阀的电源，阀 的下游有一液压锁，封住柱塞缸的回油，则台架锁定在当前位置上。因为液压锁 的作用，使平台的沉降量几乎为零。平台下降时，接通下降电磁阀，柱塞缸的油 液经下降阀再经缓降节流片返回油箱。节流片的作用是用来控制台架下降速度的。 1 ) 启动按启动按钮，电磁铁全部出于失电状态。二位四通电磁阀处于中位， 此时油路不通，油泵经溢流阀回箱。 2 ) 提升要保证二位二通换向阀处于左位。 进油路：泵寸二位四通电磁阀上位_ 液控单向阀寸节流阀一二位二 通换向阀右位一液压升降缸 l o 第二章重型冶金料篮车升降液压系统可靠性设计 3 ) 下降要保证二位二通换向阀处于左位，压力油控制液控单向阀，使单向阀处 于开通的状态，液压升降缸里的油在重力的作用下回油。 回流路：液压升降缸一二位二通换向阀左位一节流阀寸二位四通电磁阀 下位_ 油箱。 图2 3 料篮车液压升降系统 f i g 2 3d e c r e a s i n gh y d r a u l i cp r e s s u r es y s t e mo ft h eh e a v ym e t a l m a t e r i a l v e hi c l e s 2 5 重型冶金料篮车升降液压系统的可靠性分析 液压系统是由若干液压元件，包括能源装置、控制元件、执行元件和辅件等和 管路组成，以完成一定的动作。正确地选择元件，合理地把它们组成一个整体， 以满足某一工作装置或机构的性能要求，达到运转可靠，经济合理和操作方便n 5 1 。 进行可靠性设计分析是液压系统设计过程中一项重要的工作。它的工作效果取决 广东t 业大学工学硕上学位论文 于分析者的水平和可利用信息的多少。我们现在用的分析方法是故障模式和影响 分析。故障模式和影响分析是在产品设计过程中，通过对产品各组成单元潜在的 各种故障模式及其对产品功能的影响进行分析，提出可能采取的预防改进措施， 以提高产品可靠性的一种设计分析方法。其步骤如下： ( 1 )了解液压系统的组成部分；( 2 )了解液压系统的启动、运行、操作、 维修等资料；( 3 ) 掌握液压系统所处环境条件的资料；( 4 ) 定义液压系统功能和最 低工作要求；( 5 ) 按照系统功能画出可靠性模型方框图；( 6 ) 根据系统结构和现有 资料的多少来确定分析级别；( 7 ) 找出故障模式，分析其原因及影响；( 8 ) 找出故 障的检测方法；( 9 ) 找出设计时可能的预防措施，以防止特别不希望发生的事件； ( 1 0 ) 确定各种故障模式对产品产生危害的严重程度。 2 6 监控系统对改进重型冶金料篮车升降液压系统可靠性的重要 意义 监控系统是实现重型冶金料篮车升降液压系统可靠性的关键部分。在料篮车 工作过程中，由于路面颠簸和车速变化等原因，导致料篮车液压缸位移变动较大 甚至超出安全位移范围，以致料篮车出现侧翻现象。为了实现料篮车安全运输， 必须对料篮车液压升降系统进行监控。料篮车监控系统通过对料篮车液压缸位移 和车速信号的监控，实现液压缸位移的安全控制。料篮车升降系统的工况是时变 的非线性的，通过监控系统的实时监控，采用非线性控制方式，实现对料篮车升 降液压系统的实时控制。 通过对监控系统控制方法的研制，优化料篮车行进过程中的安全控制方式， 使料篮车在时变、非线性的工况中始终保持在安全工组范围之内。提高了料篮车 液压系统的可靠性。 2 7 本章小结 本章通过对重型冶金料篮车升降液压系统可靠性设计的原理分析，提出可靠 性设计的技术意义。阐述可靠性设计在料篮车液压控制系统中的重要作用，设计 监控系统可以提高料篮车升降液压系统的安全和通过性能，为后续设计提供了理 论依据和基础。 1 2 第三章重型冶金料篮车升降液压监控系统设计原理与建模 第三章重型i 、厶i ：= i 金料篮车升降液压监控原理与建模 传统的料篮车控制是利用人工远程控制的方法实现料篮车转向的控制k 盯，此 种控制可靠性低，不易于实现多料篮车的监控。本设计通过对料篮车转向模型的 分析，提出基于5 1 单片机的料篮车转向自动监控系统。其原理是根据料篮车转向 时的车速和液压缸的位移判断其所处的工况，并对危险情况作出处理。 i 料篮车系统建模 a f 11 i l 2 i 1 2 图3 1 料篮车转弯受力分析 f i g 3 1s t a n dp o u ra n a l y s i so f t h eh e a v ym e t a lm a t e r i a lv e h i c l e sw h e nw h e e l i n g 以b 点为支点，根据力矩平衡得： f v x = g l 么 ( 1 ) 其中 f v 一料篮车转弯向心力f i 一液压缸对车架的作用力 x 一液压缸位移 l 一料篮车宽 对料篮车利用牛顿第二定律得： e = m 妥 其中 m 一料篮车质量；v 一料篮车线速度；r 一料篮车转弯半径 ( 2 ) 广东工业大学工学硕士学位论文 料篮车液压缸为单活塞液压缸，活塞运动的速度和推力为； a x口 i = - 9 ，7 d ta 巧= ( p 2 4 一p l a l ) r m 其中： ( 3 ) ( 4 ) g 一一输入流量；p ，p 2 - - 一为缸的进、回油压力； 4 4 彳一一为活塞有效工作面积；一一缸的容积效率和机械效率； 联立( 1 ) 、( 2 ) 、( 4 ) 得到 必i v 2 。x = ( 仍4 一a 4 ) 。i l ( 5 ) 可见系统液压缸位移除了和液压缸有关，还与料篮车速度有密切关系。为了实现 对液压缸位移的控制，通过采集料篮车当前车速，利用( 5 ) 式计算出当前车速对 应的位移，与安全位移进行比较，若超过安全位移，则报警或制动；若在安全位 移范围之内，则属可通过车速。 3 1重型冶金料篮车升降液压监控原理 3 1 1 闭环控制原理 目前，工业设备自动控制水平已经成为衡量各行各业现代化水平的一个重要 标志，而自动控制是指在无人参与的情况下，通过控制器使被控制对象或过程自 动地按照预定要求运行。自动控制系统可以分为开环控制系统和闭环控制系统 z o l 。一个控制系统一般由控制装置和被控制对象两大部分组成。控制装置简称控 制器是指对被控对象施加适当的控制作用来完成要求的任务的设备的组合被控制 对象简称被控对象或对象是指要求实现自动控制的机器、设备、生产过程等3 。 1 开环控制系统 开环控制是指控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制 过程，按这种方式组成的系统称为开环控制系统m 1 。开环控制是最简单的一种控 制方式，其特点是在控制器与被控对象之间只有正向控制作用，没有反馈控制作 1 4 第三章重型冶金料篮车升降液压监控系统设计原理与建模 用。其输入可分为给定值输入和干扰输入。其原理框图如图3 2 。 图3 2 开环控制系统 f i g 3 - - 2o p e n i n gl o o pa n dc o n t r o ls y s t e m 开环控制的根本弱点在于，对于未知扰动所造成的偏差不具备修正能力，抗 干扰能力差，但它具有结构简单、工作稳定、容易设计建造等优点。 2 闭环控制系统 闭环控制一是将输出量直接或间接反馈到输入端形成闭环、参与控制的控 制方式“ 。若由于干扰的存在，使得系统实际输出偏离期望输出，系统自身便利 用负反馈产生的偏差所取得的控制作用再去消除偏差，使系统输出量恢复到期望 值上，这正是反馈工作原理。其原理框图如图图3 3 所示。 图3 3闭环控制系统框图 f i g 3 3s y s t e m a t i c a ld r a w i n go fc l o s e dl o o pa n dc o n t r o l 闭环控制采用反馈控制原理或偏差控制原理，被控制量对外部和内部扰动都 不甚敏感，具有较强的抗干扰能力，其中包括对系统内部元件参数变化所造成的 内部扰动也有很强的抑制能力3 3 钉。但是，相对开环控制系统来说，闭环控制结 构复杂，而且需要考虑工作稳定性。闭环控制的特点是在控制器与被控对象之间 广东工业大学t 学硕士学位论文 不仅有正向控制作用，还有反馈控制作用3 钉。 由于料篮车液压系统的工况是多变的复杂系统，除了内部扰动之外还有外部 环境对其影响。为了提高系统的可靠性，本设计采用闭环控制系统，其对系统参 数变化以及内部扰动具有很强的抑制功能，对比开环控制对偏差不具备修正能力 的特点来说，更适合用在料篮车可靠性控制系统上 3 6 1 。 3 1 2p i 算法的基本原理 p i 控制方法是一种适用于控制线性系统和非线性系统的方法3 7 3 8 1 ，尤其适 用于对不确定系统进行控制，与自适应控制方法的不同之处在于该方法不需要对 未知的参数进行辨识。在对包含非线性不确定项的系统进行控制时，如果采用自 适应控制算法，必须对非线性参数化的未知项进行辨识，然后根据确定性等效原 理和李亚普诺夫稳定性理论推出控制器。然而目前对非线性参数化的未知项进 行辨识是比较困难的，大多数方法都是建立在对非线性函数特性的某些几何假设 的基础上，并不能广泛应用。如果利用反馈线性化或其他方法将该非线性不确定 项转化成为线性参数化的形式，将可能导致由于超参数化造成的系统阶数的增加 和不稳定的零极点对消等消极因素 4 0 i 0 非线性控制方法弥补了自适应控制在这方 面的不足，它首先将系统表达成期望动态特性加扰动项的形式，通过了解非线性 不确定项的界来设计非线性控制器参数，在控制器的作用下随着扰动项渐近趋于 零，使系统能够渐近达到期望的动态特性，从而实现控制目的4 。 首先给出p i 控制器的定义： 对于可测信号x r 胛，参考信号t r 胛和标量控制信号扰r ，定义如下 三个映射： 屏：r 胆r 甩一r g q ：r 甩r 以xr g _ r q ( 3 1 ) ：r gx r xr 甩- - - r 则 岛，q ，) 通过下面的式子可以构成非线性控制器： u = ( 以( x ，五) + 屏，x ，鼍) ( 3 - - 2 ) 1 6 第三章重型冶金料篮车升降液压监控系统设计原理与建模 pi = c o ( 9 l ，x ，x j ( 3 - 3 、) 式中岛和历分别为非线性比例系数和微分系数。事实上，从上面的定义可以立即 推出下面的结论经典的单输入单输出线性p i 控制器是非线性p i 控制器的特例， 下面我们来证明这个结论。 图3 4p i 控锘0 框图 f i g 3 4 p ic o n t r o lc h a r t 系统控制框图如图3 4 所示，输出和参考输入分别为x 和矗，由于是单输入单输 出系统，令嘭= g = 1 ，并选择以下线性函数： l 屏= k p ( x 一溉) i q = t ( 卜溉) ( 3 _ 4 ) p = 一pp p i 、 由于，= q = k , ( x - x ) ，对式子的两边进行拉式变换并设屏( o ) = 0 可得 屏= 冬( x - x , ) ( 3 _ 5 ) s 。 将式和式联立可以得到控制规律 钇= = 一( 生+ 后口) ( x 一溉)( 3 6 ) j 这就是我们在经典控制理论中经常用到的p i 控制器，通过证明可以得到单输入单 输出系统线性p i 控制器是非线性p i 控制器的一种特例。本设计利用p i 控制器的 1 7 广东工业大学工学硕上学位论文 控制规律，对液压阀进行精确快速的控制。 3 2p i 调节算法的微机实现原理 设p i 调节器输出量为u ( t ) ，输入误差为e ( t ) 。调节器的比例系数为k p ， 积分时间常数为t i ，可列出调节的积分方程为： m 垆) 专胁煳( 3 刊 对式离散后，可得第( k 一1 ) 次和第k 次采样时刻调节器的输出： 1 ( 奄) = t 吼+ 6 2 ( 力玑】 川。0 ( 3 8 ) 1 卜1 y ( k 1 ) = 酢h + 亭烈陀边】 上川= o ( 3 9 ) 式中，0 y 。y 。；调节器的采样周期 采用增量式算法，由式可得两个采样时刻间的调节去输出增量a y 。为： 匈p = 儿一) i l 丁 = k p 【吃一咚。】+ b 笋p = k f ( 迎+ 足，卑) 从而得到 ) i = 儿一1 + o p 她+ o ，句) ( 3 一1 0 ) ( 3 1 1 ) 式中y k p i 调节器的第k 次输出值； y k l p i 调节器的第k 一1 次输出值； e k 第k 次采样时，给定量与反馈量之间的偏差； e k 一1 第k 一1 次采样时，给定量与反馈量之间的偏差； k 。积分系数，k 。= t jt 。 1 8 第三章重型冶金料篮车升降液压监控系统设计原理与建模 e k = e k e k l 这就是p i 控制算法的数字化形式，也就是数字化p 工调节器的表达式。 3 3 料篮车液压装置监控系统 在料篮车转弯工程中，转弯速度和车身的侧向力有关系式v 2 o c f 4 。即转 弯的测速越大，车身的侧向力f 越大，越容易翻车。为了解决料篮车转弯翻车的 问题，以料篮车液压悬置为控制对象，根据当前车速和液压缸位移，计算安全悬 置位移，并与当前位移进行比较，通过反馈控制降低液压缸位移同时报警，实现 升降系统的监控目的。其系统工作原理如图3 5 。 s ( t ) 秘 r o ( t ) 唯物 图3 5重型冶金料篮车升降液压监控系统原理图 f i g 3 5 p r i n c i p l ed r a w i n gt od e c r e a s i n gh y d r a u l i cp r e s s u r es y s t e mo ft h eh e a v y m e t a lm a t e r i a lv e hi c l e s 该系统主要由5 1 单片机处理系统、液压缸位移传感器、转速传感器、功率放 大器、液压缸控制执行器和报警模块等组成。其基本工作原理为，在5 1 单片机处 理系统的作用下，通过转速传感器检测料篮车车轮转速，查表得出对应的安全液 压缸位移，并与当前液压缸位移进行比较，结合p i 算法控制液压缸位移保持在安 全位移范围内，使得料篮车车身始终保持在稳定位置，不发生侧翻。 在工业控制过程中，经常会碰到滞后、时变。即系统往往存在滞后和随机干 扰。p i 控制算法作为一种传统的控制算法，以其实时性好、易于实现等特点广泛 应用于控制。对于简单的控制系统，当建立起控制对象的精确数学模型时，只要 正确设定参数，p i 控制可以实现其作用。本设计采用p i 控制算法对液压缸位移 1 9 广东工业大学工学硕上学位论文 进行控制，能够提高系统可靠性和实时性，其控制结构如图3 6 。 p i 控制单元 图3 6重型冶金料篮车升降液压监控系统控制结构图 f ig 3 6s t r u c t u r a ld r a w i n gt od e c r e a s i n gh y d r a u l i cp r e s s u r es y s t e mo ft h eh e a v y m e t a lm a t e r i a lv e h i c l e s 如图，系统控制结构包括p i 控制逻辑、转速一液压缸位移对应表、显示控 制电路和液压阀控制电路。其工作过程如下，单片机控制单元通过速度传感器采 集当前车速s ( t ) 根据车速查表，找出对应的安全液压缸位移，与当前液压缸位 移进行比较，一方面，通过p i 控制逻辑计算液压缸控制阀工作电压，并输出控制 信号；另一方面，通过比较位移，若超过安全限制则报警。 3 4 仿真分析 利用m a t l a b 对料篮车监控系统进行仿真分析，将未加入p i 控制和加入p i 控 制的系统进行比较。由液压缸运动特性得： 生d t = 旦a 唧 - 对上式进行l a p a l c e 变换得： 耶，= 暑+ 半 根据系统控制原理对系统进行s i m u l i n k 仿真，得到： m一 液压缸 图3 7 未加入p i 控制的料蓝车单轮控制模型 f ig 3 7t h em o u l dn oi n c l u d i n gp ic o n t r o lm a t e r i a lv e h i c l e s 图3 8 加入p i 控制的料蓝车单轮控制模型 f ig 3 8t h em o u l di n c l u d i n gp ic o n t r o lm a t e r i a lv e h i c l e s 当位移输入信号为阶跃输入时，两种方案的相应为： 图3 9 期望输出信号 f ig 3 9e x p e c t e de x p o r ts i g n a l 2 1 广东工业大学工学硕士学位论文 图3 1 0 未加p i 控制时的输出信号 f ig 3 10 e x p o r ts