（机械电子工程专业论文）高空作业车电液自动调平系统的研究.pdf

浙江大学硕t 学位论文 摘要 高空作业车广泛用于建筑、市政、机场、工厂、园林、住宅等场所，从事消 防、抢险救灾、施工、安装，维护等工作。本文针对徐工集团c d z 2 2 型高空作业 车，采用了三种电液方式来实现作业平台的自动调平，进行了大量的理论研究和 实验测试。 论文第一章中，首先介绍了高空作业车调平系统的基本原理、发展历程及国 内外研究现状，总结出高空作业车自动调平系统存在的关键性问题，拟重点研究 其核心控制单元电液控制阀，故对高速开关阀和比例伺服阀进行了性能上的对 比。然后沦述了课题的研究意义和重点研究内容。 论文的第二章中，采用h s v 常开高速开关阎作为先导控制阀、锥阀作为二级 阀的方案，以达到高空作业车4 0 l m i n 的大流量的控制要求；依靠回油腔的高速 开关阀的开关动作调节回油量，实现作业平台的自动调平。在机械方面，对液压 系统所需的部分元件进行了选型，设计了锥阀阀芯、阀套的结构，并设计了一个 集成躏块，使各个元件的流道连通，协调工作。在电路上，设计电路扳接受传感 器的反馈信号，经过信号处理之后，输出对应的信号驱动各个电磁铁，对平台的 倾斜角发实时地进行调整，使平台底面始终处于水平状态。然后，建立了高速开 关阀控制锥溺的数学模型，并应用l a t l a b 中的s i m u l i n k 工具，采用s 函数编程的 方法进行了仿真分折，得到了输入p w q 脉冲信号时，阀芯位移，压力，流量等随 时1 日j 变化的曲线。最后，把整套系统连接组装起来进行实验，模拟高空作业车的 实际调、f 状惫。实验结果表明，高速开关阀控制锥阎的方案是可行有效的。 论文的第三章中，采用h s v 常闭高速开关阀作为先导控制阀、滑阀作为二级 阀的方案。首先对液压系统所需的部分元件进行了选型，设计了滑阀阀芯、阀套 的结构，并设汁了一个集成阀块的机械结陶。然后，设计控制电路扳，最后进行 实验数据的测试。实验结果表明，高速开关阀控制滑阀的方案是可行有效的。 论文的第四章中，采用比例伺服闻的方案，着莺介绍了比例伺服阀的控制扳 的设计，实现了所需的控制功能。尤其针对各种特殊情况，如使能、电源电压过 低、反馈信号断路、电磁铁短路、报警等电路进行了详细的讨论，提高了比例伺 服阀控制板的可靠性。 论文第五章中，对全文工作进行了研究总结，对三种方案的优劣进行了比较 分析，并对后续工作提出了展望。 关键词：高空作业车自动调平高速开关阀二级阀比例伺服闽仿真 浙江大学硕上学位论文 a b s t r a c t t h eh i g h a l t i t u d ew o r k i n gm a c h i n eh a sb e e nw i d e l yu s e di na r c h i t e c t u r e ，c i t y p l a n n i n g ，a e r o d r o m e ，f a c t o r y , g a r d e n , h o u s ea n do t h e rp l a c e s hp l a y sa r ti m p o r t a n t r o l ei nf i r e p r o t e c t i o n ，d e a l i n gw i t h a l l e m e r g e n c y , c o n s t r u c t i o n , i n s t a l l a t i o n , m a i n t e n a n c ea n ds oo n a i m i n ga tt h ec d z 2 2h i g h - a l t i t u d ew o r k i n gm a c h i n eo f x u z h o ue n g i n e e r i n gm a c h i n e r yg r o u p ，t h i st h e s i s a d o p t st h r e ee l e c t r o h y d r a u l i c m e t h o d st or e a l i z et h ea u t o m a t i cl e v e lc o n t r o ls y s t e m i td o e sal o to ft h e o r e t i c a l r e s e a r c ha n de x p e r i m e n tt e s t i nc h a p t e r1 ，f i r s t l yi n t r o d u c e st h eb a s i cp r i n c i p l e ，t h ed e v e l o p m e n ta n dt h e r e s e a r c ha c t u a l i t yi nc h i n aa n df o r e i g nc o n t r i e so ft h ea u t o m a t i cl e v e ls y s t e mo fm e h i g h a l t i t u d ew o r k i n gm a c h i n e t h e ns u m m a r i z e st h ek e yf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h e s y s t e mp e r f o r m a n c e n e x t c o m p a r e sm eh i g hs p e e do n o f fv a l v ea n dp r o p o r t i o n a l s e l w ov a l v ew h i c hw i l lb eu s e di nt h en e x tf e w c h a p t e r s a tl a s t ，d e s c r i b e st h er e s e a r c h s i g n i f i c a n c ea n dt h er e s e a r c hc o n t e n t s i nc h a p t e r2 ，u s e st h eh i g hs p e e do n o f fv a l v ea st h ep i l o t - o p e r a t e dv a l v ea n d c o n e s h a p e dv a l v ea st h es e c o n d a r yv a l v e ，s oi tc a nr e a c ht h ef l o wr a t e4 0 l m i n t h e s y s t e md e p e n d so nt h es w i t c ha c t i o no ft h eh i 曲s p e e do n o f fv a l v ei nt h er e t u r nl i n e t oa d j u s tt h er e t u r no i l ，a n dt h e nr e a l i z e st h ea u t o m a t i cl e v e lc o n t r o lo ft h ew o r k i n g p l a t f o r m s oi t sam e t e r - i nt i r e u “i nm e c h a n i s m c h o o s e st h et y p eo fs o m en e c e s s a r y c o m p o n e n t s ，d e s i g n st h es t r u c t u r eo ft h ev a l v ee l e m e n t v a l v es l e e v ea n dt h ev a l v e b a s ew h i c hc o n n e c t st h ef l o wp i p e l i n e i nc i r c u i t ，d e s i g n sac o n t r o lb o a r dw h i c h a d j u s t st h el e v e la u t o m a t i c a l l yi nr e a lt i m e t h eb e a r df i r s t l yr e c e i v e st h es i g n a lf r o m t h ea n g l es e n s o ed e a l sw i t hi t ，a n dt h e n o u t p u t ss e v e r a ls i g n a l st oc o n t r o lt h e s o l e n o i d s n e x ls e t su pt h em a t h e m a t i cm o d e lo ft h ch i 曲s p e e do n o f fv a l v e c o n t r o l l i n gt h ec o n e s h a p e dv a l v e ，a n du s e ss i m u l i n kt o o l b o xi nm a t l a bt op r o g r a m e sf u n c t i o nt or e a l i z et h es i m u l a t i o na n a l y s i s w h e ni n p u t sap w m p u l s et ot h eh i g h s p e e do n o f fv a l v e ，g a i n st h em o v e m e n tc u r v e so ft h ev a l v ee l e m e n td i s p l a c e m e n t , p r e s s u r ea n df l o wr a t e a tl a s t , a s s e m b l e st h ew h o l es y s t e mt od ot h ee x p e d m e n l s i m u l a t e st h ew o r k i n gs t a t eo ft h eh i g h a l t i t u d ew o r k i n gm a c h i n e t h er e s u l tp r o v e s t h a tt h es y s t e mw o r k s v e r yw e l l i nc h a p t e r3 ，u s e st h eh i g l ls p e e do n o f fv a l v ea st h ep i l o t - o p e r a t e dv a l v ea n d s l i d ev a l v ea s t h es e c o n d a r yv a l v e f i r s t l y , c h o o s e st h et y p eo fs o m en e c e s s a r y c o m p o n e n t s d e s i g n st h es t r u c t u r eo f 出ev a l v ee l e m e n t , v a l v es l e e v ea n dv a l v e b a s e t h e nd e s i g n sac o n t r o lb o a r d a tl a s t ，d o e ss e v e r a le x p e r i m e n t sw i t ht h ew h o l e s y s t e m 浙江大学硕士学位论文 i nc h a p t e r4 ，r u e st h ep r o p o r t i o n a l $ e r v ov a l v et oa d j u s tl e v e lo ft h ew o r k i n g p l a t f o r m t h cm a i ni n t r o d u c t i o ni st h ed e s i g no ft h ec o n 舡o lb o a r d t oi m p r o v et h e t e l i a b i u t y , c a r e f u l l yc o n s i d e r ss e v e r a ls p e c i a li i l s t a n c e s i n c l u d i n gt h ec k c u i to f e n a b l i n g ，t h ec i r c u i to fp o w e rs u p p l yt o ol o w , t h eo p e nc i r c u i to ff e e d b a c ks i g n a l ，t h e s h o r tc i r c u i to f t h es o l e n o i da n dt h ea l a r mc i r c u i t i nc h a p t e r5 ，s u m m a r i z e st h er e s e a r c ho ft h ew h o l et h e s i sb r i e f l y , c o m p a r e st h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h et h r e em e t h o d s ，a n db r i n g sf o r w a r ds e q u e n t i a l w o r kt ob ed o n ei nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：t h eh i g h - a l t i t u d ew o r k i n gm a c h i n e ，t h ea u t o m a t i cl e v e lc o r t r o l s y s t e m 。t h eh i g hs p e e do n o f f v a l v e , t h es e c o n d a r yv a l v e ，t h ep r o p o r t i o n a ls e r v ov a l v e ， s i m u l a t i o n i 学号2 0 4 0 8 0 9 7 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，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，也不包含为获得迸姿盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。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谢意。 学位论文作者签名：滕彬 签字同期：彻年6 月，口同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘鲎 有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许沦文被查阅和 借阅。本人授权迸江盘茎可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：用 捧 导师签名 签字f 期：功口莎年6 月1 0 f ：t签字h 期：h 文年b 月、。f j 浙江太学硕七学位论文 第一章绪论 1 1 高空作业车调平系统概述 1 1 1 高空作业车简介 高空作业车又称登高平台消防车，广泛用于建筑、市政、电讯、机场、工厂、 园林、住宅等场所，从事消防、抢险救灾、施工、安装、维护等工作。其中，供 消防部门用于灭火、辅助灭火或消防救援，是其最主要的一个功能。它能将消防 指战员、灭火介质、消防器材等快速运至火灾现场进行灭火。高空作业车作为人 类同火灾作斗争的技术装备，在保护人民生命、财产安全方面具有重要作用f “。 欧美及日本等国家在研究高空作业车方面走在前列，技术水平领先。2 0 0 0 年6 月2 0 日至2 5 日，由德国产业示范展示公司主办的“世界防灾2 0 0 0 ”展会 在德国奥格斯堡举行，它每6 年举行次，主要展示世界各国的消防设备，可以 增进人们对世界未来的防火防灾设备和技术动态的了解，受到世界各国的普遍重 视。高空作业车作为最主要的消防车设备，在此次展览中最为常见。 日本日立建机株式会社集多年经验并采用多项新技术开发了瞰9 9 b 型履带 式高宅作业车，安全性好，环保性好，使用和维修性能好。日本竹中工务店株式 会社和昭和飞机工业株式会社共同开发了带联动型悬浮机构的新型高空作业车， ：” 克服了工地路况差、障碍物多导致的整车稳定性差和不安全性f 2 1 。 。 自1 9 3 2 年我国第一辆消防车在震旦机器铁工厂诞生至今，经过七十多年特 别是近- 卜年的飞速发展，国产消防车品种日益增加，基本上能满足国内市场的需 求。 2 0 0 4 年l o 月1 9 至2 2 日，在北京全国农业展览馆举行第l o 届国际消防设 备技术交流展览会，本届展会规模超过往届，不仅参展厂商多、展车多，而且品 种多、新品多，近3 0 家厂商展出了近7 0 余辆各种消防车。我国企业通过吸收国 外技术和经验，可以开发出的品种越来越多，而且多数产品的技术与质量水平与 进口产品的差距在明显缩小，可基本满足国内市场对多种火灾事故消防、救援的 需要。 例如，抚顺市起重机总厂与世界上著名的小型多功能消防车制造商德国 施密茨公司合作研制出了f q z s 0 6 0 t x f q j l 0 0 型抢险救援消防车。该产品按德国标 准设计制造，使该车具有国内同类产品领先水平，其中上装部分具有国际先进水 平1 3 】。 1 1 2 调平的基本原理 高空作业车上有一个载人平台，自动调平系统的控制对象就是这个平台，其 控制框图如图1 1 。 。 浙江大学硕t 学位论支 图1 1自动调平系统控制框图 该系统同时完成动力传递和控制功能。电液转换元件是整个自动调平系统控 制和动力传递的核心，它接收控制器所给的信号，并进行功率放大，转换成液压 信号去控制液压缸运动和动力的输出，控制器将指令信号与反馈信号进行比较和 处理，并向电液转换元件发出指令。 为了保证高空作业车作业平台的调平精度和可靠性，通常采用电控自动调平 方法。当作业平台发生倾斜时，由平台上的调平传感器发出信号给驱动电路，由 驱动电路控制电液换向阀，对调平油缸的充油或排油，使得作业平台保持水平。 1 1 3 调平方式的发展 高空作业车的调平方式经历了早期的手动调平系统、开关式自控系统、比例 式自控系统、比例一脉冲式自控系统四个阶段的发展。 1 手动调平系统 早期的手动调平系统，调平性能较差：调平时间久、调平精度低，可靠性差、 不便于维护等。 2 开关式自控系统 早期的自动调平系统均采用歼关式自控系统，其传感器多为液压随动器，以 开、关和死区三种工作方式响应传感器信号。由于这种自动调平系统在控制左右 油缸升降的过程中，存在一个内在的反应误差，因此在开与关之日j 设置了一个死 区起阻尼作用的零区。如果死区过窄，调节量容易冲过死区，出现调平误差： 反之如果死区带宽过大，又降低了系统的调平精度。但是这种调平方式结构简单、 价格低廉、使用方便，因而也得到了一定程度的使用。 3 比例式自控系统 比例式自控系统是以液压比例阙( 伺服阀) 取代开关式自控系统中的电磁换 向阀演化而来的。它根椐偏差信号的大小，以相应的快慢速度对被控制对象进行 连续调节。偏差为零时，调节速度也趋于零，因此它不会产生超频，故而不会育 振荡现象，这样就大大改善了系统的动态性能。但是这种调平系统对结构的精度 要求较高、造价昂贵，因而在使用的过程中受到了一定的限制。 4 比例一脉冲式自控系统 比例一脉冲式自控系统也是在开关式自控系统的基础上加以改善、提高的调 平自控方式。它在歼关式自控系统的恒速调节区与死区之间设置了一道脉冲区， 2 浙江大学硕 学位论史 脉冲信号根椐偏差信号的大小成正比例变化。其变化有两种方式，改变脉冲宽度 和改变脉冲频率。偏差信号由传感器带进脉冲区后。调节器即根椐偏差信号的大 小，以不同宽度或频率的脉冲信号，推动电磁阀使油缸工作。这种控制方式综合 了前两种型式的优点，大大缩d , t 死区，提高了控制精度，且价格便宜，比较耐 用，因而目前这种调平控制方式得到了广泛的应用【4 1 。 1 1 - 4 高空作业车调平系统的现状 高空作业车的作业平台属于悬空系统的调平。在日本g i f u 大学流体动力实 验室，研究人员对由高速开关阀组成的主动悬浮系统的吊车控制进行了深入的研 究”l ，测试了它的动态响应。 意大利s i m o n 公司的v t l 6 5 型高空作业车采用的是电液自动调平机构，其基本 原理是通过安装在工作平台上的水平传感器来感知平台的状态，并产生一个相应 的电流信号，经控制器处理后，控制调平油缸的动作，最终使平台保持水平状态。 r + r e o i ； t _ 1y ： ，：，d 一 ： l + l = 二一 ： ，i j _ 墨叮 j 三i ：三一量= ul l ! l 虫二二j l = ，卿i i 浙江大学硕士学位论文 徐工集团的c d z 2 2 高空作业车是集高空救援、灭火于一体的多功能消防装 备。该车的作业是通过伸缩臂的变幅来实现的，而在伸缩臂俯仰过程中，其前端 载人作业平台的水平角度随之改变，因此，作业平台的调平机构是安全作业的重 要保证。 c d z 2 2 登高平台消防车目前采用电液伺服控制自动调平系统，该调平系统是 一个机电液一体化的闭环控制系统，反馈检测元件为可连续输出模拟量电信号的 传感器：电液转换元件为电液伺服阀；控制器由模拟电路构成，可根据传感器检 测到的误差信号输出连续变化的模拟量控制信号，能使作业平台自动保持在水平 位置上作业。 该调平系统的工作原理如图1 3 所示： 、 ， il，、。一 ， j 、，r ) 一篡 ” 羁去声 ，一 _ 兰兰二寻 。至舞一；! ：。羔! 萱 l 、伺服阀 2 、换向阀 3 、平衡阀4 、液压缸5 、大链轮 6 、作业平台7 、折臂8 、主臂 9 、机座 图1 3c d z 2 2 型高空作业车的调平原理 平衡状态时，作业平台底平面与水平面夹角为0 0 ，当折臂动作或主臂动作引 起作业平台位置改变时，夹角发生变化，此时传感器检测到这一角度的变化，并 将此信号变换为电信号输送给控制板，进行滤波处理、信号转换、功率放大等， 驱动相应的伺服阀进行工作，让调平液压缸动作，带动大链轮转动，使作业平台 4 浙江大学硕士学位论丈 向夹角减小的方向摆动，则使传感器信号差值减小，当伺服阀的开口渐渐减小至 夹角为0 。时，传感器信号电压为零，伺服阀关闭，进入平衡状态。当夹角再次发 生变化时，则将重复上述过程啊。从而实现实时自动调整作业平台的水平度，使 之时时刻刻保持在水平状态，以保证作业的平稳和安全。 1 1 5 高空作业车调平系统的关键问题 l 、角度传感器 用于高空作业车作业平台自动调平的各种传感器，大部分是利用重力原理制 成的。当作业平台发生倾斜时，使摆动部分偏转并带动同轴的电位器偏转而产生 对应的电信号。电位器式凋平传感器在登高平台消防车作业平台自动调平系统中 和其他领域中经常使用，缺点是存在触点摩擦和电噪声f s l 。 调平传感器足调平系统的采样环节，商接影响调平系统的精度和可靠性；其 检测值的大小是判断系统是否进行调平的依据，其检测精度的高低直接决定了系 统的最终调平精度。 2 、工况的影响 由于高空作业车机械设计的原因，其重心较高，且工作条件一股比较恶劣， 如道路的不平，易导致某些调平的机械结构使用一段时间后出现损坏、运动不灵 活、功能失效等缺陷，且易使得行驶时油箱内的液体摆动严重，出现漏油等现象， 导致可靠性变差，调平性能变差。 3 、电液控制系统 在高空作业车的电液自动调平系统中，最孩心的控制单元是阀及其控制扳。 阉控制性能的好坏，直接影响到控制精度、调乎性能、可靠性等。 因此，论文对电液控制阀进行了详细的研究。 1 2 高速开关阀和比例伺服阀 。 论文的第二章和第三章采用高速开关阀作为先导阀分剔控制锥阀、滑阀二级 阀，实现高空作业车平台的调平，这属于上述调平方式的比例一脉冲式自控系统。 论文的第四章采用比例伺服阀实现作业平台的调平，这属于调平方式中的比 例式自控系统。 因此，下面分别介绍高速开关阀和比例伺服阀。 1 2 1 高速开关阀的分类 高速开关阎是通过脉冲宽度调制p 嗍信号来控制阀的开启和关闭时间，来实 现流量或压力的比例控制。自二十世纪七十年代问世以来，国内外许多厂家、公 司，竞相研制出不少的型式结构，对高速开关阀的研究和应用已经成为液压界的 一个重要课题【9 i o 1 。 浙扛大学硕士学位论文 1 按照电驱动元件的结构形式 商速开关阀按照电驱动元件的结构形式可分为以下几类： 螺管式电磁铁驱动，这种驱动方式具有较大的位移力特性。 扳合式电磁铁驱动，这种电磁铁的吸力较大，尤其在初始位置。 力矩马达式，这种驱动可获得较短的动作时间，虽然响应速度较高，但结构 复杂，加工困难，又由于力矩马达的功率一般较小，整个阀的通径不可能做得很 大。 电致变形元件驱动，其基本原理就是利用某些材料通电后产生的变形，控制 阀口的开关，是一种具有良好发展前景的阀的驱动方式，但目前只能用于小功率 的高速开关元件1 1 2 1 。 虽然电磁铁式高速开关阀目i ； 应用最为广泛，但要产生较大的吸力需要较大 的安匝数，容易导致电磁铁发热，而且结构复杂，体积较大，又因电场下电磁铁 的回滞等因素的影响，阀的响应速度难以进一步提高【1 3 1 。 2 按照工作时制分类 高速开关阀按工作时制不同，可分为以下几类： 直接驱动方式，电磁阀的驱动电流与阔口开启波形相同，阀芯靠弹簧蔓位， 一般用于普通的电磁元件。 冲击电压驱动方式，为了提高阀动作的快速性，在阀动作的瞬间加一冲击电 流使其快速换向，当阀动作后，电流稳定在一较小的值使阀芯定位。 脉；中驱动方式，在阀动作的瞬日j 通强电流，一旦阀动作完毕，阀芯自动处于 定位状态，这种结构的阀具有双稳的工作特性即具有记忆功能。这种阀对于阀芯 的位置为脉宽调制，而对电流信号为脉频调制，从减少发热及快速性的角度而占， 脉冲驱动方式最为有利1 1 2 j 。 3 按照阀芯的运动形式 高速开关阀按照阀芯的运动形式，可分为：滑阀、球阀、锥阀、平板阀等。 滑阀式结构容易获得液动力补偿和液压力平衡，可在较大的压力和流量下工 作，可得到多工作位置和通数。但这会使工作行程加长，影响快速性。 球阎式结构简单密封可靠，工艺性好，行程短，动作灵敏，具有较大的面积 梯度和较小的运动摩擦力【1 4 1 ，因而动态特性也较好，是一种普遍使用的阀芯结 构。但是，球阀式结构作用在钢球上的液压力不平衡。参考文献中，对二位三通 球阀的液动力进行了仿真研究【1 51 6 】。受液动力影响，只能做成小通径阀。在流 量要求较大的场合，常用它做先导阀构成二级歼关阀结构，这就降低了开关阎的 动态响应速度。 锥阀式结构通过高低压平衡设计，可以消除液动力的影响，克服球阀式结构 液压力不平衡问题，是高速开关阀的一种较理想的阀芯结构形式。但是，由于受 6 浙江大学硕士学位论文 工艺性能的限制，一般只做成二位二通式高速开关阀，做成二位三通式高速开 关阀的则较为少见，为了二位三通式锥阀两个锥面处能可靠密封，要求前后两个 阀座具有严格的同轴度，这对于一些工作在高压、高频特殊环境中的高速开关阀 来说，为了保证可靠的密封和阀芯不被卡死，加工精度要求非常高，加工难度大， 制造成本高，而且开关阀工作间隙调整困难【1 7 1 。 平板阀不容易实现静态力平衡，一般只用于小通径或低压的场合。 1 2 2 高速开关阀的p w m 控制 高速开关阀是一种新型的数字式电液转换控制元件，其采用脉冲流量控制方 式，直接根据一系列脉冲电信号进行开关动作。脉冲流的形成和调节方法有多种， 有咏宽调制( p w m ) 、脉频调制( p f m ) 、脉数调制( p n m ) 、脉码调制( p c m ) 和脉幅调 制( p a h ) 。目前在流体动力控制系统中，脉宽调制p w n t 方式是一种比较成功的控 制策略，是用得最多的一种方法【1 8 1 9 2 0 1 。 1 2 2 1p 删控制原理 所谓脉宽调制就是在一定的脉冲周期t 内调节开启时间的宽度t h 与脉冲周 期t 的比值即咏宽占空比f 的大小来满足控制要求。用载波信号对连续信号进行 控制，调制成脉宽信号。在电液控制系统中，最普通的控制信号是连续变化的电 压和电流。而对于计算机来说，只有控制信号在通或断的条件下，才能用调制脉 冲宽宦的方法对电液控制系统进行控制。因此在使用时电液元件可采用作为电磁 数字控制阀之一的高速开关阀来实现，它能将o n o f f 数字信号直接转换成流体 脉冲信号，使计算机控制技术无需d a 转换接口便可实现与液压技术的有机结合 【2 l 2 2 2 - , 1 。 其控制原理如图l4 所示。 7 浙江大学硕士学位论文 ( b ) q ii 1 一i 上 l j - ，1 一 t ( s ) 图1 4p w m 控制原理 在图1 4 ( a ) 中，r ( t ) 为控制信号，将该信号与载波信号c ( t ) 进行比较，如果 在某一时n r ( t ) 值大于载波信号c ( t ) 的值，则使阀开启，否则使阀关闭，从而得 到一系列如图l4 ( b ) 所示的控制指令。将这些控制指令作用到高速开关阀电磁 铁的线圈上，于是在每周期t 内有t h 的时间，阀的通道被打开，有流量q h 通过。 时间t h 和t 之比称为占空比，记为f ，即f = t h t 。 1 2 2 2p w m 控制特性 目前，高速开关阀性能的评估仍没有标准和试验规范，国内外研究人员多用 其静态流量特性和动态切换持性来评价阎的性能【2 4 1 。 由于高速开关阀的载波周期可以调得很低，因此可以用平均流量q 来表示开 启时间内的输出流量。一般用阀输出的平均流量q 与输入信号的脉宽占空比f 的 关系曲线来描述高速开关阀的静态流量特性，即： 归e 一再 式中；c d 表示流量系数，a 表示阀1 ：3 的开口面积，f 表示时间t h 与时间t 之比， a p 表示阀进出口的压差，p 表示油的密度。上式表明，高速开关阀的流量q 与时 间t h 与时间t 之比即脉宽占空比f 成正比脚】。 高速开关阀位置伺服系统正是利用了高速开关阀的流量特性来调节排量，从 而对油缸的位移进行控制。脉宽占空比f 越大，通过高速开关阀进入油缸的平均 流量越大，油缸的运动速度越快。 所谓动态切换特性是指高速开关阀在p 哪信号作用下，同芯位移x 和时间t 的 关系，也称开关特性。高速开关闽采用脉冲电压信号进行控制，由于电磁铁的响 浙江大学硕士学位论文 应能力及阀芯运动时间的影响，实际阀芯位移和脉冲信号之间存在一定的滞后。 下图1 5 所示为高速开关阀的响应过程【蚓。 i e ： 厂 l “ 厂下弋 + if 、 l、 图1 5 高速开关阀对p i r t v l 信号的响应 假定阀芯在吸合及释放过程中，阀芯位移呈线性变化，阀开启时侑l t o n 由衔 铁吸合触动时i 日j ( 延迟时间) t l 和衔铁与阀芯的吸合运动时间t 2 组成，即 t o n = t l + t 2 ；同时，关闭时阳j t o f f 由衔铁释放触动时间( 延迟时间) t 3 和衔铁与阀 芯的释放运动时间t 4 组成，b p t o f f = t 3 + t 4 1 2 ”。开启和关闭时自】与阀自身的特性 以及控制液流有关，t 1 、t 3 主要与开关阀的电磁特性有关，而t 2 、t 4 贝l j 取决于控 制液流和阀的结构特性【2 8 j 。 在p w m 控制系统中，高速开关阀存在一个开启、关闭滞后时间，因此开关阀 存在一个最小可分辨的脉冲宽度。最小脉冲宽嚏等于死区脉：中宽度加上增量宽 度，这样，开关阀将呈现死区特性。由于商速开关阀存在一个开启时间，即存在 一个不灵敏区，因此当系统要求执行元件低速运动时，脉宽调制信号的占空比较 小，不能直接打歼高速开关阀，阀存在控制死区而影响系统动态特性【2 9 】。这就 使输入信号较小时位霞控制响应很慢，不能快速准确地定位。 相反，当咏宽调制率上升到或超过1 0 0 时。阎的输出会保持一定的值，此时 高速开关阀呈现饱和特性。 对这些区域，可在软件编程时予以消除，也可以采用双向电压的驱动器或阀 的结构予i 丛消除，有的还采用专门的功率驱动模块，如v i c k e r s 公司的e p a d _ a 系 列比例阀驱动器，以改善驱动电路的输出电压特性，使其具有可变电压输出特性， 使阀能够快速打开和关闭。 参考文献中，采用了单极模式s s r 功率驱动，用加上死区时间t o n 的软件编程 方法消除死区，设计简单；在高速开关阎驱动电路前加入了一个非线性环节进行 补偿，提高了控制灵敏度和响应快速性p 。 9 浙江大学硕上学位论文 1 2 3 比例伺服阀一 电液伺服阀是一种应用历史较长的高精度控制阀，在电液伺服控制中，能达 到很高的控制精度，但工作环境要求苛刻，要求油液清洁度相当商，其价格也很 昂贵。 电液比例阀是6 0 年代发展起来的一种电液控制阀，其控制精度能满足一般比 例控制要求，价格较伺服阀便宜，但需要各种复杂的比例放大电路，对油液清洁 度也有较高要求【3 1 弛1 。 比例伺服阀是在电液伺服阀基础上发展来的，它输出的流量或压力连续且与 输入的电信号成比例。它是随着液压领域电液比例技术的发展进步出现的，具有 全程电反馈能力的电液比例元件，是一种高性能闭环控制阀。 1 2 4 高速开关阀与比例伺服阀的比较 高速开关阀是一种新型的数字式电液转换元件，它的控制方式较比例伺服阀 简单得多，特别适合于计算机控制，可以直接接受脉冲电信号，不需要d a 转换 元件，是实现电液数字控制的最佳方式之一，极易实现无级变速控制、位置控制 f 3 3 川、速度控制f 圳等，如挖掘机、起重机等工程机械的数字控制和远距离控制。 与比例伺服阀相比较，高速开关阀的显著优点还有结构简单，价格便宜，油 液清洁度要求不苛刻、抗污染能力强、响应速度快、结构紧；舅、工作可靠、重复 性好、寿命长、对电子控制回路要求低、使用维护容易等【3 6 l 。 但是，与比例伺服阕相比，高速开关阀的控制精度稍蓑，且由于本身结构决 定而允许的流量较小，一般最大为1 0 l m i n ，不能直接用于大流量控制系统中。 因此更适用于控制精度要求不太高、工作环境比较差、流量不太大的场合。为保 留其优点，克服其缺点，可将高速开关阀作为先导级、以二级阀作为功率放大级， 实现对大质量、大惯性系统的控制【 7 邛】。 另外，由于阀芯响应的滞后，输出流量特性具有死区和饱和区，为此，在设 计时要选择优质磁性材料，降低阀芯质量，合理选取线圈匝数、提高供电电压， 优化电磁阀的工作过程，更好地改善高速开关阀的工作性能 3 9 1 。 随着现代工业自动化程度的影响，液压技术与计算机技术、电子技术的结合 已成为必然的趋势，数字化液压元件的开发应用将是今后液压技术发展的一个方 向。以p 咖方式控制的高速开关阎在汽车工程、农业机械、工程机械等领域的应 用将会越来越广泛，开发与应用计算机直接控制的高速开关阀将是今后液压技术 发展的一个方向，但在减小滞后时间，提高开关频率，增大流量、压力等方面还 需作进一步的努力m 4 1 4 2 1 。 1 0 浙江大学硕士学位论文 l - 3 课题的研究意义和研究内容 1 3 1 研究背景及意义 火灾，是世界各国普遍关注的灾难性问题，它是发生频率较高的一种灾害， 任何时间、任何地点都有可能发生，它不仅倾刻之间可能烧毁大量的物质财富， 毁灭珍贵的历史文化遗产，甚至冠及人们的生命安全。 我国的消防事业一直受到党和政府的高度重视与支持，消防改革与发展纲 要中提出：“积极发展消防装备器材的生产”，“消防装置器材的生产要立足 国内，要充分利用国内各方面的技术和力量，适当引进国外的关键技术并做好国 产化工作，尽快批量生产出先进的国产消防装备”。 随着城市规模和经济建设的发展，对高空作业车的要求越来越高。在繁华的 商业街、密集的工矿企业，大中型高空作业车已不能较好地满足实战要求，而这 些地方发生的火灾事故多种多洋且呈上升趋势。因此，急需一种体积小、反应快、 机动灵活、具备多种功能的小型抢险救援消防车。从市场调查的情况来看，这种 高空作业年的需求量逐年增加i j 】。 徐工集团徐州重型机械有限公司c d z 2 2 型高空作业车集登高车与云梯车功能 于一身，额定工作高度2 2 米，能够满足七层以下建筑的救援和消防灭火需要，而 且堕车结构外形尺寸较小，特别适合于中小城市及广大居民住宅区使用。 然而，c i ) z 2 2 型高空作业车的调平系统，主要控制元件采用国外进口的伺服 阀，价格昂贵，而调乎性能一股，未能充分发挥伺服阀的优势。在国外先进技术 的砖础上，不断创新。强化质量，提高性价比，提高企业的竞争力，为提高我国 消防装备的质量贡献力量，是十分有意义的工作。因此，对高空作业车的自动调 平系统进行改造，达到更高、更可靠的调平性能，实现自动调平系统的国产化， 是十分必要的。 1 3 2 研究内容 本文主要研究了徐州重型机械有限公司c d z 2 2 型高空作业车的电液自动调平 控制系统。 论文的第二章中，采用高速开关阀作为先导阀控制二级阀锥阀的方案。在机 械方面，设计了锥阀及集成阀块的结构；在电路上，设计电路板接受传感器的反 馈信号，经过信号处理之后，输出对应的信号控制各个电磁铁，对平台的倾斜角 度实时地进行调整，使平台底面始终处于水平状态。然后，应用m a t l a b 中的 s i m u l i n k - 具进行高速开关阀控制锥阀的仿真，得到阀芯运动的响应过程。最后 进行系统实验。 论文的第三章中，采用高速开关阀作为先导阀控制二级阀滑阀的方案。在优 化液压原理图的基础上，设计了滑阀及阀块的机械结构，并设计控制电路板，然 型主望墅壁兰壁垒皇 后进行实验数据的测试。 论文的第四章中，采用比例伺服阀的方案，主要研究了比例伺服阀的电路控 掣方法，其中重点对各种特殊情况进行了详细的考虑，提高了比例伺服阀控制板 的可靠性。 1 4 本章小结 本章第一节对高空作业车及其调平系统的基本原理、发展历程、研究现状进 行了简要的介绍。并探讨了影响高空作业车调平性能的因素，引出论文的重点研 究对象电液控制阀。 第二节介绍了论文中要使用的高速开关阀和比例伺服阄，并对两首进行了对 比。 第三节介绍了论文课题的研究意义和重点研究内容。 第二章高速开关阀控制锥阀的方案 2 1 概述 由于高速开关阀的流量较小，为了达到高空作业车4 0 l m i n 的大流量的控制 要求，采用了高速开关阀控制二级阀的方案。 本章中，采用h s v 常开高速开关阀作为先导控制阀、锥阀作为二级阀，来实 现高空作业车作业平台的自动调平。 2 2 液压原理图 对于c d z 2 2 高空作业车，随着伸缩臂的展开或收缩，作业平台一个方向固定 在帆架上不动，只有另外一个方向能够转动，只需调节该方向上的水平度。 调乎系统的液压原理图如图2 1 所示。 一、。一卜垫r 、 一， _ 二、：一卜j 一二7 二一 、i 一； ， ，7 _ 一f 了。 ：! _ 。 ：r - 飞、万：；、；i移、箩l ：。j l ； 1 、2 、高速开关阀3 、4 、锥阀式二级阀5 、6 、电磁换向阀 7 、8 、单向阀 9 、平衡阀1 0 、液压缸 图2 1 调平系统原理图 l 妇l i f l i i 专 浙江大学硕士学位论文 图2 i 中，如电磁铁2 通电，换向阀5 处于右位，实现p 口到a 口流动。由 于高速开关阀4 断电，处于常歼状态，控制油使得二级阀4 关闭。进油打开单向 阀8 ，进入液压缸1 0 的无杆腔，推动缸杆伸出；同时控制平衡阀换位，有杆腔 的油液通过平衡阀进行节流回油。此时，单向阀7 因反向截至不能通油，控制板 p w m 控制高速开关阀l 工作，在高电平时，高速开关阀l 的控制口回油，使得 二级阀3 打开，则油液经二级阀3 进行回油调节，然后经换向闲5 的bd g , j 油 箱。 如电磁铁i 通电，换向阀5 处于左位，同理，高速开关阀2 控制二级阀4 进行回油溺节。 换向阀6 ，平时一般不用，在自动调平机构发生故障停止工作时，可以采用 手柄的手动调平来凋节平台的水平。以免发生事故，大大地提高了系统可靠性。 出口节流式和进一出口节流式回路都能承受“负方向”的负载( 即与活塞运 动方向相同的负载) ，进口节流式调速回路要在其回油路上设置背压阀后才能承 受这种负载：出口节流式凋速回路中油液通过节流阀所产生的热量直接排回油箱 消散掉，进口节流式调速回路中的这部分热量则随着油液进入液压缸。这些是三 种调速回路在使用性能方面的主要差别1 3 2 1 。比较可知，出口节流式具有明显的 优势。这就是系统采用回油节流调节的原因。 角度传感器检测作业平台的水平度，如果系统处于水平状态，则四个电磁铁 均断电，换向阀处于中位，高速开关阀处于常歼，控制油关闭二级阀，整个阀块 处于中位截止状态。如果平台朝一端倾斜，如传感器输出负值，则控制板控制相 应的电磁铁l 、4 动作，油液进入调平缸的有杆腔，油缸活塞向左运动，继而拉动 链暴上的滑块向左运动，使平台倾斜角度减小。同理，如传感器输出正值，则控 制对应的电磁铁2 、3 动作，使倾角变小。 调平系统靠回油腔的高速开关阀的开关动作