電液比例技術(shù)在流動舞臺車同步控制中的應(yīng)用

摘要：介紹了流動舞臺車舉升同步液壓系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)，并針對客戶對同步精度的嚴(yán)格要求，設(shè)計(jì)了PLC控制比例換向閥的方案，實(shí)現(xiàn)了同步精度±1%的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：流動舞臺車；舉升同步；比例換向閥；磁致伸縮位移傳感器；PLC控制

中圖分類號：U463.5? 收稿日期：2023-11-23

DOI：1019999/jcnki1004-0226202401010

1 前言

流動舞臺車（Flow stage vehicle）又稱為移動舞臺車，是為方便流動路演、文藝演出、品牌推廣、戶外廣告、產(chǎn)品展示和現(xiàn)場促銷等戶外活動而研發(fā)的一種流動型專用車。

舉升機(jī)構(gòu)是流動舞臺車最常用也是最重要的機(jī)構(gòu)，在車廂展開時，舉升機(jī)構(gòu)一般可實(shí)現(xiàn)舉升2 m行程。由于流動舞臺車前后跨度大、重量重，在舉升、下降過程中對舉升機(jī)構(gòu)前后端同步精度要求高，需滿足在±1%之間。否則，若出現(xiàn)一端高一端低會無法舉升、下降，嚴(yán)重時會損壞車輛甚至?xí)霈F(xiàn)安全事故。因此，舉升機(jī)構(gòu)的同步控制技術(shù)即電液比例技術(shù)為流動舞臺車的關(guān)鍵技術(shù)。

圖1所示為一款高檔流動舞臺車，其外形美觀、功能齊全、操作簡便。它主要包括底盤和上裝兩部分。底盤部分裝有八支液壓支腿。上裝部分由二層舉升廂體、側(cè)墻、擴(kuò)容廂及底板組成，各動作均采用液壓油缸來實(shí)現(xiàn)。整車展開后可形成左右對稱、上下兩層的舞臺。

該舞臺車的關(guān)鍵技術(shù)為二層舉升廂體的垂直同步升降。二層舉升廂體前后跨度為13 m，上升行程為2.1 m，完全上升后形成二層空間。其上升、下降均由液壓油缸的伸縮動作來實(shí)現(xiàn)。動作過程中，對二層舉升廂體前、后端同步要求較高，同步精度≤1%，即2.1 m的行程其前后端不同步的情況下不能高于21 mm，否則二層舉升廂體內(nèi)側(cè)和側(cè)墻之間會產(chǎn)生摩擦，損壞二層舉升廂體或側(cè)墻。

目前，雙層舞臺車二層舉升廂體的液壓同步升降技術(shù)主要有如下兩種：

a.采用分流集流閥控制的方法。該方法采用分流集流閥控制的同步系統(tǒng)，同步穩(wěn)定性較差。舞臺車在調(diào)試好后，同步效果尚可，但使用一段時間后，因使用中路況不平會產(chǎn)生震動、沖擊，分流集流閥參數(shù)會發(fā)生變化致使同步效果變差，難以滿足同步精度要求。

b.采用同步油缸或同步馬達(dá)的控制方法。采用同步油缸或同步馬達(dá)的同步系統(tǒng)，由于實(shí)際無法制造出尺寸、規(guī)格、精度、密封完全相同的同步油缸或同步馬達(dá)，因此其同步精度也不理想［1］。

由于這兩種同步方式都存在缺陷，且同步精度均大于2%，無法滿足此雙層舞臺車高同步精度要求。為滿足此雙層舞臺車高精度舉升同步的要求，在設(shè)計(jì)中采用了電液比例同步控制技術(shù)。

2 電液比例同步控制液壓系統(tǒng)組成

2.1 油缸布置

液壓油缸布置如圖2所示。二層舉升廂體1由呈對角線布置的前舉升油缸2和后舉升油缸5驅(qū)動，同時，呈對角線布置的前舉升導(dǎo)柱3和后舉升導(dǎo)柱4起輔助支撐作用。二層舉升廂體升起后狀態(tài)如圖3所示。

2.2 電液比例同步控制液壓系統(tǒng)原理

液壓同步系統(tǒng)可分為速度同步系統(tǒng)和位置同步系統(tǒng)，該車系統(tǒng)為位置同步系統(tǒng)。二層舉升廂體由成對角線布置的兩支舉升油缸實(shí)現(xiàn)升降，舉升油缸行程2.1 m，兩支油缸跨度為13 m。根據(jù)客戶要求，在自動升降過程中，前后偏差不能超過21 mm，舉升同步控制液壓系統(tǒng)組成如圖4所示。

該舉升同步控制系統(tǒng)前、后舉升油缸8、9的速度分別由電磁換向閥1和比例換向閥2控制。兩支油缸內(nèi)分別安裝有磁致伸縮位移傳感器10、11。為保證二層舉升廂體在升降過程中能可靠地停在任意位置，設(shè)置了液壓鎖3、4。為了舉升安全，使舉升過程平穩(wěn)可靠，油路中設(shè)計(jì)有平衡閥6、7。為保證液壓系統(tǒng)管路安全，系統(tǒng)中設(shè)置有防爆閥［2］。

下面論述電液比例控制同步升降系統(tǒng)工作原理。

a.二層舉升廂體上升。如圖4所示，當(dāng)按下上升啟動開關(guān)后，電磁換向閥1左位得電工作，壓力油P經(jīng)過電磁換向閥的左位，從油口A進(jìn)入前液壓鎖3，再經(jīng)過節(jié)流閥5和平衡閥7后流入前舉升油缸8的無桿腔，推動活塞桿向上運(yùn)動。此時，前磁致伸縮位移傳感器10檢測到前舉升油缸8的活塞桿微小位移，并把此位移信號輸入到PLC控制器12，PLC控制器12對此位移信號和后磁致伸縮位移傳感器11輸出的位移信號（此時為初始狀態(tài)，其值為零）進(jìn)行比較計(jì)算，然后PLC控制器12輸出一個正電壓值給比例換向閥2的左位電磁鐵。此時，比例換向閥2左位工作，壓力油P由油口C進(jìn)入后液壓鎖4，再經(jīng)過后平衡閥6流入后舉升油缸9的無桿腔，推動活塞桿向上運(yùn)動。至此，完成了二層舉升廂體上升的啟動周期。此后，后舉升油缸9的活塞桿總是按照此周期跟隨前舉升油缸8的活塞桿連續(xù)地上升，直到上升到終點(diǎn)位置。

b.二層舉升廂體下降。同理，當(dāng)按下下降啟動開關(guān)后，電磁換向閥1右位得電工作，壓力油P經(jīng)過電磁換向閥1的右位，從油口B進(jìn)入前液壓鎖3，再經(jīng)過節(jié)流閥5后流入前舉升油缸8的有桿腔，推動活塞桿向下運(yùn)動。此時，前磁致伸縮位移傳感器10檢測到前舉升油缸8的活塞桿微小位移，并把此位移信號輸入到PLC控制器12，PLC控制器12對此位移信號和后磁致伸縮位移傳感器11輸出的位移信號（此時為最大值狀態(tài)）進(jìn)行比較計(jì)算，然后PLC控制器12輸出一個負(fù)電壓值給比例換向閥2的右位電磁鐵。此時，比例換向閥2右位工作，壓力油P由油口D進(jìn)入后液壓鎖4后流入后舉升油缸9的有桿腔，推動活塞桿向下運(yùn)動。至此，完成了二層舉升廂體下降的啟動周期。此后，后舉升油缸9的活塞桿總是按照此周期跟隨前舉升油缸8的活塞桿連續(xù)地下降，直到下降到終點(diǎn)位置［3］。

3 主要元器件選型

3.1 磁致伸縮位移傳感器

3.1.1 工作原理

磁致伸縮位移傳感器主要利用磁致伸縮效應(yīng)來完成工作。所謂磁致伸縮效應(yīng)，是指鐵磁材料或亞鐵磁材料由于其磁狀態(tài)的變化而造成物質(zhì)形狀和尺寸發(fā)生變化的現(xiàn)象。

其具體工作原理：利用兩個不同磁場相交時產(chǎn)生一個應(yīng)變脈沖信號，計(jì)算檢測到此信號所需的時間周期，從而換算出準(zhǔn)確的位置。此兩個磁場分別來自外部活動磁環(huán)和傳感器電子倉中的電子部件產(chǎn)生的激勵脈沖。激勵脈沖沿傳感器內(nèi)用磁致伸縮材料制造的波導(dǎo)管以聲速運(yùn)行，當(dāng)與磁環(huán)中的永磁場相交時，由于磁致伸縮現(xiàn)象，波導(dǎo)管產(chǎn)生的機(jī)械振動形成一個應(yīng)變脈沖。應(yīng)變脈沖很快便被電子倉中的感測電路探測到。從產(chǎn)生激勵脈沖到應(yīng)變脈沖被探測到的總時間乘以固定的聲速，便能準(zhǔn)確計(jì)算出磁鐵的位置變化。由于此過程是連續(xù)不斷的，所以每當(dāng)磁環(huán)位置改變時，新的位置便會迅速被測量出來。

磁致伸縮位移傳感器能承受高溫、高壓和高振蕩環(huán)境，其輸出為絕對值信號，即使電源中斷重接也無須重新歸零。傳感元件和磁環(huán)為非接觸安裝，即便不斷重復(fù)測量也不會對傳感器造成任何磨損。

3.1.2 傳感器安裝

磁致伸縮位移傳感器有外置式和內(nèi)置式兩種安裝方式。因舞臺車舉升油缸安裝空間有限，故采用內(nèi)置式安裝方式，如圖5所示。

傳感器通過螺紋與油缸底座安裝連接，因工作時油缸內(nèi)油壓高達(dá)16 MPa，故連接處用紫銅墊密封。波導(dǎo)管長度2.2 m，其內(nèi)置于油缸活塞桿里，活塞桿開孔長度大于波導(dǎo)管，直徑大于波導(dǎo)管直徑，所以彼此無接觸。磁環(huán)固定于油缸活塞上，工作時磁環(huán)隨油缸活塞一起移動，電子倉感測電路檢測到磁環(huán)的位移即活塞的位移，也就是油缸活塞桿上下移動的位移。因傳感器有上下兩端死區(qū)，此死區(qū)為磁環(huán)感測無效區(qū)，在設(shè)計(jì)安裝時要注意使磁環(huán)避開此區(qū)域。該傳感器供電電壓+24VDC（±10%），輸出信號為4～20 mA。

3.2 比例閥換向閥

因整車空間有限，為求結(jié)構(gòu)緊湊，液壓系統(tǒng)采取疊加式液壓閥控制，液壓動力站安裝于車底盤兩側(cè)。液壓泵采用交流電機(jī)驅(qū)動，系統(tǒng)流量約為15 L/min，正常工作壓力16.0 MPa。選用06通徑電磁換向閥和節(jié)流閥。比例換向閥型號為DHZO-AE-073-S3。此閥為Y形中位機(jī)能，閥內(nèi)不帶位置傳感器。電子放大器型號為E-RI-AE-05F，電源24VDC，輸入信號±10 V。根據(jù)輸入電信號的大小提供方向及流量控制。當(dāng)輸入信號為0～+10 V時，液流方向?yàn)镻→A/B→T。當(dāng)輸入信號為-10 V～0時，液流方向?yàn)镻→B/A→T。比例換向閥流量調(diào)節(jié)性能如圖6中曲線5所示。圖中0-X為死區(qū)范圍。

3.3 控制系統(tǒng)組成及控制原理

控制系統(tǒng)含有模擬量輸入、輸出等參量，選用性能可靠、編程簡單的西門子S7-200CPU系列PLC。用戶程序中包括定時器、數(shù)據(jù)處理及PID控制等指令內(nèi)容。整個控制系統(tǒng)的硬件包括CPU224（AC/DC/Relay），EM235（4模擬量輸入、1模擬量輸出）擴(kuò)展模塊。

工作原理：如圖4所示，前舉升油缸8的速度由節(jié)流閥5控制，系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試穩(wěn)定后，節(jié)流閥5的節(jié)流口開度鎖定。后舉升油缸9的速度由比例換向閥2控制。當(dāng)舉升啟動時，電磁換向閥1得電工作，前舉升油缸運(yùn)動。此時，前后舉升油缸內(nèi)位移傳感器反饋電流信號（4～20 mA）輸入PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行比較，比較后輸出電壓信號（-10～+10 V）控制比例換向閥的方向及其開度，從而控制后舉升油缸的運(yùn)動速度［4-5］。

4 安裝與調(diào)試

4.1 調(diào)試的主要項(xiàng)目和內(nèi)容

a.二層舉升廂體升降時前后端的同步精度。經(jīng)過調(diào)試，二層舉升廂體升降時前后端的同步精度均≤1%。

b.升降速度。經(jīng)過調(diào)試，二層舉升廂體上升速度穩(wěn)定在2 m/min，下降速度穩(wěn)定在2.5 m/min。

4.2 調(diào)試注意事項(xiàng)

a.液壓系統(tǒng)泵出口處必須安裝精度不低于25 ?m的高壓過濾器以保護(hù)比例閥；比例閥四個緊固螺栓強(qiáng)度等級為12.9級，擰緊力矩為8 N·m。連接電子放大器7芯接頭線時，一定要注意各線的編號。

b.必須保證磁致伸縮位移傳感器安裝的垂直度要求。設(shè)置安全罩板以保護(hù)電子倉；不要在傳感器安裝處附近進(jìn)行焊接作業(yè)，以免電流過大燒壞傳感器芯片。

c.安裝PLC控制器和擴(kuò)展模塊時，需加裝減震墊。保證傳感器信號輸出線和擴(kuò)展模塊輸入端以及擴(kuò)展模塊輸出端和比例閥信號線連接的正確性，同時檢查各控制邏輯的正確性。

d.初次調(diào)試前，把節(jié)流閥4開度盡量調(diào)小，以免比例閥控制的后油缸速度能跟上。然后逐漸增大開度調(diào)試，最終穩(wěn)定時使比例閥的輸出數(shù)據(jù)穩(wěn)定在25 000左右［6］。

5 方案運(yùn)行效果

a.采用電液比例技術(shù)，使液壓舉升同步精度達(dá)到±1%，解決了因舉升不同步產(chǎn)生墻體刮花、廂體變形等問題。

b.經(jīng)過1年的投入使用，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)、可靠，達(dá)到了預(yù)期效果，得到了客戶的好評。

6 結(jié)論

采用電液比例控制同步升降系統(tǒng)取代原液壓系統(tǒng)中分流集流閥或同步油缸后有如下優(yōu)點(diǎn)：

a.提高了二層舉升廂體升降時同步精度。采用分流集流閥同、同步油缸或同步馬達(dá)的系統(tǒng)，其二層舉升廂體升降同步精度≥2%，以致二層舉升廂體和墻體之間經(jīng)常產(chǎn)生摩擦，影響車身壽命。采用電液比例控制同步升降系統(tǒng)后，二層舉升廂體升降同步精度≤1%，二層舉升廂體和墻體之間無摩擦，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，延長了車身壽命。

b.提高了產(chǎn)品安全性能。采用分流集流閥、同步油缸或同步馬達(dá)的系統(tǒng)，當(dāng)二層舉升廂體上升或下降不同步時系統(tǒng)無法自動檢測。采用電液比例控制同步升降系統(tǒng)后，系統(tǒng)能自動檢測到不同步值，而且由于程序中設(shè)置了自動保護(hù)功能，當(dāng)不同步超過某個值時，系統(tǒng)會自動停止二層舉升廂體的上升或下降，這樣就避免了二層舉升廂體和墻體之間的摩擦。

c.自動化升降，操作更簡便。分流集流閥或同步油缸的系統(tǒng)，屬于手動操作方式，二層舉升廂體行程終點(diǎn)依靠人為掌握，難免出現(xiàn)誤差，致使液壓系統(tǒng)壓力升高，影響系統(tǒng)壽命。電液比例控制同步升降系統(tǒng)，屬于自動操作方式，二層舉升廂體到達(dá)行程終點(diǎn)時會自動停止，避免了液壓系統(tǒng)壓力升高，延長了產(chǎn)品壽命。

d.重量更輕、結(jié)構(gòu)更緊湊。同步油缸體積大，占用半掛車底架的空間大，且不易安裝。而磁致伸縮位移傳感器內(nèi)置于舉升油缸，幾乎不占用外部空間，比例換向閥和PLC又屬輕巧型元件，所以采用電液比例控制系統(tǒng)后，整車重量更輕、結(jié)構(gòu)更緊湊。

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作者簡介：

周明，男，1979年生，工程師，研究方向?yàn)榱鲃游枧_車電液技術(shù)。