一种并联互备双液压油箱控制系统研究.pdf

第期(总第 期)年月机 械 工 程 与 自 动 化ME CHAN I C A LE N G I N E E R I N G&AUT OMA T I ONN o A u g 文章编号:()一种并联互备双液压油箱控制系统研究张军(太原重工股份有限公司 技术中心,山西太原 )摘要:某特殊机械设备出于高可靠性的要求,采取双动力系统驱动一套执行机构的工作原理,因此带来了双液压油箱回油出现相互干扰的问题.为此对多种液压控制方案进行了研究,最终找到了一种合理的方案解决了双液压油箱液位高度干扰的问题,并研发了一种互备双液压开式油箱控制系统,能够实现该工况下双液压油箱回路的正常回油,保证了该设备液压系统的正常工作.关键词:双液压油箱;控制系统;回油;并联互备中图分类号:TH T P 文献标识码:B收稿日期:;修订日期:作者简介:张军(),男,甘肃天水人,高级工程师,本科,主要从事流体与传动设计工作.引言本文研究的设备是“机电液”一体化产品,门型结构,采用液压泵驱动液压缸及液压马达控制原理,两端走行梁下部各设一套动力箱,动力箱由箱体、动力源、液压泵及液压开式油箱等组成,动力源驱动整个液压系统工作,设备在调试过程中出现了双液压油箱回油相互干扰的问题.针对这一问题,经过对多种解决方案(如连通器原理)的研究,找到了一种双液压油箱液位高度可控的解决方案,研发了一种互备双液压开式油箱控制系统,能够实现该工况下双液压油箱回路的正常回油,保证了本设备液压系统的正常工作.设备的特殊性()该设备机械部分采用门型结构,如图所示,上部刚性连接,高度 余米,中间空间要求可通过车辆,下部两侧走行梁各设置一套动力箱(包括动力源、液压油箱),两套动力系统联系管线只能通过绕行上部钢结构连接布置.图设备结构示意图()两套动力箱在使用时可以通过电控系统选择其中一套单独工作,当一套动力系统出现故障时,可快速切换到另一套动力系统.设置两套互备动力系统的目的是为了提高该设备的可靠性.()一套动力箱工作时液压系统主回油和先导回路回油不能保证液压油只回到本侧液压油箱,可能会出现部分液压油回到另一侧油箱的情况.双液压油箱控制系统的设计过程 油箱的随机回油问题本设备液压系统采用开式油箱,液压油箱中间设有隔板,整体划分为吸油区和回油区,隔板设有通道将吸油区和回油区连通,液压油箱通过其顶部安装的空气滤清器保证液面与大气相通,液面上压强始终为一个大气压.液压系统工作时,液压泵从液压油箱吸油区吸油,同时液压系统回油和先导回油通过管路进入液压油箱回油区.液压油箱主要作用是存储液压油,同时具有液压油散热、沉淀杂质和排出液压油中空气等作用.由于液压系统为两套动力系统对应一套执行机构,因此主回路采用了并联形式,两个液压油箱的回油管路也是并联形式,并联且不加以控制,液压油将出现随机回油,带来的影响具体如下:()液位过低,但液压系统的所有液压缸伸出时两个液压油箱中任何一个的液位不得低于任何液压泵的吸油口高度,否则会出现液压泵工作时供油不足、产生吸空现象,这样会引起执行机构动作不稳定,甚至会造成气蚀从而缩短液压元件使用寿命.()液位过高,但要防止两个液压油箱因回油不均问题致使某一个油箱的液位升高,回油多的液压油箱液压油从空气滤清器处溢出,造成油品浪费及环境污染问题,故所有液压缸缩回时不得高于最高油位.解决方案研究针对上述问题,首先对并联互备双液压油箱考虑采用连通器原理.连通器利用液体压强作用原理,结构简单且成本低廉,只需保证两个液压油箱内装有相同介质,且两个液压油箱上部与空气开放、下部连通,但考虑到本设备回油管路须绕行上部钢结构,故无法采用连通器原理.考虑本设备类似倒U形结构,也考虑过利用虹吸原理(即液体压强和大气压强作用原理),但由于两个液压油箱高度一样,且U形管无法驻留并充满液压油,液体压强和大气压强不足以将液位高的油箱中的液压油虹吸至液位低的油箱中,故此原理也不适用.还有一个设计思路,在两个液压油箱旁各设置一套辅助液压泵电机装置,目的是当液位传感器检测到本侧液压油箱液位达到报警高液位时,启动辅助液压泵电机装置,将本侧液压油箱液压油泵送到对侧液压油箱内.需要注意的是,当对侧液压油箱液位传感器达到报警高液位时,需要切换启停两侧辅助液压泵电机装置,实现两个液压油箱液位高度的动态调整.考虑到此方案经济性较差,故没有采用.最终解决方案经过分析,最终本设备采取回油隔断和液位检测控制相结合的方式来保证双液压油箱回路的正常回油,动力箱液压泵布置简图如图所示.图动力箱液压泵布置简图()在两套动力系统主回油管路近液压油箱处分别设置电磁隔断阀,对主回油管路进行单独隔断控制.另外,在两套动力系统先导回油管路近液压油箱处分别设置电磁隔断阀,对各先导回油管路进行单独隔断控制.通过上述手段,当一侧动力箱工作时,另一侧主回油及先导回油管路电磁隔断阀得电关闭,液压油只能回到本侧液压油箱,反之相同,这样就保证了吸油和回油只针对本侧液压油箱,不会出现两侧液压油箱回油互相干扰的情况发生.()在两个液压油箱上分别设置液位传感器,分别监控两个液压油箱的低液位、高液位状态.当检测到一侧液压油箱低液位时,所有动力源停止工作,并检查另一侧电磁隔断阀是否故障或系统是否有漏油点;当检测到一侧液压油箱高液位时,所有动力源停止工作,并检查同一侧电磁隔断阀是否故障.电磁隔断阀和传感器的选型设计电磁隔断阀在选择时需要注意选择座阀式,因为滑阀式的滑阀阀芯和阀体有相对滑动间隙,理论上存在泄漏,而座阀式采用球形或锥形密封,理论上可以做到完全密封,在实际使用中座阀式的泄漏量也小于滑阀式的泄漏量.机能选择两位两通插装式电磁换向阀,控制电压D C V,带停电复位功能.液位传感器的选择是这套控制系统的关键,液压系统常用的液位传感器是电容式,电容式检测原理是通过测量电容的变化来测量液面的高低的,一般是通过一根金属棒插入装有油品的液压油箱内,金属棒作为电容的一极,液压油箱壁作为电容另一极,根据两极间总的介电常数变化来检测液位变化数值.因为本设备动力箱空间有限,即液压油箱上方距离动力箱顶部只有 mm的空间,油箱的高度为m左右,金属棒型式电容式液位传感器安装后无法更换.之后又考虑了超声波式液位传感器,超声波式检测原理是通过监测超声波发送和反射的时间差来测量液位高度,不过安装要求监测下方位置不能有阻挡物阻挡反射信号,而液压油箱内安装有回油过滤器、加热器、吸油和回油管路、筋板等多种组件,因此这种方案也不可行.通过调研,我们找到了一种电容沉入缆式液位传感器,该传感器下方末端装有检测元件和配重,缆式结构可以在狭窄的空间随意装卸,完美地解决了上述问题.电控系统设计电控系统基于C AN(C o n t r o l l e rA r e aN e t w o r k,控制器局域网)总线设计,组网自由、扩展性强、实时性好,只需要两根信号线就可以实现所有数据的实时传递,大大简化了结构模型,有效地节约了安装空间和系统成本.控制系统采用主、副E C U双控制器设计,分别采集两个走行梁传感器数据,并由主E C U进行数据融合及控制策略计算,处理得到控制指令,最后由双控制器分别控制液压阀等执行机构,实现闭环控制.主、副E C U通过C A N总线进行信号传输.控制模块、控制模块和传感器等分别挂接在C A N总线上,构成分布式控制网络.电气系统网络构成如图所示.图电气系统网络构成结束语该设备自投入使用以来运行正常,验证了该技术方案的可靠性,并联互备双液压油箱控制系统为特殊工况下双液压油箱控制提供了一种新的思路,本文研究内容不足之处是增加了不少元件,因此控制难度有所加大,系统故障点也随之增加.总体来看,该系统具有一定的推广价值和借鉴作用.参考文献:雷天觉新编液压工程手册M北京:北京理工大学出版社,王宝和流体传动与控制M长沙:国防科技大学出版社,李松晶,王清岩液压系统经典设计实例M北京:化学工业出版社,杨运强传感器与测试技术M北京:冶金工业出版社,(英文摘要转第 页)机 械 工 程 与 自 动 化 年第期化设备均与能量管理系统进行通讯总线连接.交直流多端口逆变器上安装有交流端口和直流端口,交流端口和直流端口均与海水淡化设备相电连.海水淡化设备包括交流段设备和直流段设备,交流端口与交流段设备进行交流电连,直流端口与直流段设备进行直流电连.交流段设备由高压泵和能量回收增压泵组成.直流段设备由取水泵、增压泵、反洗泵、臭氧器、紫外线杀菌装置、直流控制电源、通讯电源和仪表电源组成.分段控制微电网能量转换流程如图所示.控制装置在运行时,分段控制海水淡化负荷,分段控制步骤如下:()能量管理系统通过m o d b u sT C P/I P总线通讯获取光伏充电控制器、逆变器单元、光伏发电单元、控制单元、储能单元、海水淡化直流段设备、海水淡化交流段设备的运行实时信息.()能量管理系统生成预测优化指令和实时优化指令,并通过m o d b u sT C P/I P总线通讯下发给光伏充电控制器、交直流多端口逆变器、控制单元、储能单元、海水淡化直流段设备、海水淡化交流段设备.本方案的具体实施方式:在使用时,光伏发电装置、风力发电装置用于向交直流混合微电网提供电能,电力路由器协调交直流端电力分配以实现供电效率最大化运行;通过能量管理系统对所述的储能电池单元中电能的储存或者释放调节微电网负荷分配达到功率平衡.通过交直流多端口逆变器对光伏发电单元、风机发电单元产生的电能分配给海水淡化设备的直流段设备、交流段设备.本装置与现有技术相比的优点为:能量管理系统通过m o d b u sT C P/I P总线采集光伏发电装置、风力发电装置、储能电池、交直流电力路由器的信息;海水淡化设备通过微电网产生的电能来淡化海水,在不提高系统配置的前提下降低交直流转换次数,提高电能的使用效率,进而减少能量浪费,提高产水量.图分段控制微电网能量转换流程结束语随着科学技术和民众认识的提高,海淡水逐渐被认知和接受,新能源微电网海水淡化技术也逐渐成为解决淡水资源匮乏的主要手段之一.对于岛屿等偏僻地区,也将成为解决岛民用水困难的主要途径,中小型新能源微电网海水 淡化系统将 得到越来越 广泛的应用.参考文献:阮国岭海水淡化工程设计M北京:中国电力出版社,上海市政工程设计研究院给水排水设计手册 第册 城镇给水M北京:中国建筑工业出版社,孙云莲新能源及分布式发电技术M北京:中国电力出版社,徐青山分布式发电与微电网技术M北京:人民邮电出版社,A p p l i c a t i o no fM i c r o g r i dS e g m e n t a t i o nC o n t r o l i nN e wE n e r g yS e a w a t e rD e s a l i n a t i o nS y s t e mD A IG u a n g b i a o,X U W e i g u o,L IH u(J i a n g s uF e n g h a iN e wE n e r g yS e a w a t e rD e s a l i n a t i o nD e v e l o p m e n tC o,L t d,Y a n c h e n g ,C h i n a)A b s t r a c t:T h ep o w e r c o n s u m p t i o no f s e a w a t e rd e s a l i n a t i o ne q u i p m e n t i s t h em o s t i m p o r t a n tp o w e r c o n s u m p t i o np o i n to fn e we n e r g ys e a w a t e rd e s a l i n a t i o ns y s t e m T h eb a s i c c o n d i t i o n f o r i n c r e a s i n gw a t e r o u t p u t i s t h a t t h e s e a w a t e rd e s a l i n a t i o ne q u i p m e n t c a no p e r a t es t a b l yf o ral o n gt i m e As e c t i o n a lc o n t r o ld e v i c ef o rs e a w a t e rd e s a l i n a t i o ns y s t e mi nn e we n e r g ym i c r o g r i di sp r o p o s e d O nt h ep r e m i s eo fn o ti m p r o v i n gt h es y s t e mc o n f i g u r a t i o n,t h ed e v i c ec a nr e d u c et h en u m b e ro fA C/D Cc o n v e r s i o n,i m p r o v et h eu s ee f f i c i e n c yo f e l e c t r i ce n e r g y,a n dt h e nr e d u c ee n e r g yw a s t e,i n c r e a s ew a t e rp r o d u c t i o na n d i n c r e a s ec u s t o m e rb e n e f i t K e y w o r d s:s e a w a t e rd e s a l i n a t i o ns y s t e m;m i c r o g r i d;n e we n e r g y;s e g m e n t a t i o nc o n t r o l(上接第 页)R e s e a r c ho nP a r a l l e l a n dM u t u a lB a c k u pD o u b l eH y d r a u l i cT a n kC o n t r o l S y s t e mZ H A N GJ u n(T e c h n o l o g yC e n t e r,T a i y u a nH e a v yI n d u s t r yC o,L t d,T a i y u a n ,C h i n a)A b s t r a c t:F o r t h e r e q u i r e m e n t o f h i g hr e l i a b i l i t y,a s p e c i a lm e c h a n i c a l e q u i p m e n t a d o p t s t h ew o r k i n gp r i n c i p l e o f d o u b l ep o w e r s y s t e md r i v i n ga c t u a t o r,w h i c hb r i n g s t h ep r o b l e mo fm u t u a l i n t e r f e r e n c e i no i l r e t u r no f d o u b l eh y d r a u l i c t a n k F o r t h i s r e a s o n,av a r i e t yo fh y d r a u l i cc o n t r o l s c h e m e sa r es t u d i e d,a n d f i n a l l ya r e a s o n a b l e s c h e m e i s f o u n d,w h i c hs o l v e s t h ep r o b l e mo f l i q u i d l e v e l i n t e r f e r e n c eo f d o u b l eh y d r a u l i c t a n k s Am u t u a l b a c k u pd o u b l eh y d r a u l i co p e n t a n kc o n t r o l s y s t e mi sd e v e l o p e d,w h i c hc a nr e a l i z e t h en o r m a l o i lr e t u r no f t h ed o u b l eh y d r a u l i ct a n kc i r c u i tu n d e rt h i sc o n d i t i o n,a n de n s u r et h en o r m a lo p e r a t i o no ft h eh y d r a u l i cs y s t e mo ft h ee q u i p m e n t K e y w o r d s:d o u b l eh y d r a u l i c t a n k;c o n t r o l s y s t e m;o i l r e t u r n;p a r a l l e l a n dm u t u a lb a c k u p机 械 工 程 与 自 动 化 年第期