某輸送裝置二次調速系統的設計與實現

葉琳，宋素華，古剛，向陽，彭松江

(中國船舶重工集團公司第713 研究所，河南鄭州450015)

某輸送裝置通過控制鏈條的運動實現其多功能、組合式的輸送物資至某接收設備。液壓系統是該輸送裝置的重要動力，其主要作用之一，是在計算機控制下完成控制鏈條實現二次加減速的功能。

1 系統要求及對策分析

該輸送裝置輸送的物資體積小，質量大，輸送交接過程中運動軌跡會發生變化，如果受到碰撞沖擊，易損壞變形，并損傷接收設備。由于技術指標的限制，該輸送裝置輸送某物資總體時間短，平均速度較快。因此，要求該輸送裝置運行過程平穩，在啟動階段需低速運行，中間階段切換到高速平穩運行，當運送的物資接近接收設備時進行減速，以減小可能發生的碰撞沖擊;當物資進入接收設備內部之后，再次進行二次加速，到完全送入后，二次減速，并停機。其速度－時間曲線見圖1。

圖1 速度－時間曲線圖

該類輸送裝置傳統設計方案大多采用電機帶制動器或離合器進行動力傳輸及間歇起停，無法實施二次調速。采用普通液壓閥雖能實現調速，但速度轉換跳躍太大，沖擊明顯;采用先導操作流量控制閥控制馬達的流量并結合計算機控制能很好地實現所需要的功能。

2 液壓系統的設計

2.1 液壓系統工作原理

如圖2所示，當控制系統給出“1 通道上升”指令后，程序啟動液壓泵電機，電磁換向閥9 的電磁鐵YV2 通電，閥芯右移，使P 與B 口相通，液壓油進入輸送裝置油路;緊接著電磁換向閥10 的電磁鐵YV4 通電，閥芯左移，使P 與A、B 與T 口相通，并且電磁鐵YV7 通電，液壓油經先導操作流量控制閥12 調節之后進入1 號輸送通道液壓馬達13油腔，推動馬達帶動鏈條加速正轉，鏈條帶動物資加速上升。同時，控制系統通過角度儀實時監控物資位置的變化情況，當物資快到接收設備入口時，電磁鐵YV7 斷電，液壓馬達13 減速。物資頭部被推入接收設備接口之后，電磁鐵YV7 再次通電，液壓馬達13 再次加速，物資在接收設備內快送到位時電磁鐵YV7 再次斷電，液壓馬達13 再次減速，直至把物資送到位，之后電磁鐵YV4 斷電，閥芯復位。

2 號輸送通道與1 號輸送通道工作原理一樣。兩者可以并行工作，也可以獨立工作，并行工作時相應的閥和電磁鐵同時通電或者斷電。

圖2 液壓系統原理圖

2.2 液壓回路的選擇

2.2.1 調速方式的選擇

采用先導操作流量控制閥，該型調速閥的流量調節旋鈕的機能由先導油缸代取，使執行元件在加減速時具有平穩的流量特性，可實現無沖擊的操作。由于帶有壓力和溫度補償器，可以實現穩定的流量控制，而與壓力和溫度的變化無關。其最大流量Q1與最小流量Q2可調節，轉換時間t1，t2也可根據實際情況調節。其流量－時間曲線見圖3。由圖3 可見該閥的流量特性曲線與輸送設備所需的速度－時間變換規律非常吻合。

圖3 先導操作流量控制閥流量調節曲線

2.2.2 卸油回路的選擇

由于液壓系統工作時整個系統會承受一定的壓力，造成液壓馬達和先導操作流量控制閥在工作情況下會有部分液壓油通過卸油口泄漏，為此單獨設置卸油回路，避免與進油油路干擾造成工作流量不穩定。

回油油路采用平衡閥，以便增加背壓，減少馬達反向空載運動“爬行”工作狀況。

2.3 液壓馬達的計算與選擇

液壓系統主要參數的確定如下:輸送行程s1=4 m，輸送時間T1=10 s，回轉半徑r1=0.139 7 m，平均線速度v1= s1/T1=0.4 m/s，平均角速度ω1=v1/r1=2.863 3 rad/s;輸送過程中傳動比為i =1，運行周期為T=10 s，每個運行周期轉角為φ=16.117 2 rad，轉動慣量為J =15 kg·m2，摩擦阻力矩為Tf=400 N·m，運動過程中的最大角加速度為β =2.686 2 rad/s2，計算:所需馬達的轉速為15.39 r/min，所需馬達的最小輸出扭矩為T =。

所選馬達為1QJM21-0.63S 型自控式帶制動器定量液壓馬達，其參數如下:排量q0=0.63 L/r，額定輸入壓力16 MPa，尖峰壓力31 MPa，轉速范圍2 ～250 r/min，額定輸出轉矩1 572 N·m，啟動壓力4 MPa。該型馬達輸出扭矩大、速度低、傳動平穩，一旦液壓系統壓力不夠可自鎖，經過核實可以滿足使用要求。

3 控制系統的設計

控制系統采用計算機集中監控，核心是計算機，它由電源模塊、主板模塊、I/O 模塊、A/D 模塊、網絡模塊和底板等組成。外部交流電源220 V 進電源模塊，轉換出5 V、12 V 的電源供其他模塊使用;I/O模塊采集各傳感器的信號，經控制系統軟件進行精確的運算后，輸出控制各執行元件工作;A/D 模塊把角度儀的模擬量轉換為數字量，供控制系統使用;控制系統與上級系統的信息交互是通過網絡模塊來實現的。控制系統總體結構框圖如圖4。

圖4 控制系統總體結構框圖

控制系統軟件是基于VxWorks 操作系統開發的，編程語言是C 語言。VxWorks 操作系統是美國Wind River 公司設計開發的嵌入式實時操作系統(RTOS)，是嵌入式開發環境的關鍵組成部分。控制系統軟件根據上級系統的命令，采集各傳感器的狀態信息，調用相關的子程序，輸出控制液壓電機和相關電磁閥動作，完成系統任務。其中二次調速系統的控制流程如圖5所示。兩次加速段位置為:(1)低速運行穩定后至物資接近接收設備;(2)物資進入接收設備內部至完全到位。位置的識別用角度儀+ A/D 板相結合的方式，由角度儀將物資所在的機械位置轉化為0 ～10 V 的電壓，然后進計算機的A/D 板，轉化為數字量，供控制系統實時監測物資的位置。

圖5 二次調速系統的控制流程

4 試驗結果

在該輸送裝置用1 號輸送通道運送物資的過程中，控制系統記錄了運動過程中相關電磁閥通斷電的狀態和當前運動的位置，并通過人機界面把記錄顯示出來，試驗結果如圖6所示。

圖6 試驗結果

圖中上半部分表示輸送裝置輸送物資的過程中，1 通道上升閥和1 通道上升加速閥的通斷電狀態，高電平表示通電，低電平表示斷電。下半部分表示該輸送裝置輸送物資所在位置的曲線，曲線斜率代表速度，在輸送過程中斜率呈低速－高速－再低速－再高速變換規律，無毛刺，說明該輸送裝置很好地實現了原定的二次調速，由于兩次速度的變換有過渡，因此速度轉換平穩，無沖擊。

5 結論

該系統采用了一種特殊的先導操作流量控制閥，實現了液壓馬達流量的平穩增減控制，避免了速度的跳躍，結合計算機實時控制，實現了輸送裝置輸送特殊物資過程中運動特性中的二次調速。其結構簡單，可移植性強。通過修改軟件程序，設定相應電磁鐵的通斷時間，即可方便的實現三次平穩調速乃至多次平穩調速，對各種類型的輸送裝置調速都具有參考價值。

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