用于同步顶升的小流量液压系统的设计.pdf

Hy d r a u l i c s P n e u m a t i c s S e a l s ／ No ． 1 1 ． 2 0 1 4 d o i l O ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 8 0 8 1 3 ． 2 0 1 4 ． 1 1 ． 0 1 5 用于同步顶升的小流量液压系统的设计 吴 晶，戴 波， 张 良， 苏志勇 中国核动力研究设计院， 四川 成都6 1 0 0 4 1 摘要 船用反应堆顶盖顶升作业具有大吨位、 非均载、 小流量、 短行程的特点， 采用闭环同步控制回路的液压传动系统利用分油装置 “ 等量、 定量” 地给液压缸注油， 在控制系统的配合下 ， 实现反应堆顶盖同步自动顶升， 顶升过程水平度不低于0 ． 2 ％。 关键词 液压系统 ； 分油装置 ； 同步顶升 中图分类号 T H1 3 7 ． 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 4 1 1 0 0 5 1 0 4 De s i g n o f S ma l l Fl o w Hy d r a ul i c Dys t e m f o r S y n c h r o ni z i n g Li f t WU J i n g , DAI Bo , Z HANG Li a n g , S U Z h i - y o n g Nu c l e a r P o we r I n s t i t u t e o f C h i n a ， C h e n g d u 6 1 0 0 4 1 ， C h i n a Abs t r a c t T h e s y n c h r o n i z i n g l i f t wo r k o f r e a c t o r t o p c o v e r u s e d f o r s u b ma r i n e h a s t h e c h a r a c t e r o f b i g we i g h t , 11 0 ／ 1 u n i for m l o a d ， s ma l l fl o w a n d s h o r t s t r o k e ． A h y dra u l i c Dr i v e S y s t e m a d o p t e d c l o s e d - l o o p s ync hro n i s m c o n t r o l c i r c u i t U S e S 0 i l d i v i d i n g d e v i c e for i n j e c t i n g o i 1 i n t o h y dr o - c y l ind e r s wi t h “ e q u i v a l e n t flo w a n d d e t e r mi n a t e f l o w ” ． M o r e o v e r , wi th c o o r d i n a t i n g c o n tro l s y s t e m ． i t r e a l i z e s s yn c hr o n i z ing a u t o - ma t i c l i f t o f r e a c t o r t o p c o v e r ． An d d u r i n g t h e p r o c e s s ． the l e v e l n e s s i s h i g h e r than 0 ． 2 ％． K e y wo r ds h y dra u l i c s y s t e m； o i l d i v i d i n g d e v i c e ；s yn c hro n i z i n g l i ft 0 引言 控制。 船用压水型反应堆顶盖与压力容器筒体采用止口 进行配合， 止口高4 0 m m， 但配合间隙仅为0 ． 2 3 ～ 0 ．5 m m， 且间隙内还聚集着反应堆经长时间运行后的腐蚀产 物。反应堆顶盖拆卸作业前要求保持一定水平度对其 顶升松动 ， 以免发生卡死或破坏反应堆顶盖及压力容 器简体密封面的事件。就目前常用的几种实现重物顶 升的方法而言， 机械螺纹顶升不易实现 自动化 ， 气压传 动系统工作压力低 ， 系统输出力小 ， 而液压传动系统具 有单位体积输出功率大、 工作平稳、 且易实现 自动化的 特点n ， 较符合反应堆顶盖同步顶升的技术要求。 l 液压系统同步 回路 的选择[2 - 4 ] 液压系统的同步回路可分为二大类 ， 即开环同步 控制回路和闭环同步控制回路 见图1 ， 开环同步控制 回路主要是指依靠液压控制元件 如阀门、 液压缸、 同 步马达、 液压泵等 来实现执行元件间同步运动的回 路。这些回路的同步精度均依靠元件 自身的精度保 证 ， 系统抗外界干扰能力弱， 虽然有同步阀的的改进设 计 和特殊的同步器的设计嘲 ， 但因自身的结构特点适 用范围有限， 通常用于精度要求不高的场合。而闭环 控制回路是指对执行元件的输出进行检测并反馈来构 成闭环控制的同步系统 ， 能够实现较高精度 的同步 收稿日期 2 0 1 4 - 0 4 2 1 作者简介 吴晶 1 9 8 5 一 ， 男， 湖北荆州人 ， 工程师 ， 学士， 现从事核设施检 修及退役研究和相关装置设备设计工作。 同 步 回 路 ． 开 - 登 霸j H 泵 同 步 回 路 1 j 刊 机 械 一液 压 同 步 网 路 I ，闭 环 睡 囹 罐翥 H 气 动 ． 液 压 同 步回 路J i 、 回 ； 图 1 同步 回路类别结构 图 反应堆顶盖同步顶升具有如下特点 ①顶盖重达 二十余吨， 且狭小配合间隙内聚集的腐蚀产物所产生 的粘结力不可估 ； ②因粘结力不可估， 使得顶盖圆周载 荷不均匀； ③执行元件安装空间有限必须采用双作用 的薄型液压缸， 顶升过程所需流量极小、 缸体柱塞行程 短； ④同步精度要求为水平度0 ．2 ％以内。 考虑到反应堆上系统安装的因素， 将顶升回路分 为四条， 对应的执行元件也为四个 ， 且每个执行元件应 对应一条同步回路 ， 因此须采用四个液压缸并联的同 5】 一 一 一 一 一 一 一 一 一 阀控缸撩 同步马达二泵控二伺服控制 液 压 气 动 与 密 a 1- ／2o 1 4 J r - 1 1 期 步回路。由于反应堆顶盖顶升时具有非均匀重载的特 点， 仅仅采用液压缸并联的方式显然不能实现同步， 需 加人较易实现的电气一 液压伺服控制系统 。作为该系 统的一部分 ， 用于同步的元、 部件不可缺少。同步阀、 同步缸一般仅支持两条回路 ， 不适用且精度低， 数字油 缸造价昂贵鲜有应用 ， 而在非均载极小流量回路中节 流阀、 分流集流阀、 同步马达、 同步泵的调节能力低， 调 节过程中执行元件可能已升至上限位 ， 导致调节失效 ， 不能满足反应堆顶盖同步顶升的需求， 需设计专用的 油路分油装置。 2 分油装置的设计 根据 反应堆顶盖 同步顶升的特点设计 了分油装置 见 图2 ， 结构包括油缸盖、 油缸筒、 柱塞 、 分油块、 螺栓 等。其设有四个完全相同的供油子结构。工作时， 分 油装置首先通过上油口给A腔注满油、 柱塞下降至底 端， 而后通过分油块下油口给B 腔注满油， 使柱塞上升 至顶端， A 腔内油分别被注人四个执行元件中使其同步 运动。根据同步顶升的需要 ， 在伺服控制系统的控制 下可选择给任意个执行元件注油 ， 而其余执行元件所 对应A腔内油直接回到油箱中。 E 油 t l 油缸盖 A腔 螺栓 柱塞 油缸筒 B腔 油缸 盖 分油块 图2 分油装置结构 图 3 液压系统设计 液压系统主要液压元器件和伺服控制系统组成 见图3 ， 包含了液压站、 液压阀、 分油装置、 双作用油 缸、 油管及附件、 P L C 控制器、 控制信号放大器、 信号变 送器、 位移传感器等组成。 3 ． 1 工作原理 液压系统分为5 类动作， 工作原理如下 分油装置吸油 液压泵 3 开启 ， 电磁换向阀7 、 1 0 、 1 2 、 1 5 、 1 7 上位工作 ， 液压泵将液压油注入分油装置 1 4 的A腔内， B腔内的液压油流 回油箱内 ； 液压缸升 当分油装置A腔完成注油后 ， 执行“ 液 压缸” 升动作。液压泵 3 开启状态 ， 电磁换向阀7 、 1 0 、 1 2 、 1 5 、 1 7 下位工作， 电磁换向阀2 8 、 2 5 、 2 2 、 1 9 上位工 5 2 作， 电动单向阀2 9 、 2 6 、 2 3 、 2 0 右位工作。分油装置A腔 内液压油注人液压缸内。 1 一 油箱2 一 过滤器3 一 液压泵4 一 溢流阀 5 、 6 、 1 1 、 1 3 、 1 6 、 1 8 一 单向节流阀8 一 减压阀 7 、 9 、 1 0 、 1 2 、 1 5 、 1 7 、 1 9 、 2 2 、 2 5 、 2 8 、 3 1 一 电磁换 向阀1 4 一 分油装 置 2 0 、 2 3 、 2 6 、 2 9 - 电动单 向阀3 0 、 2 7 、 2 4 、 2 1 - 1 ～ 液压缸 3 卜控制信号放大器3 2 一 信号变送器H一 压力表L s 一 位移传感器 图3 液压系统原理图 液压缸工作、 保持、 暂停 当达到设定顶升高度后， 需要保持顶升高度时， 执行该动作。液压泵 3 关闭， 电 磁换向阀3 1 左位工作 ， 电动单向阀2 9 、 2 6 、 2 3 、 2 O 左位 工作。液压泵3 不提供液压油 ， l ～ 4 液压缸3 0 、 2 7 、 2 4 、 2 1 的柱塞下部液压油也无法流回油箱 1 ， 使液压缸的顶 升高度处于一个保持的状态 。 单缸升， 其余不升 若某液压缸高度误差大于设定 值时， 则P L C 控制器反馈信号执行该缸补油动作。以 1 液压缸3 0 为例， 其余液压缸补油动作同理。液压泵3 开启状态， 电磁换向阀7 、 1 0 下位工作 ， 电磁换向阀1 2 、 l 5 、 1 7 、 2 8 上位工作， 电动单向阀2 9 右位工作。液压泵 将液压油注入分油装置 1 4 的B 腔内， 柱塞上移， 将 1 液 压缸 3 0 对应 的A腔 内的液压油压人 1 液压缸 ， 1 液压缸 柱塞上升， 而 4 液压缸2 7 、 2 4 、 2 1 的对应的A 腔内的 液压油则回到油箱 1 中。 液压缸降 反应堆顶盖顶升松动完成后， 执行该动 作。液压泵 3 开启， 电磁换向阀9 、 2 8 、 2 5 、 2 2 、 1 9 上位工 作， 电磁换向阀3 1 左位工作， 电动单向阀2 9 、 2 6 、 2 3 、 2 O 右位工作 ， 液压泵将液压油注入 1 “ - 4 液压缸3 O 、 2 7 、 2 4 、 2 1 柱塞上部， 使其柱塞下降， 而液压缸柱塞下部的 液压油 回到油箱 1 中。 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No． 1 1 ． 2 0 1 4 3 ． 2 工作 流程 如图4系统工作流程如下 准备完毕 ， 设置顶升高 度零点 ， 执行动作“ 分油装置吸油” ， “ 液压缸升” ， 检测 各液压缸顶升高度， 若误差大于预设值， 则对该液压缸 执行“ 单缸升， 其余不升” 的动作。重复上述判定， 直至 各液压缸之间误差低于预设值。而后检测各液压缸最 大顶升高度 ， 若未达到预设值 ， 重复上述动作。待达到 预设值， 执行“ 液压缸工作、 保持、 暂停” 动作， 保持顶升 的状态。反应堆顶盖的拆吊作业完成后 ， 执行“ 液压缸 降” 动作， 使液压缸柱塞回到液压缸缸体内， 工作结束。 图4 系统 工作流程图 4 系统性能分析 1 该液压系统是采用了液压缸并联结构及电气一 液压伺服控制系统的闭环同步控制回路， 并应用了专 门设计的分油装置。分油装置可实现四条回路的“ 等 量” 分油 ， 且考虑到系统内泄、 外泄、 液压油压缩等原因 可能造成的同步误差 ， 可根据需要改变分油装置柱塞 尺寸以调整“ 等量” 的注油量， 在一个注油循环内可将 同步误差限定在该“ 等量” 注油量注入执行元件后其上 升的高度上。对于累积误差超过预设值时， 可 自动对 误差回路进行可控的小流量补油， 不会扩大误差值。 2 电气一 液压伺服控制系统P L C 控制器的顶升同 步算法控制 目标为执行元件的高差， 以高差作为反馈 信号调节各同步回路的注油与否与注油量[8 1。系统预 设的允许高差值 应与分油装置的“ 等量” 的注油量相 协调， 一般与“ 等量” 的注油量注入执行元件后其上升 高度一致 低于实际应用允许的同步精度值， 保证系统 同步精度满足使用要求。 3 分油装 置 A腔液压油能否注入液压缸 内与液 压泵输出压力关系较大 ， 在负载不均匀的情况下 ， 必定 存在单液压缸负载大于总负载的四分值， 因此液压泵 的功率选择考虑了较大的裕量， 以消除A腔液压油可 能未完全注人液压缸所造成的误差。 4 液压系统注油方式为小流量多次循环注油， 单 次注油的压力变化△ p 和油量变化A V 均较小， 不会产生 大的液压冲击 ， 虽然“ 液压缸降” 动作压力和油量变化 较大会引起较大的液压冲击 ， 但该动作执行频率极低 ， 所产生影响可忽略。因此， 综合来看该系统的液压冲 击是较小的， 不会降低液压元器件寿命及产生较大的 噪声和振动 。 5 试验验证 为 了验证 系统 的性能 ， 进行 了同步顶升试验及水 平度保持试验 见图5 。在分油装置单次给液压缸注 油量能使其高度上升 1 ． 5 ra m的情况下， 试验结果为 ① 同步顶升高差最大为1 ．2 ra m， 水平度保持在0 ．2 ％之内； ②非均载情况对系统误差率的提升基本无贡献； ③在 试验所设置 1 小时 内， 系统水平顶升状态基本无变化 。 试验结果表明， 该液压系统是满足设计要求的。 图5 模拟试验 图 6 结论 该液压系统经过试验及在船用反应堆顶盖顶升作 业中的应用可得 出以下结论 1 在非均匀重载、 小流量工况中采用含有分油装 置的闭环同步控制回路， 同步效果较好， 同步精度高。 2 分油装置的分油精度越高 ， 系统的误差越低， 可调节性也越强 。 3 系统产生的振动和噪声小， 工作稳定。 4 可实现反应堆顶盖远距离控制 自动同步顶升， 有效地提高工作效率、 降低劳动强度和辐射风险。 参考文献 【 1 】 赵波，王宏元． 液压与气动技术【 M】 ．北京 机械工业出版社， 2 0 0 8 ． f 下转第7 2 页 5 3 液 压 气 动 与 密 封 ／20 1 4 _- j 1 1 期 性不足的问题 。 2 ． 2 大余量多头快速抛光技术代替半精磨、 精磨 通过磨前增加半精车的工艺方案虽然很大程度上 减少了磨削时间， 但车间磨削产能仍然不足。通过分 析发现此时影响磨削效率的主要原因为半精磨、 精磨 时间较长 ， 为解决磨床效率瓶颈、 研究应用大余量多头 快速抛光技术。较高的加工效率同时减少了工件在磨 削和抛光两道工序间的等待时间。 2 ． 3 磨床缺陷控制技术的探索与研究 磨削加工中， 由于磨削加工缺陷的存在， 造成工件 表 面咬伤、 磨削振纹等 ， 成为后续工序及活塞杆在服役 期 间的机械疲劳、 冷热疲劳裂纹 的萌生源 ， 严重影 响了 活塞杆的使用寿命。 1 防止磨削咬伤 为防止磨削咬伤做了以下工作 1 减少径向进给量 ， 减小工件的磨削余量 ， 并在 去除余量后， 进行无进给空磨几次， 为此通过半精车减 少了磨削余量并修订了作业指导书； 2 合理选择和修整砂轮 ， 可有效防止磨削咬伤， 粗粒度、 低硬度的砂轮 自砺性好， 可降低切削热， 能自 砺的砂轮 ， 使砂轮始终保持锋利状态， 防止砂轮在工件 表面滑擦、 挤压而造成工件表面咬伤， 为此对磨床砂轮 进行 了合理 的选择 ； 3 冷却液杂质可造成工件表面咬伤， 因此要合理 使用冷却润滑液， 发挥切削液的冷却、 洗涤、 润滑作用， 保持冷却润滑清洁， 为此磨床增加了二级过滤系统。 2 防止磨削振纹 磨削振纹的产生主要和机床加工系统的刚性和振 动情况有关 ， 为防止磨削振纹的产生做了以下工作 1 针对这个问题修改了磨床的操作规程， 规定新 砂轮磨削之前必须进行静平衡 ， 以减少因砂轮不平衡 所引起 的切削系统振动。 2 检查砂轮安装主轴上的 自动平衡装置 ， 该装置 可以在一定范围内补偿砂轮在运动过程中产生的不平 衡量 。 2 。 4合理调整半精车、 粗磨、 抛光余量 通过分析半精车、 粗磨、 抛光三道工序的加工工艺 可 以发现影响加工工 时的重点在于磨削量的大小 ， 所 以问题的关键是确定粗磨工序的加工量。 机械加工余量的确定对机加工零件的质量和效率 均有很大程度的影响。加工余量过大必然增加机加工 过程的工作量和降低工作效率 ， 机加工余量过小又不 能确保消除机械加工过程 中形成 的各种误差与缺陷影 响零件加工质量甚至产生废品。 通过分析半精车、 粗磨、 抛光三道工序的加工工艺 可以发现影响加工效率的重点在于磨削量的大小， 所 以问题的关键是确定粗磨工序的加工余量。通过查询 相关文献并统计分析本厂现场加工数据确定了较为合 理的粗磨余量。通过对德国六头抛光机加工原理和机 床配置参数的研究 ， 结合现场试验数据确定了较为合 理的抛光余量。通过对加工余量的研究分析 ， 找到了 效率与产品质量的平衡点． 3 结语 近年来工程机械行业发展迅速 ， 竞争也异常激烈 ， 针对起重机变幅活塞杆 ， 其传统工艺下的磨削质量与 效率已经不能满足快速发展的市场需求 ， 为改善起重 机变幅活塞杆加工工艺 ， 针对变幅活塞杆磨削余量大 的问题 ， 结合生产现场资源配置情况， 探索并研究提升 变 幅油缸活塞杆磨削质量与效率 的新工艺方法 ， 提 出 磨前增加半精车的工艺方案 ， 减少磨削余量， 并利用磨 床缺陷控制技术， 提升了起重机变幅油缸活塞杆磨削 质量与效率。 参考文献 [ 1 】 赵传莉， 等． 细长轴加工的关键技术问题研究[ J 】 ． 大科技 科 技天地， 2 0 1 1 ， 1 ． 【 2 】 庞丽 ， 许岭 ， 巩玉平． 汽车起重机长杆磨削的防费措施[ J 】 ． 工 程机械与维修 ， 2 0 0 6 ， 7 ． 上接 第 5 3 页 [ 2 ] 何谦． 基于高速开关阀的液压同步控制系统设计与研究[ D ] ． 湖南 湖南师范大学， 2 0 0 8 ． 【 3 】 郭猛． 液压系统同步回路的分析与应用[ J ] ． 机械与电子， 2 0 1 2 ， f 2 1 7 2 7 3 ． [ 4 ] 李国军． 多缸同步性能分析与研究[ D ] ． 陕西 西安科技大学， 2 0 0 9 ． 【 5 】 吕其慧， 由相波． 液压 同步阀结构的改进设计[ J ] ． 流体传动与 控制， 2 0 0 6 ， 6 1 6 1 9 ． 7 2 【 6 】 李宝顺．液压举升机同步器的结构设计[ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 5 ， 4 1 2 1 3 ． [ 7 ] 刘湘晨， 薛龙， 戴静君． 一种多缸并联液压同步控制回路的改 进设计[ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 4 ， 7 6 9 7 0 ． [ 8 】 周科， 陈柏金， 冯仪， 等． 基于P L C控制的液压同步顶升系统 [ J 】 ． 机床与液压， 2 0 0 7 ， 1 2 1 4 9 - 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