液压传动技术在自动化生产中的应用.docx

1、液压传动技术在自动化生产中的应用摘 要当代种类繁多的设备大多采用了自动或半自动控制，这导致了液压传动及控制技术、计算机技术一起成为工业中发展极快的两个学科分支。液压技术是现代机械工程的基本技术构成和现代控制工程的基本技术要素，其应用几乎遍及国民经济的各个领域，应用液压技术的程度已成为衡量一个国家工业化水平高低的重要标志之一。正确分析与合理设计液压系统，对于提高各类机械及装置的工业品质和技术性能，具有重要意义。本文侧重于从阀门遥控系统中讲述液压技术在自动化中的应用。关键词：液压；自动化；阀门；遥控系统AbstractContemporary a wide variety of equipment

2、 mostly uses the automatic or semi-automatic control, which leads to the hydraulic transmission and control technology, computer technology into industry fast development in the two branch. Hydraulic technology is the basic technology of modern mechanical engineering and the basic technology of mode

3、rn control engineering, its application covers almost all areas of the national economy, the application of hydraulic technology has become the measure of a country s level of the important signs of industrialization. The correct analysis and rational design of hydraulic system for all types of mach

4、inery and equipment, improve industrial quality and technical performance, has the vital significance. The paper focuses on the valve remote control system of hydraulic technology in automation applicationKey words: Hydraulic pressure;Automation Vale;Remote control system摘 要 1Abstract 2第1章 引言 11.1 课

5、题研究的背景 11.2 液压传动的早期运用 11.3 液压传动基本概念 11.4 液压传动的优缺点 21.4.1 液压传动的优点 21.4.2 液压传动的缺点 31.5液压传动技术发展趋势 32.1 液压传动系统的组成. 42.2液压传动的基本原理 42.3 液压传技术在自动化生产中的应用 52.3.1纯粹的液压传动方式 62.3.2复合传动技术在自动化中的应用 62.3.3液压传动技术应用实例分析 7第3章 液压传动技术与自动化结合 83.1 应用前景 83.2 遥控操作系统国内外科技创新发展概况和最新发展趋势 83.3 遥控操作系统组成 8第4章 船用液压泵站的设计 104.1 概述 10

6、4.2 工作原理 104.3 电磁阀柜的设计 114.4 阀门控制台 124.5 应急手摇泵 124.6 液控阀门 124.7 液压驱动装置 13第5章 阀门遥控系统的网络化研究 15第6章 结语 17参考文献 18致 谢 19第1章 引言1.1 课题研究的背景液压是流体为工作介质对能量进行传递和控制的一种传动形式。相对于机械传动来说，它是一门新技术。近几十年来，随着微电子技术的迅速发展，且渗透到液压与气动技术中并与之密切结合，使其应用领域遍及到各个工业部门，已成为实现生产过程自动化，提高劳动生产率等必不可少的重要手段之一。1.2 液压传动的早期运用液压传动和气压传动称为流体传动，是根据17世

7、纪帕斯卡提出的液体静压力传动原理而发展起来的一门新兴技术，是工农业生产中广为应用的一门技术。如今，流体传动技术水平的高低已成为一个国家工业发展水平的重要标志。1795年英国的约瑟夫布拉在伦敦用水作为工作介质，以水压机的形式将其应用在工业上，诞生了世界上第一台水压机。1905年将工作介质水改为油，又进一步得到改善。第一次世界大战后液压传动技术得到广泛应用，特别是1920年以后，发展更为迅速。液压元件大约在19世纪末20世纪初的20年间，才开始进入正规的工业生产阶段。1925年维克斯发明了压力平衡式叶片泵，为近代液压元件工业和液压传动的逐步建立奠定了基础。20世纪初康斯坦丁对能量波动传递所进行的理

8、论及实际研究；1910年对液力传动（液力联轴节、液力变矩器等）方面的贡献，使这两面领域得到了发展。 第二次世界大战期间，在美国机床中有30%应用了液压传动。应该指出，日本液压传动的发展较欧美国家晚了近20多年。在1955年前后，日本迅速发展液压传动，1956年成立了“液压工业会”。近2030年间，日本液压传动发展之快，居世界领先地位。1.3 液压传动基本概念1.液压传动在传动装置中主要以液体为工作介质进行能量传递与控制的装置称为液压传动装置，简称液压传动。2.能量转换在液体传递能量时，将经历由机械能转变为液体能，再由液体能转变为机械能的过程。3.液体能液体能有三种形式：位能、压力能和动能。在液

9、体传动中，液体的相对高度位置变化很小，故位能与压力能、动能相比，可以忽略不计，即液体传动中液体能量的主要形式为压力能和动能。4.液压元件 液压传动的工作元件称为液压元件。5.液压传动的定义 以液体为工作介质来进行能量传递的一种传动方式，它通过能量转换装置将原动机的机械能转换为液体的压力能，然后通过管道、液压控制及调节装置等，借助执行装置，将液体的压力能转换为机械能，驱动负载实现直线或回转运动。1.4 液压传动的优缺点1.4.1 液压传动的优点（1）在同等的体积下，液压装置能比电气装置产生更多的动力。在同等功率下，液压的体积小，重量轻，功率密度大，结构紧凑。液压马达的体积和重量只有同等功率电动机

10、的12%。（2）液压装置工作比较平稳。由于重量轻，惯性小、反应快，液压装置易于实现快速启动、制动和频繁的换向。（3）液压传动易于自动化，它对液体压力、流量或流动方向易于进行调节或控制。当将液压控制和电气控制结合起来使用，整个传动装置能实现很复杂的顺序动作，也能方便地实现远程控制。（4）液压装置能在大范围内实现无级调速，它还可以在运行的过程中进行调速。（5）液压装置易于实现过载保护。液压缸和液压马达都能长期在堵转状态下工作而不会过热，这是电气传动装置和机械传动装置无法办到的。（6）由于液压元件已实现了标准化、系列化和通用化，液压系统的设计、制造和使用都比较方便。（7）用液压传动实现直线运动远比用

11、机械传动简单。1.4.2 液压传动的缺点（1）液压传动在工作过程中常有较多的能量损失，长距离传动时更是如此。（2）液压传动对油温变化比较敏感，它的工作稳定性很易受到温度的影响，因此它不宜在很高或很低的温度条件下工作。（3）为了减少泄漏，液压元件在制造精度上的要求较高，因此它的造价较贵，而且对工作介质的污染比较敏感。（4）液压传动出现故障时不易找出原因。1.5液压传动技术发展趋势液压传动和气压传动称为流体传动，是工农业生产中广为应用一门技术。如今，流体传动技术水平的高低已称为一个国家工业发展水平的重要标志。历史的经验证明，流控学科技术的发展，仅有20%是靠本学科的科研成果推动，来源于其他领域发明

12、的占50%，移植其他技术成果占30%，即大部分来源于其他相关学科进步的推动。随着应用了电子技术、计算机技术、信息技术、自动控制技术及新工艺、新材料的发展和应用，液压传动技术也在不断创新。液压传动技术已称为工业机械、工程建筑机械及国防尖端产品不可缺少的重要技术，而其向自动化、高精度、高效率、高速化、高功率、小型化、轻量化方向发展，是不断提高它与电传动、机械传动竞争能力的关键。第2章 液压传动技术分析2.1 液压传动系统的组成.液压系统一般由以下几个部分组成：1.能源装置把机械能转换成油液液压能的装置，最常见的形式就是液压泵，它给液压系统提供压力油。2.执行元件把油液的液压能转换成机械能的元件。有

13、作直线运动的液压缸， 或作回转运动的液压马达。3.控制调节元件对系统中油液压力、流量或油液流动方向进行控制或调节的元件。如溢流阀、节流阀。换向阀等4.辅助元件上述三部分以外的其他元件，如油箱，过滤器、油管等。它们对保证系统正常工作有重要作用。2.2液压传动的基本原理液压传动的基本原理是在密闭的容器内，利用有压力的油液作为工作介质来实现能量转换和传递动力的。其中的液体称为工作介质，一般为矿物油，它的作用和机械传动中的皮带、链条和齿轮等传动元件相类似。液压传动是利用帕斯卡原理（图1），帕斯卡原理是大概就是：在密闭环境中，向液体施加一个力，这个液体会向各个方向传递这个力，力的大小不变。液体传动就是利

14、用这个物理性质，向一个物体施加一个力，利用帕斯卡原理使这个力变大，从而起到举起重物的效果。我们所常常见到的液压千斤顶就是利用了这个原理来达到力的传递。总之液压传动的工作原理可以归纳为：1、液压传动是以液体（液压油）作为传递运动和动力的工作介质2、液压传动经过两次能量转换（图2），先把机械能转换为便于输送的液体压力能，然后把液体压力能转换为机械能对外做功3、液压传动是依靠密封容积（或密封系统）内容积的变化来传递能量的工程机械的起重机、推土机，汽车起重机，注塑机，机床行业的组合机床的滑台、数控车床工件的夹紧、加工中心主轴的松刀和拉刀等都应用了液压传动系统的工作原理。2.3 液压传技术在自动化生产中

15、的应用液压传动技术的应用性是很强的，例如应用于装卸堆码机（例如自动化装载机器人）上的液压系统，堆垛装置作为一种仓储机械，在现代化的仓库里利用它可实现在计算机控制下对货物的堆垛进行自动化工作，液压传动系统在这个过程中起到了保证其工作稳定可靠、高效的作用。同时它还广泛用于万能外圆磨床中，保证外圆磨床磨削过程的精度及可靠性。由于液压具有功率大，低速性能好，平稳性好的特点，在现代化自动化机械中的应用越来越广泛。在未来更有广阔的前景。随着计算机的深入发展，液压控制系统可以和智能控制的技术、计算机的控制技术等技术结合起来，这样就能够在更多的场合中发挥作用，也可以更加精巧、更加灵活的完成预期的控制任务。下面

16、主要从液压传动技术在自动化驱动系统中的应用之一进行一定的论述。行走驱动系统式自动化生产装置中的重要组成部分，与工作系统相比，行走驱动系统不仅需要传输较大的功率，它还要求系统具有更高的功率和更长的使用寿命。还需要在变速、差速、改变转向以及反向传输动力等方面具有良好的能力。于是，采用何种传动方式，如何更好地满足各种工程机械行走驱动的需要，一直是工程机械行业所要面对的课题。尤其是近年来，随着我国交通、能源等基础设施建设进程的快速发展，建筑施工和资源开发规模不断扩大，工程机械在市场需求大大增强的同时，更面临着作业环境更为苛刻、工况条件更为复杂等所带来的挑战，也进一步推动着对其行走驱动系统的深入研究。2

17、.3.1纯粹的液压传动方式与纯粹的机械传动相比，液压传动对其运动参数和动力参数的精确控制更加容易实现，同时与液力传动相比又具有更加优秀的低速负载特性。正是基于以上的几个因素，几乎所有的自动化生产装置中都能见到液压传动技术使用的痕迹，甚至已经成为了其主要的传动及控制方式。液压传动具有调节方面的便捷性以及布局方便的灵活，可以根据自动化生产装置的具体形态以及布局的需求，将动力装置、控制调节装置、以及执行机构等各个元部件分别置于合理部位。液压动力装置的无极调速可以使得传动系统时刻发货出最佳的牵引性能，例如能在很宽的输出转速范围内都能保持较高的工作效率，还能方便的获得各种优化的动力传动特性，很好的适应各

18、种作业载荷。自动化生产过程中，一般需要频繁的进行起动及精确的变速操作等，这对于其他传动方式来说是一个缺陷，但是闭式液压系统却可以精确的实现这一目标，但是与开式回路相比，闭式回路不论是设计，还是安装调试及维护等都有较高的难度。2.3.2复合传动技术在自动化中的应用这里所说的复合传动技术主要是指机电一体化技术，所谓机电一体化技术，简单的讲就是电气控制液压，液压控制机械，然后机械在运动中通过电气将信息反馈回来再控制液压，实际上是一个闭环的多类型传动控制系统，其应用设备具有自动化，智能化程度高的特点。通过电子技术与液压技术的结合，能方便的实现对液压系统的各种调节和控制。随着计算机控制的引入以及各类传感

19、元件的使用，液压元件的工作范围更一步得到发展。通过传感器监测生产设备产生的各种状态参数，然后经过计算机运算后输出控制指令，使得生产设备在整个工作范围内实现自动化控制，设备能源使用的经济性、动力性以及作业效率等都达到最佳状态。由于电子技术在信号处理的能力以及速度方面具有天然的优势，而液压和电传动在各自功率元件的特定方面也具有明显的优势。因此在实现“电子神经+液压肌肉”的模式之后，机电液一体化模式在不断的受到行业内的重视。其在功率流的复合传输方面有了许多成功的实例，诸如有变频或直流调速电机和高速、低脉动的定量液压泵组成的可变流量液压油源以及由电动泵液压缸或低速大扭矩液压马达组成的电动液压执行单元等

20、。2.3.3液压传动技术应用实例分析以数控压力机液压传动控制系统为例子，大多数的都采用电液伺服阀控制，虽然这样能保证控制的快速响应性以及控制的精度，但是它也存在着高成本、能耗大以及对环境有污染的缺点。因此现在一般采用二位三通快速开关阀作为先导阀来控制逻辑阀，然后通过两个位置的通断来实现液压回路的换向，使得液压油缸快速往复运动。在设计时采用开关阀的是因为开关阀构造简单，可靠性强，同时通过控制电磁铁的吸引力，使阀芯实现高速正、反向运动，最终实现液压介质在阀口处的交替通断；同时，开关阀都采用球阀式结构，具有密封性能好、行程短、动作灵敏的特点，动态响应效果好；同时，开关阀成本较低，能有效降低系统的成本

21、。第3章 液压传动技术与自动化结合阀门液压遥控系统3.1 应用前景根据国际规范的要求和船舶自动化程度的提高，伴随先进自动化技术的船舶船用阀门液压遥控系统已经在各类型新造船舶中得到广泛应用。船用阀门液压遥控系统主要用于监控船舶压载水系统、舱底水系统以及货油装卸系统等管路上的遥控阀门状态。船舶阀门遥控的应用，有助于减轻船员的劳动强度，改善工作条件，为压载以及货油装卸自动化创造了条件。国外有较为成熟的技术，。国内在这方面的研究工作也有不断的进展，但与国外先进产品比较仍具有很大差距。3.2 遥控操作系统国内外科技创新发展概况和最新发展趋势船用阀门遥控系统通常分为气控、电控、液控、电液控四种形式，采用何

22、种形式取决于船舶的使用要求。液压驱动型船用阀门遥控系统具有工作可靠、驱动力大、结构紧凑、防护等级防爆等级易于做高、可浸没式安装、系统失电情况下可保持阀位等优点，因此应用最普遍。近年来，船舶大型化自动化水平的发展对船用阀门遥控系统的控制提出了更高的要求，以超大型的油船和化学品船为例，其需要远距离操纵的阀门可达数百个，并需要与其他系统相配合，按预定程序启闭阀门，由于需要控制的阀门数量多型式异，安装要求不同，有时需采用混合配置。距离近的，如机舱附近的阀,防爆要求高的,如液货阀,采用液控；距离远的,如艏压载阀,防爆要求底的如压载水阀、舱底水阀采用电控，系统设计十分复杂。海上石油钻井平台、FPSO、各类

23、工程船、半潜船等各种特种船型的不断开发也极大地推动了船用阀门遥控系统的发展。3.3 遥控操作系统组成船用液控阀门遥控系统是为船舶自动化专门研制的一套设备。该系统可适用于各类船舶，特别是现代大型船舶的压载水、舱底水、消防水及液货的集中调度控制，系统工作过程为：由船用液压动力单元提供的液压驱动力，送至电磁阀柜分送至各液控阀门，实施对全船管系的集中调控。船用液控阀门遥控系统主要由以下部分组成（以75000DWT原油轮为例）。表1 船用液控阀门遥控系统的组成序号设备名称数量功 能1船用液压动力单元1套提供液压动力2电磁阀柜2套分配液压动力3阀门控制台1套遥控液控阀门及船用液压动力单元4应急手摇泵1套液

24、控阀门的应急操作5阀门开度采集装置9套显示阀门开度信号6阀门开关采集装置98套显示阀门开关信号7液控阀门107套控制管路液体介质流动第4章 船用液压泵站的设计 4.1 概述 船用液压泵站为船用液压阀门遥控系统提供液压动力的装置。因为不同通径的船用液控阀门，其所配置的双作用液压驱动缸不同，工作压力也不同，所以，泵站工作压力在513.5Mpa之间可调。泵站配有实用的安全防护措施，设有输出高、低压及油箱低液位报警。整体结构紧凑，操作简单。图1 船用液压泵站4.2 工作原理由电机驱动液压泵压出的液压油，当系统内部压力达到设定值时，电机停止工作。系统的内部压力经减压阀减至工作压力后，通过出油口与船用液压

25、阀门遥控系统的电磁阀柜连接，为船用液控阀门上的液压执行机构提供液压驱动力，液压执行机构的回油从船上液压管路经电磁阀柜回到泵站回油口，经回油过滤器后返回油箱，本泵站设有一路出油口，一路回油口。 为提高船用液压泵站的可靠性，液压系统采取了双电机泵组加蓄能器的配置形式，两电机泵组可互为主辅泵，在电机或泵出现故障的情况下，蓄能器可继续提供合适的液压驱动力，保证液控阀门中主要阀门的开闭。 船用液压泵站设置了液位控制器、压力继电器、压力表和压力传感器。液位控制器在油箱液位低于设定值时，可控制报警或停机。 压力继电器可控制泵低压启动，泵高压停机，泵低油压报警，出油口工作压力的高压报警。泵站系统压力及输出压力

26、由压力表显示，其中输出压力可通过压力传感器向阀门控制箱传输420mA标准信号。4.3 电磁阀柜的设计电磁阀柜是专为船用液控阀门遥控系统配套使用的装置。通过电磁换向阀再实现各液控阀门开关控制。船用液压动力单元输出的压力通过多油路阀块分配至各个电磁阀。通过控制电磁阀换向，将液压能分配给相应的液控阀门，实现阀门的开闭，在液控阀门开关位置上设有行程开关，当阀门中阀板运动中开或关的位置时，会触动行程开关，通过阀门开关采集装置就可以知道阀门的开关状态，会以420mA标准信号传递到阀门控制台上。每个液控阀门的液压缸的容积是不同，通过流量计测出液压站给此液控阀门供油量，再除以液压缸的容积，就可以获得阀门的开启

27、角度。图2 电磁阀柜4.4 阀门控制台阀门控制台是用于实现对船用液压动力单元及液控阀门的异地遥控。用于安装监控中心主站、各modbus RTU模块、显示器以及MIMIC面板附件等设备。控制台有足够的空气流动空间，便于散热。控制台上部面板安装MIMIC面板，鼠标、键盘。 MIMIC面板的设计，为了使操作者正确理解，在上面绘制有压载水系统、舱底水系统的示意图，表面易打理，并不存在油漆脱落的现象。图3 阀门控制台4.5 应急手摇泵移动式手动泵由手动换向阀、手动泵、表头、油箱等组成，实现应急状态下现场阀门的人工开关，通过表头压力指示来确认阀门的到位情况。4.6 液控阀门液控阀门是根据液控系统供油压力，

28、来实现阀门的开启。液控阀门是由阀门驱动装置与阀门两部分组成，两者通过键槽、方等形式连接。阀门驱动装置是阀门遥控系统的终端，是遥控系统实现对阀门控制的执行机构，是遥控系统中不可替代的重要组成部分，在整个系统中起重要作用。驱动装置的性能、寿命、安全性对遥控系统乃至所控管路系统都至关重要。目前常见的驱动装置主要有螺旋齿内啮合传，拨叉传动和齿轮齿条传动几种。其中螺旋齿内啮合传动机构体积小，传动平稳，但是加工工艺复杂，成本较高。拨叉传动机构加工工艺简单，成本底，但体积较大且传动不够平稳。齿轮齿条的传动结构，其加工工艺难度，体积和成本适中，传动平稳，在现有驱动装置中应用最为广泛。齿轮齿条液压传动原理：油缸

29、内的油压推动齿条做直线运动，齿条带动齿轮做旋转运动，齿轮内部连接阀杆，实现阀门的开关运动。我们在油缸盖中心部设计了调整轴，用来调节阀门开关角度，在901的基础上加大了可调范围，可以达到902，这样可以解决累计误差过大或其他原因造成的开关门角度不够的问题。4.7 液压驱动装置图4 液压驱动装置结构简图壳体和油缸部分材料选择了铸钢ZG230-450,抗拉强度较高，油缸内部镀铬，减小油缸与密封件间的摩擦力。由于在阀门驱动装置中的齿轮齿条机构工况与常见的齿轮工况不同，其节线速度要小很多，累积运动时间和应力循环次数也要远少于常见的变速箱或其他传动机构，所以我们选择了较常见的40Cr（齿轮）和45钢（齿条

30、），质量要求MQ级，并对齿轮做气体渗氮处理，能有效地提高接触疲劳强度和弯曲疲劳强度。现有的与液压驱动装置配合的手动装置多为蜗轮蜗杆式，这种形式的有点是传动平稳，切换方便，易于和液压驱动装置匹配。液压驱动部分、手动驱动部分和阀体之间采用叠加式结构，阀杆顶端的方插入手动装置，手动装置与液压装置见用连接轴连接。这样的组合方式可以保持液压装置、手动装置和阀盘保持同步，有利于阀盘在液手动切换后的定位。液手动切换采用蜗杆和蜗轮脱合式设计，通过蜗杆轴的偏心设计实现蜗杆和蜗轮间的脱合，从而实现液手动切换。这样的设计可以在阀门开至任意角度时切换液手动操作，方便实用。图5 液手动驱动装置简图第5章 阀门遥控系统的

31、网络化研究传统的阀门遥控系统是一个相对独立的系统，主要由工作人员通过操作阀门控制台上的模拟板（mimic板）实现阀门的控制。该控制方式无法嵌入与整船的自动化综合管理系统。所有的记录只能通过船员的自身记忆及相关的操作记录。而这些记忆和记录都不是很完整的。现代新型船舶的阀门遥控自动化控制系统具有高集成化、高自动化、性能可靠的特点。能方便的嵌入到整船地自动化综合管理系统中。能轻松的完成参数的记录与分析。图7 阀门遥控系统原理图第6章 结语本文主要以阀门液压遥控系统为例来讨论液压技术在自动化中的应用的重要性。主要从阀门液压遥控系统的应用前景、发展现状及趋势，液压遥控系统的组成及各部分具体构造、作用等方面浅谈液压遥控系统在阀门管路系统中的应用。从中可以看出，随着微电子技术向工程机械的渗透，工程机械日益向智能化和机电一体化方向发展，对工程机械驱动装置提出的要求也越来越苛刻。近年来，液压技术迅速发展，液压元件日臻完善，使得液压传动在工程机械传动系统中的应