一种堆取料机俯仰液压系统、闭环控制系统及控制方法与流程

本发明涉及斗轮堆取料机械设备领域，具体的说是涉及一种堆取料机俯仰液压系统、闭环控制系统及控制方法。

背景技术：

堆取料机是一种利用斗轮连续取料，再利用设备自身的带式输送机连续堆料的有轨式装卸机械。其主要由斗轮机构、回转机构、俯仰机构、大车行走机构、尾车、带式输送机和上部钢结构等部件组成；其中堆取料机的俯仰机构包括机械和液压两种型式，液压式俯仰机构因其具有结构小巧，配置灵活，工作可靠，组装方便等优点被广泛应用。

俯仰机构与主机联结示意图如图1所示，包括悬臂机构1、液压缸2、俯仰铰点3、支撑铰座4以及转盘5。在液压缸2牵引下，悬臂1绕俯仰铰点3转动，实现斗轮高度的调整，使斗轮在不同高度的料堆上进行堆料和取料作业。同时俯仰机构还需要支撑取料斗轮、悬臂机构及配重装置的重量。液压缸2所受负载力随着悬臂1位置改变而变化，导致液压系统压力和流量不断变化。当悬臂1处于最下端接地位置，即液压缸2与水平面夹角为θ₁时，液压缸2所受负载为正且负载最大，此时无杆腔压力最大；随着悬臂1的上升，液压缸2出现负负载，受拉应力，液压缸2最上端位置与水平面夹角为θ₂。

另，现有的堆取料机俯仰液压系统原理图见图2所示，异步电机6驱动恒压变量泵7作为动力源；恒压变量泵7的输出压力随外负载变化而变化，实际运行时泵输出压力一直小于泵上调压阀调定压力值，斜盘位于最大摆角处，泵的排量最大，此时恒压变量泵7相当于定量泵；通过调节比例换向阀13和单向节流阀14阀口开度控制液压缸2的流量；但是此俯仰液压系统属于节流控制系统，存在节流和溢流损失，效率低，系统温升高。

现阶段，大部分作业面靠人工操作进行悬臂高度的调整，然而操作工人靠视力观察很难准确判断悬臂移动的垂直高度是否达到指定位置，从而影响了堆取料的作业效率。堆取料机悬臂俯仰过程中，液压缸2的运动速度一般要求控制在0.7m/min左右，同时要求严格控制悬臂1移动的垂直高度，即液压缸2的垂直位移。俯仰机构所受载荷不断变化引起液压系统压力、流量及活塞速度不断改变，而液压系统控制方式为开环控制，决定了此液压系统不能实现对液压缸2速度及悬臂1垂直位移的精确控制。

现场调试时，需精准调节比例换向阀13和单向节流阀14的开口度。悬臂1上升过程中带动液压缸2的活塞伸出，若比例换向阀13阀口开度较大，则活塞伸出速度也会较快。但是现有的恒压变量泵结构复杂，变量机构惯性大，响应速度较慢。此时恒压变量泵7已经无法提供活塞运动速度所需的流量，使得泵出口出现真空，不能提供液控单向阀19的反向开启压力，造成短时间内活塞停顿，液压缸出现“爬行”现象。悬臂1下降时带动液压缸2活塞缩回，在外负载作用下液压缸无杆腔产生较大背压，如果比例换向阀13和单向节流阀14的阀口开度较小，无杆腔油液不能快速流回油箱，会使无杆腔背压进一步增大，对系统可靠性和安全性形成威胁。

为此，有必要研究一种新颖的堆取料机俯仰液压系统及其控制方法，以能够有效减少系统能量损失，实现对液压缸速度和悬臂垂直位移的精确控制。

技术实现要素：

鉴于已有技术存在的缺陷，本发明的目的是要提供一种堆取料机俯仰液压系统，该系统能够解决现有堆取料机俯仰液压系统能源利用率低，无法实现精确调节液压系统流量的问题，通过控制俯仰液压缸的速度和悬臂垂直位移达到设计要求，以保证堆取料机能够高效、稳定、可靠地运行。

为了实现上述目的，本发明的技术方案：

一种堆取料机俯仰液压系统，其特征在于，包括：

控制堆取料机悬臂俯仰机构进行动作的主回路、为液控单向阀提供反向开启压力的液控单向阀控制回路以及在系统断电或发生故障状态下为系统提供动力的手动控制回路；其中，所述主回路包括与取料机悬臂俯仰机构连接的液压缸，与所述液压缸连接、用以控制液压缸的升降动作的第一电磁换向阀，与所述第一电磁换向阀连接、用以避免油液回流的第一单向阀，与所述第一单向阀连接、用以为主回路提供过压保护的第一溢流阀，与所述第一单向阀连接、用以过滤油液中杂质的过滤器，与所述过滤器连接的定量泵，与所述定量泵连接、用以带动定量泵为系统提供动力的变频电机，两个分别与所述第一电磁换向阀连接、用以防止由内泄引起的液压缸下滑的液控单向阀，两个分别与各所述液控单向阀一一对应连接、用以防止活塞杆出现伸缩动作的防爆阀以及用以实现在一定条件下使得液压缸的无杆腔中的液压油一部分泄回油箱，一部分进入有杆腔对有杆腔进行补油的两组双溢流制动阀，所述双溢流制动阀包括第二单向阀以及第二溢流阀，所述一定条件是指在液压缸的活塞杆承受一定载荷而迅速下降时，液压缸的无杆腔承受一定的压力，同时其有杆腔形成真空的状态；所述液控单向阀控制回路包括由电机带动、用以作为动力源的定量泵，与所述定量泵连接、用以避免油液回流的第三单向阀，与所述第三单向阀连接、用以为本液控单向阀控制回路提供过压保护的第三溢流阀以及与所述液控单向阀连接，用以控制各液控单向阀反向启闭的第二电磁换向阀；所述手动控制回路包括用以实现人工操作的手动泵，与所述手动泵连接、用以为手动控制回路提供过压保护的第四溢流阀，用以控制液压缸进行升降动作的手动换向阀以及用以防止由内泄引起的液压缸下滑的液压锁。

本发明的另一目的是要提供一种能够对上述堆取料机俯仰液压系统进行闭环控制的堆取料机俯仰液压系统闭环控制系统，其特征在于，包括：

用以检测液压缸的速度信号的速度传感器；

用以检测液压缸的角位移信号的角位移传感器；

两个分别与所述速度传感器、角位移传感器连接、用以实现将模拟信号转换成数字信号的A/D转换模块；

与所述A/D转换模块连接、用以将所输入数字信号通过内置PID进行逻辑运算并向变频器输出数字控制信号的PLC可编程控制器；同时PLC可编程控制器28用以给定第一电磁换向阀及第二电磁换向阀数字信号以控制第一电磁换向阀或第二电磁换向阀换向，从而实现悬臂的升降动作；

与所述PLC可编程控制器连接、用以将数字信号转换成模拟信号的D/A转换模块；

与所述D/A转换模块连接、用以根据PLC可编程控制器所输出的模拟信号，改变所述变频电机的工作电源频率方式来控制变频电机的转速的变频器23；

以及用于检测变频电机的转速信号的旋转编码器。

本发明的另一目的是要提供一种能够对上述堆取料机俯仰液压系统进行闭环控制的堆取料机俯仰液压系统闭环控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、通过PLC可编程控制器输出数字控制信号，该数字控制信号经D/A转换模块转换成对应的模拟信号后输入给变频器，通过变频器控制变频电机的转速，以实现对定量泵转速的控制；同时PLC可编程控制器给定第一电磁换向阀及第二电磁换向阀数字信号以控制第一电磁换向阀或第二电磁换向阀换向，从而实现悬臂的升降动作；

步骤2、通过速度传感器将检测到的液压缸的速度信号经A/D转换模块转换成数字信号，通过角位移传感器将检测到的液压缸的角位移信号经A/D转换模块转换成数字信号并通过旋转编码器检测变频电机的转速信号，上述三种信号反馈至PLC可编程控制器，PLC可编程控制器经预设的PID逻辑运算后输出相应的控制信号，以实现对液压缸的速度和悬臂机构垂直位置的闭环控制。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明极大程度地减少了能源消耗，提高了系统工作效率；其利用变频器控制变频电机转速驱动定量泵，使泵的输出流量适应系统要求，最大限度地减少了溢流损失；并采用电磁换向阀减少了节流损失，降低了油液发热量；

2、由于现有的变量泵斜盘的摆角只能限制在一定的范围内使得调速范围受限，因此本发明采用变频电机带动定量泵使得系统调速范围增大以克服上述缺陷；

3、本发明采用电磁换向阀，省去了对传动介质要求较高的比例换向阀，对传动介质及过滤精度的要求有所降低。

4、本发明避免了电机和液压泵的高速连续运转，从而有效地降低系统噪声和机件磨损，提高液压系统的使用寿命和可靠性；

5、本发明省去了带有复杂变量机构的变量泵，提高了系统响应速度，结构更合理；

6、本发明经过变频器内置PID逻辑计算，具有更好的控制特性，实现了对液压缸速度和悬臂垂直位移地精确闭环控制。

附图说明

图1为现有俯仰机构与主机联结示意图；

图2为现有的堆取料机俯仰液压系统原理图；

图3为所述堆取料机俯仰液压系统原理图；

图4为所述闭环控制系统控制原理框图。

图中：1、悬臂机构；2、液压缸；3、俯仰铰点；4、支撑铰座；5、转盘；6、异步电机；7、恒压变量泵；8、第四溢流阀；9、手动泵；10、过滤器；11、第一单向阀；12、第一溢流阀；13、比例换向阀；14、单向节流阀；15、电磁换向阀；16、单向节流阀；17、手动换向阀；18、液压锁；19、液控单向阀；20、防爆阀；21、第二单向阀；22、第二溢流阀；23、变频器VFD；24、变频电机；25、定量泵；26、旋转编码器PG；27、D/A转换模块；28、PLC可编程控制器；29、定量泵；30、电机；31、第三单向阀；32、第三溢流阀；33、第二电磁换向阀；34、第一电磁换向阀；35、A/D转换模块；36、速度传感器；37、角位移传感器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

随着大型机械设备机械化、自动化技术的不断发展，堆取料机的少人甚至无人化是一种未来发展趋势，而堆取料装备的机械化和自动化是实现这一趋势的必要条件。针对上述背景，本发明提出了一种堆取料机俯仰液压系统，其是对现有堆取料机俯仰液压系统的改进。具体的，现有堆取料机俯仰液压系统控制方式为开环控制，其动力源一般采用异步电机带动恒压变量泵，通过调节比例换向阀和单向节流阀阀口开度调节进入液压缸的流量，进而控制液压缸的伸缩速度；并靠操作工人视力判断进行悬臂高度的调整。同时现有斗轮堆取料机俯仰液压系统还存在能源利用率低，液压缸速度和悬臂高度控制精度一般的问题，无法达到堆取料机俯仰液压系统对液压缸速度和悬臂垂直位移的控制要求，从而影响了堆取料机的工作效率及可靠性。

本发明提出的一种堆取料机俯仰液压系统其采用变频器控制变频电机的转速来驱动定量泵，使泵的输出流量满足系统要求，同时采用电磁换向阀实现液压缸伸缩动作的控制，该系统属于一种直驱式容积控制电液系统。与现有堆取料机俯仰液压系统相比，定量泵比变量泵的可靠性更高，泵转速控制系统节能效果更好，这种新型液压系统具有变频电机控制灵活、功耗低、效率高、噪声低、结构简单等优势；而且变频电机带动定量泵，系统调速范围增大；将比例换向阀换成电磁换向阀，降低了对传动介质及过滤精度的要求；电机工作方式由连续工作改为间歇工作，有效地降低系统噪声和机件磨损，提高元件使用寿命。

本发明所述堆取料机俯仰液压系统如图3所示，由主回路、液控单向阀控制回路、手动控制回路组成；

主回路用以控制堆取料机悬臂俯仰机构进行动作，其包括变频电机24、定量泵25、过滤器10、第一单向阀11、第一溢流阀12、第一电磁换向阀34、液控单向阀19、防爆阀20、第二单向阀21、第二溢流阀22以及液压缸2；其由变频电机24带动定量泵25为系统提供动力，过滤器10用于过滤油液中的杂质，第一单向阀11用于避免油液回流，第一溢流阀12为主回路提供过压保护，第一电磁换向阀34用于控制液压缸的升降动作，液控单向阀19(包括液控单向阀19-1、液控单向阀19-2)用于防止由内泄引起的液压缸下滑，当系统压力过高导致管路破裂时，防爆阀20起保护作用，防止活塞杆出现伸缩动作，第二单向阀21和第二溢流阀22组成双溢流制动阀(所述双溢流制动阀包括第二单向阀21以及第二溢流阀22)，在液压缸活塞杆承受较大载荷而迅速下降时，无杆腔承受较大压力，有杆腔形成真空，此时无杆腔中的液压油一部分泄回油箱，一部分经相应的第二单向阀进入有杆腔对有杆腔进行补油。

液控单向阀控制回路用以为液控单向阀19-1、19-2提供反向开启压力，其由定量泵29、电机30、第三单向阀31、第三溢流阀32、第二电磁换向阀33组成；其中电机30带动定量泵29作为动力源，第三单向阀31用于避免油液回流，第三溢流阀32为液控单向阀回路提供过压保护，第二电磁换向阀33用于控制液控单向阀19-1和19-2的反向启闭，之所以设计液控单向阀控制回路，是为了避免出现因外负载变化引起的液压系统无法提供液控单向阀19-1、19-2反向开启压力的问题，而造成短时间内活塞停顿，液压缸“爬行”的现象。

手动控制回路用以在系统断电或发生故障状态下为系统提供动力；其包括第四溢流阀8、手动泵9、手动换向阀17及液压锁18，其中第四溢流阀8为手动控制回路提供过压保护，手动换向阀17用于控制液压缸升降动作，液压锁18用于防止由内泄引起的液压缸下滑。

上述液压系统的工作过程为：当悬臂机构1进行上升动作时，电磁铁YH1、YH4同时得电；主回路中变频电机24带动定量泵25转动，为系统提供动力，液压油依次经过过滤器10、第一单向阀11、第一电磁换向阀34左位、液控单向阀19-1，以及两个防爆阀20-1、20-3，分别进入液压缸2-1、2-2的无杆腔，压力油推动液压缸2-1、2-2的活塞向上运动，实现悬臂的上升，液压缸2-1、2-2有杆腔油液分别经过两个防爆阀20-2、20-4，液控单向阀19-2以及第一电磁换向阀34左位流回油箱；液控单向阀控制回路为液控单向阀19-2提供反向开启压力，电机30带动定量泵29作为液控单向阀控制回路动力源，油液依次经过单第三向阀31、第二电磁换向阀33右位，流入液控单向阀19-2的控制油口，使液控单向阀19-2反向开启。

当悬臂机构1进行下降动作时，电磁铁YH2、YH3同时得电；主回路中变频电机24带动定量泵25转动，为系统提供动力；液压油依次经过过滤器10、第一单向阀11、第一电磁换向阀34右位、液控单向阀19-2、以及两个防爆阀20-2、20-4，分别进入液压缸2-1、2-2的有杆腔，在悬臂和活塞自重作用以及压力油推动作用下，液压缸2-1、2-2的活塞向下运动，实现悬臂的下降；液压缸2-1、2-2的无杆腔油液分别经过两个防爆阀20-1、20-3，液控单向阀19-1、第一电磁换向阀34右位流回油箱；液控单向阀控制回路为液控单向阀19-1提供反向开启压力，电机30带动定量泵29作为液控单向阀控制回路动力源，油液依次经过第三单向阀31、第二电磁换向阀33左位，流入液控单向阀19-1的控制油口，使液控单向阀19-1反向开启。

在系统断电或发生故障等紧急状况时，操作工人手动实现手动泵9、手动换向阀17动作；当悬臂进行上升动作时，液压油从手动泵9依次流入手动换向阀17右位、液压锁18，以及两个防爆阀20-1、20-3，分别进入液压缸2-1、2-2的无杆腔，压力油推动液压缸2-1、2-2的活塞向上运动，实现悬臂的上升；液压缸2-1、2-2有杆腔油液分别经过两个防爆阀20-2、20-4，液压锁18、手动换向阀17右位流回油箱；当悬臂进行下降动作时，液压油从手动泵9依次流入手动换向阀17左位、液压锁18，以及两个防爆阀20-2、20-4，分别进入液压缸2-1、2-2的有杆腔，在悬臂和活塞自重作用以及压力油推动作用下，液压缸2-1、2-2的活塞向下运动，实现悬臂的下降；液压缸2-1、2-2无杆腔油液分别经过两个防爆阀20-1、20-3，液压锁18、手动换向阀17左位流回油箱。

上述过程所对应的液压传动基本公式：

液压缸在悬臂上升过程中的速度为：

液压缸在悬臂下降过程中的速度为：

式中q—液压缸输入的流量(m³/s)；

D—活塞直径(m)；

d—活塞杆直径(m)。

对于俯仰液压缸，要求升降过程中匀速运动，则根据上述公式，俯仰液压缸的活塞面积D和活塞杆的面积d均为常数，可通过调节液压缸的输入流量q使得v₁＝v₂。因此通过改变泵的转速便可改变液压缸的输入流量，实现液压缸速度的控制。

例如如图1，液压缸与水平面的夹角为θ，则液压缸的垂直位移为：H＝v·sinθ·t式中v—液压缸运动速度(m/s)；t—液压缸运动时间(s)。

其在运动过程中，悬臂和液压缸的垂直位移相等；悬臂升降时，液压缸与水平面的夹角θ不断变化，角位移传感器37实时检测液压缸与水平面的夹角信号，通过调节液压缸的运动时间t即可实现液压缸垂直位移的控制，从而实现悬臂垂直位移的精确控制。

本发明的另一目的是要提供一种能够对上述堆取料机俯仰液压系统进行闭环控制的堆取料机俯仰液压系统闭环控制系统，其特征在于，包括：

用以检测液压缸的速度信号的速度传感器36；

用以检测液压缸的角位移信号的角位移传感器37；

两个分别与所述速度传感器、角位移传感器连接、用以实现将模拟信号转换成数字信号的A/D转换模块35-1、35-2；

与所述A/D转换模块连接、用以将所输入数字信号通过内置PID进行逻辑运算并向变频器输出数字控制信号的PLC可编程控制器28；同时PLC可编程控制器28用以给定第一电磁换向阀及第二电磁换向阀数字信号以控制第一电磁换向阀或第二电磁换向阀换向，从而实现悬臂的升降动作；

与所述PLC可编程控制器连接、用以将数字信号转换成模拟信号的D/A转换模块27；

与所述D/A转换模块连接、用以根据PLC可编程控制器所输出的模拟信号，改变所述变频电机24的工作电源频率方式来控制变频电机的转速的变频器23；

以及用于检测变频电机的转速信号的旋转编码器26。

具体的堆取料机俯仰液压系统闭环控制系统控制框图如图4所示。PLC可编程控制器28输出数字控制信号，经D/A转换模块27转换成数字信号后输入给变频器23；变频器23控制变频电机24的转速，从而实现对定量泵25转速的控制；同时PLC可编程控制器28给定第二电磁换向阀33、第一电磁换向阀34对应的数字信号，控制换向阀换向，实现悬臂的升降动作；速度传感器36将检测到的液压缸2速度信号经A/D转换模块35-1转换成数字信号，角位移传感器37将检测到的液压缸2的角位移信号经A/D转换模块35-2转换成数字信号，以及旋转编码器26将检测到的变频电机24转速信号同时反馈给PLC可编程控制器28，随后经过PID逻辑运算后输出控制信号，最终实现液压缸2速度和悬臂1垂直位置的闭环控制。

本发明的另一目的是要提供一种能够对上述堆取料机俯仰液压系统进行闭环控制的堆取料机俯仰液压系统闭环控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、通过PLC可编程控制器输出数字控制信号，该数字控制信号经D/A转换模块转换成对应的模拟信号后输入给变频器，通过变频器控制变频电机的转速，以实现对定量泵转速的控制；同时PLC可编程控制器给定第一电磁换向阀及第二电磁换向阀数字信号以控制第一电磁换向阀或第二电磁换向阀换向，从而实现悬臂的升降动作；

步骤2、通过速度传感器将检测到的液压缸的速度信号经A/D转换模块转换成数字信号，通过角位移传感器将检测到的液压缸的角位移信号经A/D转换模块转换成数字信号并通过旋转编码器检测变频电机的转速信号，上述三种信号反馈至PLC可编程控制器，PLC可编程控制器经预设的PID逻辑运算后输出相应的控制信号，以实现对液压缸的速度和悬臂机构垂直位置的闭环控制。

本设计提出的控制方法，通过实时监测液压缸速度、液压缸角位移以及变频电机转速的信号，反馈给PLC可编程控制器并通过内置PID逻辑运算，给定变频器输入信号控制变频电机的转速，最终实现对液压缸速度和悬臂垂直位移的闭环控制。综上所述，本发明具有控制方法简单，能够保证堆取料机能够高效、稳定、可靠地运行等优点。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。