摘要：介紹了流動舞臺車舉升同步液壓系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)，并針對客戶對同步精度的嚴格要求，設(shè)計了PLC控制比例換向閥的方案，實現(xiàn)了同步精度±1%的目標。

關(guān)鍵詞：流動舞臺車；舉升同步；比例換向閥；磁致伸縮位移傳感器；PLC控制

中圖分類號：U463.5? 收稿日期：2023-11-23

DOI：1019999/jcnki1004-0226202401010

1 前言

流動舞臺車（Flow stage vehicle）又稱為移動舞臺車，是為方便流動路演、文藝演出、品牌推廣、戶外廣告、產(chǎn)品展示和現(xiàn)場促銷等戶外活動而研發(fā)的一種流動型專用車。

舉升機構(gòu)是流動舞臺車最常用也是最重要的機構(gòu)，在車廂展開時，舉升機構(gòu)一般可實現(xiàn)舉升2 m行程。由于流動舞臺車前后跨度大、重量重，在舉升、下降過程中對舉升機構(gòu)前后端同步精度要求高，需滿足在±1%之間。否則，若出現(xiàn)一端高一端低會無法舉升、下降，嚴重時會損壞車輛甚至會出現(xiàn)安全事故。因此，舉升機構(gòu)的同步控制技術(shù)即電液比例技術(shù)為流動舞臺車的關(guān)鍵技術(shù)。

圖1所示為一款高檔流動舞臺車，其外形美觀、功能齊全、操作簡便。它主要包括底盤和上裝兩部分。底盤部分裝有八支液壓支腿。上裝部分由二層舉升廂體、側(cè)墻、擴容廂及底板組成，各動作均采用液壓油缸來實現(xiàn)。整車展開后可形成左右對稱、上下兩層的舞臺。

該舞臺車的關(guān)鍵技術(shù)為二層舉升廂體的垂直同步升降。二層舉升廂體前后跨度為13 m，上升行程為2.1 m，完全上升后形成二層空間。其上升、下降均由液壓油缸的伸縮動作來實現(xiàn)。動作過程中，對二層舉升廂體前、后端同步要求較高，同步精度≤1%，即2.1 m的行程其前后端不同步的情況下不能高于21 mm，否則二層舉升廂體內(nèi)側(cè)和側(cè)墻之間會產(chǎn)生摩擦，損壞二層舉升廂體或側(cè)墻。

目前，雙層舞臺車二層舉升廂體的液壓同步升降技術(shù)主要有如下兩種：

a.采用分流集流閥控制的方法。該方法采用分流集流閥控制的同步系統(tǒng)，同步穩(wěn)定性較差。舞臺車在調(diào)試好后，同步效果尚可，但使用一段時間后，因使用中路況不平會產(chǎn)生震動、沖擊，分流集流閥參數(shù)會發(fā)生變化致使同步效果變差，難以滿足同步精度要求。

b.采用同步油缸或同步馬達的控制方法。采用同步油缸或同步馬達的同步系統(tǒng)，由于實際無法制造出尺寸、規(guī)格、精度、密封完全相同的同步油缸或同步馬達，因此其同步精度也不理想［1］。

由于這兩種同步方式都存在缺陷，且同步精度均大于2%，無法滿足此雙層舞臺車高同步精度要求。為滿足此雙層舞臺車高精度舉升同步的要求，在設(shè)計中采用了電液比例同步控制技術(shù)。

2 電液比例同步控制液壓系統(tǒng)組成

2.1 油缸布置

液壓油缸布置如圖2所示。二層舉升廂體1由呈對角線布置的前舉升油缸2和后舉升油缸5驅(qū)動，同時，呈對角線布置的前舉升導柱3和后舉升導柱4起輔助支撐作用。二層舉升廂體升起后狀態(tài)如圖3所示。

2.2 電液比例同步控制液壓系統(tǒng)原理

液壓同步系統(tǒng)可分為速度同步系統(tǒng)和位置同步系統(tǒng)，該車系統(tǒng)為位置同步系統(tǒng)。二層舉升廂體由成對角線布置的兩支舉升油缸實現(xiàn)升降，舉升油缸行程2.1 m，兩支油缸跨度為13 m。根據(jù)客戶要求，在自動升降過程中，前后偏差不能超過21 mm，舉升同步控制液壓系統(tǒng)組成如圖4所示。

該舉升同步控制系統(tǒng)前、后舉升油缸8、9的速度分別由電磁換向閥1和比例換向閥2控制。兩支油缸內(nèi)分別安裝有磁致伸縮位移傳感器10、11。為保證二層舉升廂體在升降過程中能可靠地停在任意位置，設(shè)置了液壓鎖3、4。為了舉升安全，使舉升過程平穩(wěn)可靠，油路中設(shè)計有平衡閥6、7。為保證液壓系統(tǒng)管路安全，系統(tǒng)中設(shè)置有防爆閥［2］。

下面論述電液比例控制同步升降系統(tǒng)工作原理。

a.二層舉升廂體上升。如圖4所示，當按下上升啟動開關(guān)后，電磁換向閥1左位得電工作，壓力油P經(jīng)過電磁換向閥的左位，從油口A進入前液壓鎖3，再經(jīng)過節(jié)流閥5和平衡閥7后流入前舉升油缸8的無桿腔，推動活塞桿向上運動。此時，前磁致伸縮位移傳感器10檢測到前舉升油缸8的活塞桿微小位移，并把此位移信號輸入到PLC控制器12，PLC控制器12對此位移信號和后磁致伸縮位移傳感器11輸出的位移信號（此時為初始狀態(tài)，其值為零）進行比較計算，然后PLC控制器12輸出一個正電壓值給比例換向閥2的左位電磁鐵。此時，比例換向閥2左位工作，壓力油P由油口C進入后液壓鎖4，再經(jīng)過后平衡閥6流入后舉升油缸9的無桿腔，推動活塞桿向上運動。至此，完成了二層舉升廂體上升的啟動周期。此后，后舉升油缸9的活塞桿總是按照此周期跟隨前舉升油缸8的活塞桿連續(xù)地上升，直到上升到終點位置。

b.二層舉升廂體下降。同理，當按下下降啟動開關(guān)后，電磁換向閥1右位得電工作，壓力油P經(jīng)過電磁換向閥1的右位，從油口B進入前液壓鎖3，再經(jīng)過節(jié)流閥5后流入前舉升油缸8的有桿腔，推動活塞桿向下運動。此時，前磁致伸縮位移傳感器10檢測到前舉升油缸8的活塞桿微小位移，并把此位移信號輸入到PLC控制器12，PLC控制器12對此位移信號和后磁致伸縮位移傳感器11輸出的位移信號（此時為最大值狀態(tài)）進行比較計算，然后PLC控制器12輸出一個負電壓值給比例換向閥2的右位電磁鐵。此時，比例換向閥2右位工作，壓力油P由油口D進入后液壓鎖4后流入后舉升油缸9的有桿腔，推動活塞桿向下運動。至此，完成了二層舉升廂體下降的啟動周期。此后，后舉升油缸9的活塞桿總是按照此周期跟隨前舉升油缸8的活塞桿連續(xù)地下降，直到下降到終點位置［3］。

3 主要元器件選型

3.1 磁致伸縮位移傳感器

3.1.1 工作原理

磁致伸縮位移傳感器主要利用磁致伸縮效應(yīng)來完成工作。所謂磁致伸縮效應(yīng)，是指鐵磁材料或亞鐵磁材料由于其磁狀態(tài)的變化而造成物質(zhì)形狀和尺寸發(fā)生變化的現(xiàn)象。

其具體工作原理：利用兩個不同磁場相交時產(chǎn)生一個應(yīng)變脈沖信號，計算檢測到此信號所需的時間周期，從而換算出準確的位置。此兩個磁場分別來自外部活動磁環(huán)和傳感器電子倉中的電子部件產(chǎn)生的激勵脈沖。激勵脈沖沿傳感器內(nèi)用磁致伸縮材料制造的波導管以聲速運行，當與磁環(huán)中的永磁場相交時，由于磁致伸縮現(xiàn)象，波導管產(chǎn)生的機械振動形成一個應(yīng)變脈沖。應(yīng)變脈沖很快便被電子倉中的感測電路探測到。從產(chǎn)生激勵脈沖到應(yīng)變脈沖被探測到的總時間乘以固定的聲速，便能準確計算出磁鐵的位置變化。由于此過程是連續(xù)不斷的，所以每當磁環(huán)位置改變時，新的位置便會迅速被測量出來。

磁致伸縮位移傳感器能承受高溫、高壓和高振蕩環(huán)境，其輸出為絕對值信號，即使電源中斷重接也無須重新歸零。傳感元件和磁環(huán)為非接觸安裝，即便不斷重復(fù)測量也不會對傳感器造成任何磨損。

3.1.2 傳感器安裝

磁致伸縮位移傳感器有外置式和內(nèi)置式兩種安裝方式。因舞臺車舉升油缸安裝空間有限，故采用內(nèi)置式安裝方式，如圖5所示。

傳感器通過螺紋與油缸底座安裝連接，因工作時油缸內(nèi)油壓高達16 MPa，故連接處用紫銅墊密封。波導管長度2.2 m，其內(nèi)置于油缸活塞桿里，活塞桿開孔長度大于波導管，直徑大于波導管直徑，所以彼此無接觸。磁環(huán)固定于油缸活塞上，工作時磁環(huán)隨油缸活塞一起移動，電子倉感測電路檢測到磁環(huán)的位移即活塞的位移，也就是油缸活塞桿上下移動的位移。因傳感器有上下兩端死區(qū)，此死區(qū)為磁環(huán)感測無效區(qū)，在設(shè)計安裝時要注意使磁環(huán)避開此區(qū)域。該傳感器供電電壓+24VDC（±10%），輸出信號為4～20 mA。

3.2 比例閥換向閥

因整車空間有限，為求結(jié)構(gòu)緊湊，液壓系統(tǒng)采取疊加式液壓閥控制，液壓動力站安裝于車底盤兩側(cè)。液壓泵采用交流電機驅(qū)動，系統(tǒng)流量約為15 L/min，正常工作壓力16.0 MPa。選用06通徑電磁換向閥和節(jié)流閥。比例換向閥型號為DHZO-AE-073-S3。此閥為Y形中位機能，閥內(nèi)不帶位置傳感器。電子放大器型號為E-RI-AE-05F，電源24VDC，輸入信號±10 V。根據(jù)輸入電信號的大小提供方向及流量控制。當輸入信號為0～+10 V時，液流方向為P→A/B→T。當輸入信號為-10 V～0時，液流方向為P→B/A→T。比例換向閥流量調(diào)節(jié)性能如圖6中曲線5所示。圖中0-X為死區(qū)范圍。

3.3 控制系統(tǒng)組成及控制原理

控制系統(tǒng)含有模擬量輸入、輸出等參量，選用性能可靠、編程簡單的西門子S7-200CPU系列PLC。用戶程序中包括定時器、數(shù)據(jù)處理及PID控制等指令內(nèi)容。整個控制系統(tǒng)的硬件包括CPU224（AC/DC/Relay），EM235（4模擬量輸入、1模擬量輸出）擴展模塊。

工作原理：如圖4所示，前舉升油缸8的速度由節(jié)流閥5控制，系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試穩(wěn)定后，節(jié)流閥5的節(jié)流口開度鎖定。后舉升油缸9的速度由比例換向閥2控制。當舉升啟動時，電磁換向閥1得電工作，前舉升油缸運動。此時，前后舉升油缸內(nèi)位移傳感器反饋電流信號（4～20 mA）輸入PLC控制系統(tǒng)進行比較，比較后輸出電壓信號（-10～+10 V）控制比例換向閥的方向及其開度，從而控制后舉升油缸的運動速度［4-5］。

4 安裝與調(diào)試

4.1 調(diào)試的主要項目和內(nèi)容

a.二層舉升廂體升降時前后端的同步精度。經(jīng)過調(diào)試，二層舉升廂體升降時前后端的同步精度均≤1%。

b.升降速度。經(jīng)過調(diào)試，二層舉升廂體上升速度穩(wěn)定在2 m/min，下降速度穩(wěn)定在2.5 m/min。

4.2 調(diào)試注意事項

a.液壓系統(tǒng)泵出口處必須安裝精度不低于25 ?m的高壓過濾器以保護比例閥；比例閥四個緊固螺栓強度等級為12.9級，擰緊力矩為8 N·m。連接電子放大器7芯接頭線時，一定要注意各線的編號。

b.必須保證磁致伸縮位移傳感器安裝的垂直度要求。設(shè)置安全罩板以保護電子倉；不要在傳感器安裝處附近進行焊接作業(yè)，以免電流過大燒壞傳感器芯片。

c.安裝PLC控制器和擴展模塊時，需加裝減震墊。保證傳感器信號輸出線和擴展模塊輸入端以及擴展模塊輸出端和比例閥信號線連接的正確性，同時檢查各控制邏輯的正確性。

d.初次調(diào)試前，把節(jié)流閥4開度盡量調(diào)小，以免比例閥控制的后油缸速度能跟上。然后逐漸增大開度調(diào)試，最終穩(wěn)定時使比例閥的輸出數(shù)據(jù)穩(wěn)定在25 000左右［6］。

5 方案運行效果

a.采用電液比例技術(shù)，使液壓舉升同步精度達到±1%，解決了因舉升不同步產(chǎn)生墻體刮花、廂體變形等問題。

b.經(jīng)過1年的投入使用，系統(tǒng)運行平穩(wěn)、可靠，達到了預(yù)期效果，得到了客戶的好評。

6 結(jié)論

采用電液比例控制同步升降系統(tǒng)取代原液壓系統(tǒng)中分流集流閥或同步油缸后有如下優(yōu)點：

a.提高了二層舉升廂體升降時同步精度。采用分流集流閥同、同步油缸或同步馬達的系統(tǒng)，其二層舉升廂體升降同步精度≥2%，以致二層舉升廂體和墻體之間經(jīng)常產(chǎn)生摩擦，影響車身壽命。采用電液比例控制同步升降系統(tǒng)后，二層舉升廂體升降同步精度≤1%，二層舉升廂體和墻體之間無摩擦，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，延長了車身壽命。

b.提高了產(chǎn)品安全性能。采用分流集流閥、同步油缸或同步馬達的系統(tǒng)，當二層舉升廂體上升或下降不同步時系統(tǒng)無法自動檢測。采用電液比例控制同步升降系統(tǒng)后，系統(tǒng)能自動檢測到不同步值，而且由于程序中設(shè)置了自動保護功能，當不同步超過某個值時，系統(tǒng)會自動停止二層舉升廂體的上升或下降，這樣就避免了二層舉升廂體和墻體之間的摩擦。

c.自動化升降，操作更簡便。分流集流閥或同步油缸的系統(tǒng)，屬于手動操作方式，二層舉升廂體行程終點依靠人為掌握，難免出現(xiàn)誤差，致使液壓系統(tǒng)壓力升高，影響系統(tǒng)壽命。電液比例控制同步升降系統(tǒng)，屬于自動操作方式，二層舉升廂體到達行程終點時會自動停止，避免了液壓系統(tǒng)壓力升高，延長了產(chǎn)品壽命。

d.重量更輕、結(jié)構(gòu)更緊湊。同步油缸體積大，占用半掛車底架的空間大，且不易安裝。而磁致伸縮位移傳感器內(nèi)置于舉升油缸，幾乎不占用外部空間，比例換向閥和PLC又屬輕巧型元件，所以采用電液比例控制系統(tǒng)后，整車重量更輕、結(jié)構(gòu)更緊湊。

參考文獻：

[1]張紹九液壓同步系統(tǒng)[M]北京：化學工業(yè)出版社，2010.

[2]潘煉傳感器原理及應(yīng)用[M]北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[3]李浩電液比例控制技術(shù)在耙頭絞車主動補償系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J]液壓與氣動，2013（4）：66-67.

[4]祝福，陳貴銀西門子S7-200系列PLC應(yīng)用技術(shù)[M]北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[5]殷洪義可編程控制器的選擇、設(shè)計與維護[M]北京：機械工業(yè)出版社，2002.

作者簡介：

周明，男，1979年生，工程師，研究方向為流動舞臺車電液技術(shù)。