液壓啟閉機內置式位移傳感器與同步控制技術的研究

       液壓啟閉機的主要工作機構是大直徑、長行程（最 長可達20m)的液壓缸。這些液壓缸在工作過程中絕大 部分要求有行程檢測或速度控制， 通過對所測信號的 數據處理后再作為控制信號來控制液壓缸的行程和速 度，來滿足啟閉機閘門各種啟閉特性的要求，如人字門 液壓啟閉機要求根據閘門啟閉時的受力狀態， 調節推拉速度；在首尾行程段要求緩速行進以及雙缸必須保持同步等。為對液壓啟閉機中大型液壓缸行程檢測和控制，近年來國外推出一項新技術--陶瓷測量系統。這一技術的主要特點是在液壓缸的活塞桿上加工出具有一定齒距的溝槽，在其表面涂上一層陶瓷，使活塞桿外表是光滑的圓柱表面；在缸蓋上嵌入一套傳感器，當塞桿移動時， 利用活塞桿導磁性和槽內填充材料導磁性的不同檢測其位移。 對檢測的位移信號經一定的處理后，就可用于對液壓缸位移、速度以及雙缸的同步控一制。 這 技術具有很高的可靠性，維修方便，適用于熱議長度的活塞桿，受到各行業的廣泛關注。在20世紀90年代中、后期，在我國部分水利工程一項目上引進這項技術， 但經過 段時間的使用暴露出 一些問題， 主要是液壓缸的密封圈容易損壞。 分析認為，液壓缸的活塞桿采用陶瓷涂層后，含油性能遠不如 鏡銘涂層，雖然抗腐蝕能力提高了，但潤滑性能降低， 使液壓缸做往復運動時密封件很容易磨損、失效。 另外，液壓缸所使用的密封件多是用于金屬表面，而陶瓷 屬非金屬，因此直接使用原有的密封件，耐磨性很難保證。解決陶瓷表面活塞桿的密封問題是CIMS技術在 液壓啟閉機中應用的關鍵。經過兩年多的努力，研制出 新型內置式磁致伸縮位移傳感器， 可用于普通的表面鏡銘活塞 桿， 方便地實現了液壓啟閉機的位置控制和雙缸同步 控制，并具有很高的控制精度。

2新型行程檢測裝置的組成及工作原理

       新型行程檢測裝置是內置式的， 其結構與陶瓷測 量系統相似，由活塞桿和傳感元件組成。在活塞桿上加 工有具有一定齒距的溝槽，傳感元件裝在缸蓋上。我們研制的行程檢測裝置在齒形、 活塞桿表面涂層以及傳 感元件等方面與CIMS都不相同。

2.1齒形設計

       齒形的設計是以其加工工藝性， 與傳感器性能的匹配和簡化電路為前提， 經過對幾種齒形的對比試驗一種比較合適的齒形，齒形為矩形齒，和分析，優選出齒距20mm, 凹槽寬10mm, 齒深0.5--0.8mm 。這種齒形可在一般精度的車床上加工，即使液壓缸行程長達十幾米，只要車床的長度足夠，使用較耐磨的 刀具，加工并不困難，如用數控機床加工就更為簡便和 可靠。

2.2活塞桿涂層

       活塞桿涂層可有多種方案，可根據啟閉機的實際 工況，由用戶適當選取。這里介紹幾種我們試驗過的可 行方案。

I. 黃銅－鎖銘方案先在齒槽中燒焊或噴涂黃銅，將齒槽填滿。然后將外圓加工一次，成光滑外表面，再像一般活塞桿一樣鎖銘。

2.噴涂陶瓷方案 將齒槽噴涂滿陶瓷，并在圓柱外表也噴涂上一定厚度的陶瓷層，然后將外圓磨到所需 的活塞桿尺寸。

3. 噴涂銖銘合金方案 將齒槽噴涂滿銖銘合金，并 在圓柱外表也噴涂上一定厚度的鏡絡合金，然后將外 圓磨到所需的尺寸。

       常用的噴涂方法有氧乙炊噴涂、等離子噴涂、爆炸 噴涂和超音速噴涂等幾種，其中以等離子噴涂和爆炸 噴涂為好，它們有較好的粘接強度和致密性，價格也適 中。氧乙塊噴涂易使活塞桿因受熱而變形大，超音速噴 涂費用高，不推薦使用。

2.3傳感器設計

       測量位移的傳感器有霍爾效應器、磁敏電阻和電 感傳感器。使用霍爾效應器件的傳感器結構簡單，信號容易處理，但溫漂較大，長期戶外使用不易穩定。磁敏 電阻傳感器是一種比較理想的器件，但國內尚無成熟 的產品。電感傳感器需要配有調制解調電路，結構較復雜，但長期穩定性較好。我們研制的新型內置式傳感器采用了電感式傳感 元件。為平衡液壓缸承載后造成的活塞桿與缸蓋間沿 圓周方向的間隙不均勻，傳感器在液壓缸端蓋上沿圓 周方向布置4個，分成兩組，每組兩個，上下對稱布置。 為區分位移的方向，兩組在軸向有一相距。該傳感器為圓柱形線圈，直徑約為1/2齒槽周期，理論計算和實際 實驗均表明，當齒槽為1/2齒距時，矩形齒形可使電感 線圈的電感變化近似于正弦曲線， 這樣的信號變化規律便于處理，同時也比較有利于加工制造。經后面的細分電路處理，可使齒距較寬的齒形（如20mm)也能達到很高的控制精度。

       新型內置式位移傳感器可適用于液壓缸的任何行程長度的檢測，具有較好的穩定性、抗干擾性和溫度變化的適應性，可按啟閉機工況要求設定的 ＂ 位置－速度”曲線完成全行程的速度控制。并達到很高的測量和控制精度：分辨率為1 mm, 測董精度為士(l+-0.01%L) mm(L為缸最大行程），控制精度<蟻3+-0.01 雙缸同步控制精度<互3+-0扔%L)mm (當液壓缸速度≤5m/min時）。

       傳感器的檢測信號再經轉換等處理后，分別供顯示器、可編程控制器(PLC)作顯示信號和控制信號。
3模擬試驗

        為了檢驗所研制的傳感器性能，及其在液壓缸位 置和雙缸同步控制上的應用， 我們建立了模擬某重點水利工程永久船閘人字門液壓啟閉機運行工況的試驗 裝置。該裝置主要 由三部分組成：模擬門、模擬液壓系統和電控系統。模擬門按人字形布置，每扇門各由一臺裝有內置 式傳感器的液壓缸驅動， 試驗液壓缸參數為：中100/ 中80Xl000(tnm), 可滿足該永久船閘人字門液壓啟閉 機進行1/10最大行程(7276mm)模擬試驗的要求。液壓系統是采用比例變量泵進行容積調速。每個 液壓缸由一臺比例變量泵供油。經電控系統控制比例 伺服閥，來調節變董泵的排量，從而控制液壓缸的運動 速度和位移。比例變量泵是利用國產液控變量泵進行 改制，配以進口Bosch公司的比例伺服閥和自制放大 器組成的。

了比較好的結果。

 3.1單缸模擬試驗

       單缸模擬試驗可完成液壓缸內置式位移傳感器的 “定位精度” 和 “重復性能“檢測、液壓缸位置控制試驗 和速度控制試驗。在進行速度控制試驗時，首先根據啟閉機實際工 況要求作出位置－速度控制曲線，然后經過計算機的 處理，變成PLC可直接接受的數字量（離散點）信號，通過PLC的通訊模塊傳給CPU,再經過DIA轉換變成比 例變量泵可接受的模擬量信號 (0

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