液壓鎖
關注創建者：兵荒馬亂 創建時間：2021-02-20
液壓鎖的實例教程
對于垂直運動的負載，為了在任意位置停止的時候，負載可以可靠的鎖定，或者管路爆破的時候，油缸能夠鎖止并確保設備和人身安全，液壓系統設計工程師常常會考慮到液壓鎖。
但是，有了液壓鎖，就可以100%的鎖定了嗎？下面結合筆者的一個設計和調試案例，與大家分享一下關于液壓鎖的應用。
背景介紹：
鋼廠連鑄機大包回轉臺承載的鋼包裝有1500°左右的幾十或者上百噸的鋼水，因此設備和液壓系統的安全可靠運行非常重要。
如圖所示為大包回轉臺升降控制的液壓系統原理。
該原理包含兩部分。一部分是站內控制閥塊，右邊一組閥包含兩個板式插裝閥和一個兩位四通電磁閥，控制柱塞缸的升和降的動作和速度，左邊一組包含一個兩位四通電磁閥和一個疊加式節流閥，控制缸旁塊液壓鎖的啟閉及其速度。另外一部分是缸旁閥塊，包含液壓鎖、調速閥、常閉節流閥及溢流閥等，主要是實現調節運行速度、過載保護以及更重要的是在停止狀態下柱塞缸的鎖定功能。
在之前的設計中采用Rexroth的SL系列板式液控單向閥。正向，A至B自由流動；反向，如果X口通控制油，控制活塞4作用于主閥芯2，使其打開，則B可與A相通；Y口與A口隔離，Y口的壓力大小對主閥芯動作無影響。
該設計選型可以確保該原理可以正常的工作。
由于設備空間比較緊湊，需要對閥塊的結構尺寸進行優化；此外，也出于成本上的考慮，此處改用SUN公司的CV系列液控單向閥。
在調試過程中發現，當控制液控單向閥的電磁閥4.4失電的時候，柱塞缸無法鎖定在任意位置，會緩慢的下降。
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2 AMESim仿真軟件在液壓鎖緊回路教學中的應用
2.1 液控單向閥控制的液壓鎖緊回路與其他鎖緊回路的對比
液壓鎖緊回路即當液壓泵停止向執行元件供油后，執行元件能被鎖緊在要求位置上，當受到重力或外力作用時位置不變。例如，起重機的支撐腿在工作過程中活塞不能移動，這樣才能保證吊物時的安全。
鎖緊方式分單向鎖緊和雙向鎖緊，單向鎖緊時可用單向閥，雙向鎖緊時可利用液控單向閥、方向閥M型中位機能或液控順序閥。各種鎖緊方式如圖1所示。
圖1（a）采用二位四通閥和單向閥使液壓缸活塞鎖緊在液壓缸的兩端，實現雙端鎖緊；圖1（c）所示為采用換向閥的M型中位機能實現的雙向鎖緊回路，這兩種鎖緊方式涉及的閥體和液壓元件較簡單直觀，通過回路圖可較快理解其工作過程。圖1（b）采用兩個液控單向閥組成聯鎖回路，可以實現活塞在任意位置上的鎖緊。此回路鎖緊精度高，設計中應用本回路時，為了保證可靠鎖緊，其換向閥一般采用H型或Y型。
展開 控制液壓泵的電機轉速為 １ ５００ ｒ ／ ｍｉｎ，液壓缸活塞桿長度設為 １ ｍ，所連接質量塊的質量為 １００ ｋｇ， 控制換向閥開啟的分段線性信號分別設置為： 換向閥鎖緊回路中， 在 ｔ＝０～３ｓ 內為常量 １， 換向閥處于左位， 液壓缸活塞桿推動質量塊運動，在ｔ＝３～５ ｓ 內為常量０， 換向閥處于中位， 活塞桿停止運動并保持原位； 單向順序閥和液控單向閥鎖緊回路， 在ｔ＝０～３ｓ 內為常量-１， 換向閥處于右位，液壓缸活塞桿推動質量塊運動，在ｔ＝３～５ｓ內為常量０， 換向閥處于中位， 活塞桿停止運動并保持原位， 其他參數均為默認值。 最后在運行模式中設置運行參數， 運行時間為 ５ ｓ， 采樣周期為 ０ ０１ ｓ。
從圖換向閥鎖緊回路壓力曲線，在ｔ＝０～３ｓ 內， 換向閥鎖緊回路的液壓缸 １ 口和 ２ 口的壓力逐步上升； 當 ｔ＝３ｓ 時， 由于換向閥處于中位狀態， 開始鎖緊； 在 ｔ＝３～５ｓ 內， 壓力處于相對平穩狀態， 但進出口壓力均在一定范圍內波動， 會產生相應的震動， 對液壓元件產生相應的沖擊， 鎖緊效果一般。
從圖單向順序閥鎖緊回路壓力曲線可以看出，在ｔ＝０～３ｓ內， 單向順序閥和液控單向閥鎖緊回路液壓缸的進出口壓力處于不斷上升的狀態； 當 ｔ＝３ｓ 時， 由于換向閥從右位切換至中位， 壓力瞬間下降至 ０；在 ｔ＝３～５ｓ 內， 壓力處于平穩狀態， 液壓缸進出口壓力相同， 無震蕩， 對液壓元件沖擊小， 鎖緊效果良好。
在圖活塞桿位移曲線中，在 ｔ＝０～３ｓ 內，３ 種回路的活塞桿均推動負載運動， 位移逐漸增加； 當 ｔ ＝ ３ ｓ 時， 電磁換向閥處于中位鎖緊狀態， 活塞桿鎖定， 在ｔ＝３～５ｓ 內， 活塞桿位移保持不變。 從圖中還可以看出； 在短時間內， 就活塞桿位移變化而言， ３ 種回路均有良好的鎖緊效果。
展開 帶單電磁鐵的兩位四通閥失電處于右位的時候，比例/伺服閥前后的液壓鎖X口均連通T口而泄油，液壓鎖鎖定，油液無法逆向流動。當該電磁閥得電處于左位狀態，高壓油與X口接通，兩個液壓鎖均打開，此時比例/伺服閥就可以工作了。比例閥/伺服閥根據油缸的位移或者壓力信號，改變閥芯開度，實現連續調節。比例/伺服閥的給定信號類型較多，可以是±10mA、4~20mA的電流信號，或者是±10V的電壓信號等。比例/伺服閥前的減壓閥回路用于進行壓力選擇。參考之前所述。
與左邊比例/伺服閥回路并聯的右邊一組常規回路包含:三位四通換向閥+液壓鎖+節流閥。電磁閥失電時，閥芯中位，液壓鎖控制油回油箱，液壓鎖可以可靠鎖定。液壓鎖之后是節流閥，出口節流，油缸動作回程有背壓，因此更平穩。對于某些回路，如果希望油缸啟動平緩，也可以用進口節流。該回路用于自動化面板上的手動慢速操作，其與比例/伺服閥回路是獨立的。
B.2 執行單元
執行單元根據執行器的是直線還是回轉運動方式，有液壓缸和液壓馬達之分。
液壓缸根據結構有單作用缸和雙作用缸。單作用缸是指油缸只有一腔通液壓油，另外一腔靠彈簧或者重力等方式來實現控制。雙作用缸是指油缸活塞桿兩腔均需接通液壓油，分別實現伸出或者縮回的控制。
根據有無活塞桿，又分為柱塞缸和活塞缸。柱塞缸是指油缸活塞大小與桿一樣，只有一個腔工作。回程通常需要靠重力。活塞缸是指油缸帶活塞桿的，又可以分為單活塞桿和雙活塞桿。
還可以分為單級缸和多級缸。單級缸是只有一個活塞桿的，而多級缸是指在活塞桿的內部還有活塞桿的。
液壓馬達主要用在一些回轉運動如一些設備行走控制等。
下面示出的是部分執行元件符號與結構，供參考。
展開 水液壓缸的軟件建模
鎖緊回路是一種典型的液壓系統，本文僅以鎖緊回路為研究對象，利用AMESim軟件建立了該模型。如圖2所示，該模型主要由雙向液壓鎖、水液壓缸和換向閥組成。
圖2 水液壓缸鎖緊回路建模圖
回路動作過程：
1、鎖緊時，電機將水介質壓入換向閥內。通過雙向液壓鎖，流入液壓缸無桿腔推動活塞，從而鎖住鉤鎖。水介質通過雙向液壓鎖及換向閥回流至水箱。
2、釋放時，水進入換向閥，然后通過另一側的雙向液壓鎖流入液壓缸的桿室，推動活塞釋放鉤鎖。
3、同時在液壓缸內設置泄漏模塊，模擬液壓缸內的泄漏。用泄漏模塊間隙的高度和長度來模擬活塞與缸壁間隙的高度和長度，通過泄漏模塊間隙的介質就是液壓缸內的泄漏率。液壓系統的介質直接決定了系統的特性。水的體彈性模量E為2100Mpa。液壓缸中活塞的主要外力是介質的阻尼力。水的粘性阻尼系數與粘度有關，約為425Ns/m，約為油粘度的5% ~ 10%。
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當三位四通電磁換向閥處于中位時，兩個液控單向閥進油及控油口都與油箱相通，使兩個液控單向閥迅速關閉，可實現對液壓缸的雙向鎖緊。
幾種液壓鎖緊回路動態特性仿真分析
運用 ＡＭＥＳｉｍ 對 ３ 種鎖緊回路分別進行了建模和仿真， 通過對仿真結果的分析和比較， 對各回路的鎖緊性能和穩定性做了相應分析， 為各種鎖緊回路系統的設計和分析提供了相應參考。
如圖2所示，該模型主要由雙向液壓鎖、水液壓缸和換向閥組成。
圖2 水液壓缸鎖緊回路建模圖
回路動作過程：
1、鎖緊時，電機將水介質壓入換向閥內。通過雙向液壓鎖，流入液壓缸無桿腔推動活塞，從而鎖住鉤鎖。水介質通過雙向液壓鎖及換向閥回流至水箱。
，對于液控單向閥控制的液壓鎖緊回路中的換向閥、液壓缸的工作特性理解困難這一問題，引入與課程相適應、與企業就業技能相融合的一款仿真軟件AMESim進行仿真實驗，通過仿真軟件，學生能較好地掌握液壓鎖緊回路中液壓缸、換向閥的工作特性，進而更好地設計液壓鎖緊回路和完成實踐操作。
工作原理液壓閥方向控制閥壓力控制閥流量控制閥方向控制閥方向控制閥控制液壓系統中油液流動的方向或液流的通與斷單向閥換向閥雙向液壓鎖單向閥二、換向閥工作原理利用閥芯和閥體的相對運動使油路接通、關斷或變換油流的方向，從而實現液壓執行元件及其驅動機構的啟動、停止或變換運動方向。
【 電動閥】：用電動執行器控制閥門，從而實現閥門的開和關。其可分為上下兩部分，上半部分為電動執行器，下半部分為閥門。
如設備采用液壓鎖緊模具，也必須加上螺絲穿孔，以防液壓機構失效。
19:澆口套球R要大于注塑機噴嘴球R。
20:澆口套入口直徑要大于噴嘴注射口直徑。
21:模具外形尺寸要符合指定的注塑機。
22：模架表面要有凹坑、銹跡，多余不用的吊環、進出水、氣、油孔等及其他影響外觀的缺陷。
23：模架各板要都有大于1.5mm的倒角。
優點之一是可以少用一個用于執行器液壓鎖緊的輔助閥。
如果液壓鎖失效，平衡閥沒有失效，工作人員很難發現這個問題。如果平衡閥失效，液壓鎖工作，那么負載下降運動時，會有抖動。
與左邊比例/伺服閥回路并聯的右邊一組常規回路包含:三位四通換向閥+液壓鎖+節流閥。電磁閥失電時，閥芯中位，液壓鎖控制油回油箱，液壓鎖可以可靠鎖定。液壓鎖之后是節流閥，出口節流，油缸動作回程有背壓，因此更平穩。對于某些回路，如果希望油缸啟動平緩，也可以用進口節流。該回路用于自動化面板上的手動慢速操作，其與比例/伺服閥回路是獨立的。
但是由于負載的不均衡，或者無法確保四個調速閥完全調的一致，油缸的位移在運行過程中會有偏差，如果偏差超出可接受值，這時候可以通過每個油缸獨立的“電磁閥+液壓鎖+阻尼”回路對此進行補償，補償是屬于微調的流量，具體什么時候該補償，補償多少，需要結合油缸上位移傳感器的數值通過編程實現。
優點：每個油缸可以單獨調節，與位移傳感器組合實現閉環控制，實現自動補償，控制精度較高，不受偏載影響。
