翻板式路障機液壓系統(tǒng)優(yōu)化與電氣系統(tǒng)設(shè)計

張德南，余 剛

（中國工程物理研究院機械工藝制造研究所，四川綿陽 621999）

1 背景

翻板式路障機屬于道路阻斷器的一種類型。一方面實現(xiàn)有序控制機動車輛通行的目的，另一方面能對惡意沖卡的機動車輛進(jìn)行有效攔截。目前廣泛用于政府機關(guān)、軍事設(shè)施和大使館等需要安全防范的場所。

老式翻板式路障機在斷電時無法進(jìn)行有效攔截，且在使用過程中攔截體下行產(chǎn)生較大沖擊和振動。為杜絕新生產(chǎn)的路障機出現(xiàn)攔截體下行嚴(yán)重抖動的現(xiàn)象，保證路障機在使用過程中安全、可靠，需對路障機液壓系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

2 翻板式路障機構(gòu)成

翻板式障機由路障機主體、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等3 個部分構(gòu)成，如圖1 所示。

圖1 整機構(gòu)成

2.1 路障機主體構(gòu)成

路障機主體是鋼結(jié)構(gòu)件，由攔截體、設(shè)備機座和鉸鏈軸等構(gòu)成，設(shè)備機座埋入地下，其上表面與地面平齊；路障機攔截體安置在機座殼體內(nèi)部，通過鉸鏈與設(shè)備機座連接，同時可繞鉸鏈軸做旋轉(zhuǎn)運動。攔截體放下時其上表面與地面平齊，此時形成通道可供車輛通行；攔截體升起時在路面上形成一個高0.7 m 的障礙，可阻止車輛通行。

2.2 液壓系統(tǒng)構(gòu)成

液壓系統(tǒng)是為路障機攔截體的升降提供動力的裝置，由油箱、液壓泵、蓄能器、液壓缸、管道和閥件等液壓元件組成，以液壓油為介質(zhì)傳遞動力，通過液壓缸的伸縮來實現(xiàn)攔截體的升降運動。

2.3 控制系統(tǒng)構(gòu)成

控制系統(tǒng)由系統(tǒng)控制柜、遠(yuǎn)程控制柜和手持式控制器等組成。系統(tǒng)控制箱由可編程控制器及其他電器元件構(gòu)成，通過接收現(xiàn)場控制柜或其他信號裝置傳來的控制信號，控制液壓系統(tǒng)各液壓元件做出相應(yīng)動作，實現(xiàn)攔截體的升降動作。系統(tǒng)設(shè)有完善的互鎖和聯(lián)鎖功能，保證設(shè)備有條不紊地工作，利用傳感器等部件的報警輸入功能，使系統(tǒng)控制更加完善可靠。

3 液壓系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

3.1 攔截體振動原因分析

分析液壓原理（圖2），在攔截體升起狀態(tài)下，為了克服攔截體自重和液壓系統(tǒng)內(nèi)漏等原因造成攔截體下降。在支撐缸管路上采用雙向液壓鎖控制，由于攔截體自重高達(dá)2.5 t，攔截體下行運動過程中，液壓缸在大負(fù)載作用下快速下行，工作腔產(chǎn)生瞬間失壓，控制壓力低于雙向液壓鎖的開啟壓力，雙向液壓鎖突然關(guān)閉，攔截體下行停止。在油泵持續(xù)供油的情況下，系統(tǒng)壓力上升，控制壓力高于雙向液壓鎖的開啟壓力，雙向液壓鎖開啟，攔截體再次開始下行。由于雙向液壓鎖高頻開閉動作，會使支撐缸在下落過程中產(chǎn)生較大的沖擊和振動。

圖2 優(yōu)化前液壓系統(tǒng)原理

3.2 液壓系統(tǒng)優(yōu)化

優(yōu)化后的液壓系統(tǒng)工作原理如圖3 所示，液壓系統(tǒng)啟動后，液壓泵對蓄能器進(jìn)行加壓，當(dāng)蓄能器達(dá)到16 MPa 時停止工作，當(dāng)蓄能器壓力低于8 MPa 時開始工作。液壓系統(tǒng)接收到啟閉信號時，通過電磁換向閥的換向，利用蓄能器中的壓力推動液壓缸伸縮來實現(xiàn)攔截體的升降運動。同時在意外停電狀態(tài)下，采用蓄能器作為動力元件，通過手動操作手動換向閥，保證攔截體正常工作1～4 次。當(dāng)蓄能器壓力不足以使攔截體升降時，仍能通過手動泵升降攔截體。

圖3 優(yōu)化后液壓系統(tǒng)原理

采用FD 平衡閥替換原有雙向液壓鎖，F(xiàn)D 型平衡閥屬于流量控制閥。根據(jù)平衡閥的結(jié)構(gòu)特點，在負(fù)載較大的液壓控制中，其系統(tǒng)穩(wěn)定性高，合理選用FD 平衡閥，可有效避免由于大負(fù)載引發(fā)的攔截體下行劇烈振動問題。

4 電氣系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)是實現(xiàn)液壓路障機按照指令完成規(guī)定動作的中樞。路障機的控制系統(tǒng)采用可編程控制器作為核心控制單元（控制主站），實現(xiàn)對整個系統(tǒng)動作的監(jiān)測和控制。

4.1 控制系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)由一個現(xiàn)場控制柜和一個遠(yuǎn)程控制柜組成（圖4、圖5）。現(xiàn)場控制柜設(shè)置在液壓站內(nèi)，為整套設(shè)備提供電力分配與邏輯控制。遠(yuǎn)程控制柜及手持式控制器可設(shè)置在值班室內(nèi)，實現(xiàn)對整套設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

圖4 現(xiàn)場控制柜

圖5 遠(yuǎn)程控制柜及手持式控制器

4.2 控制系統(tǒng)原理

控制系統(tǒng)接收現(xiàn)場控制柜、遠(yuǎn)程控制柜及手持式控制器發(fā)出的控制指令，通過控制液壓元件的動作來實現(xiàn)攔截體的升降運動。

控制系統(tǒng)可以檢測油缸位置、系統(tǒng)壓力和油液位置。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)電機過載保護(hù)、過濾器異常、壓力異常和液位異常監(jiān)控等故障時，系統(tǒng)會發(fā)出報警，報警顯示燈點亮，設(shè)備故障蜂鳴器蜂鳴。壓力系統(tǒng)采用機械和電氣雙重檢測控制，實現(xiàn)雙重保護(hù)，系統(tǒng)壓力電氣檢測采用模擬量控制，壓力檢測更精確，可以通過人機界面動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)當(dāng)前壓力。

在控制程序上，針對液壓路障機工作常態(tài)為開啟狀態(tài)，設(shè)置了壓力補償功能，確保內(nèi)液壓系統(tǒng)泄漏造成的攔截體高度下降在要求范圍內(nèi)。路障機主機工作環(huán)境惡劣，攔截體位置檢測元件容易損壞，通過時間控制（經(jīng)實際測得停止時間8 s）對攔截體的停止進(jìn)行操作，確保位置檢測元件損壞時路障機可以正常運行，且元件損壞可以提示報警。

控制系統(tǒng)原理如圖6 所示。

圖6 控制系統(tǒng)原理

4.3 控制流程

液壓系統(tǒng)啟動后，對壓力、液位、過濾和過載情況進(jìn)行檢測。若發(fā)現(xiàn)異常，系統(tǒng)發(fā)出報警，警示燈常亮，液壓系統(tǒng)溢流泄壓，設(shè)備停止運行。檢測正常液壓輸出，設(shè)備可正常運行。當(dāng)收到攔截體上行或下行命令時攔截體運動，到達(dá)限位后攔截體停止。攔截體運動時間大于8 s，攔截體停止并產(chǎn)生故障報警。系統(tǒng)控制流程如圖7 所示。

圖7 系統(tǒng)控制流程

4.4 路障機操作流程工作模式

（1）自動模式。由控制系統(tǒng)接收信號，控制液壓系統(tǒng)元件來實現(xiàn)攔截體的升降。

（2）手動模式。通過人工操作液壓系統(tǒng)上的手動轉(zhuǎn)換開關(guān)及手動液壓泵，實現(xiàn)攔截體的升降運動。

自動模式攔截體升降控制操作，可由現(xiàn)場控制柜、遠(yuǎn)程控制柜及手持式控制器進(jìn)行，攔截體升降方式分為“點動升降”和“連續(xù)升降”。

（1）點動升降。當(dāng)按動點動下行或者點動上行按鈕時，攔截體下行或者上行。松開按鈕時，攔截體停止運動。

（2）連續(xù)升降。當(dāng)按動攔截體上行或者攔截體下行按鈕，攔截體下行至低位或上行至最高位。

人機界面對系統(tǒng)工作壓力進(jìn)行設(shè)定，設(shè)定值范圍8～16 MPa。當(dāng)系統(tǒng)低于8 MPa 時，液壓泵自動啟動，當(dāng)?shù)竭_(dá)16 MPa 時，液壓泵停止。

5 總結(jié)

設(shè)計液壓系統(tǒng)時應(yīng)充分考慮系統(tǒng)的使用環(huán)境，確保液壓系統(tǒng)運行平穩(wěn)，無沖擊和振動現(xiàn)象。機電產(chǎn)品中機和電是密不可分的整體，產(chǎn)品設(shè)計時應(yīng)兼顧兩方面，確保系統(tǒng)安全可靠，操作簡單，達(dá)到良好的用戶體驗感。