军用与民用设备自动调平系统进行研究.doc

《军用与民用设备自动调平系统进行研究.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《军用与民用设备自动调平系统进行研究.doc（12页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、军用与民用设备自动调平系统研究研究目的本论文是怎对现代高科技条件下的各种场合，对许多军用与民用设备自动调平系统进行研究。许多军用与民用设备正常工作是都需要一个高精度的水平平台，例如车载雷达，自行火炮，静力压桩机，重型车辆等。对平台水平度的调节是这些设备正常就位工作极重要的一环，因此提高重型车辆，军用设备，以及高空作业平台的机动性，缩短它们工作前的预调整时间提高它们的调平精度及工作的可靠性，是非常有必要的。研究意义随着我国经济，国防等各方面飞速发展，平台调平也与越来越受到重视，平台调平系统的研究越来越深入，这就需要我们不断地完善平台调平系统来为更多的设备服务。平台调平系统是解决现有的调平系统在调

2、平时不能用偶小地进行调平或是调平不准确从而使工作生产产生不能有效率的进行的一种调平技术。本设计是基于电液控制的调平系统。国内外研究现状分析国内的军用民用调平设备起步较晚，所以这些设备主要采用的都是手动调整螺杆货液压千斤顶，通过目测气泡水平仪，由多人反复操作调节各螺杆支腿达到水平，近年来，这些设备都采用了自动调平系统，主要有机械式调平系统，和电液调平系统，这样大大缩短了调平时间。我国目前的液压调平系统是通过芯片PLC或是单片机来实现功能的。而国际上对液压自动调平系统研究都有了属于自己的准用芯片，它们在机械工作精度上，自动化程度上和系统响应速度都已经达到了很高的程度。现在液压自动调平系统一种比较先

3、进的方法是采用NIOS II嵌入式处理器来实现液压自动调平系统工作的。中国电子科技集团公司第14研究所研制的某高机动雷达车采用的液压调平系统，采用了搞灵敏度，搞精度的遂平传感器作为水平误差的检测反馈原件，实现了闭环调节。3分钟内精度可达到0.05以内。华东电子工程研究所面向模块化技术制作的机电式自动调平装置，该装置使用滚珠丝杠传动，搞功率晶体管模块驱动，双轴液体摆平和传感器等先进技术，精度可达0.05以内，调平时间2分钟。本文主要研究工作研发民用自动调平系统有一系列的关键技术问题。需呀解决包括设计方案、控制策略，结构设计、仿真分析等问题。本文只对该课题进行预先的初步研究，并做了以下几个方面的工

4、作。1) 查阅了大量的国内外有关电液控制的调平系统的文献资料，了解国内外的发展状况和最新技术水晶瓶的基础上，分析并总结国内外的成功研发经验，比较了各方案的优缺点并结合本课题的实际情况拟定了自动调平系统的总体方案。2) 调平系统设计：对调平过程进行了分析与建模，对解耦方法和水平误差度进行了探讨，提出了可行的调平方案，设计了调平系统。总体研究方案总体技术要求调平系统技术要求可移动载体，例如车载雷达，无线发射架，重型车辆等设备到达指定位置后，要求快速架设精确的水平基准。车载自动调平系统平台必须满足以下要求： 1） 在移动状态下车载自动调平系统平台由载车运载进入工作状态时，平台由支撑系统支撑。 2）

5、电液自动调平系统平台应在一定时间内（小于4分钟调平，并满足调平范围在4，精度在0.5） 3） 自动调平系统平台一旦调平后，应该对其位置进行锁定，保证平台上精密装置正常工作。 4） 当车载自动调平系统平台偏离水平状态时，应及时进行调平，满足车载自动调平系统平台要求。 5） 当车载自动调平系统平台进入移动状态时，其支撑脚能快速升起。其它要求 在设计系统方案是，除了上述技术上的要求外，还应考虑系统的稳定性，可靠性，可维护性，安全性以及效率等问题。当然了除了上要求外还应考虑到调平系统本身结构问题1） 支腿的刚强度问题。2） 元器件连接问题。3） 使用性问题。4） 经济性问题。调平系统基本方案目前在车体

6、水平调节系统中，主要使用液压驱动和机电驱动进行调平。在选择方案时不仅呀考虑对调平时间的要求，还必须注意平台的稳定性。这两种调平方法，使用电液控制的调平方案是使用最多的一种，其主要原因是电液控制的调平系统具有工作平稳、体积小、驱动力大、反应快、结构紧凑以及控制方便等优点。如果一个机电系统能够驱动1424kg在和，那么相同体积的电液控制系统则可以驱动100140kg的在和，而且还有与机电系统相当的精度和响应速度。电液驱动机构可得到很大的速度范围，其低俗性能比电动机好；电液系统定位刚度较大，位置误差小；液压缸是直线位移驱动机构，其运动与支腿要求的运动相吻合，能够获得较高的控制性能。采用电液控制调平它

7、有以下优点；1） 调平时间短2） 调平精度高3） 可靠性好4） 便于维护等。由于系统平台在调平后，要求对其位置进行锁定来保证平台上的精密装置正常工作。机电控制系统采用的丝杠螺母副可以有可靠的自锁，而电液调平由于泄露问题，则是需要设置机械缩合专门的高压解锁呼噜，增加了成本和调整时间。由此可见，电液控制系统和机电控制系统都有各自的优缺点和使用范围，但是从功率、结构和控制精度方面来看，大吨位载荷的平台控制采用电液私服并联机构驱动最为合适。根据本项目的特点，选用电液驱动的方式进行调平。调平系统调平系统由检测、执行机构和控制系统3部分组成，具体包括双轴水平传感器、阀控液压缸以及可编程控制器PLC。1）

8、检测装置为角度检测器，用来检测平台左右以及前后的不平度。其检测值得大小是系统判断是否进行调平的重要依据，其检测的精度的高低直接决定了系统的最终调平精度直接决定了系统最终调平精度。2） 调平执行机构采用的是4个带有自锁功能的液压支腿，将其对称布置在平台的两侧，由响应的电液伺服阀控制，通过支腿的上下伸缩，实现平台的调平。3） 控制系统是自动调平系统的核心组成部分，常见的有计算机控制盒可编程控制住两种形式。由于平台上不便放置计算机，而PLC具有高的可靠性和接口简易性，在这里我们选用PLC作为控制器，通过软件编程控制调平机构动作，实现平台的自动调平。（图1）【车载雷达电液自动调平】调平系统要解决的4个

9、问题： 支撑方案 目前调平系统的支撑方案有几种，三点支撑、四点支撑、六点支撑等。三点支撑调平相对容易，缺点是抗乞丐服能力差，必须增大支撑跨距以提高情妇能力；四点、六点调平支撑可靠性强，抗欺负能力强，但是存在静不定问题，容易产生“虚腿”，静不定次数越高，系统越复杂。从可靠性和成本上来考虑，本系统采用了四点支撑调平法。 动力驱动方案 考虑到风载方向不确定性，本系统的支撑跨距设计为10m x 2m，单腿最大承载能力为10t。动力驱动有私服电机和液压驱动两种方式，私服电机驱动一般需要加减速器，同样的承载能下机构的尺寸大雨液压系统机构尺寸，一般用于单腿承载能力为7t以下的调平系统，低温环境下（-40）系

10、统成本会出现成倍增加的趋势。而液压系统具有驱动力大、工作平稳、反应快、体积小、结构紧凑、控制方便等优点。所以本系统采用了液压缸作为动力驱动元件实现平台的调平。 虚腿问题 4点和多点支撑调平面临的主要问题是虚腿现象，即有一个支腿不受力或是悬空。这种现象会对这整个设备运行的安全性和稳定性造成巨大的隐患。当平台的负载均匀时，4个支撑点的手里应该均匀。目前的调平方式为了避免虚腿问题，采用的是向最高支撑靠拢的方法。这个方法在后面会有详解。 调平后的锁紧问题 系统调平后，液压缸停止工作时需要被锁定，即在外服在作用下无位移。对要求高的系统，传统的方法是设计锁紧回路，但是执行元件的额内泄漏是无法解决的。对于要

11、求高的系统，如导弹发射车、雷达天线车以及其他战备系统，则是需要设计特殊具有机械锁定装置的液压缸。 为了进行有效地锁紧，比较好的做法是液压锁紧回路和机械锁定装置两个一起用，下面介绍几种常用的机械锁定装置： 1）刹片式锁紧装置 在液压缸的端盖上有一制动刹片1，它在碟形弹簧2的作用下被紧紧压在活塞杆3上，依靠摩擦力抵消轴向负载力，从而使活塞杆锁紧在任意位置上，当解锁压力油进入A腔，在液压力作用下，讲制动刹片顶起，使之脱离活塞杆，达到解锁的目的。当油压卸去后，又能自动锁紧。2） 内涨式锁紧缸活塞1和缸体2之间采用过盈配合产生巨大锁紧力，当工作是，解锁高压油从解锁油口a，经导管内孔b，最终达到活塞与缸体

12、之间，使缸体膨胀，实现解锁。 3）套筒式锁紧装置 液压缸的前端盖上带个锁紧套筒1，它与活塞杆2过盈配合，且此套筒用一定的弹性材料制成，因此可使活塞杆所in在任意位置。当解锁高压油进入痛啊痛后，在压力油作用下，径向膨胀产生间隙，使活塞移动。针对上述几种方案，我们选定套筒式锁紧装置，这种装置安装简单，具有很强可操作性。调平方法调平过程分为两个阶段：第一个阶段为落地检测。系统通电后，操作人员只需要按操作面板上的“调平”键，控制系统驱动支撑腿伸出，同事根据压力传感器数值判断各支腿是否着地，当某一支腿着地后该腿停止动作。当4根支腿全部着地后，落地检测结束，进入调平阶段。第二阶段为调平阶段。调平系统采用电

13、液伺服阀控制，可以单独控制每个支腿的升降速度。控制系统根据水平传感器的判定平台的倾斜情况。高腿不动，其他3腿以和其距水平平面的距离成线性关系的速度同时之气，直到水平度达到平台系统的要求。 平台支撑示意图调平技术调节一个平面到达水平状态的调节过程可以有单向调节和多点调节两种方案。若采用多点调节，即各点都同时运动，调整到一个预定的点，其有点事调节速度快，但由于4点支撑的工作台面是刚性结构，其平衡处于静不定状态，多点调节时因每个支撑腿的位移、速度均不相同，4个支撑腿的运动相互干涉耦合，具体控制算法比较复杂，且每个支撑腿的受力不均易发生伺服电机过载。曹永单向调节，虽然调节时间稍长，但是协调性好，实际上

14、调平过程中调节的实际上是4个点的相对高度，为了有效消除私服传动系统的反响间隙和死区的影响，减小调节误差，提高系统的调平精度，调节过程根据水平传感器的检测信号判断支撑台面的最高点，按照“只升不降”的原则，采用升调平技术，向最高点看齐，即保持相对最高点不懂，把低点调高，这样系统就只有上升运动，可有效地减小虚腿现象的产生。架设支撑腿着地后支撑腿1为最高点（其他支撑腿为最高点的情况相似），根据水平传感器的信号，可分别进行x，y轴向的调节。如先进行x轴的调节，其过程为支撑腿1,4不动，支撑腿2,3同时上升一定位移，即工作系统绕支撑腿1,4为轴线旋转，支撑腿2,3同时上升，上升的数值由控制系统根据水平传感

15、器的x轴反馈值决定，直至x轴呈水平状态。Y轴调节与x轴调节类似。若平台底盘的x，y轴调节成水平状态，则可认为平台已经处于水平状态。根据平台的倾斜角度，即平台停的地面位置不是水平状态，整个调平过程分为粗调和精调，即当平台的倾斜度大于一定角度时（如倾斜度1），系统粗调，各个支腿的动作速度较快；当倾斜角度小于没偶个阀值时（如倾斜角度0.7。我们就取d/D=0.7，那么d=0.7D，带入式中。即：D=将数值带入，可得D=0.364896195m，再根据d/D=0.7，得到d=0.255427556m，在这里根据查表圆整，取D=40mm，d=28mm。缸筒壁厚计算式中 t缸筒壁厚（m）；许用应力（MPa

16、）； P缸筒试验压力（MPa）。查表得98MPa。我们带入公式中得t，即t=0.06m。确定缸筒壁厚还要考虑一下几个问题： 制造工艺对缸筒壁厚的要求 缸筒内控采用滚压加工时，壁厚不能太薄，否则容易产生变形，影响加工精度。 连接方式对壁厚的要求 在缸筒上加工较大的沟槽或螺纹时，必须要注意对缸筒强度的影响。缸筒变形计算1） 薄壁缸筒的弹性变形 计算薄壁缸筒的弹性变形，应考虑圆周拉应力和轴向拉应力的双作用。由于缸筒比较薄，圆周方向的拉应力可视为均不应力，并且近似地认为，所以直径方向的变形量可按照以下公式进行计算： 式中 径向变形量； 圆周方向弹性应变； E弹性系数。 采用钢材作为缸筒材料，弹性系数取

17、2.1，泊松比系数取0.3时，薄壁缸筒的形变量可以直接查表得到，即D=0.9活塞杆的设计计算活塞杆是液压缸传递力的主要零件，它要承受拉力、压力、弯曲力和振动冲击等多种作用，必须有足够的强度和刚度。1）活塞杆直径计算式中 d液压缸活塞杆直径（m）； 速比。或在前面我们已经取了d的值，即d=28mm。 2）活塞杆强度计算 通过计算28mm22.8mm，所以活塞杆的强度是符合要求的。 活塞杆一般都设计有螺纹、退刀槽等构造，这些部位往往是活塞杆上的危险截面，为了保证其强度，也要进行计算：式中 F2活塞杆拉力（N） d2危险截面直径计算得出=90.6887751MPa，而之前查表=98MPa，所以，所以

18、活塞杆的强度是符合要求的。3） 活塞杆的结构设计活塞杆的外端头部与负载的拖动机构相连接，为了避免活塞杆在工作中产生偏心负力，适应液压缸的安装要求，提高其作用效率，应根据负载的具体情况，权责适当的活塞杆端部结构。通常的活塞杆端部结构有以下几种：外螺纹、内螺纹、单耳环、双耳环、球头、销轴、柱销、锥销以及法兰。在这里我们选用最常用的外螺纹。螺纹尺寸选 M40.5 短型 8mm。活塞杆与活塞的连接方法：在作用力较小的情况下，可采用销钉连接；一般的情况下可采用外螺纹连接；在高压和振动较大的情况下，可采用卡键连接；对于D/d比值较小、行程较短，或作用力和冲击力较大的情况，可采用整体结构或是焊接结构。活塞杆

19、连接螺纹的计算1、 螺纹外径的计算 假设忽略螺顶与螺底的尺寸差别，则可用下公式概略计算：2、 螺纹圈数的计算 活塞杆螺纹有效工作圈数按下式计算：、式中 d0螺纹外径（m）； d1螺纹底径（m）； N螺纹有效工作圈数； P活塞拉力（N）； q螺纹允许接触面压力（Pa）。3、 螺纹强度的计算 活塞杆与活塞连接螺纹的强度可按下式校核。 根据第四强度理论：式中k为螺纹连接摩擦系数，一般取0.07。活塞的设计计算 设计活塞时应注意磨损问题。活塞磨损后，密封件容易在液压力作用下被挤入间隙而遭到破坏，因此要尽量提高活塞的耐磨性。从减轻活塞磨耗角度来说，活塞的最大运动行程速度最好不超过1m/s，活塞的最大接触

20、压力不超过2MPa。活塞的结构按照结构特点，可分为普通活塞、整体活塞、装配活塞、耐磨环活塞、烧焊铜合金活塞等不同形式。在这里我们选用普通式活塞，这样活塞可以拆卸，用螺纹、罗定或卡键与活塞杆连接，应该用最为广泛。在前面我们已经对螺纹进行了强度校核。由于活塞杆在液压力作用下，沿缸筒往复滑动，因此，它与缸筒的配合应该适当，既不能太过紧密，也不能间隙过大。配合过紧，不仅是最低启动压力增大，降低机械效率，而且容易损坏缸筒和活塞的配合表面；间隙过大，会引起液压缸内部泄露，降低容积效率，是液压缸达不到要求的设计性能。因此在结构上应该慎重考虑，一般常用的密封结构以及特点有以下几种： 间隙密封用于低压系统中活塞

21、与缸体的密封。 活塞环密封使用与温度变化范围大，要求摩擦力小、寿命长的活塞密封。 密封圈密封 1、O形密封圈 密封性能好，摩擦系数小，安装空间小。 2、Y形密封圈 用在20MPa压力下、往复运动速度较高的液压缸密封。 3、Yx形密封圈 耐高压、耐磨性能好、低温性能好、逐渐取代Y行密封圈。 4、V形密封圈 可用于50MPa压力下，耐久性好，但摩擦阻力大。 5、U形密封圈 用于32MPa以下系统中，其密封性能好，阻力较小。在这里我们采用的间隙密封。液压缸的工作行程的确定液压缸工作行程长度可以根据执行机构实际同坐的最大行程确定，并参照表选取标准值。液压缸活塞行程参数有限次序按照表中的第1、2、3系列

22、选用。本系统的最大行程是80，所以在这里我们选100的液压缸行程。导向套的设计与计算1、最小导向长度H的确定当活塞杆全部伸出时，从活塞支撑面中点到导向套滑动面中点的距离成为最小导向长度。如果导向长度古都按，将是液压缸因为间隙英气的初始挠度增大，影响液压缸的工作性能和稳定性。对于一般液压缸，最小导向长度应满足下式要求：式中 L最大工作行程（m）； D缸筒内径（m）。 导向套滑动面的长度A，在缸径小于80mm时取A=(0.61.0)D 这里我们取A=1.0D，即A=0.4m 活塞宽度B取B=(0.61.0)D 这里我们同样取0.4m。2、 导向套的结构 导向套有普通导向套、易拆导向套、球面导向套和

23、静压导向套等，可按工作情况 进行选择，在这里我们全用的就是普通的导向套。这种导向套安装在支撑座或端盖上，油槽内的压力油起润滑作用并且可以张开密封圈唇边而起密封作用。端盖和缸底的设计与计算在单活塞杆液压缸中，有活塞杆通过的缸盖成为端盖；无活塞杆通过的缸盖成为缸头或者缸底。端盖、缸底与缸筒构成封闭的压力容腔，它不仅要有足够的强度来承受液压力，而且必须具有一定的连接强度。端盖上有活塞杆导向孔（或装导向套的孔）及防尘圈、密封槽，还要连接螺钉孔，手里情况比较复杂，设计得不好容易损坏。1、 缸盖的设计计算（整体缸盖）缸盖厚度h为：式中 D1螺钉孔分布直径（m），取M6； P液压力（MPa）； dcp密封环

24、形端平面平均直径（m）；0.02m 材料的许用应力（MPa）。将数值带入，得到h为0.54m，即h=0.54m。 缸盖的内部连接强度计算 缸盖和缸筒的连接成为内部连接，通常有焊接、螺栓连接、螺纹连接、螺纹连接和卡键连接，强度计算方法如下（本系统采用螺纹连接）： 螺纹拉应力： 螺纹剪切应力：合成应力： 式中 D缸筒内径（m）； K拧紧螺纹系数； 静载荷 K=1.251.5 动载荷 K=2.54 K1螺纹内摩擦系数，一般取K1=0.12。 2、缸底 缸底分为平缸底，椭圆缸底，半球形缸底。本系统用平缸底。 3、缸体长度的确定 液压缸体内部长度应该等于活塞的行程活塞的宽度之和。缸体的外形长度还要考虑到两端端盖的厚度。一般液压缸缸体产固定不大于缸体内径的2030倍。 在前面我们根据表，差得标准活塞行程，本系统的活塞行程为100mm，活塞宽度为40mm，所以缸体的长度为140mm。排气装置如果排气装置设置不当或者没有设置排气装置，压力油进去液压缸后，缸内仍会存有空气。由于空气具有压缩性和滞后扩张性，会造成液压缸和整个液压系统在工作中的颤振和爬行，影响液压缸的正常工作。