房車車門液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)設(shè)計

， 　，

(1. 廣東工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院, 廣東 廣州　510006；2. 佛山泰鑫液壓設(shè)備有限公司, 廣東 佛山　528000)

引言

房車是為了滿足人們旅游和野外生活工作的需要而設(shè)計的集房與車的功能于一身的結(jié)合體，形象的可稱之為“可移動的家”。作為一款休閑車，它最大的優(yōu)勢是其舒適性和方便性。目前國內(nèi)對房車的研究還處于起步階段，本研究設(shè)計了一種簡單實用的房車車門控制的液壓系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過PLC控制液壓元器件，利用液壓缸提供推拉車門的驅(qū)動力，可以有效地打開和關(guān)閉車門，確保系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠。

1　房車車門控制系統(tǒng)功能需求

房車車門包括左、右、后三邊門，左、右側(cè)邊門分上、下2個門，后邊門只有1個門，每個門重約110 kg，通過液壓站實現(xiàn)這5個門的打開和關(guān)閉，控制系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能。

(1) 功率控制功能房車系統(tǒng)最大可以提供5 kW的功率，考慮到車內(nèi)還有其他用電設(shè)備，所以液壓站的功率控制在3 kW之內(nèi)，為了降低功率，采用5個門每次只有1個門動作的工作方式。

(2) 獨立控制功能左、右、后三邊門獨立控制、動作互不影響，提高設(shè)備可靠性。

(3) 同步控制功能同個門的2條油缸動作要基本同步，防止把門扭壞。

(4) 時間控制功能為了提高設(shè)備的安全性，開關(guān)門的時間盡量長些，同時需要設(shè)置暫停功能，任何時候按下暫停按鈕就可以停止車門的動作。

(5) 斷電控制功能 考慮到房車可能出現(xiàn)斷電的情況，PLC控制系統(tǒng)中時間繼電器選用斷電保持型的，此外，還需要在車內(nèi)設(shè)置手動卸荷開后門的裝置，防止停電的情況下車內(nèi)人員被困。

(6) 油液清潔度控制功能油液受污染后會引起液壓元件磨損加劇、卡閥等現(xiàn)象，導(dǎo)致整個液壓系統(tǒng)工作性能變壞，需要采用高精度的過濾手段。

2　液壓系統(tǒng)設(shè)計

房車車門液壓系統(tǒng)的主要功能是在打開和關(guān)閉車門的過程中， 通過PLC控制相應(yīng)的液壓元器件， 利用液壓缸提供驅(qū)動力把車門推拉到預(yù)設(shè)的位置，其主要由電動機、變量葉片泵、控制閥組、液壓缸、液壓管路、油箱等組成。

表1　電磁鐵得電情況

注：符號+表示電機運行或電磁鐵得電

變量泵把電動機產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)換為液壓能來驅(qū)動房車車門的開閉，當(dāng)車門沒有動作時液壓系統(tǒng)通過電磁溢流閥4來卸荷，實現(xiàn)節(jié)能。每個門通過2條油缸來驅(qū)動，通過調(diào)速閥組來實現(xiàn)2條油缸的同步動作，同時調(diào)速閥通過調(diào)節(jié)流量還可以防止門因重力的作用而快速下降。O形中位機能的三位四通電磁換向閥組除了控制油液流向外還可以實現(xiàn)系統(tǒng)的保壓。另外，斷電情況下采用手動卸荷閥26來開后門，通過可調(diào)節(jié)流閥27來控制開門的速度，通過單向閥28(開啟壓力比單向閥30低些)完成油缸上腔的補油。房車車門液壓系統(tǒng)原理圖如圖1所示，電磁鐵得電情況如表1所示。

3　液壓系統(tǒng)參數(shù)和元件選型

3.1　液壓機系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)

每個門重約110 kg，所需的最大驅(qū)動力約25 kN；側(cè)門液壓缸(N1～N8)缸徑50 mm、桿徑38 mm、行程355 mm、最大壓力160 bar；后門液壓缸(N9，N10)缸徑50 mm、桿徑38 mm、行程400 mm、最大壓力160 bar； 側(cè)門開門時上門先開，到位后下門再開，關(guān)門時下門先關(guān)，到位后上門再關(guān)。

3.2　液壓系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)

首先定義油缸缸徑為D=50 mm，活塞桿直徑為d=38 mm。 油缸的無桿腔充液面積為A1， 有桿腔充液面積為A2，行程為L，動作時間為t。安裝方式為缸筒固定，活塞桿移動的形式。

1.電機　2.變量泵　3.單向閥　4.電磁溢流閥　5.壓力表6～10.三位四通電磁換向閥　11～20.調(diào)速閥21.左邊上門油缸N1、N2　22.左邊下門油缸N3、N423.右邊上門油缸N5、N6　24.右邊下門油缸N7、N825.后邊門油缸N9、N10　26.二位手動卸荷閥27.可調(diào)節(jié)流閥　28.補油單向閥　29.過濾器30.單向閥　31.油箱圖1　液壓系統(tǒng)原理

左、右側(cè)門開門動作，L1=355 mm，t1=7 s；后門關(guān)門動作,L2=400 mm，t2=7 s。進(jìn)油油壓為p1，取背壓壓力p2=0.3 MPa。

則A1=πD2/4=0.00196 m2

A2=π(D2-d2)/4=0.00083 m2

v1=L1/t1=0.051 m/s

v2=L2/t2=0.057 m/s

已知一個油缸的最大負(fù)載力F=25/2=12.5 kN

根據(jù)公式p1A1-p2A2=F

得p1=6.5 MPa

最大流量Q=2Q2=2v2A1=13.4 L/min

3.3　液壓元件選型

1) 液壓泵的選擇

由上可知選用壓力閥和泵的壓力p需大于6.5 MPa，流量Q需大于13.4 L/min。選用PV7-1X/10-14RE01MC6-16的變量葉片泵：額定壓力10 MPa，最大排量14 cm3/r，轉(zhuǎn)速范圍900～1800 rpm。

2) 電機的選擇

由電機功率公式，P=1.2·Q·P/60，確定電機功率=1.2×13.4×6.5/60=1.75 kW。

選擇類型為單相異步電動機，型號為YC112M-4，額定電壓為AC220 V，額定功率為2.2 kW，額定轉(zhuǎn)速為1400 rpm。

各液壓元器件的具體選型如表2所示。

表2　液壓系統(tǒng)關(guān)鍵元件

4　房車車門電控系統(tǒng)設(shè)計

4.1　控制系統(tǒng)配置及PLC選型

該液壓系統(tǒng)共有14個輸入信號，12個輸出信號，都是開關(guān)量。根據(jù)輸入輸出信號的數(shù)量、類型及控制要求，同時考慮到系統(tǒng)維護、功能擴展和經(jīng)濟性等因素，決定選擇FX1N-40MR-001的PLC來控制液壓站，該款PLC共有24個輸入點和16個輸出點，滿足控制要求，配套的觸摸屏選用GT10系列的產(chǎn)品。

現(xiàn)場信號和PLC地址對照表如表3所示。

表3　現(xiàn)場信號和PLC地址對照表

圖2　PLC外部接線圖

4.2　PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的功能和控制需求，PLC外部接線圖如圖2所示。

4.3　PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)控制要求，系統(tǒng)控制包括車外按鈕控制和車內(nèi)觸摸屏控制兩部分。車外控制后門的開啟和關(guān)閉，車內(nèi)可以對所有門進(jìn)行控制。左、右側(cè)面門的動作循環(huán)為：啟動-上門開-上門開門到位-下門開-下門開門到位-停機；啟動-下門關(guān)-下門關(guān)門到位-上門關(guān)-上門關(guān)門到位-停機。后門的動作循環(huán)為：啟動-開門-開門到位-停機；啟動-關(guān)門-關(guān)門到位-停機。考慮到液壓站運行時可能出現(xiàn)斷電的情況，采用斷電保持時間繼電器T251和T252來設(shè)定開、關(guān)門的時間，同時開、關(guān)門過程中設(shè)有暫停功能，提高設(shè)備運行的安全性。PLC控制系統(tǒng)的程序流程圖如圖3所示。

圖3　PLC程序流程圖

5　結(jié)論

本設(shè)計的房車車門液壓系統(tǒng)流量小、功率低，電磁換向閥和電磁溢流閥的使用使得液壓系統(tǒng)動作迅速，通過調(diào)速閥組完成油缸同步動作和油缸動作速度的調(diào)節(jié)，PLC的電控系統(tǒng)通過不同的編程方式可以實現(xiàn)對液壓系統(tǒng)的靈活控制，整個系統(tǒng)簡單實用，具有能耗低、安全可靠的優(yōu)點。該設(shè)計已經(jīng)被某公司房車系統(tǒng)采用，調(diào)試效果滿足客戶需求。

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