液压启闭机内置式位移传感器与同步控制技术的研究

       液压启闭机的主要工作机构是大直径、长行程（最 长可达20m)的液压缸。这些液压缸在工作过程中绝大 部分要求有行程检测或速度控制， 通过对所测信号的 数据处理后再作为控制信号来控制液压缸的行程和速 度，来满足启闭机闸门各种启闭特性的要求，如人字门 液压启闭机要求根据闸门启闭时的受力状态， 调节推拉速度；在首尾行程段要求缓速行进以及双缸必须保持同步等。为对液压启闭机中大型液压缸行程检测和控制，近年来国外推出一项新技术--陶瓷测量系统。这一技术的主要特点是在液压缸的活塞杆上加工出具有一定齿距的沟槽，在其表面涂上一层陶瓷，使活塞杆外表是光滑的圆柱表面；在缸盖上嵌入一套传感器，当塞杆移动时， 利用活塞杆导磁性和槽内填充材料导磁性的不同检测其位移。 对检测的位移信号经一定的处理后，就可用于对液压缸位移、速度以及双缸的同步控一制。 这 技术具有很高的可靠性，维修方便，适用于热议长度的活塞杆，受到各行业的广泛关注。在20世纪90年代中、后期，在我国部分水利工程一项目上引进这项技术， 但经过 段时间的使用暴露出 一些问题， 主要是液压缸的密封圈容易损坏。 分析认为，液压缸的活塞杆采用陶瓷涂层后，含油性能远不如 镜铭涂层，虽然抗腐蚀能力提高了，但润滑性能降低， 使液压缸做往复运动时密封件很容易磨损、失效。 另外，液压缸所使用的密封件多是用于金属表面，而陶瓷 属非金属，因此直接使用原有的密封件，耐磨性很难保证。解决陶瓷表面活塞杆的密封问题是CIMS技术在 液压启闭机中应用的关键。经过两年多的努力，研制出 新型内置式磁致伸缩位移传感器， 可用于普通的表面镜铭活塞 杆， 方便地实现了液压启闭机的位置控制和双缸同步 控制，并具有很高的控制精度。

2新型行程检测装置的组成及工作原理

       新型行程检测装置是内置式的， 其结构与陶瓷测 量系统相似，由活塞杆和传感元件组成。在活塞杆上加 工有具有一定齿距的沟槽，传感元件装在缸盖上。我们研制的行程检测装置在齿形、 活塞杆表面涂层以及传 感元件等方面与CIMS都不相同。

2.1齿形设计

       齿形的设计是以其加工工艺性， 与传感器性能的匹配和简化电路为前提， 经过对几种齿形的对比试验一种比较合适的齿形，齿形为矩形齿，和分析，优选出齿距20mm, 凹槽宽10mm, 齿深0.5--0.8mm 。这种齿形可在一般精度的车床上加工，即使液压缸行程长达十几米，只要车床的长度足够，使用较耐磨的 刀具，加工并不困难，如用数控机床加工就更为简便和 可靠。

2.2活塞杆涂层

       活塞杆涂层可有多种方案，可根据启闭机的实际 工况，由用户适当选取。这里介绍几种我们试验过的可 行方案。

I. 黄铜－锁铭方案先在齿槽中烧焊或喷涂黄铜，将齿槽填满。然后将外圆加工一次，成光滑外表面，再像一般活塞杆一样锁铭。

2.喷涂陶瓷方案 将齿槽喷涂满陶瓷，并在圆柱外表也喷涂上一定厚度的陶瓷层，然后将外圆磨到所需 的活塞杆尺寸。

3. 喷涂铢铭合金方案 将齿槽喷涂满铢铭合金，并 在圆柱外表也喷涂上一定厚度的镜络合金，然后将外 圆磨到所需的尺寸。

       常用的喷涂方法有氧乙炊喷涂、等离子喷涂、爆炸 喷涂和超音速喷涂等几种，其中以等离子喷涂和爆炸 喷涂为好，它们有较好的粘接强度和致密性，价格也适 中。氧乙块喷涂易使活塞杆因受热而变形大，超音速喷 涂费用高，不推荐使用。

2.3传感器设计

       测量位移的传感器有霍尔效应器、磁敏电阻和电 感传感器。使用霍尔效应器件的传感器结构简单，信号容易处理，但温漂较大，长期户外使用不易稳定。磁敏 电阻传感器是一种比较理想的器件，但国内尚无成熟 的产品。电感传感器需要配有调制解调电路，结构较复杂，但长期稳定性较好。我们研制的新型内置式传感器采用了电感式传感 元件。为平衡液压缸承载后造成的活塞杆与缸盖间沿 圆周方向的间隙不均匀，传感器在液压缸端盖上沿圆 周方向布置4个，分成两组，每组两个，上下对称布置。 为区分位移的方向，两组在轴向有一相距。该传感器为圆柱形线圈，直径约为1/2齿槽周期，理论计算和实际 实验均表明，当齿槽为1/2齿距时，矩形齿形可使电感 线圈的电感变化近似于正弦曲线， 这样的信号变化规律便于处理，同时也比较有利于加工制造。经后面的细分电路处理，可使齿距较宽的齿形（如20mm)也能达到很高的控制精度。

       新型内置式位移传感器可适用于液压缸的任何行程长度的检测，具有较好的稳定性、抗干扰性和温度变化的适应性，可按启闭机工况要求设定的 ＂ 位置－速度”曲线完成全行程的速度控制。并达到很高的测量和控制精度：分辨率为1 mm, 测董精度为士(l+-0.01%L) mm(L为缸最大行程），控制精度<蚁3+-0.01 双缸同步控制精度<互3+-0扔%L)mm (当液压缸速度≤5m/min时）。

       传感器的检测信号再经转换等处理后，分别供显示器、可编程控制器(PLC)作显示信号和控制信号。
3模拟试验

        为了检验所研制的传感器性能，及其在液压缸位 置和双缸同步控制上的应用， 我们建立了模拟某重点水利工程永久船闸人字门液压启闭机运行工况的试验 装置。该装置主要 由三部分组成：模拟门、模拟液压系统和电控系统。模拟门按人字形布置，每扇门各由一台装有内置 式传感器的液压缸驱动， 试验液压缸参数为：中100/ 中80Xl000(tnm), 可满足该永久船闸人字门液压启闭 机进行1/10最大行程(7276mm)模拟试验的要求。液压系统是采用比例变量泵进行容积调速。每个 液压缸由一台比例变量泵供油。经电控系统控制比例 伺服阀，来调节变董泵的排量，从而控制液压缸的运动 速度和位移。比例变量泵是利用国产液控变量泵进行 改制，配以进口Bosch公司的比例伺服阀和自制放大 器组成的。

了比较好的结果。

 3.1单缸模拟试验

       单缸模拟试验可完成液压缸内置式位移传感器的 “定位精度” 和 “重复性能“检测、液压缸位置控制试验 和速度控制试验。在进行速度控制试验时，首先根据启闭机实际工 况要求作出位置－速度控制曲线，然后经过计算机的 处理，变成PLC可直接接受的数字量（离散点）信号，通过PLC的通讯?？榇鳦PU,再经过DIA转换变成比 例变量泵可接受的模拟量信号 (0

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