风电叶片模具翻转液压系统控制与设计

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风电叶片存生产制造过程中，要对制作叶片的 -个半镍行 1 80。翻转，而后做垂直运动与另-半模具进行合模。甲.J1-i，国内大功率的风电设备，叶片长度超过40 11，此种叶片制造模具的翻转主要靠吊车进行，尢驱动系统 。日前，大叶片制造模具的翻转则主要采用多个舣缸铰接的翻转机构，通过电气液压系统控制。存运行过程中存在着模具在油缸换向点剧烈抖动以及多翻转机构翻转角度不同步等问题，直接影响模具的寿命 以及叶片的质量 J。国外主要采取电机变频同步，每个翻转机构各由-套电机泵组供油，通过变频电机的转速控制泵的排量，实现翻转角度的半程同步。rt w于电机调速比液压调速反应灵敏度低得多，导致 体动念性能较差，并增加了成本 。针对多翻转机构系统，在分析翻转机构的两组翻转油缸工作原理的基础 I ，设计改进液 电气系统、应用 PID闭环控制式，以解决翻转过程平稳性以及翻转角度同步性等nJ题 。

1 翻转系统控制原理1.1 翻转机构结构曳1 1所示，旋转中心轴 1以在固定机架的导向槽内 l 下滑动；翻转油缸 I和翻转油缸 Ⅱ分别 -·端圊定存 定机架上，另 -端 定在翻转机架上；支撑油缸巾心轴下方， 端吲定在同定油缸上，另-端连接中心轴41.旋转f心轴 2.同定机架 3旋转机架4.支撑油缸 5.翻转油缸 I 6翻转油缸 lI图 1 翻转机构1.2 翻转机构翻转过程翻转机构的开模过程如图2所示。

A表示为完全合模状态，B表示为翻转油缸 J经过换向点位置 (换向角度 1)，C表示翻转油缸 IJ经过Aa1B Cb1 c)图2 开合模翻转状态收稿 F1期：2012-06-04作者简介：刘冰(1987-)， ，河北秦 岛人， 渎坝 从事丁徉机械电气-液 控制系统等方 的研究 r作 、2013年第 1期 液压与气动换向点位置(换向角度 2)，D表示为完全开模状态。

1.3 翻转机构换向点计算如图3所示，O为机构翻转中心轴， 1、A2、B1、B2分别为翻转油缸 I、翻转油缸 Ⅱ与固定机架和旋转机架的铰接点、距 中心点 O的距离分别为 D1、D2、尺1、R2。油缸 I与油缸 Ⅱ的长度 1、 为变量。规定完全合模时，角度标定为0。

翻油图3 换向点计算示意图翻转油缸 I经过换向点时翻转角度为 Ot，即换向角度 1，R1与D1夹角为 1，根据余弦定理得：. R1 D1 - 1叫 盯 ∞ 吣 80。- 80。-arcc。s同理得换向角度 为：卢18o。-31180。-arc。s ；1.4 PID控制策略多翻转机构运行不同步主要由多翻转机构驱动负载不均衡、控制电流差异、油缸工艺不同等因素综合影响。据此，提出 PID闭环控制方法，根据翻转角度，调节各个翻转机构的翻转速率，以保持翻转角度的同步。

PID控制是目前应用最广泛的工业控制方式。由比例单元 P、积分单元 I和微分单元 D组成。通过整定 ，Ki和 三个参数，使系统达到预想的效果 。

其输入e( )与输出 (t)的关系为：f， 、( )Kve( )Ki )d丁Ku 2 翻转控制系统设计2.1 两翻转机构液压控制 系统设计如图4，翻转机构液压控制系统由两个翻转机构A、B、调速比例阀 AS、BS、比例压力阀 CS、4个三位四通阀以及安装在每个油缸上的外空浮动双向平衡阀组成。比例阀AS、BS分别控制翻转机构 A和 B的翻转速度；在进油口与出油 口加入比例压力阀 cs控制系统的总压力；三位四通阀AS1-AS4，BS1.BS4以及平衡阀构成控制油路。

斗/ 机构B .机构ABS4 BS3 AS4 AS3BS2 BS1 AS2 AS1 BSO AS(3盛 出 隘 咄 cs幸Bs闱 As陌 l lDl M R A图 4 两翻转 机构 液压 控制系统当完全合模后 ，模具需要上升或下降来完全贴紧或分离上下模具，故加入 AS0、BS0控制外空浮动双向平衡阀，使所有油缸处于浮动状态，使支撑油缸能够伸缩以控制模具上升下降。

翻转机构以开模过程为例，工作原理如下：(1)机构从完全合模到换向角度 1(图2 A-B)过程中，调节比例压力阀cs使系统具有足够的驱动压力，驱动系统压力根据驱动负载情况而定。驱动比例阀 AS与 Bs，控制翻转速度。电磁 阀 AS1、AS3、BS1、BS3通电，液压油通过外空浮动双向平衡阀进入油缸下腔，推动翻转油缸 I与翻转油缸 Ⅱ同时伸展，将上模顶起，使翻转机架翻转开模；(2)换向角度 1到换向角度 2(图 2 B-C)过程中，比例阀AS、BS、CS不变～换向阀AS2、AS3、BS2、BS3通电，液压油通过外空浮动双向平衡阀分别进人翻转油缸 Ⅱ下腔、翻转油缸 I上腔，推动翻转油缸 Ⅱ伸展、翻转油缸 I收缩，使翻转机架继续运动翻转；(3)换向角度 2(图2 A-B)到完全开模过程中，模具 自重由阻力转换为动力，调整 cs至低压状态，降低系统压力，使翻转过程更加平稳。AS2、AS4、BS2、BS4通电，液压油进入油缸上腔，两组油缸同时收缩，实现完全开模。

翻转系统的翻转速度由调速比例阀与比例压力阀CS共同控制。CS调整系统总压力，当系统压力足够驱动负载时，调整调速比例阀 AS、BS的电流进而调整液压油流量，使翻转机构平稳匀速运行。

l2 液压与气动 2013年第 1期2.2 两翻转机构 同步控制 系统设计系统同步控制主要运用 PID控制策略。使用 PLC为系统电子控制单元，如图5所示，PLC输出固定电流控制 As的开度，使翻转机构 A匀速翻转∏度传感器 A、B将机构 A、B的翻转角度信号输入给 PLC，PLC将机构 A的角度作为设定值、机构 B的角度作为反馈值做 PID运算。PID运算输出电流作用于比例阀 Bs，进而调整机构 B的翻转速度，从而达到两翻转机构翻转角度的同步控制。

皇 . 函PID H 比例阀油缸 - 角度传感器A油缸角度传感器B翻转机构A翻转机构B图 5 翻转机构主从控 制模型根据 PID控制特性，在翻转的起始阶段将产生角度误差的峰值，故需要调整PID控制参数，把翻转角度峰值误差缩小在规定误差范围内，即可满足系统整体同步性要求。

2.3 翻转机构换向角度抖动分析与解决采用 PID控制策略，两个翻转机构的翻转速度主要由比例阀AS进行控制，给定固定的AS控制电流可以使翻转机构匀速平稳运行。但是在换向角度 1与换向角度2处，翻转机构存在大幅度剧烈抖动现象，严重影响系统运行的平稳性和机构的使用寿命。

抖动主要是由于系统液压压力冲击而造成的，究其原因主要由以下两点：上-状态中电磁阀组的通断逻辑，暂不进行切换 酋先调节比例阀 cs使系统压力降低为0，然后进行电磁阀组的切换并恢复 CS至下-状态 在系统压力为 0时切换电磁阀组，消除了液压系统的压力冲击，缓和了油缸切换对系统造成的影响，完全消除抖动。

上述消除抖动的控制方式，极大地改善了翻转系统运行的平稳性，为本系统设计重大突破。

3 调试结果本设计系统已经在国内某著名风电叶片制造厂进行了实验调试。经过调试采用 PI控制即可满足同步性要气。在翻转机构运行起始阶段， 现翻转角最大误差为0.8。，为 PI控制误差峰值，随后角度误差趋于平稳并维持在 ±0.3。以内，远低于规定的 ±1.5。，改善了翻转机构翻转的同步性。与原系统相比完全消除了在换向角度翻转机构大幅抖动的问题，使翻转机构旱匀速运动，-次开合时间为7 rain，提高了翻转系统的平稳性。

4 结论提出了液压、电气相结合的控制系统设计方案，并经过现场调试，调试结果满足现场要求，通过了厂家质量验收。目前已经用于T业生产，并正在逐步替换原风电叶片模具翻转机构控制系统。

(1)解决了翻转机构翻转速度不稳定现象；(2)创造性加入了比例压力阀，使整个液压系统驱动压力可调节；(3)解决了翻转机构在换向角度剧烈抖动、不平稳的难题。属于本系统应用、技术领域的重要突破；统产生巨大的外界压力冲L a j 篙 - Ju， 击， 委 产r生 ：.、、..， .，.. [ ] 、菩 ， lJ等. 的速度 降低压力冲击是消除抖动主要方法，故在控制系 釜 [J] 液 三动，2 010。 。，(7)：51-5 。

统中加入比例压力阀 CS使系统压力处于可调节状 [4] 方康玲. 过程控制系统[M].武汉：武汉理工大学ft版欢 迎 订 阅 《液 压 与 气 动 》杂 志