房车车门液压系统和电控系统设计

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(1. 广东工业大学 机电工程学院, 广东 广州　510006；2. 佛山泰鑫液压设备有限公司, 广东 佛山　528000)

引言

房车是为了满足人们旅游和野外生活工作的需要而设计的集房与车的功能于一身的结合体，形象的可称之为“可移动的家”。作为一款休闲车，它最大的优势是其舒适性和方便性。目前国内对房车的研究还处于起步阶段，本研究设计了一种简单实用的房车车门控制的液压系统，该系统通过PLC控制液压元器件，利用液压缸提供推拉车门的驱动力，可以有效地打开和关闭车门，确保系统安全、稳定、可靠。

1　房车车门控制系统功能需求

房车车门包括左、右、后三边门，左、右侧边门分上、下2个门，后边门只有1个门，每个门重约110 kg，通过液压站实现这5个门的打开和关闭，控制系统应具有以下功能。

(1) 功率控制功能房车系统最大可以提供5 kW的功率，考虑到车内还有其他用电设备，所以液压站的功率控制在3 kW之内，为了降低功率，采用5个门每次只有1个门动作的工作方式。

(2) 独立控制功能左、右、后三边门独立控制、动作互不影响，提高设备可靠性。

(3) 同步控制功能同个门的2条油缸动作要基本同步，防止把门扭坏。

(4) 时间控制功能为了提高设备的安全性，开关门的时间尽量长些，同时需要设置暂停功能，任何时候按下暂停按钮就可以停止车门的动作。

(5) 断电控制功能 考虑到房车可能出现断电的情况，PLC控制系统中时间继电器选用断电保持型的，此外，还需要在车内设置手动卸荷开后门的装置，防止停电的情况下车内人员被困。

(6) 油液清洁度控制功能油液受污染后会引起液压元件磨损加剧、卡阀等现象，导致整个液压系统工作性能变坏，需要采用高精度的过滤手段。

2　液压系统设计

房车车门液压系统的主要功能是在打开和关闭车门的过程中， 通过PLC控制相应的液压元器件， 利用液压缸提供驱动力把车门推拉到预设的位置，其主要由电动机、变量叶片泵、控制阀组、液压缸、液压管路、油箱等组成。

表1　电磁铁得电情况

注：符号+表示电机运行或电磁铁得电

变量泵把电动机产生的机械能转换为液压能来驱动房车车门的开闭，当车门没有动作时液压系统通过电磁溢流阀4来卸荷，实现节能。每个门通过2条油缸来驱动，通过调速阀组来实现2条油缸的同步动作，同时调速阀通过调节流量还可以防止门因重力的作用而快速下降。O形中位机能的三位四通电磁换向阀组除了控制油液流向外还可以实现系统的保压。另外，断电情况下采用手动卸荷阀26来开后门，通过可调节流阀27来控制开门的速度，通过单向阀28(开启压力比单向阀30低些)完成油缸上腔的补油。房车车门液压系统原理图如图1所示，电磁铁得电情况如表1所示。

3　液压系统参数和元件选型

3.1　液压机系统的主要技术参数

每个门重约110 kg，所需的最大驱动力约25 kN；侧门液压缸(N1～N8)缸径50 mm、杆径38 mm、行程355 mm、最大压力160 bar；后门液压缸(N9，N10)缸径50 mm、杆径38 mm、行程400 mm、最大压力160 bar； 侧门开门时上门先开，到位后下门再开，关门时下门先关，到位后上门再关。

3.2　液压系统相关参数

首先定义油缸缸径为D=50 mm，活塞杆直径为d=38 mm。 油缸的无杆腔充液面积为A1， 有杆腔充液面积为A2，行程为L，动作时间为t。安装方式为缸筒固定，活塞杆移动的形式。

1.电机　2.变量泵　3.单向阀　4.电磁溢流阀　5.压力表6～10.三位四通电磁换向阀　11～20.调速阀21.左边上门油缸N1、N2　22.左边下门油缸N3、N423.右边上门油缸N5、N6　24.右边下门油缸N7、N825.后边门油缸N9、N10　26.二位手动卸荷阀27.可调节流阀　28.补油单向阀　29.过滤器30.单向阀　31.油箱图1　液压系统原理

左、右侧门开门动作，L1=355 mm，t1=7 s；后门关门动作,L2=400 mm，t2=7 s。进油油压为p1，取背压压力p2=0.3 MPa。

则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

已知一个油缸的最大负载力F=25/2=12.5 kN

根据公式p1A1-p2A2=F

得p1=6.5 MPa

最大流量Q=2Q2=2v2A1=13.4 L/min

3.3　液压元件选型

1) 液压泵的选择

由上可知选用压力阀和泵的压力p需大于6.5 MPa，流量Q需大于13.4 L/min。选用PV7-1X/10-14RE01MC6-16的变量叶片泵：额定压力10 MPa，最大排量14 cm3/r，转速范围900～1800 rpm。

2) 电机的选择

由电机功率公式，P=1.2·Q·P/60，确定电机功率=1.2×13.4×6.5/60=1.75 kW。

选择类型为单相异步电动机，型号为YC112M-4，额定电压为AC220 V，额定功率为2.2 kW，额定转速为1400 rpm。

各液压元器件的具体选型如表2所示。

表2　液压系统关键元件

4　房车车门电控系统设计

4.1　控制系统配置及PLC选型

该液压系统共有14个输入信号，12个输出信号，都是开关量。根据输入输出信号的数量、类型及控制要求，同时考虑到系统维护、功能扩展和经济性等因素，决定选择FX1N-40MR-001的PLC来控制液压站，该款PLC共有24个输入点和16个输出点，满足控制要求，配套的触摸屏选用GT10系列的产品。

现场信号和PLC地址对照表如表3所示。

表3　现场信号和PLC地址对照表

图2　PLC外部接线图

4.2　PLC控制系统硬件设计

根据系统的功能和控制需求，PLC外部接线图如图2所示。

4.3　PLC控制系统软件设计

根据控制要求，系统控制包括车外按钮控制和车内触摸屏控制两部分。车外控制后门的开启和关闭，车内可以对所有门进行控制。左、右侧面门的动作循环为：启动-上门开-上门开门到位-下门开-下门开门到位-停机；启动-下门关-下门关门到位-上门关-上门关门到位-停机。后门的动作循环为：启动-开门-开门到位-停机；启动-关门-关门到位-停机。考虑到液压站运行时可能出现断电的情况，采用断电保持时间继电器T251和T252来设定开、关门的时间，同时开、关门过程中设有暂停功能，提高设备运行的安全性。PLC控制系统的程序流程图如图3所示。

图3　PLC程序流程图

5　结论

本设计的房车车门液压系统流量小、功率低，电磁换向阀和电磁溢流阀的使用使得液压系统动作迅速，通过调速阀组完成油缸同步动作和油缸动作速度的调节，PLC的电控系统通过不同的编程方式可以实现对液压系统的灵活控制，整个系统简单实用，具有能耗低、安全可靠的优点。该设计已经被某公司房车系统采用，调试效果满足客户需求。

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