翻板式路障机液压系统优化与电气系统设计

张德南，余 刚

（中国工程物理研究院机械工艺制造研究所，四川绵阳 621999）

1 背景

翻板式路障机属于道路阻断器的一种类型。一方面实现有序控制机动车辆通行的目的，另一方面能对恶意冲卡的机动车辆进行有效拦截。目前广泛用于政府机关、军事设施和大使馆等需要安全防范的场所。

老式翻板式路障机在断电时无法进行有效拦截，且在使用过程中拦截体下行产生较大冲击和振动。为杜绝新生产的路障机出现拦截体下行严重抖动的现象，保证路障机在使用过程中安全、可靠，需对路障机液压系统及电气系统进行优化设计。

2 翻板式路障机构成

翻板式障机由路障机主体、液压系统和控制系统等3 个部分构成，如图1 所示。

图1 整机构成

2.1 路障机主体构成

路障机主体是钢结构件，由拦截体、设备机座和铰链轴等构成，设备机座埋入地下，其上表面与地面平齐；路障机拦截体安置在机座壳体内部，通过铰链与设备机座连接，同时可绕铰链轴做旋转运动。拦截体放下时其上表面与地面平齐，此时形成通道可供车辆通行；拦截体升起时在路面上形成一个高0.7 m 的障碍，可阻止车辆通行。

2.2 液压系统构成

液压系统是为路障机拦截体的升降提供动力的装置，由油箱、液压泵、蓄能器、液压缸、管道和阀件等液压元件组成，以液压油为介质传递动力，通过液压缸的伸缩来实现拦截体的升降运动。

2.3 控制系统构成

控制系统由系统控制柜、远程控制柜和手持式控制器等组成。系统控制箱由可编程控制器及其他电器元件构成，通过接收现场控制柜或其他信号装置传来的控制信号，控制液压系统各液压元件做出相应动作，实现拦截体的升降动作。系统设有完善的互锁和联锁功能，保证设备有条不紊地工作，利用传感器等部件的报警输入功能，使系统控制更加完善可靠。

3 液压系统优化设计

3.1 拦截体振动原因分析

分析液压原理（图2），在拦截体升起状态下，为了克服拦截体自重和液压系统内漏等原因造成拦截体下降。在支撑缸管路上采用双向液压锁控制，由于拦截体自重高达2.5 t，拦截体下行运动过程中，液压缸在大负载作用下快速下行，工作腔产生瞬间失压，控制压力低于双向液压锁的开启压力，双向液压锁突然关闭，拦截体下行停止。在油泵持续供油的情况下，系统压力上升，控制压力高于双向液压锁的开启压力，双向液压锁开启，拦截体再次开始下行。由于双向液压锁高频开闭动作，会使支撑缸在下落过程中产生较大的冲击和振动。

图2 优化前液压系统原理

3.2 液压系统优化

优化后的液压系统工作原理如图3 所示，液压系统启动后，液压泵对蓄能器进行加压，当蓄能器达到16 MPa 时停止工作，当蓄能器压力低于8 MPa 时开始工作。液压系统接收到启闭信号时，通过电磁换向阀的换向，利用蓄能器中的压力推动液压缸伸缩来实现拦截体的升降运动。同时在意外停电状态下，采用蓄能器作为动力元件，通过手动操作手动换向阀，保证拦截体正常工作1～4 次。当蓄能器压力不足以使拦截体升降时，仍能通过手动泵升降拦截体。

图3 优化后液压系统原理

采用FD 平衡阀替换原有双向液压锁，FD 型平衡阀属于流量控制阀。根据平衡阀的结构特点，在负载较大的液压控制中，其系统稳定性高，合理选用FD 平衡阀，可有效避免由于大负载引发的拦截体下行剧烈振动问题。

4 电气系统设计

控制系统是实现液压路障机按照指令完成规定动作的中枢。路障机的控制系统采用可编程控制器作为核心控制单元（控制主站），实现对整个系统动作的监测和控制。

4.1 控制系统构成

系统由一个现场控制柜和一个远程控制柜组成（图4、图5）。现场控制柜设置在液压站内，为整套设备提供电力分配与逻辑控制。远程控制柜及手持式控制器可设置在值班室内，实现对整套设备的远程控制。

图4 现场控制柜

图5 远程控制柜及手持式控制器

4.2 控制系统原理

控制系统接收现场控制柜、远程控制柜及手持式控制器发出的控制指令，通过控制液压元件的动作来实现拦截体的升降运动。

控制系统可以检测油缸位置、系统压力和油液位置。当系统出现电机过载保护、过滤器异常、压力异常和液位异常监控等故障时，系统会发出报警，报警显示灯点亮，设备故障蜂鸣器蜂鸣。压力系统采用机械和电气双重检测控制，实现双重保护，系统压力电气检测采用模拟量控制，压力检测更精确，可以通过人机界面动态监控系统当前压力。

在控制程序上，针对液压路障机工作常态为开启状态，设置了压力补偿功能，确保内液压系统泄漏造成的拦截体高度下降在要求范围内。路障机主机工作环境恶劣，拦截体位置检测元件容易损坏，通过时间控制（经实际测得停止时间8 s）对拦截体的停止进行操作，确保位置检测元件损坏时路障机可以正常运行，且元件损坏可以提示报警。

控制系统原理如图6 所示。

图6 控制系统原理

4.3 控制流程

液压系统启动后，对压力、液位、过滤和过载情况进行检测。若发现异常，系统发出报警，警示灯常亮，液压系统溢流泄压，设备停止运行。检测正常液压输出，设备可正常运行。当收到拦截体上行或下行命令时拦截体运动，到达限位后拦截体停止。拦截体运动时间大于8 s，拦截体停止并产生故障报警。系统控制流程如图7 所示。

图7 系统控制流程

4.4 路障机操作流程工作模式

（1）自动模式。由控制系统接收信号，控制液压系统元件来实现拦截体的升降。

（2）手动模式。通过人工操作液压系统上的手动转换开关及手动液压泵，实现拦截体的升降运动。

自动模式拦截体升降控制操作，可由现场控制柜、远程控制柜及手持式控制器进行，拦截体升降方式分为“点动升降”和“连续升降”。

（1）点动升降。当按动点动下行或者点动上行按钮时，拦截体下行或者上行。松开按钮时，拦截体停止运动。

（2）连续升降。当按动拦截体上行或者拦截体下行按钮，拦截体下行至低位或上行至最高位。

人机界面对系统工作压力进行设定，设定值范围8～16 MPa。当系统低于8 MPa 时，液压泵自动启动，当到达16 MPa 时，液压泵停止。

5 总结

设计液压系统时应充分考虑系统的使用环境，确保液压系统运行平稳，无冲击和振动现象。机电产品中机和电是密不可分的整体，产品设计时应兼顾两方面，确保系统安全可靠，操作简单，达到良好的用户体验感。