【正文】 量生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)干冰清洗設(shè)備的國產(chǎn)化制造。干冰清洗技術(shù)在國外工業(yè)清洗行業(yè)中應(yīng)用廣泛，近年，國內(nèi)許多企業(yè)也已開展了干冰清洗業(yè)務(wù)，但使用設(shè)備多為進(jìn)口美國、丹麥、意大利等國家的產(chǎn)品，價(jià)格十分昂貴。四達(dá)公司開發(fā)的新型干冰清洗設(shè)備將以其優(yōu)越的性能，適中的價(jià)格為國內(nèi)企業(yè)開展干冰清洗工作提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。從此，國產(chǎn)干冰清洗機(jī)逐漸走向市場，干冰噴射技術(shù)已慢慢走向成熟。 課題來源和關(guān)鍵研究問題的提出本課題來源于晟達(dá)干冰設(shè)備制造有限公司。日前國內(nèi)外干冰清洗技術(shù)還沒有應(yīng)用到高壓電力設(shè)備方面上，干冰清洗車就是在為了在高壓變電站電力設(shè)備上應(yīng)用已日漸成熟的干冰清洗噴射技術(shù)而開發(fā)與研究的。干冰清洗車是用于清洗超高壓變電站電力設(shè)備的專業(yè)清洗設(shè)備，該設(shè)備綜合運(yùn)用了機(jī)械、電氣、液壓、氣動等方面的技術(shù)，主要由行走驅(qū)動部分，底部懸掛平臺，機(jī)、電、液控制系統(tǒng)部分，升降平臺，干冰清洗設(shè)備和干冰噴射裝置等部分組成。干冰清洗車可以運(yùn)用干冰清洗機(jī)上已成熟的噴射系統(tǒng)，這就為研究和開發(fā)的工作提供了可行性和保證性，也使得干冰清洗車目前要解決的關(guān)鍵問題轉(zhuǎn)移到怎么才能實(shí)現(xiàn)高空中絕緣子的清洗問題，即怎么進(jìn)行控制才能實(shí)現(xiàn)安全，準(zhǔn)確，高效地完成清洗工作。因此，干冰清洗車的控制系統(tǒng)成為目前主要的研究方面，而不再是干冰清洗或是噴射技術(shù)的研究。研究高效可靠的控制系統(tǒng)能夠給干冰清洗車的研發(fā)提供技術(shù)支持，同時(shí)對干冰清洗車的現(xiàn)實(shí)可行性給予證明，對干冰清洗車在高壓變電站中的安全，節(jié)能，高效的應(yīng)用有重要意義。 本文主要工作本課題根據(jù)干冰清洗車的功能要求、工作原理與工作流程，確定系統(tǒng)的控制方案。然后對干冰清洗車的關(guān)鍵部分調(diào)平機(jī)構(gòu)和卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)等機(jī)構(gòu)的液壓傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與研究，由于時(shí)間和經(jīng)費(fèi)等條件的限制，研究重點(diǎn)主要集中在對電液比例控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)及干冰清洗車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，使其傳動與控制基本上實(shí)現(xiàn)了干冰清洗車的運(yùn)行要求，為今后自動控制的干冰清洗車樣機(jī)的設(shè)計(jì)與試制提供有力的依據(jù)。本課題主要工作如下：分析與設(shè)計(jì)干冰清洗車的結(jié)構(gòu) 根據(jù)清洗車的工作原理與功能要求分析并設(shè)計(jì)了干冰清洗車各部分的機(jī)械結(jié)構(gòu)。確定系統(tǒng)的控制方案根據(jù)干冰清洗車的工作環(huán)境和技術(shù)指標(biāo)等確定其控制系統(tǒng)的方案。設(shè)計(jì)卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)和調(diào)平機(jī)構(gòu)電液比例控制系統(tǒng)，繪制液壓回路原理圖。根據(jù)干冰清洗車的工作流程及設(shè)計(jì)要求，確定控制方法，確定液壓執(zhí)行元件以及各基本回路，把它們有機(jī)的結(jié)合在一起。另外，為了便于液壓系統(tǒng)的維護(hù)和監(jiān)測，選擇合適的控制器，并在系統(tǒng)中主要路段裝設(shè)必要的檢測元件(如壓力表、溫度計(jì)、傳感器等) 。繪制液壓原理圖時(shí)，在圖中按照國家標(biāo)準(zhǔn)繪制液壓元件符號。對系統(tǒng)進(jìn)行液壓仿真與靜動態(tài)特性分析根據(jù)液壓原理圖，使用 MATLAB/SIMULINK 軟件建立各個(gè)重要部分液壓系統(tǒng)模型圖，并設(shè)定液壓元器件的參數(shù)，通過仿真，觀察系統(tǒng)是否能按所設(shè)計(jì)流程工作，修改所設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)原理圖，直到系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)工藝流程。根據(jù)液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，確定控制系統(tǒng)應(yīng)該達(dá)到的特性指標(biāo)。選擇設(shè)計(jì)合適的控制器在對液壓傳動系統(tǒng)的靜動態(tài)特性分析的基礎(chǔ)上，為了使系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、控制準(zhǔn)確和反應(yīng)快速，根據(jù)控制要求設(shè)計(jì)控制器，并使用 MATLAB/SIMULINK 軟件進(jìn)行仿真，確定控制器各參數(shù)。設(shè)計(jì)控制電路，編寫控制程序根據(jù)控制要求，確定 P L C 的 I/O 點(diǎn)數(shù)和控制模塊與觸摸屏的選用。分配 I/O 點(diǎn)后， 畫好 I/O 接線原理圖。將液壓傳動工藝過程分為若干個(gè)階段，確定每一個(gè)階段的輸入信號和輸出要控制的設(shè)備，還有不同階段之間的聯(lián)系，畫出程序流程圖，最后在GX Developer 上使用梯形圖編寫控制程序，在 PM Designer 上設(shè)計(jì)觸摸屏畫面。通過對干冰清洗車電液比例控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究，基本實(shí)現(xiàn)了干冰清洗車控制系統(tǒng)的要求。第二章 干冰清洗車結(jié)構(gòu)與原理 概述干冰清洗車是用于清洗超高壓變電站電力構(gòu)件的專業(yè)清洗設(shè)備，其結(jié)構(gòu)和功能是針對電力構(gòu)件的特點(diǎn)和工作環(huán)境而研究發(fā)和設(shè)計(jì)的。本章闡述了干冰清洗車的構(gòu)成，包括干冰清洗車的機(jī)械部分、液壓部分、氣動部分和電氣部分，分析了干冰清洗車的工作原理和工作流程。 干冰清洗車結(jié)構(gòu)組成干冰清洗車綜合運(yùn)用了機(jī)械、電氣、液壓、氣動等方面的技術(shù)，主要由履帶行走驅(qū)動部件，水平控制平臺部分，干冰清洗驅(qū)動設(shè)備部分，升降平臺裝置等部分等部分組成。干冰清洗車的總體結(jié)構(gòu)簡圖如圖 2－1。圖 2－1 干冰清洗車總體結(jié)構(gòu)圖 The structure diagram of dry ice cleaning car1－履帶行走與水平控制平臺 2－電氣柜控制 3－干冰清洗驅(qū)動設(shè)備 4－液壓站 5－清洗工作平臺裝置 6－升降系統(tǒng)部分 7－升降系統(tǒng)固定支腳 履帶行走與驅(qū)動為了適應(yīng)在凹凸不平的地面行走，干冰清洗車運(yùn)用各自己獨(dú)立控制的雙履帶行走結(jié)構(gòu)。履帶由直流電動機(jī)驅(qū)動，左右二個(gè)直流電機(jī)分別驅(qū)動各自的履帶前進(jìn)或退，所以左右履帶可以同時(shí)前進(jìn)、后退、其中一個(gè)停止另一個(gè)前進(jìn)或后退、或者其中一個(gè)前進(jìn)另一個(gè)后退，所以清洗車能靈活的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎和原地打轉(zhuǎn)。 平臺調(diào)平控制機(jī)構(gòu)干冰清洗車是進(jìn)行高空作業(yè)的專用設(shè)備，工作時(shí)，要求平臺處于水平位置，這樣對控制平臺的水平精度也提出很高的要求。因此，水平精度和調(diào)平時(shí)間是衡量干冰清洗車性能的重要的指標(biāo)，其確保水平的性能就顯得十分關(guān)鍵。干冰清進(jìn)洗車的平臺調(diào)平控制機(jī)構(gòu)部分也就比較復(fù)雜，其中調(diào)平平臺是采用鉸鏈?zhǔn)诫p橫梁懸掛結(jié)構(gòu)平臺，二調(diào)平液壓缸作用點(diǎn)在平臺的二中軸線上，結(jié)合套缸外固件上的固定支腳就可以使清洗車水平而且穩(wěn)定地工作，平臺調(diào)平控制機(jī)構(gòu)簡圖如圖 2－2。圖 2－2 平臺調(diào)平控制機(jī)構(gòu) Platform Leveling control mechanism1－車架 2－調(diào)平支腿液壓缸（2 個(gè)） 3－懸掛水平控制平臺 4－升降套缸部分平臺調(diào)平機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)由液壓驅(qū)動，調(diào)平平臺作用是調(diào)整整個(gè)升降機(jī)構(gòu)和噴射控制機(jī)構(gòu)的水平，由水平調(diào)整液壓缸完成。 固定支腳固定支腳由主要由一液壓缸組成，在沒有調(diào)平的狀態(tài)支腳是收縮起來的。固定支腳的作用是通過固定套缸外套簡，從而與調(diào)平液壓缸構(gòu)成三點(diǎn)固定懸掛平臺的作用。 干冰清洗機(jī)集成裝置干冰清洗機(jī)集成裝置高度集成了干清洗機(jī)的主要部件，主要由干冰進(jìn)料漏斗，送料輥，變頻器調(diào)速送料電機(jī)，以及壓縮空氣驅(qū)動系統(tǒng)等部分組成，干冰清洗機(jī)集成裝置實(shí)現(xiàn)了干冰送料和高壓輸送。 卷揚(yáng)升降機(jī)構(gòu)和噴射控制機(jī)構(gòu)卷揚(yáng)升機(jī)構(gòu)主要由材料為絕緣的玻璃鋼制成的升降套缸和以液壓馬達(dá)和減速器等組成的卷筒控制機(jī)構(gòu)組成，以壓縮空氣為上升動力，卷筒控制的吊帶拉力平衡壓縮空氣產(chǎn)生的壓力實(shí)現(xiàn)上升和下降速度的控制。卷揚(yáng)升降機(jī)構(gòu)如圖 2－3 所示。噴射控制機(jī)構(gòu)由翻轉(zhuǎn)平臺、移動平臺、手臂和噴槍組成，其中移動平臺安裝在翻轉(zhuǎn)平臺上，手臂安裝在移動平臺內(nèi)，噴槍安裝在手臂上。移動平臺二個(gè)方向的移動由液壓缸驅(qū)動，手臂的開合、和噴槍的擺動由液壓缸結(jié)合連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。為適合圓形絕緣子的清洗二手臂上分別安裝二支噴槍，其結(jié)構(gòu)如圖 2－4。.圖 2－3 卷揚(yáng)升降機(jī)構(gòu)簡圖 Structure diagram of winding lifting mechanism1－噴槍 2－手臂 3－移動平臺 4－翻轉(zhuǎn)平臺 5－翻轉(zhuǎn)平臺支腳（液壓缸） 6 升降套缸 7－鐵制套缸固定外套件 8－卷揚(yáng)馬達(dá)裝置圖 2－4 手臂與噴槍連桿結(jié)構(gòu)圖 Diagram of the arm and gunjet link mechanism1－手臂張合液壓缸 2－手臂 3－噴槍擺動液壓缸 4－雙鉸鏈曲柄 5－連桿 6－單鉸鏈曲柄 7－噴槍 干冰清洗車的工作原理與工作流程干冰清洗車工作時(shí)必須與與它配套的可產(chǎn)生交流電和配備有空氣壓縮機(jī)的工程車一起。干冰清洗車的清洗原理是：在清洗車內(nèi)裝入已制作好的干冰顆粒，接入壓縮空氣，在壓縮空氣的驅(qū)動下，高密度干冰顆粒隨著壓縮空氣沖擊到絕緣子表面，干冰在瞬間粉碎、升華，吸收大量熱量。由于污垢與母體絕緣子的膨脹系數(shù)不同，使得污垢迅速龜裂，顆粉碎的干冰粒進(jìn)入裂縫，由于干冰的汽化，其體積在瞬間膨脹近 800 倍，這樣就在沖擊點(diǎn)造成“微型炸彈” ，污垢迅速剝離，從而起到清洗作用。 干冰清洗車的工作流程如圖 2－5：圖 2－5 干冰清洗車的工作流程圖 The working process char of dry ice cleaning car清洗車就位：清洗車行駛到距離正對絕緣子底柱 － 米的位置時(shí)停下（操作面板上有距離雷達(dá)的顯示器） 。水平調(diào)整懸掛平臺調(diào)平：按下平臺調(diào)平按鈕，運(yùn)行電液比例調(diào)平系統(tǒng)使清洗車電液比例調(diào)平機(jī)構(gòu)保持水平。固定支腳伸出：調(diào)平結(jié)束后，安裝于套缸外套件上的支腳伸長以固定整個(gè)升降和清洗系統(tǒng)裝置。清洗工作翻轉(zhuǎn)平臺上翻：按下工作平臺上翻按鈕，使工作平臺上翻到水平狀。噴槍對心：按下噴槍對心按鈕啟動對心工作程序，先左手臂合攏，直到安裝在手臂上的光電開關(guān)發(fā)出信號時(shí)停止，然后是右手臂合攏，最后是進(jìn)行前后方向?qū)π恼{(diào)整（由活動平臺前后方向移動完成） ，液壓缸驅(qū)動移動平臺向前移動，直到光電開關(guān)發(fā)出信號時(shí)停止。干冰噴射：按下清洗啟動按鈕，此時(shí)安裝在于二手臂之間用于檢測上升位置是否到達(dá)絕緣子位置的對射光電開關(guān)發(fā)光元件通電，并啟動自動清洗程序。升降裝置開始上升，直到卷筒上的位置傳感器發(fā)出信號，PLC 給比例閥發(fā)送信號開始進(jìn)入速度轉(zhuǎn)換程序，使速度平穩(wěn)準(zhǔn)確地達(dá)到工作上升狀態(tài)，上升到對射光電開關(guān)感光元件接收到發(fā)光元件的信號時(shí)，噴射系統(tǒng)啟動，干冰噴射工作開始，隨即噴槍開始擺動，直到清洗到頂部時(shí)，關(guān)電開關(guān)向 PLC 發(fā)送信號，關(guān)閉清洗噴射系統(tǒng)，升降裝置下降到底部。然后清洗車各部分復(fù)位。至此，一個(gè)工作位的清洗工作完成。 小結(jié)根據(jù)高壓變電站的絕緣子構(gòu)件的特點(diǎn)而研究的干冰清洗車，其各部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都相當(dāng)合理，滿足了設(shè)計(jì)的要求。履帶式行走結(jié)構(gòu)結(jié)合懸掛式平臺使干冰清洗車可以在不平的地面上工作；套缸升降結(jié)構(gòu)裝置保證了高空工作的可靠性；移動平臺結(jié)合連桿機(jī)構(gòu)的噴槍結(jié)構(gòu)確保了絕緣子構(gòu)件的各部位都被清洗到。通過詳細(xì)的介紹了干冰清洗車的各個(gè)部分的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)，分析了干冰清洗車的工作原理和工藝流程，這為以后章節(jié)干冰清洗車電液控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)。第三章 干冰清洗車控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 概述系統(tǒng)總體方案的確定必須充分考慮工作環(huán)境等許多因素，首先要明確干冰清洗車關(guān)鍵部分系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)，分析其技術(shù)指標(biāo)。據(jù)此確定控制系統(tǒng)的總體方案，分析系統(tǒng)的組成及工作原理，對傳動系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對系統(tǒng)關(guān)鍵元件進(jìn)行選型，為以后干冰清洗車控制系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)提供參考。 控制系統(tǒng)綜合分析 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求干冰清洗系統(tǒng)在工作之前首先要對其水平性進(jìn)行較高精度調(diào)整，其調(diào)平控制系統(tǒng)主要是為干冰清洗車清洗噴射等上部裝置提供一個(gè)水平的平臺，要求平臺能快速自動地實(shí)現(xiàn)較高精度水平基準(zhǔn)的調(diào)整。平臺由可轉(zhuǎn)動的鉸鏈結(jié)構(gòu)式十字交叉橫梁懸掛著，為了保證調(diào)平后保持穩(wěn)定的水平度，調(diào)平后懸掛平臺由二個(gè)與車架連接的剛性液壓支撐保持水平。懸掛平臺應(yīng)滿足發(fā)下要求：1）清洗車就位后，要求懸掛平臺可以自動進(jìn)入調(diào)平程序開始自動調(diào)平；2）調(diào)平過程應(yīng)在短時(shí)間內(nèi)完成，并滿足精度指標(biāo)要求；3）平臺調(diào)平后，應(yīng)進(jìn)行鎖閉，以保證調(diào)平狀態(tài)保持足夠時(shí)間不變；4）自動調(diào)平系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，要求能夠通過手動方式進(jìn)行調(diào)平。調(diào)平后進(jìn)行清洗噴射裝置的上升和下降過程要求速度可無級調(diào)節(jié)，并且可實(shí)現(xiàn)速度平滑轉(zhuǎn)換和起停無震動、無沖擊。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則1）安全可靠在設(shè)計(jì)硬件時(shí)，必須考慮到系統(tǒng)的實(shí)際工作環(huán)境中溫度、濕度、壓力、粉塵、振動等因素對設(shè)備所造成的影響，要充分考慮增加必要的硬件安全措施，保證系統(tǒng)在規(guī)定的工作環(huán)境下工作可靠、性能穩(wěn)定。軟件設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮系統(tǒng)的容錯(cuò)功能及通信抗干擾能力，保證系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠。2）易操作性系統(tǒng)應(yīng)具有良好的人機(jī)界面，盡量降低對操作人員的要求。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量增大智能化程度，最大限度的減少人工干預(yù)。3）可維護(hù)性在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要從系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)、硬件布局、硬件診斷等方面充分考慮系統(tǒng)的可維護(hù)性。 控制系統(tǒng)總體技術(shù)指標(biāo)1）控制方式：手動、自動2）環(huán)境條件：溫度－40 0C－80 0C、濕度〈 80%3）精度要求：平臺〈 升降速度誤差〈4）平臺調(diào)平時(shí)間〈 1min 系統(tǒng)控制方案的選擇綜合系統(tǒng)的實(shí)際情況，考慮到車體結(jié)構(gòu)特性和穩(wěn)定性、水平調(diào)平精度、系統(tǒng)成本等因素，采用卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行清洗裝置的升降控制，懸掛平臺采用二個(gè)方向進(jìn)行調(diào)平。 傳動方式的選擇選擇何種傳動方式對于調(diào)平系統(tǒng)和升降系統(tǒng)來說都十分重要，它關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確快速地按照控制指令完成調(diào)平和升降工作。下面通過對液壓傳動方式的分析后選擇出適合本系統(tǒng)要求的傳動方式。液壓傳動方式 [6]：像機(jī)械傳動一樣，液壓傳動也是傳送動力的方法之一。它是靠密封容器內(nèi)受靜壓力的液體傳送動力的，在液壓系統(tǒng)中，油泵將具有一定轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的電動機(jī)的機(jī)械能，轉(zhuǎn)變成具有一定壓力和流量的液壓能，通過控制閥的調(diào)節(jié)，借助執(zhí)行機(jī)構(gòu)( 油缸和液壓馬達(dá) )還原成所需要的移動或回轉(zhuǎn)的機(jī)械能。由于這種動力的變換和傳遞是依靠液壓油作傳動介質(zhì)的，所以叫液壓傳動。它具有快速性，穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，液壓傳動是近代工業(yè)技術(shù)中的一個(gè)重要分支?？梢韵嘈?，隨著它與迅猛發(fā)展起來的電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的日益緊密結(jié)合，將有更新、更高的發(fā)展。隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，液壓傳動技術(shù)將會在更多方面進(jìn)一步顯示出其強(qiáng)大的威力和優(yōu)越性。根據(jù)干冰清洗車的工作要求，其控制系統(tǒng)選用液壓傳動的方式。確定選用液壓傳動方式后，還要確定一個(gè)最適合的液壓控制系統(tǒng)。下面結(jié)合液壓比例控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，說明干冰清洗車運(yùn)用電液比