油气防后倾缸数学模型和仿真-.pdf

第7卷第4期 2009年12月 中 国 工 程 机 械 学 报 CHINESE JOURNAL OF CONSTRUCTION MAC HINERY Vol.7No.4 Dec.2009 作者简介 王 欣 ,女,副教授,工学博士2x 63 油 气 防 后 倾 缸 数 学 模 型 和 仿 真 王 欣,宋院归,高顺德 大连理工大学 机械工程学院,辽宁 大连 116024 摘要以履带起重机塔式副臂的油气防后倾缸为例,详细分析油气防后倾缸的原理,根据其工作过程,建立油气 防后倾缸输出力的数学模型,通过软件仿真得出其压缩过程中的动态特性曲线,分析不同参数对其输出力的影 响,并通过比较,得到对其输出力影响最大的参数. 关键词油气防后倾缸;数学模型;软件仿真;动态特性曲线;输出力 中图分类号 TH 213. 7 文献标识码 A 文章编号 1672 - 5581 2009 04 - 0441 - 04 Mat hematical modeling and simulation on hydro2pneumatic back2st opping cyli nder WANG Xi n , SONG Yua n2gui ,GAO Shu n2de School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian116024, China Abstr act Pertaining to a case study on the fly jib of crawler cranes ,the principles of hydro2hydraulic back2 stopping cylinder are analyzed. Based on the working process ,a mathematic model is established in terms of output f orces. Through the software simulation , a dynamic property curve is obtained. By analyzing and comparing the parametric impacts upon output forces ,the most critical parameter is identified. Key words hydro2pneumatic back2stopping cylinder ; mathematic model; software simulation; dynamic property curve; output force 履带起重机在突然卸载情况下,由于变幅系统和臂架的弹性作用,极易发生后倾事故.为此在总体设 计时,要为整机设置防后倾装置,在突然卸载等特殊工况下,起着防止臂架向后倾倒、 减少臂架振动的作 用[ 1].由于防后倾装置在臂架达到最大仰角之前,已经接触到了臂架,对臂架一直存在作用力,因此导致了 臂架在正常工作范围中,产生了一定的负力矩作用.如何使得防后倾装置在臂架突然卸载的情况下能可靠 地保护臂架,而在臂架正常工作范围中能减少对臂架的负力矩作用 [ 2 ] ,一直是行业内研究的热点话题. 塔式副臂防后倾装置是一种特殊结构的液压缸 油气防后倾缸,在液压缸内部充了一定体积的气 体,通过气体的膨胀作用,实现液压缸的伸缩,从而输出作用力,对臂架进行保护.本文以油气防后倾缸为 例,考虑刚度非线性,建立其数学模型,得出输出特性的动态曲线,分析影响油气防后倾缸输出力的主要因 素,为油气防后倾缸的设计提供参考. 1 油气防后倾缸的结构形式和工作原理 塔式副臂油气防后倾缸的结构形式 [3 ] 如图1所示,主要由缸筒、 活塞组件、 浮动活塞、 活塞杆组成,其 中,活塞组件在缸筒内部移动,浮动活塞在活塞杆内部移动.伸张腔B的液压油和气腔C中的氮气被浮动 活塞分开,伸张腔B的液压油和压缩腔A的液压油通过活塞组件上的阻尼孔来回交换.油气防后倾缸的工 1972-. E mail wang 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中 国 工 程 机 械 学 报第7卷 图1 油气防后倾缸的物理模型 Fig. 1 Physical model of the hydro2p neumatic back2stop cyli nder 作过程为在初始状态下,由于气体的作用,整个装置处于 全伸的状态,当臂架向后变幅,压缩活塞杆的时候,压缩腔 A的液压油被迫通过活塞组件上的阻尼孔流入伸张腔B , 压缩气体,从而输出作用力对臂架进行保护;当臂架向前 变幅的时候,由于气体体积的膨胀作用,伸张腔B的液压 油通过阻尼孔回到压缩腔A中,由于气体的压力,对臂架 有负力矩的作用. 2 数学模型的建立 本文讨论油气防后倾缸被压缩的过程中,其结构参数和工作参数对活塞杆输出力的影响.设油气防后 倾缸压缩行程x为正,如图1所示. 由于塔式副臂变幅的速度很慢,对油气防后倾缸建立数学模型时,根据其实际工作条件,排除主要因 素的影响,做出如下假设 1油液的质量和活塞的质量忽略不计; 2假设油液不可压缩; 3忽略摩擦力的影响; 4忽略温度对气体和油液的影响. 以活塞杆为研究对象,进行受力分析,得 F pAA 1 式中F为活塞杆的输出力;pA为压缩腔A的压力;A为活塞杆的作用面积. 根据细长小孔 [ 4 ]的节流小孔理论 ,流经阻尼孔的流量可表示为 Δp 128μlq πd4 , q Δpπd 4 128μl 2 式中Δp为阻尼孔前后的压差;μ为流量系数;l为阻尼孔的长度;q为通过阻尼孔的流量;d为阻尼孔的 直径. Δp pA-pBpA-pC3 式中pB为B腔液压油的实际压力;pC为C腔气体的实际压力. 在等温条件下,根据流体流动的连续性方程,活塞杆在被压缩的过程中,压缩腔A中被活塞杆的体积 所占的油液,全部通过阻尼孔进入伸张腔B中,则通过阻尼孔的流量 [5 ] 为 q v A 4 式中v为活塞杆的运动速度. 气腔C中所充的气体为氮气,它的性质和理想气体相近,其状态变化过程可以用一个多变方程式 [6 ] 来 描述 pCV r C pC0V r C0 5 式中pC为气体的实际压力;VC为气体的实际体积;r为气体多变指数;pC0为气体的初始压力;VC0为气体 的初始体积. 在工作过程,气体的实际体积为 VC Ax 6 式中x为活塞杆的运动位移. 由于塔式副臂变幅的速度很慢,因此在塔臂正常工作的过程中,整个热力学交换的过程看成是一个等 温过程,根据文献[4 ] ,取气体多变指数r的值为1. 联立方程1～6,得出油气防后倾缸活塞杆的输出力为 F μ π V V x 244 128lvA d 4 pC0 r C0 C0-A r A7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第4期王 欣,等油气防后倾缸数学模型和仿真 3 仿真研究与曲线分析 某型号450 t履带起重机 [3 ]的塔式副臂油气防后倾缸的参数为活塞杆直径 D 120 mm ;液压缸总行程 l 160 mm ;阻尼孔直径d 3 mm ;初始充气压力pC0 8. 9 MPa ,讨论其结构参数和工作参数对活塞杆输 出力的影响.采用MATLAB软件编制仿真程序,对影响活塞杆输出力的参数进行讨论. 改变油气防后倾缸的初始充气压力,其输出特性如图2所示,分析图中曲线,可以得出,随着初始充气 压力的增大,活塞杆输出力也相应增大,并且增大的幅度与充气压力增大的幅度保持一致.对于不同充气 压力,油气防后倾缸的刚度特性基本一致.改变油气防后倾缸的阻尼孔直径,其输出特性如图3所示,分析 图中曲线,可以得出,阻尼孔直径对活塞杆输出力的影响较大,以阻尼孔直径d 3 mm时活塞杆输出力为 参考值,当阻尼孔直径改为1 mm时,活塞杆的输出力增大了近1倍,而当阻尼孔直径改为5 mm时,活塞 杆的输出力变化不大.说明对于塔式副臂的变幅速度,需要和阻尼孔直径进行合理的匹配,选择合适的阻 尼孔直径.改变油气防后倾缸的活塞杆直径,其输出特性如图4所示,分析图中曲线,可以得出,随着活塞 杆行程的增大,活塞杆输出力的变化量也越来越大,比较符合塔式副臂的工作工况,当塔式副臂的工作幅 度较大的时候,塔式副臂的重心比较靠前,活塞杆的输出力较小,当塔式副臂的工作幅度较小的时候,塔式 副臂的重心比较靠后,活塞杆的输出力较小,能更好地保护臂架.表明活塞杆直径的大小直接影响油气防 后倾缸刚度的大小. 图2 不同充气压力时活塞杆的输出特性 Fig. 2 Output characterist ic of t he rod on different chargi ng pressure 图3 不同阻尼孔直径时活塞杆的输出特性 Fig. 3 Output charact eris tic of t he rod on different damper di ameter 图 不同活塞杆直径时活塞杆的输出特性 F Offf 344 4 i g.4utput characterist ic ot he rod on dierent rod di ameter 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中 国 工 程 机 械 学 报第7卷 4 结论 通过以上研究分析,可以得出以下结论 1活塞杆直径决定了油气防后倾缸的非线性特性,在设计时,需根据履带起重机的结构设计出合理 的活塞杆参数. 2阻尼孔直径对活塞输出力的影响很明显,需和塔式副臂的变幅速度进行合理匹配,如果阻尼孔匹 配不合理,会产生较大的作用力,对油气防后倾缸产生较大的冲击. 参考文献 [ 1] 屈福政,刘海涛.履带起重机臂架后倾动力学仿真[J ] .起重运输机械,200512 40 - 42. 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