液压系统回路速度刚性理论与实验研究.pdf

2 0 1 4年 7月 第 4 2卷 第 1 3期 机床与液压 MACHI NE T O0L HYDRAUL I CS J u 1 ． 2 01 4 Vo 1 ． 4 2 No ． 1 3 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 1 3 ． 0 2 2 液压系统回路速度刚性理论与实验研究 包海涛 淮 阴工学院交通工程 学院，江苏淮安 2 3 3 0 0 3 摘要采用 A ME S i m软件建立了节流调速回路系统的模拟模型， 设定 3种不同阀口参数，并进行模拟。采用 Q C S 0 0 3 B 型液压实验台对调速回路速度和负载数据进行采集，比较分析了节流调速回路的速度刚性 ，结果表明所建的仿真模型正 确 ，实验数据分析结果与理论分析相吻合 ，为该类型回路设计提供了参考。 关键词 调速回路；节流阀；速度刚性；模拟 中图分类号T H 1 3 7 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1【 2 0 1 4 1 3 0 8 3 3 The o r y a nd Ex pe r i me n t a l Re s e a r c h o f Sp e e d Ri g i d i t y o f Hy d r a ul i c S y s t e m Ci r c ui t BAO Ha i t a o S c h o o l o f T r a ffic E n g i n e e r i n g ， Hu a i y i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ，Hu a i a n J i a n g s u 2 2 3 0 0 3 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e s i mu l a t i o n mo d e l o f t h r o t t l i n g s p e e d c o n t r o l c i r c u i t o n h y d r a u l i c s y s t e m w a s b u i l t b y u s i n g t h e AME S i m s o f t w a r e， a n d t h r e e k i n d s o f v a l v e p o r t p a r a me t e r s we r e e n a c t e d a n d s i mu l a t e d ．T h e v e l o c i t y a n d l o a d d a t a o f t h r o t t l i n g s p e e d c o n t r o l c i r c u i t o n h y d r a u l i c s y s t e m w e r e c o l l e c t e d b y u s i n g Q C S O 0 3 B h y d r a u l i c t e s t g ． T h e t h r o t t l i n g s p e e d a n d ri g i d i t y o f c o n t r o l c i r c u i t w e r e c o m p ar e d a n d a n a l y z e d．Th e r e s u l t i n d i c a t e s t h a t t h e b u i l t mo d e l i s c o r r e c t ， a n d e x p e r i me n t a l d a t a a n aly s i s r e s u l t s are i n a c c o r d wi t h t h a t o f t h e o r y ，wh i c h i s r e f e r e n t i al f o r t h e d e s i g n o f t h i s t y p e o f c i r c u i t ． Ke y wo r d s S p e e d c o n t r o l c i r c u i t ；T h r o t t l e v alv e ；S p e e d rig i d i t y ；S i mu l a t i o n 节流调速是机械设备液压传动控制系统的重要组 成部分 ，对于运动速度要求高的设备 ，调速回路性能 往往起着决定作用。由于其回路结构简单，能平稳地 传递较大的动力，易于实现无级调速控制，成本低， 使用维护方便等独特的优点 ， 被广泛应用于 自动控制 的机械 中。而节流调速 的速度 刚性是 反映执行元件运 行速度随负载变化的重要指标 ， 其动态特性的好坏直 接影响终端执行件的工作精度 包括位置精度 、运 动精度等以及工作的稳定性 、响应速度和动态刚 性。传统模拟方法需要工作人员对液压系统进行分 析 ，构建一个动态系统物理数学模型， 然后进行数值 模 拟 。这种 模 拟方 法 对 工 作 人 员 的水 平 要 求 较 高 ， 模型的构建耗费人力和时间， 而且调节参数不方 便 ，并且 在不同的文献 中对该 系统在速 度调节过程 中 的特性分析不尽相同。 A ME S i m是法 国 I MA G I N E公 司 开发 的一 套 图形 化工程系统仿真软件 ， 为多学科领域复杂系统提供建 模仿真解决方案 。用户可以在 A M E S i m平台上研 究任何元件或系统的稳态和动态性能。其求解器采用 算法 自适应积分器并对不连续点进行直动判断和处 理 ，能够根据系统 的动态特性，在 1 7种可选算法中 自动选择最佳积分算法 ，并具有精确的不连续性处理 能力 ，保证了仿真的速度和精度。该软件 目前是应用 最广泛的液压系统仿真软件之一。作者以进 口节流调 速液压基本 回路为例，利用该软件建立相对应的模 型 ， 对动态特性进行模拟 ，分析其 速度 刚度 ，为实际 应用该回路提供了有力的理论基础， 既有理论意义又 有实践指导作用。 1 基本理论 A ME S i m 所 含 液 压 系 统 的模型库中集成了大多数标 准液压元件 的仿真子模 型， 最大程度地避免了仿真者 自 行设 计 数学 模 型 。同时 对 于系统 中的特定元件模 型， 可根据其物理结构，使用液 压元件设计库里面的最小模 型单元搭建完成。在开关型 阀控缸 系 统 中 ，泵 出的油 经 节流阀、换向阀进人工作缸， 通过节流阀与溢流阀控制液 压缸的速度 ，换向阀控制液 压缸的运动方向，如图 1所 示 。 图 1 开关型阀 控缸系统 收稿 日期 2 0 1 3 0 60 5 作者简介包海涛 1 9 6 9 一 ，硕士，副教授 ，主要从事流体动力学研究。Em a i l 4 1 2 5 7 0 7 3 2 q q ． c o rn。 8 4 机床与液压 第 4 2卷 液压缸两 腔 流量 的连 续性 方程 和 活塞 运动 方 程 为【 一 C l 警 ’ q 2 一 C d p 2 P l A l p 2 A 2m B F 1 式中q ． 、q 分别为缸无 、有杆腔的进流量 ； A 、A 分别为缸无、有杆腔的有效面积； P 、P 分别为缸无 、有杆腔的进油压力 ； 为活塞杆 的运动速度 ； m为运动部件的质量； B为黏性阻尼系数； F为负载； C 。 、C 分别 为无、有杆腔及其管路 的液容； 其中 C V 。 ／ K，C L／ K，V 。 ， ， 2 为缸无杆腔、有 杆腔容积， 为液压油的弹性模量。 对式 1 分别进行变换 ，得 Q s A V 5 C s P s 2 Q s A 。 V s 一C s P 2 S 3 A l P 。 一A 2 P 2 s m s s F s 4 由式 2 、 3 可得 以 - s 【 赤 一 C 1Js J P s 5 s 【 一 C 2 S ] P 2 s 6 式中 。 s P s ／ Q 。 s ，为进油管路传递函数； s P s ／ Q s ，为出油管路传递函数。 由图2液压系统负载 一速度的方块图可看出，当 负载 F变化时，速度 也将变化，而速度 V 变化又引 起液压力 P A - p A 变化 ，这样构成 了液压 系统 内部反馈。此外 ，黏性阻尼系数 日，进、出油管路的 元件和管路等也对液压系统动态性能产生影响。 根据图2可推到出系统的开环、闭环传递 函数 G s 、 s G ㈤ 一 7 1 C 2 5 s 一 A2 1 W蒜 lS 蔼 A22Wzs8 如果仅考虑节流阀，忽略管道和换向阀等影响， 则有 一 1 9 a 代数环系统方框图 b 环控 制 的系统 模 型 图2 开关型阀控缸系统动态方块图 式中 C 为节流阀流量系数。 回油管路传递函数为 。 1 0 一 。 C． s1 - G．d 覃 ‘ A BCd A BCd 系统的无阻尼 自然频率 0 3 和阻尼比 为 ∞ ／ A c d ／ C 。 m 1 2 mC d B C ／ 2,v ／ mC 1 A B C d 1 3 通过对该系统进行动态特性分析可知该系统是 一 个二 阶系统 ，在正常情况下是稳定 的。但当低速运 动时，若出现了负值负载时，则系统可能出现爬行现 象。其次增大 A 减小 C ， 、 可以提高液压系统无阻 尼 自然频率 。 系统 的负载 F与输出位移 之 比，称 为系统 的位 置 刚性 ，用 表示 。系统负载 F与输 出速度 V 之 比， 称为速度刚性，用 表示。则 I南 一 一 】 i 1 4 K I A F 1 f 1 1 c m s B 一 [ 1 C s W 一 1 C S 】 15 L一 。 1 s 2 s J 第 1 3期 包海涛 液压系统 回路速度刚性理论与实验研究 8 5 2 液压系统仿真及 其分析 在 A M E S i m环境中利用 S k e t c h模式并调用系统所 提供的液压库、机械库和信号库建立如图 3 所示的系 统模型。 图3 A ME S i m系统仿真原理图 为了验证模型的可靠性 ，在 Q C S 0 0 3 B教学试验 台进行实验 ，该液压系统 由两个 回路组 成 即调速 回 路和加载回路 ，采用液压缸对顶加载的方法，其原理 图如图 4所 示 ，实 验 台 中的 两液 压缸 的结 构 尺 寸 一 样 ，无杆腔 的有 效 面积 恒 为 A ． ，有 杆 腔 的有效 面 积 恒为 A ，两 缸 之 间 的 有 效 行 程 为 L 。A 1 2 ． 5 6 1 0一 i n ，A25 ． 4 9 5 1 0一 n l ，L 0 ． 2 2 5 m。P 8 7 0 k s ／ m ，／ x 0 ． 0 2 6 P a s ，t 1 6 o C具体设备介绍和实 验步骤在相关论文中已有介绍 ，这里不再叙述。模拟 时节流 阀的开 口面积分 别设定 为 O L 。 5 n i l3 ， 1 0 m m ，O L 1 5 m m ，与图5的曲线 1 、2 、3分别相对 应 。 I m 渡 压 泵2 、9 一溢 流 阀3 、l 2 ～ 三位 四通 阀4 一调 速 阀 5 、6 、7 、1 0 一节流阀8 一液压泵 l l 、l 6 一 二位三通阀l 3 一压 力传感嚣1 4 一被试阀1 5 一二位通阀1 7 、l 8 一液压缸 l 9 一 电压 表2 O 一 流 量 计2 l 、2 2 ～ 过滤 器 图 4 Q C S 0 0 3 B实 图 5为仿真得 出的 速 度 一负 载 一F 特性 曲线 ，从 图 中可 以 看 出速 度 随 负 载 变 化 的 规 律 ，曲 线 越 陡 ，表 明 负 载 变 化 对 速度 的影 响越 大，即 速 度 刚 性 越 小 。 当 节 流 阀流通 面 积 一定 时 ， 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011 1 2 ， y k N 图 5 进油节流调速的 一 F 仿真特性曲线 重载区 比轻载区的速度刚性小即负载越小速度 刚性越 大，曲线越平稳 ；当负载一定时，节流阀流通面积越 小 即执行元件速度越低 ，速度刚性越大；适当增 大液压缸有效面积和提高液压缸供油压力，也可适当 提高刚性；在相同负载下工作时，节流阀流通面积大 的比小的速度刚性小，即速度高时速度刚性差。 由于实 验 过 程 中 6 0 无法定量得出 节流阀 的开 口面 积 的 大 小 ， 3 0 实验时仅能从定性的 角度控制节流 阀开 口 0 面 积 的 大 、 中、小 3 种 不 同 的开 口度类 型 图6 进油节流调速的 一 进 行 实验 。根据 实 验 F 实验特性曲线 数据作出的调速回路曲线如图6所示，流量阀曲线分 别表示节流阀在三种不同通流面积时的速度 一负载特 性 曲线 ，与图 5比较 可得 出 ， 一F仿 真 曲线 与实 验 曲线的发 展趋势 是一致 的 ，实 际测试 曲线与理论 曲线 基本吻合 ，由此说明所设计的系统是可行的。 3结论 运用 A ME S i m软件的建模与仿真得到了节流调速 回路的动态特性 ，比较仿真与实验结果得出 1 所建仿真模型得出的节流调速回路的速度 一 负载动特性与理论基本吻合 ； 2 节流 阀通流截面不变时，执行元件负载越 小 ，速度 刚性越 大 ； 3 执行元件负载不变时 ，通流截面越小 ，速度 刚性越 大。 参考文献 [ 1 ]周垄敏 ， 胡少刚． 节流调速系统建模与动态特性研究 [ J ] ． 常州工学院学报， 2 0 0 6 1 3 63 9 ． [ 2 ]姚黎明， 王俊峰， 贺铭． 液压进 口节流调速系统动态特性 分析[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 8 ， 3 6 1 2 1 0 71 0 9 ． [ 3 ]彭伟春． 小型多功能液压挖掘机研究[ D] ． 长春 吉林大 学 ， 2 0 0 4 ． [ 4 ]叶鹏飞． 小型液压挖掘机节流控制系统建模与仿真研究 [ D] ． 长沙 中南大学 ， 2 0 0 9 ． [ 5 ]郭晓松， 祁帅 ， 于传强， 等． 工程机械的节流调速液压回 路仿真分析[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 9 ， 3 7 6 2 0 6 2 0 8 ． [ 6 ]刘泽群． L G 9 5 3轮式装载机行车制动系统研究[ D] ． 长 春 吉林大学， 2 0 0 9 ． [ 7 ]崔吴 ， 王育才， 吕建 国． 基于 MA T L A B ／ S I M U L I N K的阀 控液压缸动态特性仿真与优化 [ J ] ． 机 械传动 ， 2 0 0 7 8 6 7 6 9 ． [ 8 ]田波． 基于可重构的轮辋压窝冲孔机的研究[ D ] ． 重庆 重庆大学， 2 0 0 7 ．