三相交流液压系统设计与仿真研究.pdf

Hy d r au l i c s Pn eu ma t i c s S e a l s ， ⅣO ． 2． 2 01 l 三相交流液压 系统设计与仿真研究 王 彪 赵 静一 曹文熬 燕 山大学， 河北省重型机械流体动力传输与控制重点实验室， 河北秦皇岛0 6 6 0 0 4 摘要 基 于交流液压系统原理 ， 设计 出三相交 流液 压系统模型 ， 利用 A ME S i m软件对 系统 进行仿真 ， 研 究系统动态特性 ， 三相液流耦 合特性 ， 并 与传统液压系统进行 比较 ， 发现交流 液压系统具 有较好 的耦合 特性 、 隔离特性 、 振 动输 出特性 ， 其特性 在工程机械 、 矿 山机 械 、 机 械 加 工 等 领 域 具 有 较 好 的 应 用 。 关键字 三相交流液压系统 ； A ME S i m； 仿 真 中 图分 类号 T H1 3 7 ． 7 文 献 标 识 码 A 文 章 编 号 1 0 0 8 0 81 3 2 01 1 0 2 0 0 5 9 0 3 De s i g n， S i mu l a t i o n o f a Th r e e P ha s e s Al t e rna t i v e Hy d r a u hc S y s t e m WANG Bi a o Z HA0 J i n g - y i C A0 We n - a o He b e i K e y L a b o r a t o r y o f H e a v y Ma c h i n e r y F l u i d P o w e r T r a n s mi s s i o n a n d C o n t r o l ， Y a n S h a n u n i v e r s i t y ，Q i n h u a n g d n o 0 6 6 0 0 4 ， C h i n a Ab s t r a c t Ba s e d o n t h e p ri n c i p l e o f a l t e rna t i v e h y d r a u l i c s y s t e m， a mo d e l o f t h r e e p h a s e s a l t e r n a t i v e h y d r a u l i c s y s t e m c o u l d b e e n s e t u p a n d s i mu l a t e d w i t h AME S i m．T h mu g h s t u d y i n g i t s d y n a mi c c h a r a c t e ris t i c ， c o u p l i n g c h a r a c t e ris t i c a n d c o mp a ri n g wi t h t r a d i t i o n a l h y d r a u l i c s y s t e m， i t h a s b e e n f o u n d t h a t a l t e r n a t i v e h y d r a u l i c s y s t e m h a s s o me g o o d c h a r a c t e r i s t i c s a s c o u p l i n g ， i n s u l a t i o n ， a n d v i b r a n t o u t p u t ， w h i c h a r e we l l u s e d i n ma n y fi e l d s ， s u c h a s e n g i n e e ri n g ma c h i n e r y ， mi n i n g ma c h i n e r y ， me c h a n i c a l wo r k i n g ， a n d S O o n ． Ke y W o r d s t h r e e - p h a s e s a l t e rna t i v e h y d r a u l i c s y s t e m ； AMES i m； s i mu l a t i o n O 引言 2 O世 纪 初 ， D o n a l d L ． C u l b e r s o n提 出 流 体 振 动 可 以传递功率 ， 从此揭开了交流液压技术研究的序幕 。传 统 的液压系统液体经液压泵增压 ， 压力油经过管道 、 执 基金项 目 河北省 自然科学基金资助项 目 5 0 3 2 9 3 收稿 日期 2 0 1 0 0 6 2 1 作者简介 王彪 1 9 8 5 一 ， 男 ， 河北 张家口人 ， 硕士研究生 ， 就读 于河北燕山 大学机械工程学院机械 电子工程专业， 主要研究方 向为机电控制系统 。 行器再回到油箱 ， 按照这样的顺序循环流动 ， 功率通过 相对稳定压力和流量进行传递。在交流液压系统中， 工 作部分液体不循环 。而是封闭在系统 中沿液压管道来 回流 动 或根 本 不 动 ，并 通过 流 量 波或 压 力 波来 传递 功 率 。通常人们把靠流量波来传递功率的交流液压系统 称之为脉动交流液压系统 ，而把液体封闭在管道 中不 动 ，只是通过压力交变来传递功率 的交流系统称之为 驻波液压系统 ， 根据液流相数不同 ， 分 为单 向 、 两相和 - 一 一 一一 - - - 一 - - 一 一 - 一 十一 一 一- 一 一 一 - * 一 - 一- 一 - h ．．．- ⋯ ⋯ 一 一 ．⋯ ．i - 一 ’ 图 6主从方式控制有外干扰力的输出误差 从 以上 图 中可 以看 出 ．在 0 - I s中误 差 就 控 制 在 5 m m的范围内，等量方式要 比主从方式控制的误差小 并且 减 小趋 势 快 ；外 干 扰力 对 系 统 在稳 定 时产 生 的误 差也小 ， 基本在 2 m m 内。因此对于长行程双缸 同步系 统采用 同等方式控制比主从 方式控制的效果好 ，输出 误差 相对 较小 ， 为 今后 的工 程实 践 提供设 计参 考 。 参 考 文 献 【 l 】 李洪人， 王栋 梁， 李春 萍． 非对称缸 电液 系统 的静态特 性分析 [ J ] ． 机械工程学报， 2 0 0 3 2 1 9 2 2 ． 【 2 】 陈彬， 刘阁． 零 开 11阀控非对称 缸系统 的特性分析 [ J ] ． 机床与 液压， 2 0 0 6 1 2 6 7 - 7 0 ． 【 3 】 丁意， 赵克 定， 于金盈 ． 双缸 同步控制系统 的研究 『 J 1 ． 流体传动 与控制， 2 0 0 7 2 ． 【 4 】 田勇， 周岸， 董彬 ， 等． 双 吊点液压启 闭机 电液比例同步系统研 究[ J 】 ． 机床与液压， 2 0 0 7 2 ． 【 5 】 张 汉生 ． 液压 同步 系统 误 差 的消 除及 修 正【 J ] ． 液 压 与气 动， 1 9 9 3 5 ． 【 6 】 王春行 ． 液压控制系统【 M】 ． 北京 机械工业出版社， 1 9 9 9 ． 59 舵 叭 0 叭 m 液 压 气 动 与 密 封 ， 2 01 1年 第 2期 多相交流液压系统。其振动特性可 以应用于工程 、 矿 山 、 冶 金机 械等 领域 ， 路 面疲 劳试 验 机 、 打夯 机 、 冲击 式 采 煤 机 、圆形 跳汰 机等 。本 文设 计 出三 相交 流 液压 系 统 ．并通 过 AM E S i m软 件进 行仿 真 ，研 究 系统 各种 特 性 。 1 三相交流液压 系统设计方案及其原理 该 液压 系统 原理 如 图 1所示 ， 由脉动 发 生单 元 、 压 力变换单元 、 整流单元 、 补偿单元和模拟负载单元等部 分组成。该系统 由三组相同电液伺服阀元件构成三相 交流液压信号发生装置 ， 控制压力变换器 由一个伺服 缸和一个柱塞缸搭接而成 ， 可以提供位置反馈信号 ， 同 时可以起到隔离不 同液体介质 和改 变系统压力 的作 用 的活 塞产 生 预 期 的运 动 轨迹 ， 通 过整 流 单 元 三 组 共六个单 向阀 ， 能够将 三相的交流液压流量信号整流 成直流液压流量信号 。压力补偿单元由两个蓄能器 、 一 个溢流阀等元件组成 ， 其中高压蓄能器用来滤波， 在做 单相交流液压实验 换向阀 A处于上位， B处于中位可 以做单相实验 时 ． 可以用来提供模拟负载液压缸的回 程 压力 ； 低 压 蓄能器 用 来提 供一 定 的 回油压 力 ， 补偿 系 统泄漏 ， 防止产生气蚀。溢流阀用来控制高 、 低压蓄能 器的最高压差。模拟负载单元 c换 向阀在上位高压蓄 能 器作为 负载 ， 在下位 则弹簧 为负 载 。 l 一 脉 动 发 生 单 兀 2 ～ 压力变换单元3 一 整流单元 4 一 压力补偿单元5 一 模 拟负载单元 图 1 三 相 交 流液 压 系统 原 理 图 2 三相交流液压系统仿真研究 2 ． 1 系统模 型建 立 利用 A ME S i m软 件建模 仿真 ， 如 图 2所示 。可 分 为 四步①元件选择及连接 ②为所有元件选择元件子模 型； ③仿真参数的设定； ④设定仿真时间及步长进行仿 真。 图 2 AMES i m 仿 真 模 型 2 ． 2仿真 参数设 定 在 A ME S i m中所有模型都被参数化 ，如蓄能器的 容量 、 预置压力 ， 液压缸的缸径 、 活塞杆径 、 行程 ， 到油 液粘滞摩擦系数 、 型号等等， 都 以参数形式设定。本文 在仿真过程 中根据三相交流液压系统设计需要 ， 计算 ， 设定主要参数 ， 其他则保留模型默认设定。主要设定参 数 为 电动 机 转 速 为 1 5 0 0 d mi n ， 泵 排 量 为 2 0 0 c c ／ r ， 溢 流 阀开口压力为 5 0 b a r 左边 三个正弦信号频率为 1 H z ， 幅 值为 0 ． 1 2 n u l l ， 相位 由上到下分别 0 。 ， 1 2 0 。 ， 2 4 0 。 ， 即相 位分别相差 1 2 0 o ， K增 益为一 1 ， P I D采用 P控制 ，设定 值为 8 O，四个 比例换 向阀额定 电流为 2 0 mA ，流量为 5 0 0 L ／ rai n时压降为 l b a r ， 即保证其无泄漏， 压力变换器 伺服缸设定活塞直径为 1 0 0 m m， 杆径为 5 0 m m， 柱塞缸 设置活塞直径 6 0 mm， 杆径 5 0 mm， 位移传感器设置信号 输 出增益为 2 1 ， m ， 高压蓄能器容量为 4 L， 充气压力 为 3 5 b a r 。 低压蓄能器容量为 4 L ， 充气压力为 5 b a r ， 溢流 阀调定两蓄能器最 高压差为 3 0 b a r ，正 弦信号频率为 1 H z ， 幅值 为 1 0 n u l l ， 相位偏移 1 8 0 。 ， 双作用缸活塞直径 6 0 ra m， 杆径 3 0 m m， 行程 0 ． 3 m， 弹簧作为负载 ， 设定弹簧 刚度 为 1 0 o 0 0 0 N ／ m。 2 ． 3仿真 结果 三相交流液压系统仿真结果如图 3 、 图 4所示。 图 3 执行缸活塞杆位移曲线 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ No ．2 ． 2 01 1 图 4三 个 位 移 传 感 器 反 馈 电信 号 曲线 2 ． 4仿真 结 果分 析 该系统在刚度为 1 0 00 0 0 N ／ m负载作用下 ，执行缸 做行程为 0 ． 0 7 m 的往复运动。三个位移传感器反馈 的 电信号幅值为 0 ． 1 2 ， 具有 良好的跟随效果 ， 满足闭环控 制 的要 求 。 压 力 变 换 单 元 输 出 流 量 为相 位 彼 此 相 差 1 2 0 。 的正弦波 。 与给定信号相符。由于系统给定信号相 位相 差 1 2 0 o ， 而压力 变 换单 元 活 塞初 始位 置 均 为 0位 ， 故在系统启动时传感器反馈信号 ，压力变换单元流量 曲线 见图 5 不符合正弦要求 ， 当系统稳定时曲线满足 要求。压力变换单元油液交流 ， 往复运动经整流单元整 流后变为直流 ， 推动负载做功。 B AP I 2 - 3 fl o w p o r t I [L n ml X Ti me ． ／ s 图 5 压力变换单元流量 曲线 3 结论 1 本 文 根据 交流 液压 基础 理论 ， 设计 出三相交 流 液压系统 ， 并利用 A ME S i m软件建模 ， 仿真 ， 获得系统 特性曲线 ， 用仿真手段验证交流液压理论正确性 、 实用 性 。 2 A ME S i m软 件 可 以实 现 多学科 领域 复 杂系统 建 模仿真 ， 其优点在于用户不必进行繁琐 的数学建模 ， 而 是用其应用库中的模块搭建出系统模型 ， 设定参数 ， 进 行仿真 。 在液压及其他 系统仿真中得到广泛应用。 3 交流 液压 技术 是 液压 领域 的一 门新 学科 ， 各种 液压振动装置已用于生产实践 ． 它的出现使液压技术 提高到新的阶段。 参 考 文 献 [ 1 】 庄风赞． 交流液压的原理与应用[ J ] ． 机床 与液压， 1 9 7 8 2 ． [ 2 】 赵 静一， 王 巍， 姚成玉 ， 等． 交 流液压 技术 的研究 现状及 展望 『 A 】 ． 中 国工 程 机 械 学 会 ， 2 0 0 3 ． 【 3 】 赵静一 ， 王 益群． 交流液 压技术 的工 作原理 及其应 用和发 展 【 J 】 ． 液压与气动， 1 9 9 8 3 ． 【 4 】 高伟， 姚进． 基 于 AM E S i m的节 能型液压抽 油机设计 仿真【 J 】 ． 液压气动与密封， 2 0 0 9 3 ． 【 5 】 郑小军 ， 陶薇． 基 于 A ME S i m 的液压 挖掘 机运动及 控制仿 真 【 J ] ． 液压气动与密封， 2 0 0 9 2 ． 【 6 】 金胜秋， 成凯， 王鹏 宇． 基于 A ME S i m 的液压 同步阀仿真分 析 及结构改进研究[ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 9 9 ． 【 7 】 张 弓， 于兰英， 吴 文海， 等． 电液比例阀 的研究综 述及发展趋势 【 J 】 ． 流体机械， 2 0 0 8 ， 3 6 8 ． 一 - - - - - - 4 - 世界气动巨头在济南高新区 建气动元件生产基地 日前 ． 世界气动巨头德国费斯托公司在华投资又添新手笔济南杰菲特气动元件生产基地在济南高新 区开工建设 。高新区党工委副书记 、 管委会副主任王晓军 、 副巡视员林健璋参加活动。 济南杰菲特气动有 限公司前身是济南华能气动元器件公 司， 现由德 国费斯托公司控股 ， 是 目前全国最大 的气 动元件 生 产厂 家之 一 。 公 司拥 有 国内第一 条 高效 、 精 密 、 柔 性 加工 生产 线 ， 主要 生产 经 营各类 气动 元件 、 气 动机械 及气 动 系统 。 产 品质 量及 工艺装 备 达 到 国际先 进水 平 ， 并远 销欧 美 、 东南 亚 、 中 国香港 等 国家 和地 区。 为进一步增强市场竞争能力和生产规模 ， 捷菲特在济南高新 区投资 1 ． 5亿元 ， 新建“ 气动元件及气动控制 系统产业化生产项 目” 。 项 目建成后 ， 将形成年产气动成品件 4 5 0万件 台套 的生产能力 ， 预计销售收入达 4 ． 8亿 元 ， 利税 5 5 0 0万元。 61