取样装置液压系统动态特性的实验研究.pdf

2 0 1 0年 6月 第 3 8卷 第 1 1 期 机床与液压 MACHI NE TOOL ＆ HYDRAUL I CS J u n ． 2 01 0 Vo 1 ． 3 8 No ．1 l D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 1 ． 0 0 9 取样装置液压系统动态特性的实验研究 张建立，冯静，马胜钢，卢丽 郑州大学机械 工程学院，河南郑州 4 5 0 0 0 1 摘要以入炉炼铁物料取样装置的液压系统为主要研究对象，根据生产实际参数，利用 A M E S i m软件对取样装置进行 建模和仿真，对系统过渡过程的动态特性进行分析，仿真结果与实测结果吻合。并详细分析液压系统供油压力、系统流 量、钢丝绳刚度等主要参数对系统过渡过程性能的影响。 关键词取样装置；液压系统；仿真；过渡过程 中图分类号T H 1 3 7 ． 9 ；T K 2 2 3 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 1 1 0 2 3 3 Ex p e r i me n t a l S t u dy o n Dy n a mi c Ch a r a c t e r i s t i c s o f t he Hy d r a u l i c S y s t e m o f M a t e r i a l S a mp l i n g De v i c e Z HANG J i a n l i ，F E NG J i n g ，MA S h e n g g a n g ，L U L i T h e S c h o o l Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，Z h e n g z h o u U n i v e r s i t y ， Z h e n g z h o u H e n a n 4 5 0 0 0 1 ，C h i n a Ab s t r a c t A h y d r a u l i c s y s t e m o f s a mp l i n g d e v i c e w h i c h g o t i r o n s me l t i n g ma t e r i a l i n t o t h e f u r n a c e wa s s t u d i e d ． T h e mo d e l wa s b u i l t a n d s i mu l a t e d u s i n g A MES i m a c c o r d i n g t o t h e p r o d u c t i o n a c t u a l p a r a me t e r s ，t h e d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s o f t r a n s i t i o n p r o c e s s w e r e an a l y z e d ． T h e s i mu l a t i o n r e s u l t s w e r e a e e d w i t h t h e a c t u a l o n e s ． T h e e ff e c t o f ma i n p ara me t e m，s u c h a s h y d r a u l i c s y s t e m p r e s s u r e ， fl o w a n d w i r e r o p e s t i f f n e s s ，o n t r an s i t i o n p r o c e s s p e r f o r ma n c e we r e a n a l y z e d ． Ke y wo r d s S a mp l i n g d e v i c e ； Hy d r a t d i c s y s t e m； S i mu l a t i o n； T r a n s i t i o n p r o c e s s 为了有效地利用人炉物料，提高生产效率 ，钢铁 企业需要对所有入炉物料进行实时粒度检测 ，并对其 产品进行质量控制。结合 目前对取样装置的研究成 果⋯ ，某校与某公司联合 为首钢集 团在曹妃甸新建的 5 7 0 0 F l l 高炉设计一套物料粒度在线检测设备，其中 的取样装置 由液压系统驱 动与控制 ，该取样装置设计 完成后 已初步得 到实验验证 ，系统的原理和结构是有 效可行的，但同时也存在着起动时间长，起动 、制动 时冲击大等问题。因此，对该取样装置的过渡过程进 行理论分析和实验研究是非常必要的。 1 取样装置液压系统的组成与工作原理 根据现场场地的限制，取样小车的导轨最长不应 超过 5 n l ，因此 在小 车 高速 运行 时就 要 求液 压 缸起 动，制动时间短；为了保证取样的准确性，要求液压 缸在取料过程中能够匀速运行；由于每次要求的取料 量不同，这就要求液压缸可以方便地调速 ，在不同的 速度下取料可 以获得不 同的取料量。 液压控制系统的具体结构如图 1 所示，电机 1 在 溢流阀3卸荷的情况下空载起动。当电机运转稳定 后，溢流阀3 加载。当换向阀 4 左端电磁铁通电，油 液经换向阀口进入液压缸左腔，从液压缸右腔流出的 油液经换向阀口、调速阀流回油箱。由于液压缸活塞 杆两端 固定 ，液压缸将在进 出油腔压差的作用下产生 向左 的运动 。当液压缸运行至行程开关位置 时 ，换 向 阀 4左端 电磁铁断 电，换 向阀重新处于 中位 ，进 出油 口截止。当换 向阀 4右端电磁铁得 电时 ，液压缸将 向 右运动。液压缸 的运行速度 由调速 阀调定 。 1 -- 电机 2 一手 动变 量柱 塞泵 卜 先 导式 电磁 溢流 阀 4 一换 向 阀 s _ _ 调 速 阀 6 _ _ 压 力表 卜 压力 表 开关 8 一 空气 过 滤器 9 _ _ 电加 热器 1 0 - - 液位 液温 计 l l 一 网式过 滤器 图 1 取样装置的液压控制回路 2 基于 A M E S i m软件的取样装置仿真模型 该软件为流体动力、机械、热流体和控制系统提 供一个完善、优越的仿真环境及灵活的解决方案 。 基于 A M E S i m软件 ，建立的取样装置 的仿真模型如图 2所示 川 根据取样装置的工作原理，将取样装置中的各组 成元件用 A M E S i m软件中的符号来代替。其中齿 收稿 日期 2 0 0 9 0 61 0 作者简介张建立 1 9 6 8 一 ，男，博士，讲师，研究方向为流体控制及工业工程控制。电话1 3 1 0 3 8 1 7 6 5 6 ，E～m a i l j i a n l i 1 9 6 8 1 6 3 ． c o n。 2 4 机床与液压 第3 8 卷 轮 一 齿条机构、增速器中的大小齿轮以及绳轮的转动 惯量转化为液压缸的有效负载；液压缸按照实际工况 加了负载，可以模拟实际工作过程中的工作状态 ；用 一 个质量块 m代替取样小车；系统中的各种摩擦力 等效转化为质量块 m承受的摩擦力；工作原理图中 的换向阀用电信号控制。 图2 取样装置的仿真模型 根据取样 装置 的实 际情况 ，液压油 的密度取 0 ． 8 5 g ／ c m ，体积弹性模量取 K1 ． 71 0 N ／ m ；所 用柱 塞 泵 的 型号 为 2 5 S C Y 1 4 1 B，其 理 论 排 量 为 2 5 m L ／ r ，额定转速为 1 5 0 0 r ／ r n i n ，选 择泵 的机械效 率 叼 0 ． 9 8 ，容积效率 叩 0 ． 9 8 ；液压缸的质量近 似为 m 9 ． 5 7 k g ，系统的等效质量的近似值为 1 8 6 0 k g ；钢丝绳的金属横截面面积为 2 3 ． 1 2 m m ，液压控 制系统中连接 阀块和液压缸的软管长度 z 为 3 3 0 0 m m，绳轮和张紧轮的直径均为 2 5 8 m l n ；取样小 车的 质量取 3 5 0 k g 。 3 试验结果与仿真结果的对比分析 S2 ． S 3 7 ． 5 2 2 塞7 ． 5 5 2 ． 5 幽 3 7 ．5 2 2． 5 7 ． 5 图 3 试验曲线 2 _2 复 l 杂l 幽 0 ．0 1 ． 0 2 ． 0 3 ． 0 O ． 0 1 ． 0 2 ．0 3 ． 0 时 间， s 时间， s a 液压缸进油腔压力 b 液压缸出油腔压力 图4 仿真曲线 作者设计了相关的试验平台，试验中的数据采集 采用计算机辅助测试系统，在某公司做了一系列的现 场试验。用计算机来显示实测结果并绘制出大量的不 同试验条件下液压缸进出油腔的压力变化曲线。现取 其中任意一组相同条件下的试验曲线与仿真曲线进行 比较 ，如 图 3 、4所示。 仿真条件为 液压泵的额定转速 1 5 0 0 r ／ m i n ，理 论排量 2 5 m L ／ r ；溢流 阀调定压力为 1 6 M P a ；液压缸 的最大有 效 行程 为 0 ． 2 9 5 m；流经 调 速 阀的 流量 为 1 0 L ／ m i n ；取样小车的质量为 3 5 0 k g ，钢丝绳的刚度 为 1 0 e 0 0 6 N ／ m，绳轮的直径为 2 5 8 m m，张紧轮的 直径为 2 5 8 m i l l ，连接阀块 与液压缸的软管长度为 3 m，内径 为 1 0 m m。 从图中可以看出，实验曲线和仿真曲线的变化趋 势基本一致，即曲线形状、峰值大小、变化周期等都 大致相同。但存在一定的差别，主要是因为在建立仿 真模型以及在仿真过程中一些误差的积累。 仿真结果中误差值是很小的，在允许范围之内， 仿真结果不失真实性和正确性。通过仿真结果与试验 结果的对比，可以得出结论 采用 A M E S i m建立的仿 真模型是正确的，能够代替要研究的取样装置，可以 作为进行下一步分析的依据。 4 影响取料装置过渡过程的主要参数 4 ． 1 供 油压 力的影 响 通过调节起动溢流阀的工作压力，可以使驱动装 置获得不同的最大起动转矩。在取样装置其他参数不 变的情况下 泵的出口流量为 3 7 ． 5 L ／ m i n ，通过调 速 阀的流量为 1 0 L ／ m i n ，钢丝绳 的刚度 为 1 1 0 。 N ／ m，取样 小车的质 量为 3 7 0 k g ，不 同的溢 流 阀调 定 压力对 取样 装置 过渡 过程 的主要 参数 影 响如表 1所 示 。 表 1 供油压力对过渡过程的影响 由表 1 可知，当系统其他参数一定时，当溢流阀 调定压力较高时，液压系统起动转矩大，起动时间 短，取样装置很快达到稳定运行状态；当溢流阀的调 定压力超过 1 6 MP a 时，系统起动时间随压力的变化 增加趋势明显变缓 ；溢流阀调定压力过高时，由于泵 的出口流量较小 ，将造成泵出口流量不足，使系统压 力急剧变化 ，严重影响过渡过程运动的平稳性；系统 的制动时间随着压力的升高而增大，但当溢流阀的调 定压力超过 1 6 NP a时，系统的制动时间基本不变， 而制动时产生的振荡变大，系统制动平稳性差；当溢 流阀调定压力过低时，液压系统起动转矩较低，系统 的起动时间延长 ，制动时间短 ，制动时产生的冲击 第 1 1 期 张建立 等取样装置液压系统动态特性的实验研究 2 5 小 ，制动平稳；但当溢流阀的调定压力过低时，取样 小车在有效行程范围内，将无法达到稳定运行速度， 造成取样失真。 4 ． 2系统 流量 的影响 通过调节流经调速阀的最大流量 ，可以使取样小 车获得不同的运行速度。为了确定小车速度对整个取 样装置过渡阶段动态特性的影响，在取样装置其他参 数不变 的情 况下 泵 的出 口流量 为 3 7 ． 5 L ／ m i n ，溢 流阀的调定压力 为 1 6 M P a ，钢丝 绳 的刚度为 1 X 1 0 。 N ／ m，取样小 车的质量 为 3 7 0 k g ，改变 通过调 速 阀 的流 量 分 别 为 1 0 L ／ ra i n 、 1 2 ． 5 L ／ m i n 、1 5 L ／ m i n 、 1 7 ． 5 L ／ m i n 、2 0 L ／ m i n ，不 同的取样小 车速度对 取样 装置过渡过程的主要参数影响如表2所示。 表 2 系统流量对过渡过程的影响 由表2可知，当系统的其他参数一定时，改变系 统流量对系统的最大输出转矩并没有影响 ，系统的输 出转矩与泵的出口压力、排量及机械效率有关，与系 统流量无关 。系统流量越 大 ，系统 的起动 时间越长 。 这是 因为 ，系统流量越小 ，取样装置中机械部件起动 时需要克服 的惯 性力 越大 ，系统 的起动 时 间也就 越 长。当不考虑缓冲装置的作用时，系统流量越大 ，制 动时产生的冲击越大 。 4 ． 3 钢 丝 绳刚度 的影 响 在作者所研究的取样装置中，小车通过钢丝绳的 牵引实现在导轨上的横向往复运 动。钢丝绳作为一个 弹性体 ，在取样装置的过渡阶段，当小车速度发生突 变时，会储存或释放能量，引起系统的强烈振荡。因 此 ，必须考虑钢丝绳对系统过渡过程性 能的影 响。在 过渡阶段，钢丝绳绳长变化不大各参数可当作常量处 理。在其他参数不 变的情况下 泵 的输 出流量 为 3 7 ． 5 L ／ m i n ，溢流阀的调定压力为 1 6 M P a ，通过调速 阀的流量为 1 0 L ／ m i n ，取样小车的质量为 3 7 0 k g ， 不同的钢丝绳刚度对取样装置过渡过程的主要参数影 响如表 3所示。 由表 3可知，当系统的其他参数一定时，系统的 起动时间随钢丝绳刚度的增大而增加，但当钢丝绳的 刚度达到 1 1 0 。 N ／ m时，其对系统的起动时间基本 无影响。液压系统的最大起动转矩随钢丝绳刚度的增 大而上升，但 当钢丝绳 的刚度达到 1 X 1 0 N ／ m时， 起动转矩的值基本不变，维持恒定。 表3 钢丝绳刚度对的影响 5结论 1 采用 A M E S i m软件得到的液压系统仿真结 果与实际测量结果 吻合 ，仿真模型是正确的。 2 构建的液压仿真模型能够替代实际的取样 装置 ，分析系统过渡过程的特性。 3 分析了液压系统供油压力 、系统流量、钢 丝绳 刚度对取料装置过渡过程的影 响。 参考文献 【 1 】 姚永新． 斗轮取料机 自 动取料系统的研究[ D ] ． 北京 北 京科技大学， 2 0 0 5 ． 【 2 】 付永领， 祁晓野． A M E S i m系统建模与仿真从入门 到精通[ M] ． 北京 北京航空大学出版社． 【 3 】 郭军， 吴亚峰， 储妮晟． A M E S i m仿真技术在飞机液压系 统中的应用[ J ] ． 计算机辅助工程， 2 0 0 6 2 4 2 4 5 ． 【 4 】王伟， 傅新， 谢海波． 基于 A M E S i m的液压并联机构建模 及耦 合特性仿真 [ J ] ． 浙江大学学报 工学版， 2 0 0 7 1 1 1 8 7 51 8 8 0 ． 上接第 1 6页 控加工技术 的不断进步、数控设备的广泛应用 ，叶片 的加工过程将越来越简单 ，叶片的加工质量将越来越 高，应用好叶片数控加工的关键技术对叶片加工有着 重要的意义 。 参考文献 【 1 】白璃， 张定华， 刘雄伟， 等． 叶片类零件四坐标高效螺旋 数控编程方法研究[ J ] ． 机械科学与技术， 2 0 0 3 ， 2 2 2 1 771 8 2． 【 2 】 李刚， 刘华明． 叶轮、 叶片类复杂零件造型方法的研究 [ J ] ． 机械设计与制造． 2 0 0 0 3 5 9 6 0 ． 【 3 】王军伟． 叶片类曲面造型中的网格优化技术研究[ D ] ． 西安 西北工业大学 ， 2 0 0 3 ． 3 ． 【 4 】喻道远， 钟建琳， 熊壮， 等． 空间自由曲面数控编程中刀 位轨迹的计算方法及存在的问题 [ J ] ． 制造业 自动化， 1 9 9 7 1 2 1 2 7 ． 【 5 】 刘雄伟 ， 张定华， 史耀耀， 等． 航空发动机薄壁叶片精密 数控加工技术研究[ J ] ． 机械科学与技术， 2 0 0 4 ， 2 3 3 3 2 93 3 1 ． 【 6 】 忤高升． 叶片类零件多轴数控加工中的刀位计算及程序 优化研究[ D] ． 西安 西北工业大学， 2 0 0 4 ． 3 ．