液压驱动控制的偏心回转系统同步特性.pdf

第 4 6卷第 6期 2 0 1 0 年 3 月 机械工程学报 J OURNAL 0F M ECHANI CAL ENGI NEERI NG VO 1 ． 46 N O ． 6 M a L 2 O1 0 DoI l O． 3 9 01 ／ J M E． 20 1 0 ． O 6 ． 1 7 6 液压驱动控制的偏, b N转系统同步特性术 罗春雷 韩清凯2 r 1 ．中南大学机电工程学院长沙4 1 0 0 8 3 ； 2 ．东北大学机械工程与 自动化学院沈阳 1 1 0 0 0 4 摘要以液压振动桩锤这种大功率惯性振动机械为对象， 用机电液耦合动力学理论研究液压驱动控制的偏心回转系统的自同 步特性问题。建立无相位差监控的惯性振动机同步系统的机电液耦合模型， 对该模型进行仿真研究， 分析摩擦转矩、 动刚度、 动阻尼、激振器结构参数和液压马达泄漏等各种因素对自同步系统稳定工作过程和过渡过程的影响。建模和仿真结果显示， 上述 各种 因素之间及其与振动机的机体之间相互 影响、具有复杂 的耦合关系 ，可以通过修正阻尼 、刚度 、泄漏系数及激振器 结构参数等，来提高同步效果，其中刚度和泄漏系数调节效果最明显。研究表明，建模仿真正确反映了上述各种因素影响与 振动机的机体之间的耦合关系，对于优化液压驱动的振动机械机电液系统设计具有理论指导意义。 关键词液压驱动控制偏心回转振动机 自同步液压振动桩锤 中图分类号T H1 1 3 O 3 2 2 S v n c h r 0 n i z a t i 0 n Cha r a c t e r i s t i c s Re s e a r c h o f Ec c e n t r i c Gy r a t i o n S y s t e m Co n t r o l l e d b y Hy d r a u l i c Dr i v i ng L UO C h u n l e i H AN Qi n g k a i 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， S o u t h e a s t U n i v e r s i t y , C h a n g s h a 4 1 0 0 8 3 ； 2 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n gAu t o ma t i o n ． No r t h e a s t e m Un i v e r s i t y , S h e n y a n g 1 1 0 0 0 4 A b s t r a c t A h i g h p o we r i n e r t i a l v i b r a t i o n ma c h i n e h y d r a u l i c v i b r a t o r y p i l e h a mme r i s t a k e n a s t h e o b j e c t ，a n d m e c h a n i c a l -e l e c t ric a l - h y dr a u l i c c o u p l i n g d y n a mi c s t h e o ry i s u s e d t o s t u d y t h e s e l f - s y n c h r o n i z a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s p r o b l e m o f e c c e n t r i c g y r a t i o n s y s t e m c o n t r o l l e d b y h y dra u l i c d r i v i n g ． A me c h a n i c a l e l e c t r i c a l h y dra u l i c c o u p l i n g mo d e l o f i n e r t i a l v i b r a t i o n ma c h i n e s yn c h r o n i z a t i o n s y s t e m wi t h o u t p h a s e d i ffe r e n c e mo n i t o r i n g i s e s t a b l i s h e d ． S i mu l a t i o n s tud y o n t h i s mo d e l i s c a r r i e d o u t ， a n d the e ffe c t s o f v ari o u s f a c t o r s ， s u c h a s f r i c t i o n t o r q u e ，d y n a mi c s t i f f n e s s ， d y n a mi c d a mp i n g ，e x c i t e r s t r u c t u r e p a r a me t ers md h y d r a u l i c mo t o r l e a k a g e ，o n t h e s t a b l e wo r k i n g a n d tra n s i t i o n p r o c e s s e s o f s e l f - s y n c hro n i z a t i o n s y s t e m． Mo d e l i n g and s i mu l a ti o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e r e a r e i n t e r a c t i o n s and c o mp l e x c o u p l i n g r e l a t i o n s h i p s a mo n g t h e a b o v e me n t i o n e d f a c t o r s an d b e t we e n t h e f a c t o r s an d th e b o d y o f v i b r a t i o n ma c h i n e ．T h e s y n c hr o n i z a t i o n e ffe c t c a n b e i mp r o v e d b y a me n d i n g d a mp i n g ， s t i ffn e s s ， l e a k a g e c o e ffi c i e n t an d e x c i t e r s t r u c t u r e p a r a m e t e r s ， e t c ． Amo n g t h e m， t h e e ffe c t s o f r e g u l a t i o n s o f s t i ffn e s s an d l e ak a g e c o e ffi c i e n t a r e mo s t o b v i o u s ． Re s e a r c h s h o ws tha t t h e mo d e l i n g a n d s i mu l a t i o n c o r r e c t l y r e fle c t t h e i n f l u e n c e s o f t h e s a i d f a c t o r s a n d t h e c o u p l i n g r e l a t i o n s b e tw e e n t h e f a c t o r s and b o d y o f v i b r a t i o n ma c h i n e ， wh i c h h a s a t h e o r e t i c a l gu i d i n g s i g n i fi c an c e t o t h e o p t i mi z e d d e s i g n o f me c h a n i c a l - e l e c t r i c a l h y d r a u l i c s y s t e m o f t h e h y d r a u l i c d r i v e n v i b r a t i o n ma c h i n e ． Ke y wo r d s Hy dra u l i c - d r i v e n c o n tro l E c c e n tri c g y r a t i o n v i b r a t i o n ma c h i n e S e l f - s yn c h r o n i z a t i o n Hy dr a u l i c v i b r a t o ry p i l e d r i v e r 0 前言 在工程机械等行业，液压驱动的偏心回转机械 中国博士后科学基金资助项 目 2 0 0 8 0 4 3 1 0 2 6 。2 0 0 9 0 5 2 6收到初稿 2 0 0 9 1 1 2 8收到修改稿 系统应用非常广泛 。其特点主要是功率大、做功对 象的阻尼、刚度大 ，往往采用 同步齿轮实现强迫同 步。然而，对于采用 同步齿轮进行传动的情况 ，机 械结构过于复杂，齿轮等传力部件易于损坏L 1 】 。在 机械工程领域，自同步和控制同步理论具有独特的 价值 ，在振动机械等许多机械装备中得到很好的应 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 7 8 机械工程学报 第 4 6卷第 6期 2 mr [ k ， 一m o - 2 2 ] 一 2 mr c ， ， 砑 忽略振动加速度 解析解中的一阶以上微量，则 j ； ≈一 a l s i n 0 - 1 一a 2 s i n o - 2 一 a 3 c o s o 1 X 一a 4 c o s c r 2 X 7 定义 O 0 1 A a l 0 “2 o - o 2 A o - 2 8 f t i 1 ， 2 9 { d；；ri △ l ， 2 】 0 A l ’ 在稳定振动状态下 ，c o o l 、o Y o 2 即为偏心回转系 1 和 2在一周内的平均转速 。由上述分析可以看出， 液压系统的稳态流量驱动 的偏心回转振动体系的瞬 时角频率在一周 内是周期性变化 的，因而液压马达 所需流量是脉动的， 但一周内的平均转速是一定的， 等于液压系统的有效流量。 将式 7 、 8 代入式 5 ，利用积分法得一周 内 的平均振动阻矩，并对式 2 的两端在一周内对于角 度积分 ，假定初始位置时回转系 1相位 比回转系 2 相位超前 ，同时令 7 “o A O “ 1 一△ c r 2 ，并忽略高 阶微量，则得 ， ， △ c 1 一mr a 3 1 A 6． 1 mr a 2 2 s i n y一 ‘ 2 c o s y A 6． z c 1 1 mr a 2 C O o s i n 7 一 口 3 一 口 4 ； c o s t 一 P lP lq 0 ， ， △ 一 m r a 1 1 s in 7 a 3 co i c o s T A 6． 1 c 2 一 mr a 4 2 A 6． 2 c j 2 一 mF 1 s i n a 4 一口 3 c o s y 一 p 2 g0 式 1 1 出现 了耦合项 ，其中 △ 、 △ 项在方 程 式 1 1 的两个方程 中交叉 出现 。式 5 、 6 和式 5 ～ 1 1 描述了两个偏心回转系统之间相互作用的 特征，而且耦合程度 的强弱与振动系统的结构参数 相关。令 l c l 3 1 口 s 一 12 ， r ，一， ， 一 ， 1，，、 g2 2 一a 4 2 1 n g3 2 一口2 1 g4 2 一a 4 考虑 △ 一 △ 2 是微量， 将式 1 2 代入式 1 1 第 1 个方程 ，并令 gn 2 g1 2 s i n7 og2 2 C O S gb 2 2 g1 2 2 s 2 i 0 n S 0 一 g 2 2 g2 2 c s 。 m s Y o 1 3 2 2 s m 一 g 2 2 c o s gd 2 g3 2C O S Y 0g2 2 s i n7 0 则式 1 1 化为 △ g A [ g a 2 g 6 2 A a l A O - E ] A 6 “ 2 g d 2 A o “ 1 一A o - 2 g 。 2 g 2 1 0 1 4 用与上述相同的方法可将式 1 1 的第 2个方程 化为 △ 一 [ 1 1 Ao - 一A o 2 J A 2 △ l △ A c t 2 一 1 2 ] 0 1 5 令 1△ l △ 2 考虑液压驱动同步振动系统的机电 液耦合模型 为了认识同步系统的动态特性 ，下面结合 电液 比例调速 系统 ，分析 同步振动 系统 的机 电液偶合 特性。 由式 1 4 ～ 1 6 可得到偏心 回转振动系统 的状 态方程的解析表达式如下 降 J 喝 一 l 一 2 一 1 一 1 一 一 1 1毒 。 【 。 一 。 一 - 一 一 一 07 式f l 7 表达了振动系统中回转系 l 和 2的回转 运动的耦合关系。 各回转系统中的参数差异 主要包 括轴 的摩擦转阻系数 c 、c 2 之差异、马达的转矩系 数 、 之差异，以及 由电液 比例调速系统控制 的马达的有效公称转速 O o I 、C o o 2 之差异 决定了系统 的同步性和同步稳定性。 I I 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年 3月 罗春雷等 液压 驱动 控制的偏心回转系统 同步特性 1 7 9 电液 比例调频控制系统状态方程为 】 一 一 号 一 号 YP i n A n 一 1 8 益 g o m O C m 式 中 ‰ 偏心块 1 、2的平均转速 马达 1 、2的力矩 回转体 的转动惯量 负载粘性阻尼系数 马达 1 、2出流压力 油液有效弹性模量 阀出口与马达进油腔油体积 流量增益 电压增益 0 压力一流量系数 C m 0 马达外泄漏系数 C m 马达 内泄漏系数 联立式 1 7 、 1 8 ，即构成 了电液 比例调速控制 系统与振动机械系统构成的液压四轴惯性振动机的 机电液耦合模型 。 3 仿真案例 仿真基本参数如下 m0 8 0 0 0 k g ，m 1 0 0 k g ， r 0 ． 1 1 m，转阻系数 0 ． 1 6 ， 0 ． 9 3 ，q F0 ． 0 0 0 0 8 m3 ／ r a d，po 0 ．5 1 0 MP a， k y 1 4 3 1 8 0 k N／ m ， 23 2 07 0， O 9 o 1 2 6 r a c es 。 上述结构参数为 z z y y 1 6 0振动锤，地基土刚度 和阻尼系数是根据湘江长沙流域某工地 的地基地质 工程检测结果推算得到 的 J ， 深度在 1 8 m左右 。 下面各图中实线代表 回转系 1 ，虚线代表 回转系 2 ， 应增加仿真软件和环境的简略描述 。 3 ． 1 结构参数的影响 根据式 1 7 1 ，在理想条件下 ，即振动机 的几何 参数对称、回转系 1 和 2液压马达平均转速完全相 同时，仿真结果表明系统是完全同步的。当几何参 数 如转 阻系数或液压 马达机械效率 存在足够小的 差异，仿真结果表 明系统同样可以同步 。但当几何 参数的差异达到一定程度，两回转系将不 同步 。如 图 2所示为转阻系数相差 5 0 ％时， 相位发散的情况 。 q b q j 】{ 1j 趟 罂 时间 s 图 2 转 阻系数差异影 响 3 ． 2 刚度 、阻尼系数对同步性影响 当结构参数完全对称时，若对仿真基本参数提 供的刚度 乘 以 2 O倍 ，系统仍然是 同步的，这个 刚度大概相 当于地基深度 3 0 0 m 以外 了，实际沉桩 不可能达到。当对仿真基本参数提供 的刚度 乘以 5 0倍 实际不存在这种地质 ，仿真结果才 出现相位 差发散 。 因此可 以断定， 对于结构参数完全对称时， 地基土刚度对同步实际上没什么影响。但对于结构 参数并不完全对称时，情况就完全不同，当回转系 1的转阻系数是回转系 2的 1 ． 2倍时， 取地基土刚度 为仿真基本参数提供数值的 5倍时，就已经出现不 同步 ，如图 3所示，相位差是发散的。可见 ，转阻 系数差异是否为 0 ，对于同步性有决定性影响。 啦阃 l 图 3 转阻系数差异影响 3 ． 3马达泄漏系数微小差异影响 当马达泄漏系数 即容积效率 C z 1 、C z z分别为 1 ． 0 和 0 ． 8时，如图 4所示 ，振动系统的仿真结果是 发散的，这说明两回转系不 同步 。 3 ． 4 受到速度和相位扰动时的同步过渡过程 从 图 5可看 出， 在稳态 同步运行 的初始条件下， 如果外界扰动使 回转系 2 图 5 a中的虚线 的角速度 在 3 S 处比回转系 1 角速度低 6 r a d ／ s ，回转系 l 图 5 a中的实线 在极短时问增速后又迅速下降，而回 转系 2速度迅速上升 ，甚至在 3 ． 0 5 S时超出回转系 1的转速。两者在速度交叉变化过程中逐渐稳定， 最终恢复到扰动前的状态。 再看相位差的变化 曲线， 2 O 8 6 4 2 O O O O O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 18 0 机械 工程学报第4 6卷第6期 ， 翟 鸯 划 嘲 援 时间f ， s 图4马达泄漏系数差异影响 扰动初始阶段 由于两回转系转速差很大，导致相应 偏心块的相位差迅速增大，这时由于转速高的回转 系开始减速，而转速低的回转开始加速，偏心块的 相位差开始减小，最后相位差逐渐恢复到扰动前的 稳定状态，而振幅则显示了与转速和相位差的变化 相应的交错振荡。转速 、相位差和振幅受干扰后 的 振动过渡过程达到了 一 致性。这个过程历经振荡， 阻尼的作用使振荡后重新趋于稳定。由于振动转矩 受速度和相位差的影响，观察图5b，从总体过程看， 两偏心块 的振动转矩均经历较大幅度的振荡后趋于 平稳，而从进 一 步局部放大 的图5c可看出，两振荡 曲线的波峰波谷是瞬时交错的，这说明在其中 一 个 偏心振动转矩瞬时增大时，另 一 个则瞬时减小。 从 图6可以看出，在稳定同步运行 的初始条件 下，当外界扰动在3 s时刻处使回转系l相位差比 回转系2增加4 ra d时，振动系统经过 一 个振荡过 程后重新恢复稳定 。从 图6a速度图可看出，由于相 位差的瞬间增加，尽管从整体上看出两者速度均上 升，但相位差落后 的偏心块平均转速 明显高于相位 差超前的偏心块转速，使得两者的相位差逐渐缩小， 当相位差趋于稳定时，两者的转速也逐渐回到了扰 动前的动态平衡状态，即两者 的平均转速动态相等 。 在这个过程中，相位差发生了复杂的变化，振动振 幅也经历了剧烈振荡，然后进入稳定状态。 相位差 落后 的液压马达振动转矩在过渡过程 的开始阶段逐 渐 低于相 位差超前的马达振动转矩，在 负载压力 作用下相 位落后的偏心块所 受的加速度 高于相 位 超前 的偏心块，使得相位超前的偏心块 “ 拖 ” 着相 位落后 的偏心块运动，直到两偏心块转速最后趋于 一 致。 进 一 步的仿真还可 以看出，随着回转系之 间的 摩擦转矩系数之差或地基土刚度的增加，都将使相 位差的动态幅值和平均值增加，即恶化了系统 同步 性条件。 f 2 黾 固 趟 磺 搬 舍 多 吝 埭 鬈 需 避 E Z _ 苦 埭 j i 车 需 骧 时间f ／ s c 图5两回转系转速发生差异时系统恢复同步的过渡过程 上述各仿真结果显示，由于阻尼的作用，在受 到外界扰动作用下，系统各参数才能经过振荡后重 新进入平衡。若系统阻尼设置为零，则在扰动作用 下系统无法恢复平衡。在任意时刻， 一 个偏心块振 动转矩增加的同时，另 一 个偏心块振动转矩必然同 步下降，反之亦然，同时，同步状态下的转速 、相 位差、振幅等各项指标都是处于动态平衡， 而非恒 定值。这正是两回转系之间能够持续保持动态同步 或 由失衡状态又恢复同步的力学原因所在 。可见， 液压系统设置高响应蓄能器很有必要 。 O O O0O O O筋丝 扒 狮挎 博“ 0 4 8 3 6 3 4 3 址 以 阿 ∞ O 时 3 8 2 6 2 4 2 5 05O50 22 l I O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2010年3月 罗春雷等液压驱动控制的偏心回转系统同步特性181 0 k 毛 芒 宅 越 瑙 援 ， 手 至 吝 埭 样 臀 蜷 5．0 时间， ／ S b 图6两回转系相位差发生差异 时系统恢复同步的过渡过程 4结论 1建模仿真表明，减小 回转系 的摩擦转阻系 数及两者之差、减少不 同液压 马达的泄漏之差是提 高同步性最有效措施，减小地基土的弹性刚度和阻 尼，以及减小隔振弹簧刚度、加大静偏心矩、增加 工作频率都有利于提高同步性。 2对于转速扰动和相位差扰动 的仿真研究表 明，在没有相位差监控条件下，同步性运动 的同步 精度和稳定性都较差。 3本文通过振动耦合建模仿真所展示的关系 特征，与文献[1]通过转速特性求解推导稳态平均值 数学模型所表达的关系特征完全吻合 。从不 同角度 研究的结果 一 致，表明了本文进行的同步性理论研 究是正确的。 4对无相位差监控的惯性振动机同步系统机 电液耦合建模与仿真结果表明，模型正确反映了摩 擦转矩、动刚度、动阻尼、激振器结构参数和液压 马达泄漏系数等各种因素影响与振动机的机体之间 的耦合关系，对于优化液压驱动的振动机械机电液 系统设计具有理论指导意义。 参考文献 [1】罗春雷 ．液压振动桩锤 沉桩动力学及调频调矩控制研 究【D】 ．长沙中南大学，2005． L U 0C hl l Illei ．H ydm ul ic Vi br at0D rpi lehar 啪e r si Il l 【i n g pol e ’s dyn锄ics，al d j us协1ent丘．equencyandad justm ent m omentoff or ce ’s r es ea r ch [D】 ．C ha J lgshaCen廿a lS oum U11iver si 哆，2005 ． ’ [2】B LEK H MA NII．Synchr oniza tionins cience andt echn olog y【M 】 ．NeWY 0r kASMEP res s，198 8 _ [3] BL E K H MA NI I．Self _synchmnizat iona11dcon仃011ed s ， ncl啪Il iz撕onGeneml def inition andexaⅡl pl ed esi g n[J ] Ma也锄at icsand C0mput er si n S imultion，2002，58 367 ．384 ． [4】闻邦椿 ．机械系统的振动同步与控制同步【 M ]．北京 科学出版社，2003 ． WE NBangchun．Ⅵbra tionsynchr on iza t iOnan dcornr ol sy nchr oniza tion0fmec ha 』 lica ls ystem【M 】 ．Bei j i n g SciencePr es s．2003． 【 5】韩清凯，秦朝烨，闻邦椿．自同步振动系统的稳定性与 分岔[J 】 ．振动与冲击，2007，26131 ．34 ． HA N Qi ng l ai ，QIN Chaoye，w E NBa J lgchun．Sta b i l时 andb i 缸c撕on0fs el f ．synchr on iza tionVi br at ion sys t em[J 】．vi 缸 撕0 Ⅱ an dShock，2007，26 13 1 -34 ． 【 6]ZHANGTx，w E NBC ，F AN J．St l ldyonsynchr o - niza tionOf铆oeccent r icr otor s删venbyhyd raul ic m otorsi n0ne vi b r 撕ngsystem[J 】．S hockand V i bra t ion， 19974305 -3 10 ． 【 7】罗春雷．液压振动桩锤调矩结构新方案及其特性分析 [J 】 ．凿岩机械气动工具，2004431 -34 ． LU0C h眦lei．H yd raul icvi b r atO巧 pi leh猢ef al d j us仃nentmomem ’s New pr 0粤陬m a nd it scharact喇st ic a nal ysis[J 】 ．RD ck D r i l l i n gM ach iner yPneuma ticT 00ls， 200443l 一34 ． 【 8]RAUS C 腿F ．M0deli n g0fvi bmt or ypi led r iv峨g【 J 】 ．J0ur _ na l0 fG e0妣hn icalEngi ne耐n g，198 5，11l3367 38 3 ． [9】HOL E Ⅶ dA N A E ，L E G I乙心 D C．S0i lInodelin gf|0rpile vi br a t 0D r pi le血Vi Il g【 J】 ．In t．C 0nt．onDesi gi n 柚d Cons觚Ict ionofDec pF0 u皿血 tions，19942116 178 ． 作者简介罗春雷通信作者，男，1968年出生。博士，副教授。主要 研究方 向为机电液控制。 E -ma i l 1uocl o k163．com 韩清凯，男，1969年出生，博士，教授。主要研究方向为机械动力学。 E． ⅡI a i l qi ng l 【aUlans oh u．com O 5O5O5O 3 2 2 11 O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m