回转缓冲阀在大惯性负载系统中的应用研究.pdf

2 0 1 3年 8月 第4 l 卷 第 1 5期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS Au g ． 2 01 3 V0 1 ． 41 No ．1 5 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 1 5 ． 0 1 8 回转缓冲阀在大惯性负载系统中的应用研究 肖清 中国舰船研 究设计 中心，湖北武汉 4 3 0 0 6 4 摘要 为降低大惯性负载系统突然制动时产生的振荡，在液压马达两腔并联了回转缓冲阀，建立了采用回转缓冲阀系 统的仿真模型。仿真结果表明采用回转缓冲阀后 ，制动时的振荡次数和持续时间大为降低。按此方案对系统进行了改进 和试验，试验结果与仿真结果基本一致，表明采用回转缓冲阀的改进方案效果明显。 关键词回转缓冲阀；大惯性负载系统；应用 中图分类号T H1 3 7 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 1 50 6 8 3 Ap p l i c a t i o n Re s e a r c h o n Ro t a t i o n Bu f f e r Va l v e i n Hi g h I n e r t i a Lo a d S y s t e m X I A 0 Q i n g C h i n a S h i p D e v e l o p m e n t a n d D e s i g n C e n t e r ，Wu h a n H u b e i 4 3 0 0 6 4，C h i n a Ab s t r a c t T o r e d u c e t h e o s c i l l a t i o n o f t h e h i g h i n e r t i a s y s t e m d u ri n g s u d d e n b r a k i n g ， a r o t a t i o n b u f f e r v a l v e wa s s e t t l e d i n p a r al l e l o f the h y d r a u l i c mo t o r ．T h e mo d e l o f t h e s y s t e m a d o p t i n g r o t a t i o n b u ffe r v a l v e w a s b u i l t ． T h e s i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t h e a mo u n t a n d d u r a t i o n o f the o s c i l l a t i o n a l “ e r e d u c e d g r e a tl y wh e n a d o p t i n g r o t a t i o n b u ffe r v alv e ．T h e s y s t e m W a S o p t i mi z e d a n d t e s t e d a c c o r d i n g t o t h i s p r o gra m． T h e e x p e ri me n t a l r e s ult s a y e b a s i c a l l y the s a me w i th t h e s i mu l a t i o n r e s u l t s a n d s h o w t h e n o t a b l e e f f e c t o f the i mp r o v e d p r o gra m u s i n g r o t a t i o n b uff e r v a l v e ． Ke y wo r d s R o t a t i o n b uff e r v a l v e ； Hi g h i n e r t i a l o a d s y s t e m ；Ap p l i c a t i o n 液压马达 由于具有功率密度高、驱动负载大、响 应速度 快 等优 点，常 用 于大惯 性 负 载驱 动 系统 中 。某个采用液压马达驱动的系统，在正常操作 下，系统能较好地完成指令 ，但当突然制动时，由于 负载惯性较大，制动腔压力突然急剧升高，虽然有安 全阀的保护，仍会出现持续振荡现象，影响操作的精 确性和元器件的寿命。 回转缓冲阀是一种用于驱动旋转负载液压系统中 的阀件，通常并联在液压马达的两腔 ，当系统突然制 动时，该阀可通过检测液压马达两腔的压力 ，自动开 启阀的油 口，迅速平衡液压马达两腔的压力 ，从而减 弱制动时产生的振荡 ，降低系统和元器件受到的冲 。 作者首先结合试验对该液压马达驱动系统使用中 出现的制动振荡进行 了分析 ，提出了采取并联 回转缓 冲阀的改进措施 ，对改进的系统方案进行了仿真，根 据仿真结果对系统加以改进 ，并开展了试验验证。 1 大惯性负载系统 文中研究的采用液压马达驱动大惯性负载的液压 系统如 图 1 所示 。 ‘ 系统包括控制阀、安全阀组和液压马达等，其他 不影响文中研究的附属阀件未在图中表述。 安全 ／ 阀 组 人液 压 马 达 卜 卜 - 一 1 ] ． L _ J 控 制 阀 、 A I B ． ． 图 1 系统原理图 实际工作中发现，该系统在突然制动时，容易产 。 [ h 1-- A 30 ⋯ 现 在 负 载 持 续 抖 动 ， } ．J厂 ’、 2 B 腔 压 力 影 响 操 作 。 为 了 研 究 要 20}／ I l 址 ． 针对性 的改进措施， 一 I I f ＼ ＼ 测试 了某 次 出现 振 荡 o 百； _ _ 的压力 ，如 图 2所示。 两腔实测压力 收稿 日期 2 0 1 2 0 72 5 作者简介肖清 1 9 7 9 一 ，男，博士，高级工程师，研究方向为船舶装置。E～m a i l x q z j u 9 8 1 6 3 ． c o n。 第 1 5期 肖清 回转缓冲阀在大惯性负载系统中的应用研究 6 9 马达 A、B腔的压力 ，制动发生 在 t 0 ． 1 S 时 。根据 测试数据分析 ，当制动发生时，由于负载惯性大，液 压马达继续转动并逐渐减速，B腔压力在安全阀组的 保护下上升至安全压力，而 A腔压力由于控制阀的 关闭而回落；当液压马达转速降为零时，由于 B腔 压力高于 A腔 ，液压马达开始反转 图中约 t 1 S 时 ，A腔压力开始升高 ，B腔压力回落，如此往复 ， 多次振荡直到两腔压差不足以驱动负载转动时，振荡 结束。 2 采用回转缓冲阀的仿真研究 2 ． 1 改进方案及仿真建模 根据制动时的实测数据分析，突然制动时所产生 的振荡是不可避免的，但可采取措施降低振荡次数和 持续时间，从而减弱振荡造成的影响。 为此，设计了在液压马达两腔并联回转缓冲阀的 改进方案，并使用 A M E S i m仿真平台进行了建模仿真。 A M E S i m是 I MA G I N E公 司于 1 9 9 5年 推 出 的高级 工程系统仿真环境软件平台，为流体动力 、机械和控 制系统等提供了完善、优越的仿真环境 ，可广泛用 于液压系统的仿真 。根据该系统的改进方案，在 A ME S i m环境下建立了其仿真模型，如图3 a 所示。 a 仿 真模 型 A B b 封装前模型 图 3 采用回转缓冲阀的仿真模型 图3 a 所 示仿真模型 中，控制 阀、安全阀、 负载分别选择了仿真库中对应的元件 ，并按实际值设 置参数 ；液压马达的模型中考虑了其内、外泄漏 ；回 转缓冲阀采用了模型封装的形式，其封装前的模型如 图3 b 所示，根据其结构原理构建。 2 ． 2仿真参数 上述仿真模型中，主要元件的参数分别如表 1 所 示 。 表 1 仿真参数 负载惯量／ k g m 安全阀组设定压力／ MP a 控制阀 排i t ／ mL- r 液压马达 内泄漏系数 外泄漏系数 1 0 0 3 4 2 00 1 5 l 8O 0 ． 0 l 0 ． 0 1 5 此外，仿真时采用变步长仿真，误差 11 0 一， 仿真时间为 3 S 。 2 ． 3仿真结果 在上述仿真条件下 ，为便于对比，以试验时的控 制信号为输入，对上述模型进行了仿真，制动时间仍 控制发生在 t 0 ． 1 S 。 仿真结果中，制动时液压马达两腔的压力如图4 所示 ，对应的回转缓冲阀的开启情况如图5 所示。 O． 8 目 0 ． 6 吕 莲 ．z 0 ． 5 1 1 ． 5 2 2 ． 5 3 时 间， s 图4 制动时液压马 图5 回转缓冲阀开 达两腔压力 启面积曲线 由图4可见制动后，与没有采用 回转缓冲阀的 系统试验一样 ，由于负载惯性大，液压马达继续转动 并逐渐减速 ，B腔压力在安全阀组的保护下上升至安 全压力 ，而 A腔压力 由于控制阀的关闭而回落。当 液压马达转速降为零时，由于 B腔压力高于 A腔， 液压马达开始反转后 图中约 t 1 ． 1 S 时 ，由于回 转缓冲阀的开启 图 5所示的第一次开启 ，两腔压 力趋于平衡 ，与图 2 相 比，反转后两腔 的压差 大幅减 小。在回转缓冲阀第二 次开启 约 t 1 ． 6 S 时进 行能量平衡后 ，两腔压力基本一致 ，液压马达不再反 转，振荡结束。 与图2 所示的试验结果相 比，采用回转缓冲阀后 的仿真结果表明突然制动时所产生的振荡次数及振 荡持续时间都大为降低 ，从而减弱了振荡造成的影 7 0 机床与液压 第 4 1卷 响，可见 回转缓 冲阀在抑制制动振荡时效果显著。 为此，根据仿真结果对系统进行了改进。 3 采用回转缓冲阀的试验研究 改进后 的系统 原理与 图 3 a 一 致 ，仅在 液压 马达两腔并联了回转缓冲阀。为验证系统改进后的实 际效果，在与原系统相同的试验工况下 ，进行了试验 研究 。 图6所示为系统改进后突然制动时液压马达两腔 的实测压力 ，与图2所示的原系统试验结果相 比振 荡次数和持续时间都显著降低，执行机构无明显的抖 动，表明采用回转缓冲阀的改进措施效果良好。 此外，对比图4和图6所示的仿真、试验结果， 可见仿真时的振荡和振荡持续时间与试验结果基本一 致，表明仿真结果较为准确，但在液压马达反转后， A、B两腔的压力幅值与试验结果有一定的差异，试 验模型的精度还应进一步提高。 图6 改进后制动时液压马达两腔实测压力 4结论 1 为抑制液压马达驱动的大惯性负载系统突 然制动时产生的振荡，提出了采用回转缓冲阀的改进 方案 。 2 利用 A M E S i m对改进后 的方案进行了建模 仿真 ，仿真结果表明回转缓冲阀的效果显著，系统改 进后制动时的振荡次数及持续时间都大为降低。 3 根据仿真结果对系统进行了改进并开展 了 试验研究 ，试验结果与仿真结果基本一致，实测数据 表明了回转缓冲阀抑制大惯性负载制动振荡的良好 效果 。 参考文献 【 I 】 顾临怡， 王庆丰， 路甬祥． 液压驱动的大惯性负载加减速 特性研究[ J ] ． 机械工程学报， 2 0 0 2 ， 3 8 1 0 4 6 4 9 ． 【 2 】 王庆丰， 魏建华， 吴根茂， 等． 工程机械液压控制技术的 研究进展与展望[ J ] ． 机械工程学报， 2 0 0 3 ， 3 9 1 2 5 1 5 5． 【 3 】黄宗益， 范基， 叶伟． 挖掘机 回转液压操纵 回路 一 [ J ] ． 建筑机械化， 2 0 0 4 ， 2 5 1 5 55 7 ． 【 4 】 潘尚峰， 邓鹏． 基于 E A S Y 5的防反转阀的动力学建模与 仿真[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 1 ， 3 9 3 2 52 8 ． 【 5 】 付永领 ， 祁晓野． A M E S i m系统建模和仿真 一 从入 门到 精通[ M] ． 北京 北京航空航天大学出版社， 2 0 0 6 ． 【 6 】刘海丽， 李华聪． 液压机械系统建模仿真软件 A M E S i m 及其应用[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 6 6 1 2 41 2 6 ． 【 7 】韩慧仙 ， 曹显利． 基于 A M E S i m的混凝土泵车臂架多路 阀建模与仿真[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 9 ， 3 7 1 0 2 4 1 2 43 上接第 6 0页 将表 2中的数据输入到已经训练好的 S O M 网络，验 证诊断效果，网络的诊断结果如图7 所示。 A D B E C F Al D 4 B2 E5 C3 F6 图6 S O M神经网络训练结果图7 S O M神经网络诊断结果 结果显示S O M 神经网络除第 4组数据的诊断 结果与实际工况模式不 同外 ，其余诊断结果完全一 致 ，第4组输人数据的映射结果虽然与训练好的神经 元的位置都不相同，但比较图6和图7可以看出，代 码4与 D的位置最接近，由此可判断为第4组数据的 工况代码应为 D 。综上，S O M神经网络诊断结果与 实际工况一致，能很好地区分出船舶管系的各类工况 并识别泄漏 。 6结 论 根据船舶管系工况与管道压力、流量信号奇异性 之间的关系，利用小波变换模极大值有效提取管系工 况的特征向量 ，将特征向量输入 S O M神经网络，对 网络进行训练，实现了利用 S O M 网络来识别管系泄 漏。泄漏检测实验结果表明该方法准确率高，泄漏 检测效果良好。当然，船舶管系泄漏检测是异常复杂 的，在此基础上，如进一步对管系压力和流量信号进 行相关性分析 ，会提高泄漏检测的准确度和可靠性。 参考文献 【 1 】 胡琼， 范世东． 液体管道负压波检漏技术的研究现状与 发展趋势[ J ] ． 管道技术与设备 ， 2 0 0 9 4 2 1 2 4 ． 【 2 】胡琼． 在役管线泄漏检测技术研究[ D ] ． 武汉 武汉理工 大学载运工具运用工程专业， 2 0 0 9 ． 【 3 】 郭先定， 李敏， 何光普． 小波变换模极大值法检测信号突 变点[ J ] ． 电气应用 ， 2 0 0 6 1 1 9 0 9 2 ． 【 4 】 高宇． 基于 S O M神经网络 的风电电子装置故 障诊断 [ J ] ． 电力系统及其自动化学报， 2 0 1 0 3 1 4 21 4 5 ． 【 5 】肖 坤， 原思聪， 王丹． S O M神经网络在旋转机械故障诊 断中的应用[ J ] ． 机械设计与制造， 2 0 1 0 1 1 4 4 4 6 ． 【 6 】 韩力群． 人工神经网络的理论、 设计及应用[ M] ． 北京 化学 工业 出版社 ， 2 0 0 2 ．