高压辊磨机液压系统及其动态特性.PDF

收稿日期 1999207201 基金项目国家 “九五” 重点科技攻关项目 95 25262012 01 作者简介宋锦春1957 - ,男,辽宁沈阳人,东北大学副教授;高航1962 - ,男,福建惠安人,东北大学教授;周士昌1932 - , 男,江苏武进人,东北大学教授,博士生导师 2000年2月 第21卷第1期 东 北 大 学 学 报自 然 科 学 版 Journal of Northeastern UniversityNatural Science Feb.2 0 0 0 Vol121 ,No. 1 文章编号 10052302620000120038204 高压辊磨机液压系统及其动态特性 宋锦春1,高 航1,张立成2,周士昌1 1. 东北大学 机械工程与自动化学院,辽宁 沈阳 110006 ; 2.抚顺特殊钢有限公司,辽宁 抚顺 113001 摘 要介绍了高压辊磨机液压系统工作原理,并基于经典控制理论对该系统建立了数学模 型,采用Matlab软件通过数值仿真进行了系统动态特性分析经过对三种不同输入信号的响应结 果分析,确认流量系数K对系统的动态特性影响很大, K过大将引起系统振荡;蓄能器充气压力 p0对压辊位移x有影响, p0增大则输出x增大 关 键 词高压辊磨机;液压系统;动态特性;仿真;流量系数 中图分类号 TD 453 文献标识码 A 矿岩高压辊磨机是基于静压粉碎原理发展起 来的一种新型矿岩粉碎设备高压辊磨机通过对矿 石施以静载高压,使其内部受到极大的损伤而产生 众多的微裂纹,甚至直接被挤压成更细的粒度[1] 从而大幅度减少了后续磨矿的工作量,达到增产、 节能的目的“多碎少磨” 是选矿粉碎增产降耗最有 效的途径之一,而高压辊磨技术则为矿岩的 “多碎 少磨” 提供了新的、 最有效的手段,并成为近年来各 国竞相开发和应用的高效、 节能新技术[2] 1 液压系统原理 作者所研制的铁矿石高压辊磨机工作原理如图 1所示机器主体为框架结构,装有一个定辊和一个 动辊,两辊分别由电机带动旋转,其中动辊由一组液 压缸驱动,使两辊之间保持一定缝隙一定粒度的矿 石从机器上部料斗中下落,经过两辊缝之间的滚压 后变成粉末,从而实现了矿石的连续粉碎过程 图1 系统主机工作简图 高压辊磨机液压系统原理如图2所示,它通 过液压泵首先向系统提供压力油,推动液压缸伸 出当压力升到工作压力值时,压力继电器K2和 K4发讯使液压泵电机停止转动这时,系统处于 保压状态,即由液控单向阀和蓄能器构成的保压 回路使液压缸内保持着工作压力,从而通过液压 缸推动的动辊完成矿石粉碎工作 图2 系统液压原理图 在矿石粉碎过程中,推动动辊的液压缸不停 地往复微动,靠蓄能器保压维持工作液压缸工作 一段时间后,当压力下降到最低工作压力值时,压 力继电器K2和K4发讯使液压泵电机重新启动 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 提高油压至工作压力[3] 在压料过程中,当矿石下料粒度过大时,液压 缸随着动辊向后退让,并保持压力排出的压力油 则进入蓄能器如果突然出现大块矿石或异物,造 成液压缸后退速度过快,蓄能器不能及时将缸内 排出的液压油全部吸收,油压将迅速上升至其超 过最高工作压力时,便打开安全阀 Ⅰ 溢流 2 液压系统数学模型 高压辊磨机的液压系统和主机的动态特性直 接影响矿石粉碎质量,为深入研究其动态特性,首 先需要对系统建立数学模型[4] 对系统动态特性起直接作用的是蓄能器,液 压缸,主机动辊以及负载力的变化等为了较方便 地建立数学模型,图3示出了系统动态特性分析 简图根据图3可以列出系统各部分的微分方程 假设图示方向为位移x的正方向 图3 系统动态特性分析简图 211 力平衡方程 F pA M d2x dt2 B dx dt 1 式中, p系统工作压力; A液压缸活塞的工 作面积; M液压缸活塞相联系的移动质量; x 液压缸活塞位移量; B油粘性阻尼系数; F 负载力 212 节流阀流量特性方程 根据流量连续性方程和孔口流量方程,得 Q A dx dt K p -p22 式中, K流量系数; p2阻尼孔口前压力即 蓄能器工作压力 213 蓄能器气体状态方程 蓄能器内气体变化过程可视为绝热过程,故 其状态方程为 p0V 114 0 p1V 114 1 p2V 114 2 常数3 式中, p0蓄能器充气压力; p1蓄能器的初 始压力; p2蓄能器的工作压力; V0蓄能器 的容积; V1蓄能器气囊初始体积; V2蓄能 器气囊工作体积 考虑到初始条件t 0时,有 V2 V1-A x04 对式3进行线性化,得 p2 p1V 114 1 V 1- A x0 -114 114A p1V 114 1 V 1- A x0 -214 x - x05 由于辊压机活塞大多工作在初始位置附近, 故取x0 0,则有 p2 p1 Cx6 式中,C 114A p1 p 1/ p0V 114 0 1 114 7 将式2 , 6代入式1 , 整理,得 M d2x dt2 B A 2 K dx dt CA x A p1 F 8 即M d2x dt2 B A 2 K dx dt CA x ΔF9 式中,ΔFF-A p1,为负载力的变化量 对式9进行拉氏变换,得到其传递函数为 x s ΔFs 1 Ms2B A 2 K s CA 10 3 仿真分析 311 系统的方块图 由式 1 , 式 2 , 式 6 , 式9可得到如图4 所示的方块图不包括虚框内的部分 , 若以ΔF 为输入,则该系统的方块图就包括虚框内部分 图4 系统传递函数方块图 312 系统主要参数 根据高压辊磨机设备的设计数据,确定系统 主要参数 M 1 100 kg, V0 40 L; p0 9 MPa, p1 1215 MPa; B 21610 - 3 N s/ m3; K 21810 - 11 m5/ N s ; A 2πD2/4 01161 m2; C 114A p1 p 1/ p0V 114 0 1 114 819010 - 7 Pa/ m 93第1期 宋锦春等高压辊磨机液压系统及其动态特性 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 313 仿真研究 本文采用Matlab软件中的Simulink工具对 前面所建立的数学模型进行仿真[5],仿真模型如 图5所示 图5 SIMULINK仿真模型 对仿真模型分别输入三种不同信号,得到系 统响应的仿真结果如图6所示此时 K 21810- 11 m5/ N s ; p09 MPa 图6 系统对不同输入的响应 1 方波;2 阶跃;3 锯齿波 因为影响系统动态特性的主要参数是K和 p0,所以还要研究针对K和p0取不同值时系统 对阶跃输入信号的响应情况图7中的曲线1,2 图7 系统在不同K和p0时的响应 1K 21810 - 11m5/ N s ,p0 9 MPa ; 2K 510 - 12m5/ N s ,p0 9 MPa ; 3K 21810 - 11m5/ N s ,p0 6 MPa 所对应的K值分别为21810 - 11m5/ N s 和5 10 - 12m5/ N s , p0值都是9 MPa曲线1,3所 对应的K值相同,都是21810 - 11m5/ N s ,而 其所对应的p0值分别是9 MPa和6 MPa 4 结 论 1流量系数K对系统的动态特性影响很 大, K过大将引起系统振荡,过小则响应时间很 长,当K 21810 - 11m5/ N s 时,系统无振荡 而且响应时间也较短,比较理想 2蓄能器的充气压力p0对动态特性无多 大影响,但对输出x的大小有影响, p0增大则输 出x增大, p0减小则输出x减小 3由线性化后的气体状态方程式6可知, 液压缸位移x与蓄能器工作压力p2成正比 4根据仿真得出的较为理想的参数对设备 进行调整后,其现场运行状态保持良好 参考文献 [1]杨晓明,高航,徐小荷辊压机用于粉碎矿岩的工业实验[J ] 矿山机构,1996 ,4 8 - 11 [2]Patzelt N , Knecht J ,Baum W. The metallurgical potential of high2pressure grinding [A]. In Heinz Hoberg ed Proceeding of the XX International Mineral Processing CongressVolume 2 [C]. Archen GDMB ,1997. 155 - 164. [3]刘春荣,宋锦春,张志伟液压传动[M]北京冶金工业出 版社,1999. 117 - 120 [4]王显正,范崇诧控制理论基础[M]北京国防工业出版 社,1981. 46 - 71 [5]薛定宇控制系统计算机辅助设计[M]北京清华大学出 版社,1997. 181 - 206 04东北大学学报自然科学版 第21卷 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.