换轮库回转机构液压系统性能分析.pdf

2 0 1 2年 5月 第4 0卷 第 l 0 期 机床与液压 MACHI NE T 00L HYDRAUL I CS Ma v 2 0l 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 1 0 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 1 0 ． 0 2 9 换轮库回转机构液压系统性能分析 熊新 盐城工学院汽车工程 学院，江苏盐城 2 2 4 0 0 0 摘要介绍重庆轻轨换轮库回转机构及其液压系统的原理，简化了回转机构，建立了液压系统模型，利用 Ma t l a b软件 分析系统的稳定性和动态特性。结果表明系统的稳定性和动态性能好，为同类系统的研究提供了一定的理论支持。 关键词换轮库；回转机构；液压系统；稳定性 中图分类号 T H1 3 7 ． 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 1 00 9 03 Pe r f o r ma nc e An a l y s i s f o r Hy dr a ul i c S y s t e m o f Cha ng i n g wh e e l Ga r a g e Tur n Ou t fit X1 0NG Xi n S c h o o l o f A u t o m o t i v e E n g i n e e r i n g ，Y a n c h e n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ，Y a n c h e n g J i a n g s u 2 2 4 0 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e p r i n c i p l e s o f c h a n g i n g - wh e e l g a r a g e t u r n o u t fi t o f C h o n g q i n g l i g h t r a i l a n d i t s h y d r a u l i c s y s t e m we r e i n t r o d u c e d ． T h e ma t h e ma t i c s mo d e l o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m wa s e s t a b l i s h e d ． T h e s t a b i l i t y o f t h e s y s t e m wa s p r o v e d a n d t h e t r a n s i e n t c h a r a c t e r i s t i c wa s a na l y z e d b a s e d on Ma t l a b s o f t wa r e ． Th e r e s u l t s s h o w t h e s y s t e m h a s e x c e l l e n t s t a b i l i t y a nd d y na mi c p r o p e y． Th e s t u dy p r o v i d e s t he o r y r e f e r e nc e f o r r e s e mb l i ng s y s t e m． Ke y wo r d s Ch a n g i n g wh e e l g a r a g e ； T u rn o u t f i t ； Hy d r a u l i c s y s t e m ；S t a b i l i t y 重庆轻轨是我 国西部大开发的重点工程之一 ，是 我国第一条跨座式单轨系统⋯，其走行轮为橡胶轮 胎，易磨损 ，因此换轮库是保证轻轨日常运行的重要 组成部分 。对换 轮库来说 ，液 压系统是 其控制 中心 。 文中分析的换轮库回转机构液压伺服系统更是具有精 度高、稳定可靠、结构简单等优点。 1 换轮库回转机构组成 回转机构是换轮库 的关键部件之一 ，它主要 由回 转油缸和回转铰链组成，如图 1 所示。回转机构推动 整个沉降梁和 P c梁转动 4 5 。 然后进行换轮工作 ， 当换轮工作完毕后又推动沉降梁和 P c梁转回到原来 的位 l 2 3 4 5 6 l S 6 1 一沉 降 粱2 一 车 轮3 一 回转 油缸4 一 回转 铰链5 一 轨道6 _ _ P c 梁 图 1 回转机构示意 图 现分析 回转机构液压系统。 1 回转机构液压系统 液压系统原理 图如 图 2 所示 ，通过 比例阀控制数 字缸推动负载转动，并将转动位置通过位置传感器传 递 给控制器 ，控制器根据实 际转动位置调整 比例阀控 制信号达到闭环控制的目的。图中，F表示负载 ，已 知液压 缸 内径 D1 2 0 m m，活塞杆 直径 d7 0 m m， 行程 L 8 5 0 m m，负载质量 r 几 1 2 0 0 0 k g ，比例阀至 液压缸的管道长 1 0 0 0 m m，供油管管道通径 d 1 0 m m，液压系统工作压力 P 2 1 ． 6 M P a 。 2 该 系统闭环传递函数的建立 G p v ㈠ X v K p v pv pv 收稿 日期 2 0 1 1 0 4 2 1 作者简介熊新，男 ，讲师，主要研究机械多体系统动力学。E m a i l x i o n g x i n 1 9 7 6 1 2 6 ． c o n。 第 l 0期 熊新换轮库回转机构液压系统性能分析 9 l 式 中 。 2 5 H z ， 0 ． 6 7 ，K 0 ． 1 0 5 。 传感器传递函数为 H s K ，其中 KH5 V／ m 2 ． 2 比例 阀至液压缸的传递函数建立 1 动力学方程为 。 - m 邶警 F 2 式中 P 、 P 分别为缸左右腔内的工作压力 ， P p 2 1 ． 6 M P a ； A 为液压缸无杆腔有效面积 ，A 1 ． 1 3 1 X 1 0 i n ；A 为液压缸有杆 腔有效截面积 ，A 7 ． 4 6 1 0 n l ；m为负载质量 ，m1 2 0 0 0 k g ；B为阻力 系 数 ，B2 4 71 0 N ／ m． s L 6 ] ；F为 外力 ，F ； 为活塞杆 的位移 ， 0～ 0 ． 8 2 0 m。 s] no, 为了便于分析 ，对图 1 进 行简化 ，如 图 3所示 。 1 1 ． 4 1 4 2 2 ． 9 5 x 5 ． 1 6 x 1 ． 9 0 x 图 3 回转机构简化不意 图 2 缸 的流量连续性方程 左工作 腔的连续性方程 为 qq 一C ip p I 3 一 p - 3 右工作腔 的连续性方程为 q 一C ip p 1 C p P 一 4 式 中q 、Q 分别为左右 腔 的流量 ；V 1 为进 油腔 容 积 ，V I A 。 ， 。 7 ． 8 51 0 m ； 为出油腔 容积 ， 2 一 A 2 ， 2 6 ． 4 21 0 I 3 i n ；C in 、C 。 分别为油缸的内外泄漏系数，均取 1 X 1 0 。 ； 为弹 性模量 ，取 1 X 1 0 P a 。 3 伺 服阀的流量线 性化方 程为 q X 一K c p ， 5 其中Q 为负载流量， P 。 为负载压降。 K q c √ 6 其 中C 为阀的开 口度 ，取 0 ． 6 ～ 0 ． 6 5 ； 为阀的面积 梯度 ， 1 T d ，d 2 8 ． 4 to n i ； P为系统的工作压力 ，即 2 1 ． 6 M P a ； P为系统的工作密度 ，即 9 0 0 k g ／ m 。 K c 7 7 其中C 为阀的径向间隙，一般取 0 ． 0 0 5 ； 为液体 的动力黏度 ，一般取 9 0 P a s 。 4 计算 临 界 点 为 取 m in 1 得 0 ． 3 8 2 m ， 由 方 程 1 -- 7 联解 ，并经拉 氏变换 ，得 11 0 bs 系统 的传递 函数方框 图如图 4 所示 。 图4 系统的传递方框图 则系统 的闭环传递函数为 G K 0 5 5 0 , 4 4 。3 3 0 2 2 血1 0。 其中 K2 ． 1 4 X 1 0 。 ，0 5 ，0 4 ， 为 1 ，1 ． 3 21 0 ，3 ． 1 21 0 ， 1 0 ， 1 ． 0 7 X1 0 。 8 r 上 3 ，n 2 ，0 l ，。 o 分另 U 9 ． 8 0 1 0 ． 1 ． 6 9 3 系统的稳定性 、动态特性分析 1 稳定性分析 系统 的特征 方程式 为 0 ,5 s O ,4 S 0 3 s 2 a1 s0 00 显然 0 0 n 0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，根 据劳斯 判据 ，方程满足稳定的必要条件。 根据劳斯行 列式 S 1 3 ． 1 2 X 1 0 1 ． 6 91 0 4 1 ．3 2 1 0 9 ． 8 01 0 1 ． 0 7l 0 s3 3 ．0 5 X1 0 1 ． 6 81 0 52 9 ．0 71 0 1 ． 0 7 X 1 0 s 1 ． 3 2 X 1 0 0 1 ．0 71 0 显然 数据 均大 于 0，所 以方 程 满 足 系统稳 定 的 充分条件 ，因此该系统稳定。另外 ，通过 Ma t l a b可 以做出系统的 B o d e图如图 5所示 ，并计算出频域性 能指标为 G 8 3 ． 1 d B ；P 9 0 。 ； 2 3 ． 2 r a d ／ s ； 。 0 ． 0 0 2 0 r a d ／ s 。即，模 值稳定 裕度 L h 9 2 机 床与液压 第 4 O卷 2 0 l o g 0 8 3 ． 13 8 ． 4 d B ；相 角 稳 定 裕 度 9 0 。 ； 一 盯 穿越频 率 2 3 ． 2 r a d ／ s ；剪切频 率0 9 0 ． 0 0 2 r a d ／ s 。 因此可 知 ，该 系统 闭 环稳 定 ，并 有 较 大 的稳 定裕度 。 G 8 3 ． 1 d B a t 2 3 ． 2 r a d ／ s ， P 9 0 。 a t 0 ． 0 0 2 0 4 r a d ／ s 一1 00 ∞ 芝 一 2 0 0 罄 一30 0 ＼ 图 5 系统 B o d e图 2 系统的动态特性分析 利用 M a t l a b软件做 出系统 的阶跃响应 图 ，如 图 6 所示。 S y s t e m s y s Pe ak am pl i t ude0． 19 9 Ov e r s h o o t ％ 0 A t t i m e 0． 6 s 图 6 系统 的阶跃响应 图 可以看 出上 升 时 间 为 0 ． 1 8 4 S ，峰 值 时 间 为 0 ． 1 9 9 S ，调 节 时问 为 0 ． 3 3 6 S ，系统 动 态性 能 良好 。 系统动态性能主要由K 、 K 、 等确定 ，通过调节 它们可以改变系统的动态性能 。 4结 论 介绍了换轮库回转机构的组成和液压系统的工作 原理 ，对 回转机构进行 了简化 ，采用传统方法建立 了 液压系统 的数学模 型 ，运用 Ma t l a b软件 进行 了仿 真。 结果表 明系统稳定性 和动态性能 良好 ，说 明系统的 简化和建模合理，可以为同类系统提供参考。 参考文献 【 1 】 于今． 轻轨换轮装置液压系统管路特性分析[ J ] ． 机床 与液压 ， 2 0 0 6 5 1 6 51 6 6 ， 2 3 5 ． 【 2 】李永堂． 液压系统建模与仿真[ M] ． 北京 冶金工业出版 社 ， 2 0 0 3 ． 【 3 】张玉宝， 韩淑华， 和光磊， 等． 连铸机动态轻压下液压压 下系统动态特性分析[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 8 ， 3 6 1 2 7 4 7 6． 【 4 】孙正培． 液压技术基本理论 [ M] ． 重庆 重庆大学出版 社 ， 1 9 9 3 ． 【 5 】张玮， 冀宏 ， 于振燕， 等． 管道配置对阀控缸液压系统动 态特性的影响[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 8 ， 3 6 1 0 7 4 7 6 ． 【 6 】李洪人． 液压控制系统[ M] ． 北京 国防工业出版社， 1 98 1 上接 第 5 8页 位置 ，也可 以通过 步进 电机 带 动处 于不 同 的工作 位 置 ，因此文 中设计 的转 阀可 以处于手动和机动两种工 作模式下 。制作 的实物 已经成功应用于平地机工作装 置操控系统中 图5 a 为原来的液压系统，图 5 b 为改进后 的液压系统 以实 现对铲 刀右 升降油 缸 、铲刀左 升降 油 缸 、铲 刀倾 斜 油缸 、铲刀 引 出 油 缸 、铲刀角度变换 油缸 、后松土器油缸 、前 轮倾斜 油 缸 、铲刀 回转油缸 、铲 刀铰接转 向油缸 和前推土板升 降油缸 等 l 0个油缸 的运 动控制 。通 过该转 阀将平 地 机先导控制 系统 中先导 式 电液 比例 控制 阀 的数量 从 2 0 个减少 为 4个 ，极 大地 简化 了先 导控 制系 统 ，降 低了系统成本。经过试验，安装该转阀后平地机先导 控制系统 中的先导压 力损 失小 于 0 ． 2 5 MP a ，完 全可 以满足先导控制要求 。 4结论 基 于先导油路分配能简化先导控制系统 、减少先 导式电液 比例控制 阀的数量 。作者设计并制作了一种 用于先导油路分配 的十 四通转 阀 ，介绍其 功能结 构 ， 分析其工作原理和工作过程，并给出应用实例。实际 应用表明 该设计是合理可行的。进一步的研究包括 如何将多通转 阀与液控多路换 向阀集成为一体 ，从而 进一步简化先导控制系统。 参考文献 【 1 】 成凯， 吴守强， 李相锋． 推土机与平地机[ M] ． 北京 化学 工业 出版社 ， 2 0 0 7 ． 【 2 】冯培锋 ， 陈扼西． 装载机工作装置电液比例控制系统研 究[ J ] ． 中国机械工程 ， 2 0 0 5 4 2 9 52 9 8 ． 【 3 】胡静波， 王同建 ， 罗士军． 装载机线控转 向系统研制 [ J ] ． 中国机械工程， 2 0 0 8 1 2 1 5 0 01 5 0 4 ． 【 4 】 方群， 黄增． 电液伺服阀的发展历史 、 研究现状及发展趋 势[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 7 ， 3 5 1 1 1 6 21 6 5 ． 【 5 】曾谊晖， 刘爱荣． P Q I 9 O型液压平地机液压控制系统的 设计[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 3 3 8 38 5 ． 【 6 】 童小利， 吴百海． 新型复合四通逻辑阀控高速数控冲压 成型电液控制系统[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 5 1 1 6 5 6 8． 【 7 】 邹广德， 韩长江． 遥控型全液压工程车辆实现方法的研 究[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 7 ， 3 5 5 1 4 31 4 4 ．