基于液压伺服控制系统的离心机动平衡调节系统仿真.pdf

2 0 1 1 年 9月 第 3 9卷 第 1 8期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS S e p ． 2 01 1 V0 1 ． 3 9 No ．1 8 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 1 8 ． 0 2 7 基于液压伺服控制系统的离心机动平衡调节系统仿真 李晓琳 ，牛宝良，李明海 中国工程物理研究院总体工程研 究所 ，四川绵 阳 6 2 1 9 0 0 摘要离心机是土工试验和环境模拟试验的重要设备。动平衡调节系统是离心机 自动平衡调节，保证其稳定运行的重 要装置。建立了基于液压伺服控制系统的离心机动平衡调节系统模型。借助 M A T L A B ／ s I Mu L I N K软件 ，对离心机可能出现 的不平衡情况进行仿真分析。结果证明了液压系统在离心机动平衡调节应用上的可行性和准确性，为离心机液压平衡系统 设计提供依据。 关键词土工离心机；液压伺服控制 ；动平衡 ；系统仿真 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 1 l 1 8 0 7 53 S i mul a t i o n o f Ce n t r i f u g e Dy na mi c Ba l a nc i n g Co n t r o l ‘ S y s t e m Ba s e d o n Hy d r a ul i c Se r v o Co n t r o l 。 LI Xi a o l i n． NI U Ba o l i a n g。 L I Mi ng ha i I n s t i t u t e o f S y s t e m E n g i n e e r i n g ，E n g i n e e r i n g P h y s i c s A c a d e m y o f C h i n a ，Mi a n y a n g S i c h u a n 6 2 1 9 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t C e n t ri f u g e i s wi d e l y u s e d i n s o i l t e s t a n d e n v i r o n me n t a l s i mu l a t i o n t e s t ． Dy n a mi c b a l a n c i n g s y s t e m i s a n i mp o r t ant e q u i p m e n t i n t h e a p p l i c a t i o n o f c e n t ri f u g e a u t o m a t i c b a l a n c i n g a d j u s t m e n t t o e n s u r e s t a b l e o p e r a t i o n ．C e n t ri f u g e d y n a m i c b al a n c e a d j u s t m e n t s y s t e m w a s m o d e l e d b a s e d o n h y d r a u l i c s e r v o c o n t r o l s y s t e m．T h e i mb a l a n c e c a s e s t h a t c e n t r i f u g e ma y o c c u r w e r e s i m u l a t e d b y MAT L AB ／ S I MUL I N K． I t i s p r o v e d t h a t t h e a p p l i c a t i o n o f h y d r a u l i c s y s t e m i n c e n t ri f u g e i s f e a s i b l e a n d a c c u r a t e ． Mo r e o v e r ， i t p r o v i d e s b a s i s f o r t h e d e s i g n o f c e n t ri f u g e h y d r a u l i c b alanc e s y s t e m． Ke y wo r d s Ce n t r i f u g e ；Hy d r a u l i c s e r v o c o n t r o l ； D y n a mi c b ala n c i n g；S i mu l a t i o n 离心机 如图 1 所示是土工试验和环境模拟 试验的重要设备 引。在离心试验时，为了使离心机 稳定运行 ，应尽量减小不平衡力 。因为大 的不平衡力 将增大机座和安装地基的负担。当不平衡力过大时， 将会造成整个离心机系统倾覆或侧 。 图 1 离心机结构简图 设试 验时吊篮及模 型的质量 为 m ，质心 到转轴 的距离 为 r 。静 平衡 调节 配重 质量 为 m 。 ，质 心到 转 轴的距离为 r 。 。动平衡调节配重质量为 m ，质心到 转轴距离为r 。则不平衡力可表示为 F m 1 r 1 m l r 一 m 2 r 2 ∞ 1 式中 为离心机的旋转角速度 ，其值由试验加速度 决定。 要使 F小 ，在离心机建设时，通过配平 ，基本 可以保证转臂空载不平衡力足够小。但在试验时，虽 进行 了静平衡 调节 ，可避免过大不平衡力 的产生 ，但 试验模型的质心很难找准，而且离心试验时 ，有可能 出现模型垮塌，造成质心位移 ，从而产生未知不平衡 力 。为此 ，在离 心 机上 增 加动 平衡 调 节 系统 尤 为 重 要，其可以根据检测出的不平衡力大小，进行 自动平 衡调节，从而保证离心机的稳定运行。 作者基于液压伺服控制系统，运用软件 MA T ． L A B ／ S I MU L I N K进行离心机平衡调节系统仿真。仿真 表明液压伺服用于离心机动平衡调节 ，能够使离心 机 比较快速地调节 到平衡 位置 。液压控制系统具有负 载 刚度大 、精度 高、响应快 等优点 。 1 液压伺服控制系统建模 1 ． 1液 压动 力 源 系统的液压源 由电机 、液压泵 、溢流 阀和蓄 能器 组成。电机带动液压泵 ，输出恒定流量的油液；溢流 收稿 日期 2 0 1 0 0 9 2 1 作者简介李晓琳 1 9 8 5 一 ，女，硕士研究生，研究方向为武器系统与运用工程。Em a i l x i a o l i n l i 1 2 6 ． c o m。 7 6 机床与液压 第 3 9卷 阀通过阀 口的溢流 ，调定 系统工作压力或 限定其最 大 工作压力 ，防止系统过载；蓄能器起稳压作用。 1 ． 2 电液伺 服 阀 电液伺服 阀 的频 响 函数 可表 示 为二 阶 的 振荡 函 数 一 ⋯ s 2 s 2 ‘ 式 中 为滑 阀位移 ；i 为输 入 电流 ；K为伺 服 阀增 益 ；6 0 为伺服 阀频响 ； 为阻尼 比 ， 0 ． 4～ 0 ． 7 。 电液伺服阀的流量表达式 为 q c √ J古 p 一 p f 3 式中q 为阀的负载流量；P 为负载压降；P 。 为进 油 口处压 力 ；W为 阀的面积 梯度 ；C 为流 量 系数 ；P 为油液密度 。 由式 3 可知 ，通过改变电流的正负 ，可以使 电液伺服 阀输入 液压缸的流量有正有 负 ，即可 向液压 缸两腔的任一腔输入油液。因此 ，可推动质量块靠近 或远离转 轴移动 。 1 ． 3液 压 缸 1 液压缸 流量表 达式 为 g A d X pCt pL杀 4 式 中A为液压缸活塞有效 面积 ； 。 为活塞位 移 ；C 为液压缸 总泄 漏系 数 ；P 为负 载压 力 ；K 为 有效 体 积弹性模量； 为液压缸两腔总容积。 液压缸推动负载的力 为 FA p 5 2 液压缸的输出力与负载力 的平衡方程 为 m B c鲁 G x F 6 式中m 为动平衡调节配重质量 ；B 为黏性阻尼系 数 ；G为弹簧刚度 ；F ． 为外加负载力，在离心机的 平衡 系统中 ，此力等于配重所受 的离心力 。 2 系统仿真 采用软 件 M A T L A B ／ S I Mu uN K进行 建模 仿真 ， 仿真模 型如图 2 所示 。根 据某 离心机选择系统仿真参 数如 表 1 所示 。 图2 液压位置伺服控制系统仿真模型图 表 1 仿真参数表 刁 液压泵额 定流量 P ／ m s 1 6 0 ／ 6 1 0“ 电液阀流量系数 C 0 ． 7 溢流阀流量系数 K y ／ i n s ～ P a Q1 0 电液阀频率响应 c c J ／ H z 2 0 蓄能器充气压力 P o ／ P a 1 01 0 。 电液 阀阻尼 比0 ． 5 油液弹性体积模数 K t ／ P a 7 0 01 0 试件质量 m 2 ／ k g 2 0 0 0 管道体积 V ／m 0 ． 1 静平衡调节配重质量 m ／ k g 3 4 0 0 溢流阀开启压力P ／ P a 2 5 1 0 动平衡调节配重质量m l ／ k s 7 0 0 蓄能器充气容积 V o ／ m 1 01 0。 黏性阻尼系数 B 1 0 0 油液密度 p ／ k g m 9 0 0 试件到转轴距离 r 2 ／ m 7 液压缸 总泄漏 系数 C ／ i n 。 s ～ P a 21 0 静平衡配重到转轴距离 r ． ／ m 3 ． 5 液压缸工作面积 A ／ m 0 ． 1 8 动平衡配重到转轴距离 r ／ m 3 液压 活塞两腔容积 V ／m 61 0 第 l 8期 李晓琳 等 基于液压伺服控制系统的离心机动平衡调节系统仿真 ’7 7 当不平衡 力 F0时 ，通过调 节动平 衡配重 质量 块 ，改变其到转轴的距离 ，使离心机平衡 。设质量块 的位移为Y ，到转轴距离 r r 一 Y 。在模型的反馈环 节 ，用一标定系数来等效离心机不平衡力 的测量 。离 心机开始 工 作后 ，进入 缓慢 加 速过 程 。在仿 真 模 型 中 ，角速 度 ∞采 用 一个 斜坡 函、 数 ，根 据某 离 心 机 ， 设加速度达到 2 0 0 g后饱和 。 以下将根据离心机可能 出现的 3种不平衡情况进 行仿真 。 情况一 当F0 ，离心机开始转动。由于受离 心力作用影响，动平衡配重质量块会 向远离转轴的方 向移动，液压系统开始工作，维持离心机的平衡。仿 真结果如图3 、 4所示。可以看 出离心机开始转动 后 ，加速度逐渐增加。由于质量块位移 Y向负方向增 加 ，质量块到转轴距离 r r 一 Y 逐渐增加，离心机的 不平衡力 F加大。但 随着液压系统作用 ，最后离心 机维持在平衡状 态 ，Y和 F趋 于 0 。从 图 中看 出配 平过程中的不平衡力非常小 ，说明实际液压系统对离 心机的作用是很迅速的。 图4 情况一位移与不平衡力变化图 情况二当离 心机不平衡 ，F≠0 ，开始转动， 设开始时质量块到转轴距离存在偏差，r r 0 ． 2 。 仿真结果如图 5 所示。可以看出离心机开始处于不 平衡 状态 ，随着液压系统 的作用 ，最终配重质量块位 置移动 0 ． 2 m，不平衡 力 F 0 。达 到平衡 所需 时 间约 7 0 s ，所 以系统 的响应速度是 比较快 的 ，而 且平 衡调节的准确性比较高。 情况三离心机在工作中，可能出现试件的某部 件脱落、试件质量突然减小的情况 ，此时离心机不能 及时停止 。以下在情况二 的基础上 ，加上试件质量 突 然减小的情况 。从情况二 的仿 真结果 知 ，在 t 1 0 0 s 时离心机 已经处 于平衡状态 ，此 时改变试件质 量 m。 ， 变为 mm 一 2 0 k g 。仿真结果如图6所示。可以 看 出 由于试件质量变化 ，离心机从平衡状态变为不 平衡 ，随着液压 系统作 用 ，不平衡 力逐渐 变为 0 ，动 平衡调节质量块保持在 一个新 的位 置。 图5 情况二位移与不平衡力变化图 图 6 情况三位移与不平衡力变化图 3 总结 从液压位置伺服控制系统模型的仿真结果可以得 出系统对于离心机可能 出现 的不平衡状况 ，都能及 时地响应 ，维持离心机的动平衡。结果也证明了液压 系统在离心机动平衡调节应用上的可行性和准确性 ， 为离心机液压平衡系统设计提供依据。 参考文献 【 1 】 林明， 王新伦 ， 冯晓军， 等． 6 o 一 土工离心机电气系统设 计 [ J ] ． 测控技术， 2 0 0 4， 3 1 5 8 6 0 ． 【 2 】沈润杰． 离心力场下电动振动台及动圈纠偏系统动特性 的研究 [ J ] ． 浙江大学学报 ， 2 0 0 2 1 9 2 9 6 ． 【 3 】 孙述祖． 土工离心机设计综述[ R ] ． 南京 南京水利科学 研究院土工研究所， 1 9 9 0 ， 土 9 0 0 2 ． 【 4 】张鸣雷． 土工离心机 自动平衡系统设计[ C ] ／ ／ 中国水利 学会2 0 0 7学术年会物理模拟技术在岩土工程中的应用 分会场论文集， 2 0 0 7 1 1 1 5 ． 【 5 】张利平． 液压控制系统及设计[ M] ． 北京 化学工业出版 设 ， 2 0 0 7 ． 【 6 】 成大先． 机械液压设计手册[ M] ． 5 版． 北京 化学工业 出版社 ， 2 0 1 0 ． 【 7 】 吴麟 ， 王诗宓． 自动控制原理[ M] ． 北京 清华大学出版 设 ． 2 0 0 6 ．