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第 2期 总 第 1 7 1 期 2 0 1 2年 4月 机 械 工 程 与 自 动 化 MECHANI CAL ENGI NEERl NG & AUTOMATI ON No .2 Apf . 文章编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 2 0 2 . 0 0 5 8 0 3 汽车起重机变幅机构液压系统的动态特性研究 姚俊威 ,卫 良保 太原科技 大学 。山西 太原0 3 0 0 2 4 摘要 分析 了汽车起重机变幅机构液压 系统 的结构及工作原理 ,运用功率键合 图理论建立 了汽车起重机变 幅 机构液压系统的功率键合图模型,并转化为控制工程领域的方块图.建立了动态模型,从而得到了系统的动 态特性。运用 MAT L A B / S i mu l i n k工具箱对 系统进行仿真 ,研究响应对整个系统 的影 响。 关键词 起 重机 ;变幅机构;控制 回路 ;键合 图;方块 图 中豳分类号 T P 2 7 1 . 3 1 TH2 1 3 . 6 文献标识码 A 0引言 液压缸变幅是伸缩臂起重机最有代表性的变幅形 式 , 属于俯仰臂架式变幅机构 。在俯仰臂架式变幅机 构中, 幅度改变是靠动臂在垂直平面内绕其内销轴转 动和动臂俯仰来实现的, 它被广泛应用于汽车起重机 。 起重机的变幅过程分为升臂、 落臂、 停臂 3种情况, 采 用油路来保证这 3种变幅动作安全可靠地进行。起重 机的变幅伸缩油路中装有平衡阀或者限速锁 , 用来保 持平稳的变幅速度 , 防止因 自重或非操作的外力作用 而导致各机构运动失控 , 或 因液压软管突然破裂而使 起重臂跌落, 并能保证各机构在任意位置停止。平衡 阀与限速锁的工作原理相同。因此 , 对汽车起重机变 幅机构液压系统的动态特性进行研究非常重要。 I 汽 车起重 机变 幅机构 液压 系统的 结构及 工作原 理 图 1 为汽车起重机变幅机构液压系统原理图。当 换 向阀位于中位时 , 压力油经换向阀回到油箱, 变幅液 压缸的左右两腔通路被堵死 , 这时起重臂停 留在某个 位置保持不动; 当换 向阀阀杆处于右位时, 压力油经换 向阀打开单向阀, 进入变幅液压缸的无杆腔 , 推动活塞 向左运动, 有杆腔液压油经换向阀流回油箱 , 此时变幅 液压缸伸长, 起重臂起升 ; 当换 向阀位于左位时, 液压 油经换 向阀进入液压缸的有杆腔, 同时液压油顶开平 衡 阀的压力弹簧, 使无杆腔 的液压油经平衡阀流回油 箱, 此时变幅液压缸缩短 , 起重臂下落 , 运动到合适位 置再将平衡阀移到中位, 就可以使起重臂停 留在该位 置不 动 。 2 建立变幅机构 液压系统控制 回路 的功率键合 图模型 采用功率键合图理论建立该液压系统的模型。功 率键合图是用图形方式来描述系统中各元件间关系的 一 种建模工具 , 它能反映 出元件 间的负载效应及系统 中功率流动情况 , 还能反映出系统动态特性 的有关信 息。键合图模型可以方便地转化为在控制工程领域 中 用来表示信号流的方块图, 而对 于方块图既可以使用 现有的控制理论去求解 , 又可以使用 S i mu l i n k工具箱 去仿真, 这样就省去了人工推导 系统方程和解耦的麻 烦, 方便且不易出错 。 5 1 一油 箱 ; 2 一 { 便 压 泵 ; 3 一 变 幅 液 压 缸 , 4 一溢流阀I 5 一换向阀 I 6 一平衡阀 图 1 变幅机构液压系统原理 图 2为功率键的一般形 式。功率键用一直线表 示 , 其上的半箭头表示功率的流向, 构成功率的两个变 量 e 和 ,可以分写在直线段的两侧 , 其中 P 为势变量, 厂为流变量。e和 厂是势变量和流变量 的通用符号 , 在具体的机械和液压 的功率中, 可以分别是机械作用 力 F和速度 、 液体压力 P和液体流量 q 。各功率键 之间的联系按其在系统 中的相互关系和作用 , 可 以有 收稿 日期 2 0 1 1 1 1 1 7 }修 回日期 2 0 1 1 1 1 2 7 作者简介 t姚俊威 1 9 8 4 一 ,男,河南开封人,在读硕士研究生 ,研究方 向为重大技术装备机械设计方法。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年第 2期 姚俊威 。 等 汽车起重机 变幅机构液压 系统的动 态特性研究 5 9 ‘ 0节点和 l节点。0节点相当于并联电路 中的节点 , 即 该节点上输入输 出流量的代数和为零 ; 1节点相 当于 一 个 串联电路 , 即该节点压力值 的代数和为零 。 要建立键合图模 型, 就需要对系统进行必要 的简 化和假设 。此处考虑的因素有 阀的弹簧柔度 、 阀芯质 量、 阀 口液阻、 阻尼孔液阻和阀芯底部控制油压力等 , 同时考虑泵的泄漏液阻、 管道液容等; 而油泵 的泄漏、 一 般管道的分布参数效应以及油缸的外泄漏都可以不 予考虑。以汽车起重机变幅机构液压系统缩进工况为 研究对象 , 根据其实 际工作情 况, 结合 功率键合 图理 论 , 考虑必要的因素 , 得到汽车起重机变幅机构液压系 统缩进工况的功率键合图, 如图 3所示 。 f 图 2 功 率键 的一般 形式 1 { 詹 R T F & j 。 。 ‘ 1 6 I F j ; 6 图 3 变幅机构液压 系统功率键合 图 图 3中各实义键合 图元定义如下 S , 为液压泵理 论流量; R z 为溢流阀液阻; R 为手动换向阀液阻; G 为 液压缸有杆腔到手动换 向阀及平衡阀的综合液容 ; c 1 。 为平衡阀弹簧柔度 ; J 为平衡阀芯当量质量; 。 为平衡 阀复位弹簧预紧力 ; 。 为液压缸承受的外载荷; J 为液 压缸活塞当量质量; R s 为液压缸内泄漏阻力及摩擦阻 力; C 1 。 为液压缸到平衡阀的液容 ; R 。 为平衡阀液阻; 尺 。 为手动换向阀液阻; S 为回油压力 ; T F为能量变换器。 3绘制方 块 图 结合功率键合图的液压动态仿 真中, 一般根据功 率键合图推导状态方程 , 再通过状态方程进行数字仿 真 。但对于复杂系统 , 因为参数较多 , 推导状态方程较 复杂 , 且容易出错。此时, 可利用 MATL AB / S i mu l i n k 工具箱, 将功率键合图转化成控制工程领域的方块图, 从而省去了人工推导状态方程的繁琐。 方块图是一种信号流图, 每一个单元的输入与输出 的关系反映的是势与流之间的对应关系; 而键合图是功 率流图, 所有的键都包含了势和流之间的双重关 系, 按 照这些对应关系, 每个指定了因果关系的键合图元都有 一 种方块图单元与之对应 。其对应关系如表 1 所示 。 表 1中, 和厂分别为势变量和流变量, C 、 J和 R 分别为容性元 、 惯性元和阻性元 , S为传递 函数中的参 量, TF表示能量变换器 , m表示变换器 的模数 , GY表 示旋转器, r P 。 , , 】 / r 厂 2 ; 容性元的计算阻抗是 1 / C S , 惯性元的计算阻抗是 J S 。 在建立复杂系统 的模 型与 系统仿真时 , 一般采用 自上而下的建模方法 首先建立复杂系统 中每个功能 模块 , 然后根据变幅机构液压系统的特点把这些功能 模块有机地结合起来 , 从而建立起整个系统的模型 , 再 把变幅机构的参数带人各子系统中组合成总系统仿真 模块。根据这种方法 , 其对应的方块 图如图 4所示。 表 1 方块图单元与键合图单元的对应关系 键图元 方块图元 键图元 方块图元 哼 ] 冠 而 『 卜 - 哼c 』 c ’ 广 西- 1 _上 0 ’ fi el e2 黼 . . 1 一 T 隔 f3 e3 0 3 1 6 L e 3 f 3 l e 3 三 T F . . 广 ] . T 悝 - ’ - f 2 』 G 直. r G Y 1 / r r r 6 三 r 一 一 I. 圈 4燹 幅 机 构 液 压 系 统 方块 图 4数 字 仿真 选择液压缸开始负重缩进时刻进行仿真 , 通过仿 真得到相应的仿真结果 , 图 5为平衡 阀阀芯位移 曲线 。 由图 5可以看 出, 阀芯运动前期有些波动 , 后期 比较平 稳 , 大约经过 1 s 便稳定在 3 0 mm左右。 t / s 图 5 平衡 阀阀芯位 移曲线 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 O 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 2 年 第 2期 图 6 、 图7分别为液压缸有杆腔、 无杆腔压力曲线。 t l s 图 6 液压缸有杆腔压力 曲线 t l s 图 7 液压缸无杆腔 压力曲线 由于是负重缩进回路 , 因此液压缸无杆腔和有杆 腔的压力不同, 无杆腔的压力大于有杆腔压力 , 仿真结 果与变幅机构负重缩进 的特点基本相符。根据仿真结 果 , 系统在 1 S 左右能够达到平衡, 平衡阀芯位移不太 大, 随时间的变化位移逐渐达到特定值 , 整个过程基本 平稳 , 可见该起重机变幅机构液压系统的稳定性较好 。 如果要提高该液压系统的稳定性 , 还需要进一步 的优 化 , 可 以考 虑通 过 改 变 系统 背 压 、 优 化 变 幅 主 阀 回油 口、 改变阻尼孔大小等方式达到改良效果 。 参考文献 [ 1 ] 李 永堂 , 雷步 芳 , 高雨 茁. 液 压系统 建模 与仿 真[ M] . 北 京 冶金工业 出版社, 2 0 0 3 . [ 2 ] 刘能宏, 田树军. 液压系统动态特性数字仿真[ M] . 大连 大连理工大学出版社 , 1 9 9 3 . [ 3 ] 王欣, 宋晓光, 薛林. 基于 MA TL AB / S i mu l i n k的键合图 在液压 系统 动 态仿 真 中的 应 用 [ J ] 。 机 床 与液 压 , 2 0 0 7 6 1 2 3 - 1 2 4 . [ 4 ] 黄洪祖, 祖旭, 张旭. 基于 MA TL A B / S i mu l i n k的键合图 仿 真[ J ] . 大连理工大学学报 , 2 0 0 3 , 4 3 5 6 3 2 6 3 5 . [ 5 ] 徐灏. 机械设计手册[ M] . 北京 机械工业出版社 , 1 9 9 2 . Dy n a mi c Re s p o n s e o f Hy d r a u l i c S y s t e m o f Cr a n e J i b Lu b b i n g M e c h a n i s m YAO J u n - we i ,W EI Li a n b a o Ta i y u a n Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y,Ta i y u a n 0 3 0 0 2 4’Ch i n a Ab s t r a c t Th e s t r u c t u r e a n d o p e r a t i n g p r i n c i p l e o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m o f a c r a n e j i b l u b b i n g me c h a n i s m we r e a n a l y z e d .Wi t h t h e t h e o r y o f b o n d g r a p h ,t h e p o we r b o n d g r a p h mo d e l o f t h e h y d r a u l i c c i r c u i t wa s e s t a b l i s h e d ,a n d t r a n s l a t e d i n t o t h e b l o c k c h a r t .Th e d y n a mi c mo d e l o f t h e s y s t e m wa s s e t u p,a n d t h e d y n a mi c r e s p o n s e o f t h e s y s t e m wa s o b t a i n e d .MATL AB / S i mu l i n k wa s u s e d t O s i mu l a t e a n d a n a l y z e t h e i n flu e n c e o f t h e d y n a mi c r e s p o n s e o n t h e h y d r a u l i c c i r c u i t . Ke y wo r d s c r a n e ;j i b l u b b i n g me c h a n i s m ;c o n t r o l c i r c u i t ;b o n d g r a p h ;b l o c k c h a r t 上接第 5 7页 Si mu l a t i o n Re s e a r c h o f Ra d i o g r a p hi c I ma g e En h a nc e me nt Te c h n o l o g y CHEN Ya I I S c h o o l o f I n f o r ma t i o n a nd Co mmu nic a t i o n En g i n e e r i n g,No r t h Un i v e r s i t y o f Ch i n a,Ta iyu a n 0 3 0 0 5 1 ,Ch i n a Abst r a c t I ma g e e n h a n c e me n t i s wi d e l y a p p l i e d t O b i o me d i c i n e ,n o n d e s t r u c t i v e t e s t i n g ,s a t e l l i t e r e mo t e s e n s i n g a n d o t h e r f i e l d s . Es p e c i a l l y f o r t h e l o w c o n t r a s t r a d i o g r a p h i c i ma g e s ,u s u a l l y t h e r e a r e s o me d i s a d v a n t a g e s s u c h a s t h e l o c a l a r e a i ma g e d o e s n o t s h o w a s t r i k i n g c o n t r a s t . I n o r d e r t O i mp r o v e t h e c l e a r n e s s o f l O W c o n t r a s t r a d i o g r a p h i c i ma g e s ,i n t h i s p a p e r we p r o po s e d a n e w e n h a n c e me n t a l g o r i t h m wh i c h c o mb i n e d g l o b a l a d a p t i v e e q u a l i z a t i o n wi t h l o c a l d y n a mi c e n h a n c e me n t ,t h e n we s i mu l a t e d t h i s e n h a n c e me n t a l g o r i t h m.Th e n e w me t h o d wi l l n o t o n l y e f f e c t i v e l y i n c r e a s e t h e g l o b a l c o n t r a s t o f l O W c o n t r a s t r a d i o g r a p h i c i ma g e s , b u t a l s o i n t e n s i f y l o c a l d e t a i l s ,h a v i n g g r e a t r e f e r e n c e v a l u e t O t h e o t h e r g r a y s c a l e i ma g e s . Ke y wo r d s i ma g e e n h a n c e me n t ;a d a p t i v e e q u a l i z a t i o n ;l o c a l d y n a mi c a l e n h a 【n c e me n t 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m
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