一种快速运动装置液压系统设计.pdf

2 0 1 5年 2月 第 4 3 卷 第 4期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I CS F e b ． 2 0l 5 Vo 1 ． 4 3 No ． 4 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 0 4 ． 0 2 9 一 种快速运动装置液压 系统设计 白本奇 ，朱卫 东 ，叶成 ，刘兵 ，张伟 ，郑向金 1 ．中国空气动力研究与发展 中心高速所 ，四川绵阳 6 2 1 0 0 0 ；2 ．北京机 电研 究所，北京 1 0 0 0 8 3 ； 3 ．天津优瑞纳斯机械有限公 司，天津 3 0 0 3 8 5 摘要 目前国内缺乏满足高超声速风洞气动热试验需求的快速运动装置。提出一种基于气液增速缸和伺服 比例换向阀 的快速运动装置设计方案。该方案解决了机构加减速的难题，使得机构快速运动装置插入时间达到试验要求。结果表明 该装置满足速度和冲击要求 ，能够应用于风洞测热试验。 关键词气液增速缸；快速运动装置 ；伺服比例阀；液压系统 中图分类号T H1 3 7 文献标志码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 5 4 - 0 9 5 3 De s i g n o f Hy dr a u l i c S y s t e m f o r t he Fa s t - mo v i n g Equ i pme nt B A I B e n q i ，Z H U We i d o n g ，Y E C h e n g ，L I U B i n g ，Z H A N G We i ，Z HE N G X i a n g j i n 1 ． C h i n a A e r o d y n a m i c s R e s e a r c h a n d D e v e l o p me n t C e n t e r ，M i a n y a n g S i c h u a n 6 2 1 0 0 0 ，C h i n a ；2 ． B e i j i n g R e s e a r c h I n s t i t u t e o f E l e c t r i c a l T e c h n o l o g y ，B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ；3 ． T i a n j i n U r a n u s Ma c h i n e r y C o ． ， L t d ． ．T i a n j i n 3 0 0 3 8 5 ，C h i n a Ab s t r a c t F a s t mo v i n g e q u i p me n t wh i c h c a n me e t t h e n e e d s o f a e r o d y n a mi c h e a t i n g t e s t s i n h y p e r s o n i c wi n d t u n n e l i s s c a r c e a t pr e s e n t i n Chi n a．The de s i g n s c h e me o f f a s t mo vi n g e qu i p me nt wh i c h wa s b a s e d o n g a s l i q ui d b o o s t i ng c y l i n d e r a n d s e r 0 pr o p o r t i o n a l v a l v e wa s d e s c r i b e d ． T h e d e s i g n s c h e me s o l v e s t h e p r o b l e m o f c h a n g i n g me c h a n i s m’ S s p e e d．S O t h e t i me t h a t t h e f a s t mo v i n g e q u i p me n t us e d t o i ns e rte d i n t o t e s t s ec t i o n f u l fil l s t h e t e s t r e q ui r e me n t ．The r e s ul t s s ho w t ha t t he e q ui pme n t s a t i s fie s t he s p e e d a n d i mp a c t r e qu i r e me n t s ，i t c a n b e u s e d i n a e r o d y n a mi c h e a t i n g t u n n e l t e s t s ． Ke ywo r ds Ga s l i q ui d c y l i n d e r；Fa s t mo v i ng e q ui p me n t ；Se r v o p r o p o r t i o n a l v a l v e；Hy d r a u l i c s y s t e m 在航天 飞 行器 的研 制 中，准 确 预测 气 动 热环 境 和总加热 量 对 防热 材料 的选 取 、热结 构设 计 和再 入 热走廊的确定非常重要。一般这种预测都是在地 面 试验 中进 行 ，高超 声速 风 洞气 动 热试 验就 是 一项 试 验技术 ，该 试验 技 术要 准 确测 量模 型 表 面 的热 流分 布特性 ，需要测量 的是瞬态过程 ，所以就需要设计 一 套快速运动装置在 0 ． 2 ～ 0 ． 3 S 内将模型从风洞流场 边缘送到流场中心，以免热传导造成测出热流数据 不准 确。此项 目就是为了设计制造 出该机构 。 1 主要性能指标 1 机构行程 9 5 0 m m； 2 动作时间t ≤0 ． 5 S ； 3 不得对下游设备造成 冲击 。 以上指标 的说 明由于在风洞气动热试验前， 模型需要 回收在 上驻 室 中 ，加上 模 型 的变 攻 角机 构 的体积尺寸原因，使得机构总行程稍长 ，总的动作 时 间指标 相应 延 长。 由于模 型从 风 洞 流场边 缘 进入 流场 中心 的行 程 小 于总行 程 的一 半 ，所 以如 果 总 动 作时间能小于 0 ． 5 S ，那么模型从风洞流场边缘进入 流场中心的时间是可以满足 0 ． 2 ～ 0 ． 3 S 的要求的。 2 设计方案 该运动装置 主要存在行 程长 、时间短 的难 点。此 外 ，由于送人 风 洞流 场 的运 动部 件 中 除了模 型 以外 还包括变攻角机构 ，运动部件整体质量 大 约 4 0 0 k g ，因此时 间要达 到要求 还不至 于对下 游设备 造成 冲击 ，要求整个运动过程 的加 、减速非常快 ，而且减 速制动过 程要 非 常平 缓。这 样驱 动 执行 装置 就 非 常 关键 。 经过比较，决定采用液压系统来驱动该机构 ，使 用气液增速缸和伺服 比例换 向阀的方案来解决上述 问题。气液增速缸解决加速的问题，伺服比例换向阀 解决减速的问题 。 收稿日期2 0 1 4 - 0 1 1 2 作者简介白本奇 1 9 7 1 ～ ， 男，学士，高级工程师 ，主要从事风洞结构设计和液压技术方面的工作。E - m a i l b a i b e n q i 1 63 ． c o n。 9 6 机床与液压 第 4 3卷 气液增速缸原理图如 图 1 所示，气液增速缸 由 A、B 、c三个 腔 、1 、2两个 活塞 组成 ，A腔 预充 氮 气 ，B腔和 c腔充液压油。B腔由两个不同直径的缸 体连在一起 ，大 径与 A腔直 径一 致 ，小 径与 C腔直 径一致 ，通过不 同直径达到增速 的作用 。活塞 1 是一 个双出杆活塞，该活塞的上杆伸 出缸体 ，与磁致伸 缩位移传感器相连 ，活塞 l 的下杆是缓冲柱塞，缓冲 柱塞直径 与 C腔 直径相 配合 。相应地 ，B腔大径部分 下端接节 流阀 4 ，起节 流缓 冲的作用 。 3 A 腔 一 ； i 裙 位 移 传 感 器 4 一节流阀 B 腔 4 C 腔 图 1 气液增速缸原理 图 3液压控制 系统的组成及工作原理 该快 速运动装置的液压系统原理如图 2 所示 。系 统 由液压 泵 2 、液 控单 向阀 3 、电磁换 向阀 4 、气 液 增 速缸 5 、节 流 阀 6 、 溢 流 阀 7 、伺服 比例 换 向 阀 8 、 辅 助组 件等组成 。 1 一油箱 2 --液压泵 卜 液控单 向阀 4 _ 电磁换 向阀 5 _ - 气液增速缸 6 - - - 节流 阀 7 _溢流 阀 8 _ _ 伺服 比例换 向阀 9 _ _ 二位二通 电磁 阀 图2 快速运动装置的液压系统原理图 快速运动装置的工作过程由 4个步骤组成试 验 前的蓄能过程 ，插入时的加速过程 ，插入时的减速 过 程 ，试 验完成后的 回收过程 。 1 蓄能过程 比例阀处于关闭状态 ，气液增速缸下腔锁止 ，开 启换向阀 4到气液增速缸中腔进油位置，使油缸中腔 进油，推动上活塞向上运动，使上腔氮气压缩后具有 一 定 的初 始 压 力 P 。 ，为 系统 的 模 型 投 放 试 验 做 好 准备。 2 加 速过程 动作前气液增速缸的上腔氮气 已经具有一定的 初始 压力 7 ． 5 MP a 。 当需 要 进 行投 放 试验 时 ，控 制 系统发 出指令 ，使 比例阀开启 由中位 到排 油位 置 ，液压 油从 气 液 增 速缸 下 腔 迅速 排 出。此 刻 下 腔油 压接近 为零 ，这 样 ，装 有模 型 的运 动 机构 在 压 缩氮 气 的急 速膨胀 以及 自重 的双 重作 用 下产 生很 大 的瞬间加速度，迅速使机构下降到一定位置 ，进入 减 速过程 。 3 减速过程 由于运 动机构 太 重 ，高 速 下要 在 很 短 的时 间 内 将速度减 为零非 常 困难 。为了达 到平缓 制动 的效果 ， 最初 的控 制方 案 是 闭环控 制 ，但 实 际调 试过 程 中 发 现 由于时问太短 ，比例 阀完全 响应不 过来 ，无法达 到 目的。最后将控制方案 改为半 开环控制 ，即通过 多次 试验后 ，在程序里预先设置多个高度位置控制点，在 每一个高 度 控制 位 置点 ，系统 直接 发 出指令 控 制 比 例 阀减小 阀 口开 度 ，这 样减 小 了计 算 和数 据交 换 时 间 ，才使得满足要求 。 减速后半程上活塞下部的缓 冲柱塞进入节流缓 冲区，使上活塞缓冲制动，对于减小制动冲击也起到 了关键作用。 4 回收过程 风洞测热试验完成后 ，控制系统发 出指令 ，换 向 阀 4开启 到气 液增速缸中腔排 油位置 ，同时使 比例阀 开启 由中位到进油位置 ，使气 液增速 缸下 腔开始 进油，控制比例阀的流量使气液增速缸的下活塞缓 慢提升。当到达上极限位置时，关闭比例阀 由进 油位置到中位 ，使气液缸下腔锁止。 4 相关参数的确定和计算 1 基础数据 氮气初 始 体积 V o 1 ． 2 5 L ，气 液缸 上 活 塞 直径 D 2 0 0 m m，上活塞 总行 程 ， 4 0 m m，下 活塞 直径 d 4 0 m m，下 活 塞 总行 程 s ， 1 0 0 0 m m。运 动 部 件 第 4期 白本奇 等一种快速运动装置液压系统设计 9 7 含模型 总质量 m 4 0 0 k g ， 为 9 5 0 m m。 2 估算峰值速度 V 投放过程下降总行程 置上，如图3所示。机构运行参数见表 1 。 由于整个 模 型投 放过 程 是一 个 变加 速 和 变减 速 的运动过程 ，精确计算较为困难。为了便于估算 ，现 假设运动前 1 ／ 3 段为匀加速 ，后 2 ／ 3 段 为匀 减速 。设 总行 程 s 9 5 0 m m，目标为 总运 动时 间为 0 ． 4 5 S ，前 1 ／ 3 段加速时间 t 。 ，加速度为 a 。 ，加速后得到峰值速 度 ；后 2 ／ 3段减速时间 t ，减速度为 a 。 ，速度由 减为 0 。 s 1 。 f 由上式可得峰值速度 ≈4 ． 2 2 m／s 2 确定氮气初始压力 P 。 快速运动装置加速过程完成后运动机构 的动能 是由压缩氮气的膨胀功和运动机构的重力势能转化 来的，此外要消耗摩擦功和油阻损失功。按照一般 经验认为摩擦功和油阻损失功之和约为压缩氮气膨 胀 功和运动机构重力势能之和 的 5 ％。 于是有下面等式 0 ． 9 5 E o - -f ‘ - m y 1 式中E 为压缩氮气膨胀功； m为运动机构 总质 量 ，4 0 0 k g ； g为重力加速度 ，9 ． 8 m ／ s ； h为加速段下降高度 ，估算时取总行程的 1 ／ 3 ， 即 9 5 0 ／ 3 3 1 6 ． 7 m m 是估算的峰值速度 ，4 ． 2 2 m ／ s 。 绝热过程气体膨胀功 酱[ 1_ ] 式中 P 。 为氮气初始气压； 为氮气初始体积，1 ． 2 5 L ； A V 表示氮气体积变化量； k为绝热系数，对氮气 j c 1 ． 4 。 由于气液缸增速 比为 2 5 ，加速段机构下降高度 为 h3 1 6 ． 7 m m，上 活 塞 运 动 行 程 h ． 一1 2 ． 7 m m， AVe - 0 ． 4 L。 将以上各项已知数代入公式 1 ，计算 出氮气 初始 压力 P 7 ． 6 4 M P a 。 5 设备调试 液压系统机构加工完成后 ，安装到快速运动装 图3 快速运动装置实物图 表 1 机构运行参数表 机构位置／ mm 比例阀输入电流／ mA 使 用 该 组 参 数 调 出 机 构 总 运 行 时 间 0 ． 4 5 0 ． 4 6 s ，满足技术指标 。 6结论 快速运动装置达到了设计要求。该设备首次解 决了国内某风洞测热试验 中的一项最关键 的问题 ， 将为航天飞行器的研制发挥出重要作用。 参考文献 [ 1 ]路甬祥． 液压气动技术手册 [ M] ． 北京 机械工业出版 社 ， 2 0 0 2 ． [ 2 ] 岳峰． C D Y 一 2 5 型电液锤参数的计算与分析 [ J ] ． 设计技 术， 2 0 0 6 I 9 1 2 ． [ 3 ]路甬祥． 袖珍液压气动手册 [ M] ． 北京 机械工业 出版 社 ， 2 0 0 5 ． ； 5 2 5 8 1 6 8 m n L L ‘ ．1；1 ∞ ∞ ∞ 如 ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ 3 4 6 6 7 7 8 8 9 9