锻造液压机管道动态特性仿真研究.pdf

2 0 1 1年 5月 第 3 9卷 第 9期 机床与液压 MACHI NE TOeL HYDRAUL I CS M a v 2 01 1 Vo I _ 3 9 No ． 9 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 0 9 ． 0 3 2 锻造液压机管道动态特性仿真研究 姚静 ，孔祥 东 1 ．燕山大学，河北秦皇岛 0 6 6 0 0 4； 2 ．河北省重型机械流体传动及控制 实验 室，河北秦皇岛 0 6 6 0 0 4 摘要锻造液压机液压控制系统高压 、大流量及高低压交变频繁等特点易引发管道冲击振动，这种压力冲击不仅影响 系统的动态特性 ，严重时会引发管道破裂。采用改进型管道集中参数模型，对锻造液压机主泵13管道 、工作缸进油管道和 工作缸排油管道动态特性进行仿真研究 ，得到锻造液压机不同管道动态特性和管长、管径的关系，为锻造液压机液压控制 系统优化提供参考 。 关键词锻造液压机；管道；动态特性；集中参数模型 中图分 类号 T G 3 1 5 ． 4； T P 3 1 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 91 0 53 S t u dy o n Pi pe Dy n a mi c Cha r a c t e r i s t i c s o f Fo r g i ng Hy dr a u l i c Pr e s s Y AO J i n g ，K ONG Xi a n g d o n g 1 ． Y a n s h a n U n i v e r s i t y ，Q i n h u a n g d a o H e b e i 0 6 6 0 0 4，C h i n a ； 2 ． L a b o f F l u i d P o we r T r a n s mi s s i o n a n d C o n t r o l f o r He a v y Ma c h i n e r y o f He b e i P r o v i n c e ． Q i n h u a n g d a o H e b e i 0 6 6 0 0 4 ，C h i n a Ab s t r ac t Th e p i pe i mpa c t i s i n i t i a t e d b y f o r g i ng p r e s s h y dr a u l i c c o nt r o l s y s t e m c ha r a c t e ris t i c s s u c h a s hi g h pr e s s ur e，l a r g e flo w， f r e qu e n t a l t e r n a t i on b e t we e n hi g h p r e s s u r e a n d l o w p r e s s u r e e t c，whi c h a f f e c t s s y s t e m d y na mi c pe rfo r ma n c e a n d l e a ds t o p i pe r up t u r e． The d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s o f t he p r e s s u r e p i p e c o n n e c t i ng ma i n pu mp，t he i n l e t pr e s s ur e pi pe c o nn e c t i n g ma i n c y l i n d e r s a nd t h e o u t l e t p r e s s u r e pi p e c on n e c t i n g ma i n c y l i nd e r s we r e s i mu l a t e d ba s e d o n pi pe c o n c e nt r a t i o n pa r a me t e r mo d e 1 ．The di f f e r e n t pi p e d y n a mi c c ha r a c t e ris t i c s wi t h di f f e r e n t p i pe l e n g t h a nd p i p e di a me t e r we r e g a i n e d，whi c h p r o v i d e d r e f e r e n c e f o r f o r g i n g p r e s s hy d r a u l i c c o nt r o l s y s t e m i mpr o v e men t ． Ke y wo r ds F o r g i n g p r e s s ；Pi p e；Dy n a mi c p e rfo r ma n c e； Co nc e nt r a t i o n pa r a me t e r mo d e l 管 道压 力 冲击 是 管道 瞬 变 流 动 中 的一 种 压 力 波 ，压力波是能量的转换过程 ，是液压 瞬间增加 势能转换成 动 能 的一种 方式 ，其发 生 在 阀 的启 闭瞬 间 ，给液压系统造成很大的液压冲击 。锻造液压机液 压控制系统是泵直传阀控系统 ，高低压交变频繁 ，受 控 阀频繁瞬间启闭 ，特别容易形成液体 瞬变 。与一般 阀控系统 不 同 ，液压 机 液压 控 制系 统 流量 大 、压力 高 ，其系统非常庞大 ，高压管道长而粗 ，易 引发管道 振动 ，严重时可导致管道破裂 。另一方 面 ，对锻造 液 压机整体性能 的要求越来越高 ，管道 的动态 特性对 其 影 响不容忽略 ，所 以说研究锻造液压机 液压 系统管道 的动态特性更具有 实际意 义。 1 锻造液压机主要管道 对 于锻造 液压机 液压控 制系统 ，3种类 型的管 道 易发生振动 冲击 见 图 1 1 液压 源 和控 制 阀之 间的 管 道 简 称 主 泵 口 管 道 ，如 图 中 管 道 1 ； 2 控 制 阀到工作缸 之 间的管道 简称 工作 缸进 油 管道 ，如 图中管道 2、3 ； 3 工作 缸 到油 箱 之 问 的管道 简称 工作缸 排油 管道 ， 如 图 中管道 4、5 。 图 1 液 压机液压系统 中主要管道 收稿 日期 2 0 1 0 0 5 0 4 基金项目国家 自然科 学基金资助项 目 5 0 8 7 5 2 2 9 ；河北 省科技计划项 目 0 9 2 1 3 5 0 3 0 作者简介 姚静 1 9 7 8 ～ ，女 ，博士 ，讲师 ，研究方向为重型机械机电液控 制系统。电话 0 3 3 5 8 0 7 4 6 1 8 ，Em a i l j y a o y s u ．e d u ．c n。 1 0 6 机床与液压 第 3 9卷 下面分别对 3 种类 型的管道就不 同管径 、不 同长 度进行仿真研究 ，掌握其规律 ，为优化液压 系统 ，减 2 改进型管道集 中参数模型的建立 作者选用改进形管道集中参数模型[ 3 ] ，其不仅修 正 了传统集 中参数模型的不对称缺陷 ，而且还考虑 了 频率相关摩擦。实验和仿真结果表明用改进型管道 集 中参数模型分析管道 的时域特性 ，其结果与特征线 结果十分相似 ，而且便于实现⋯。 刊目 量 妻 鳘 篓； 竺 卜 广 型 是 把 管 道 划 分 为 若 _ L ， 干 段后， 每一段都包 工 中 、 图 2 改 进 型 管 道 集 中 参 数 竺 空 圈 。 曩 晏 的情 况类 似 于 电路 中 ⋯⋯⋯⋯⋯ ⋯一 感 、液阻等效 为 电路 中 的 电容 C 、电感 L 、电 阻 R， P c J0 d f 1 p 2 P RR q 3 由以上各式可列出图示模 型的微分方程如 下 P- R - - q l 一旦 2 d t 一 c -『 q - 训 q 2 f 4 l 一一一 - 一 小⋯ q 吉 』 g 一 q m Lp z q J 【 g I q m G1 1 S 2 2 S ． 1I 『L p2】 ㈥ G s G ㈤ G z s 一 G z s 丽 ￡ 1 _ n ， u J T u n J T ．r ， L ．4 p l 8 c r d l 9 液容与流体的体积弹性模量 有关 ，而体积 弹性模 量又是压力的 函数 ，受压 力波动的影 响 ，即 0 ． 5 2 10 lo g ,o 液阻 尺不仅 考虑 了稳定 层流 摩擦 损失 ，而且 考 虑了频率相关摩擦 损失。采用 T r i k h a 频率相关摩擦近 似模 型 ，其计算方法如下 R 砉 其 中 s 式 中 1／ 为流体 运动黏度 ； m 、n 取值见文献 [ 5 ] 。 3管道动态特性仿真研究 3 ． 1 主 泵 口管道 主泵 口管道 的压力 冲击 主要发 生在压 机 回程 前 、 主缸进液 阀瞬间关 闭时。此 时 ，由于进液 阀前压力突 然升高，导致主泵口管道内出现压力波的传递。主泵 口管道 内可能 出现直接压力 冲击和间接压力冲击 ，这 主要和管长z 、第一波从产生到结束的时间t 、波的传 递速度 n 、阀的关闭时 间 r 有关 。如果 丁 p 2 l ／ a ，则 称 为直接压 力冲击 。反之 ，称 为问接压力 冲击 。即进 液 阀关 闭时产 生的 、经 管道 人 口反 射 回来 的压力 降 低波与 进液 阀关 闭时 产 生 的压 力 升 高波 部 分 抵 消 ， 间接压 力冲击 波造成 的压 力 升高 值小 ，对管 道 冲击 小 。 运用动量定理 ，直接压力冲击管中的最大压力升 高值为 卸p a 0 a v 0 1 0 其 a √ 即／ p 式 中a 为动量修正 系数 ； v 为起始流速 。 间接压力 冲击的最大压力升高值为 △ p p a o a 1 o T ／ t 1 1 其 中 T2 l ／ a。 根据式 1 0 、 1 1 ，可以估算管道压力冲击中 的压力峰值 ，为管道 的安全设计提供理论指导 。由于 压力峰值计算涉及到一些软参量 ，其估算值只能作为 参考 ，要想准确描述 ，可 以利用管道 时域模型 ，和系 统连接 ，通过 仿真来 描述 系统的压 力冲击 。以 2 2 MN 快锻液压机液压控制系统参数作为仿真参数，基于管 道数学模 型 ，在主缸 进液阀关闭瞬间 ，针对不 同的管 道长度对主泵 口管道的压力进行仿真 ，仿 真结果 如图 3所示。可知 ，对同一 种通径 的管道 ，管 道越长 ，压 力波波动频率越低 ；管道长度相同时，管径越大 ，压 力波动幅值越大 。 第 9期 姚静 等 锻造液压机 管道动态特性仿真研究 1 0 7 35 30 目 2 5 童2 0 1 5 1 0 5 0 35 30 目 2 5 皇2 0 1 5 1 0 5 0 f | s t ／ s a 1 管道长度不同 b 管径不 同 图 3主泵 【 _] 管道压力仿真 曲线 3 ． 2工作缸进 油管道 工作缸进油管道 的压力 冲击发生在压机压 下和 回 程时 ，即工作缸进液 阀开启 瞬问。常锻 时 ，工 作缸进 液 阀开启时 为低 压供 液 ，建压 有 一定 时 间 ，冲击 不 大。工作缸 压 力 冲击 主要 发生 在 半 自动 、快 锻 过 程 中 ，液压油 源始终保持一 定压力 ，导致工作缸进液 阀 打开时 ，大量高压 油瞬时涌入管道 ，造成压力 冲击 。 图 4是其他 参 数 相 同 、工作 缸 进 液 阀 阶跃 输 入 下 ，对不同长度 不同通径的管道进行 的工作缸压力变 化 曲线的动态仿真 。从图 a 可 知 ，工作 缸进 液 阀 打开时，存在着压力冲击 ，管道越 长，波动幅度越 小 ，稳定周 期越短 ，但 系统响应变慢 ，压降越大 。这 主要是 由于管道变长时 ，管道容腔 的增加和液 容的增 大导致压力飞升速度降低 ，压力变化平缓 ，又 因为液 感 的增大 ，导敛流量飞升速率慢 ，惯性 阻尼变大 ，系 统越 不易发 生振动 ，还有 液阻的增大 ，会 导致压降的 增大。从 图 b 可知 ，管径 越 大 ，波 动 幅度 越 大 ， 稳定周期越 长 ，系统响应 越慢。 由 反馈管道 的容腔 体积与 内径的平方成正 比，容腔随 内径 的增加 而急剧 增加，从而降低了负载反馈管道内的压力飞升速率 ， 进而导致系统响应速度变慢 ，同时液感 的减小 ，导致 惯性阻尼变小 ，系统越易振动 ，稳定周期变长 。那 么 是否 内径越小越好 呢答案显然是 否定 的。当内径过 小 时 ，液感过大 ，同样会 降低 负载信号 的传 递速度 。 t 1 日 l 宣 t ／ s r a 管 道 长度 不 同 I 1 日 1 舂 图 4 压力 冲击时管 道压 力变化曲线 3 ． 3工作缸排油管道 工作 缸排油管道的压力冲击主要发生在主工作缸 卸荷瞬间和 【 口] 程缸快速排液下行时 ，高压大流量液体 要瞬间从阀 口卸荷 ，不仅给管道带来 冲击 ，还会使 阀 体产生剧烈振动。图 5给 出了不 同管道长度 和不 同管 径下 ，工作缸排液 阀在 给定斜 坡信号下 ，工作缸的压 力变化曲线 。可以看出 ，管道 越短 、管径越大 ，压力 波动越小 ，冲击越小 。这也和液容 、液感 、液 阻 、体 积的变 化有关系 ，这个过程和工作缸进液过程 不同的 是 ，压力流量 的变化率 为负值 ，所 以压力变化和工作 缸进液恰恰相 反。 22 2O 18 16 ∞ l 4 皇 1 2 1 0 8 6 4 2 22 20 18 l 6 l 4 皇 l 0 8 6 4 2 t ／ s a 管 道 长度 不 同 t l s b 管 径 不同 图 5 卸压 时管道压力变化 曲线 4结论 基于改进形管道集 中参数数学模型，以 2 2 MN 快锻 液压机液压控制系统参数作为仿 真参数 ，对 管道 动态特性进行仿真，结果如下 1 对 于主 泵 口管道 和 主缸进 油 管 道 ，管 道越 长 ，振 动频 率越低 ，管径越大 ，振动幅度越大 ；而对 于主缸排 液管 道 ，管 道 越短 管 径越 大 ，压力 波 动越 小 ，冲击越 小 。 2 工作缸进 液 管 道越 长 ，波 动 幅度越 小 ，稳 定周期越短 ；管径越大 ，波动 幅度越 大 ，稳定 周期 越 长 ，系统响应越慢 。 参考文献 【 1 】王学芳， 叶宏开， 汤荣铭． 工业管道中的水锤[ M] ． 北京 科学 出版社 ， 1 9 9 5 1 8 ． 【 2 】李军， 陈明， 赵怀军． 液压脉冲系统的压力瞬态脉动仿真 研究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 7 ， 3 5 1 1 2 21 2 4 ． 【 3 】孔晓武． 带长管道的负载敏感系统研究[ D ] ． 杭州 浙江 大学 ， 2 0 0 3 4 1 4 9 ． 【 4 】K O N G X i a o w u ， Q i U Mi n x i u ． A S t u d y o f t h e I n fl u e n c e s o f P i p e o n V a l v e C o n t r o l H y d r a u l i c S y s t e m[ C ] ／ ／ P r o c e e d i n g s o f t h e Fi fth I n t e r na t i o na l Co n f e r e n c e O i l Fl ui d Po we r Tr a ns mi s s i o n a n d C o n t r o l ， Ha n g z h o u Z h e j i a n g Un i v e r s i t y P r e s s ， 2 0 01 2 32 7． 【 5 】阮晓芳 ， 孔晓武． 电液系统仿真中管道模型的选取 [ J ] ． 液压气动与密封 ， 2 0 0 6 4 5 9 6 1 ．