管路阻力在液压回路中的应用.pdf

液 压 气 动 与 密 1 “ ／2 0 1 5年 第 0 3期 d o i l O ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 8 0 8 1 3 ． 2 0 1 5 ． 0 3 ． 0 1 1 管路 阻力在液压 回路 中的应用 李 强 ， 陈晓峰 ， 商 融 1 ． 鞍钢汽车钢营销 服务 中心 ， 辽宁 鞍山1 1 4 0 2 1 ；2 ． 鞍钢股份有限公司 冷轧厂 ， 辽宁 鞍山1 1 4 0 2 1 摘要 通过在液压回路中应用管路阻力特性， 不但减少了液压元件的使用 ， 简化了液压回路操作控制， 而且可靠的实现了回路液压 缸的顺序动作。 关键词 液压回路 ； 管路液阻； 速度控制 中图分类号 T HI 3 7 文献标志码 A 文章编 号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 o 1 5 0 3 0 0 4 0 0 3 Ap p l i c a t i o n O 1 3 Pi pe l i ne Re s i s t a nc e o f t he Hy d r a u l i c Ci r c u i t L I Q i a n g 。， C H E N X i a o -f e n g 2 , S H A NG R o n g 2 1 ． A n s h a n I r o n a n d S t e e l f o r A u t o m o b i l e Ma r k e t i n g S e r v i c e C e n t e r ， A n s h a n 1 1 4 0 2 1 ， C h i n a ； 2 ． An g a n g S t e e l C o m p a n y L i m i t e d C o l d S t r i p W0 r k s l ， A n s h a n l 1 4 0 2 1 ， C h i n a Abs r a c t T h r o u g h t h e a p p l i c a t i o n o f p i p e r e s i s t a n c e c h a r a c t e ri s t i c s i n t h e h y d r a u l i c c i r c u i t ， n o t o n l y r e d u c e s t h e u s e o f h y dr a u l i c c o mp o - n e n t s ， s i mp l i fie d h y dr a u l i c c i r c u i t c o n t r o l o p e r a t i o n ， a n d r e l i a b l e i mp l e me n tat i o n o f t h e s e q u e n t i a l c i r c u i t s o f h y d r a u l i c c y l i n d e r ． Ke y wo r d s h y dra u l i c c i r c u i t ； p i p e r e s i s t a n c e ； s p e e d c o n tr o l O 前言 液压元件与系统 中存在着各种液阻 ， 其 阻力大小 采用 改变液阻元件 的通流截 面和调整 阻力 长度来控 收稿 日期 2 0 1 4 0 9 0 4 作者简介 李强 1 9 7 0一 ， 男 ， 辽宁海城人 ， 工程师 ， 学士 ， 研究方 向为冶 金机 械。 - - - - 一 - 一 - - - - - 一 - - - - - - - 一 制 ； 液阻的本质功能有两个方面 ， 一方面为改变局部液 流 的通流面积使液流产生压力损失的阻力特性 ， 另一 方面通过压力差 ， 分配调节流量 的控制特性 ， 在液压各 种元件中常见的液阻结构有薄壁 4 4L 、 短孔 、 细长孔 、 缝隙等 。而在液压 回路顺序控制 中， 大多采用液压 阀 及电气元件控制， 但在小型系统中使用 ， 会造成系统元 从图1 O 可知， 在第 l s 施加控制信号后 ， 系统滞后 0 ． 2 s ， 然后 以与输入信号相同的斜度缓慢变化。输 出与 输入之间相差 2 ， 在每一时刻系统的输 出都存在较大误 差 。从 图 1 1 可 以看出， 施加 P I D后 ， 系统的响应时间缩 短至 0 ． 0 5 s ； 而且在每时刻输入与输出相差很小 ， 大约只 有 0 ． 5 。因此 ， 系统在施加控制策 略后 ， 响应速度加快 ， 稳态误差减小 ， 大大提高了系统 的静态特性 。 5 小结 利用所得 实验数据并进行数据预处理 ， 运用基于 最4 “ -乘法的 A R MA X模型对系统进行过程辨识 ， 获得 了系统模型 ； 结合 Ma t l a b 、 s i m u l i n k 软件对 系统施加控 制策略进行了仿真分析 ， 加人P I D 控制之后泵控马达 系统的性能得到很大提高， 快速性和稳定性相对校正 前也明显变好 ， 大大减小了稳态误差 ， 提高了系统精 度 ； 说 明电液 比例泵控马达速度控制 系统采用积分分 离P I D 控制可以使系统的性能满足要求。 参考文献 [ 1 】 钟小鹏 ， 杨湘． MA T L AB在动态数据建模中的应用『 J 1 ． 电脑 开发与应用， 2 0 0 1 ， 1 4 1 O ． 4 0 [ 2 】 梁利华． 液压传动与电液伺服系统【 M】 ． 哈尔滨 哈尔滨工程 大学 出版社 ， 2 0 0 5 1 3 8 2 0 8 ． [ 3 】 王春行． 液压控制系统【 M] ． 北京 机械工业出版社， 1 9 9 9 ． [ 4 】 王积伟， 吴振顺控制工程基础[ M] E 京 高等教育出版社， 2 0 0 1 ． [ 5 】 G e v e r s M． I d e n t i fi e a t i o n f o r C o n t r o l 【 J ] ． A n n u a l R e v i e w s i n C o n t r o l ， 1 9 9 6 ， 2 0 I 9 5 1 0 6 ． [ 6 】 夏天长【 美国】 ． 系统辨识一最小二乘法【 M】 ． 熊光楞， 李芳芸 ， 译． 北京 清华大学出版社， 1 9 8 3 ． 【 7 ] Wa n g D Q ， D i n g F ． I n p u t o u t p u t D a t a F i l t e ri n g B a s e d R e c u r s i v e L e a s t S q u a r e s P a r a m e t e r E s t i ma t i o n for S y s t e m s[ J ] ． D i g i - t a l S i n g a l P r o c e s s i n g ， 2 0 1 0 ， 2 0 4 9 9 1 9 9 9 ． [ 8 】 徐昕， 李涛， 伯晓晨． Ma t l a b 工具箱应用指南 一控制工程篇 [ M】 ． 北京 电子工业 出版社 ， 2 0 0 0 ． [ 9 】 于刚． 伺服阀控液压马达系统的辨识与控制研究【 D 】 ． 山东 山东大学 ， 2 0 0 7 ． [ 1 0 】姚巍． 自行车机器人系统辨识及Ma t l a b 仿真【 D 】 ． 北京 北京 邮电大学， 2 0 0 8 ． [ 1 1 ]李言俊 ， 张科． 系统辨识理论及应用【 M】 ． 北京 国防工业出 版社 ， 2 0 0 3 ． 【 1 2 ]王娜伟． 1 3 7 0冷轧机厚控系统辨识与 自校正控制研究【 D 】 ． 秦皇岛 燕山大学 ， 2 0 0 5 ． Hy dr a u l i c s Pne uma t i c s Se a l s ／ No． 0 3． 201 5 件多、 故障率高、 操作繁琐， 本文 旨在介绍通过在液压 回路中使用管路阻力特性 ， 实现两个液压缸顺序动作。 1 设备概况与改进 1 ． 1设备概况 鞍钢冷轧厂连退机组带钢焊接采用杯 突机进行球 突法检查焊缝质量 ， 焊机杯 突机采用液压系统控制 ， 由 液压泵站 、 手动换 向阀、 焊缝压 紧液压缸和焊缝杯突液 压缸组成 。焊缝杯 突过程压 紧缸先将 焊缝压 紧 ， 压 紧 缸压紧后杯 突缸再进行 焊缝杯 突 ， 整个过程需要液压 回路实现顺序控制。原液压系统回路控制操作两个 D N 6 手 动换 向阀实现压紧缸和杯突缸 的操作顺序 ， 易 出现故 障， 影响焊缝检查甚至机组运行 。 原杯 突机液压系统原理图见图 l 所示 。由液压泵 1 、 换向阀2 、 换向阀3 、 压紧缸 4 、 杯突缸 5 、 胶管等组成。 1 ． 2 改进措施 对 回路进行 改进 ； 回路压紧缸压紧运动速度约为 4 ． 6 c m ／ s ， 杯突缸运动速度约为 4 ． 3 c m ／ s ， 将管路阻力特性 应用 到杯 突 机 回路 中 ， 使 压 紧缸 与杯 突缸采 用 一个 D N 6 手动换 向阀控 制 ， 设计 压紧缸和杯突缸管路长度 差达到阻力不 同 ， 从而实现两个液压缸 的运行速度控 制 ； 改进后的系统原理 图如图2 所示 。 图 1原 杯突机液压 图 图 2 改进后杯 突机液压 图 1 由压紧缸 、 杯 突缸运动速度要求 、 以及压紧缸 有杆腔管路 o a 和杯 突缸管路 o b 直径 6 mm， 根据流量连 续性方程得 t ， 缸xA活 塞 A油 管t ， 油 液 1 压 紧缸有杆腔管 路 o a 内油液流速 为 4 ． 3 m／ s ， 同理 得杯突缸管路 o b 内油液流速为7 ． 6 m ／ s ； 2 根据液压系统伯努利方程， 对管路o a 和管路o b 计算 P l 等 等 2 式中 P 人口侧压力 b a r ； P ， 出口侧压力 b a r ； t ， 人 口侧平均流速 m ／ s ； ， 出口侧平均流速 m， s ； h h ， 断面垂直高度 m ； h 平均能量损失 b a r ； P油液密度 k g ／ m ； g重力加速度 m／ s ； 动能修正系数 ； 由于管路中 t ， ， h h ， 则有 △ p p - p h ， 而沿程阻力损失 h 大小与流动类型有关， 需通过雷诺 数判断流动类型 ， 雷诺数公式为 3 式 中 雷诺数 ； 油液平均流速 m ／ s ； d管径 m ； 流体 的运动粘性系数 m 2 ／ s ； 计算管路 o a 雷诺数为 5 6 1 和管路 o b 雷诺数为 9 9 1 ， 流动类型均为层流 ， 取沿程阻力损失系数 A 代人 A 喜 中， 以 。 段 管 路 为 例， 式中 管 路 长 度z 取 值 l m， o a 管路的沿程阻力损失为 8 塑 -1 ． 8 9 b a r 根据 管 路 o n 与 管路 o b在 管路 交 点 。 处 P 。 压 力 相 同 P 。 p 压 紧 缸 A p 。 p 杯 突 缸A p 0 b 4 由两个液压缸外负载作用力及管路o a 的压力损失 卸 ， 计算出0 b 的压力损失 曲 及0 b 段管路长度， 考虑 到回路液压缸动作速度允许的偏差 ， 0 b 段管路长度 Z 设计 为 1 ． 3 m。 3 控制回路实际使用中， 压紧缸与杯突缸能够同 时动作 ， 在两个 回路的管路阻力特性作用下 ， 可靠地实 现 了压 紧缸先将焊缝压紧 ， 杯突缸再 进行 焊缝杯 突的 功能 ， 回路改进 的效果 ， 达到了预期的 目标 。 2 结论 在小 型液压 系统 中采用管路阻力特性 ， 通过设 定 管路阻力不 同， 实现了两个液压缸 的顺 序控制 ， 不但减 少了液压系统控制元件， 而且方便、 可靠地实现了回路 的控制功能。 参考文献 [ 1 】1 于萍．工程流体力学【 M] ． 北京 科学出版社 ， 2 0 1 3 ． 【 2 】 胡燕平． 桥液阻网络理论与 桥溢流阀性能研究[ J ] ． 机械工 程学报 ， 1 9 9 9 ． 4 1 液 压 气 动 与 密 - ／2 m 5 x F ． 3 0 3期 d o i l O ． 3 9 6 9 。 i s s n ． 1 0 0 8 0 8 1 3 ． 2 0 1 5 ． 0 3 ． 0 1 2 气动机械手 F L U l D S I M仿真设计及动作顺序控制 陈 明， 谢志波 丽水职业技术学院 ， 浙江 丽水 3 2 3 0 0 0 摘 要 设计了一种气压驱动式的多自由机械手， 该机械手具有旋转、 升降、 伸缩以及松夹四个自由度， 针对自由度的运动工作过程 ， 借 助F L U I D S I M软件对其回路进行仿真设计 ， 同时通过编写P L C梯形图方式实现对四自由度动作的顺序化控制。文中详细介绍了机械 手各自由度的工作过程、 气压回路F L U I D S I M仿真过程以及P L C动作顺序控制过程， 仿真结果验证了所设计回路的正确性， 控制过程 揭示了控制方法的有效性。 关键词 气压驱动； 机械手； 自由度； F L U I D S I M仿真 中图分类号 T H1 3 8 文献标 志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 5 0 3 0 0 4 2 0 4 M o v e me n t Se q u e nc e Co n t r o l a n d FLUI DSI M S i mu l a t i o n De s i g n f o r P n e uma t i c M a ni pu l a t o r C HEN M i n g , XI E Z h i b o L i s h u i Vo c a t i o n a l T e c h n i c a l C o l l e g e 。 L i s h u i 3 2 3 0 0 0 ． C h i n a Ab s t r a c t A p n e u ma t i c ma n i p u l a t o r i s d e s i g n e d ， i t h a v e s o me fr e e d o m s i n c l u d i n g r o t a t i o n、 l i f t i n g、 e x p a n s i o n a n d l o o s e c l a mp i n g ， a i m i n g a t t h e m o v e me n t p r o c e s s ， l o o p i s d e s i gn e d u s i n g F LUI DS I M s o ft wa r e ， a t t h e s a me t i me ， a c t i o n s e q u e n c e c o n t r o l i s fin i s h e d b y P LC l a d d e r d i a g r a m ． T h e p a p e r i n t r o d u c e s wo r k i n g p r o c e s s o f ma n i p u l a t o r 、 F L UI DS I M s i mu l a t i o n p r o c e s s a n d mo v e me n t p r o c e s s ， s i mu l a t i o n r e s u l t s v e r i f y t h e c o r r e c t n e s s o f l o o p ， c o n tro l p r o c e s s s h o ws t h e e ff e c t i v e n e s s o f me t h o d ． Ke y wo r d s p n e u ma t i c； ma n i p u l a t o r ；fre e d o m ；F L UI DS I M s i mu l a t i o n O 引言 气动机械手一般 由机械结 构 、 动力部分 液压 、 气 压 、 电机 、 控制元件以及传感检测装置 四部份组成u ， 它可模仿人 的手形完成多 自由度 的运动工作 ， 最终达 到机器换人的 目的。机械手根据人为设定的程序要求 完成一定的机械运动 ， 它可替代人工作业 ， 具有工作时 间长、 定位精度好、 工作效率高、 清洁无污染等方面的 特点 。本文所介绍是一种具有旋转、 升降、 伸缩以及 松夹 四 自由的气压驱动式 工业机械手 ， 该机械手可以 根据人为编写 的 P L C梯形 图完成指定 的运动轨迹 ， 具 有控制过程随机性与可视 化的优点 ， 动力部份采用气 压驱动 ， 回路设计过程则借助F L U I D S I M仿真软件来 完成。 1 机械手 自由度定义 机构所具有的独立运动方式称之为机构的自由度 1 ， 收稿 日期 2 0 1 4 1 0 3 1 作者简介 陈明 1 9 5 9 一 ， 男 ， 浙江新昌人， 工程师， 本科， 现从事机电液气 一 体化领域的科学研究。 ● 一- 一 - ● 一- - - - - - 自由度是机械手设计的关键参数 。图 1 所示为气压驱 动式工业机械手的结构 ， 它分别具有旋转 、 升降 、 伸缩 、 松夹4 个 自由度 ， 旋转功能通过齿轮齿条机构实现 ， 升 降与伸缩功能则通过气压缸纵向／ 横 向运动实现 ， 松夹 功能通过齿条与不完全齿轮配合运动实现 。 图 1机械手结构示意 图 2气动回路F L U I D S I M仿真设计 F L U I D S I M软件是 由F E S T O公 司专 门针对 液气 压 设计而开发 ， 具有 回路设计 与仿真验证功能 ， 能够快速 设计出液气压回路并对所设计 的回路进行模拟仿真以 便及时发现设计过程中所存在的显性或隐性问题 ， 便 [ 3 ] 罗惕乾． 流体力学[ M] 一E 京 机械工业出版社 ， 2 0 1 2 ． I 4 ] 巴克 w． 液 压 阻力 回路 系统学 【 M] ． 北 京 机 械工业 出版社 ， 1 98 0 【 5 ] 章宏甲． 液压与气压传动【 M1 ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 4 ． 4 2 [ 6 】 成大先． 机械设计手册 液压传动单行本 【 M] ． 北京 化学工业 出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 7 】 机械设计编委会． 机械设计手册 第 4 卷 【 M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 4 ．