基于Simulink的玻璃粉末压机液压缸设计分析.pdf

液 压 气动 与 密 封 ／ 2 0 1 2年 第 4期 基于 S i mu l i n k的玻璃粉末压机液压缸设计分析 徐健 丰 杭州职业技术学院 ， 浙江 杭州3 1 0 0 1 8 摘要 在玻璃粉末压机液压控制系设计时 ， 为实现液压缸结构及工作参数的合理配置 ， 使液压缸的工作性能达到系统的要求 ． 该文采 用 Ma t l a b软件中的 S i m u l i n k 模 块对液压缸的速度平稳性和位移线性度进行仿真分析 ， 从 而确定合 理的结构及工作参数 ， 提高液压缸 设计的精度和可靠性 。 关键词 压机 ； 液压 ； 分析 ； 设计 中图分类号 T H1 3 7 ． 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 2 0 4 0 0 3 0 0 4 S i mu h n k ba s e d De s i g n a n d An a l y s i s f o r Hyd r a u h c Cy hn d e r o f Gl a s s Po wd e r P r e s s XU 帆 n g H a n g z h o u V o c a t i o n a l T e c h n o l o g y C o l l e g e ， H a n g z h o u 3 1 0 0 1 8 ， C h i n a Ab s t r a c t T o a c h i e v e t h e r a t i o n a l l y a l l o c a t e d s t r u c t u r e a n d o p e r a t i n g p a r a me t e r s f o r h y d r a u l i c c y l i n d e r i n t h e d e s i g n o f h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m o f g l a s s p o w d e r p r e s s ， t h e s p e e d s t a b i l i t y a n d d i s p l a c e me n t l i n e a r i t y i s s i mu l a t e d i n t h i s p a p e r wi t h Ma t l a b ／ S i mu l i n k t o me e t t h e r e q u i r e me n t s o f t h e s y s t e m． ． I n t h i s w a y ， t h e b e s t s t ruc t u r e a n d wo r k i n g p a r a me t e r s w i l l b e f o u n d a n d t h e a c c u r a c y a n d r e l i a b i l i t y o f t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r w i l l b e i mp r o v e d ． Ke y wo r d s p r e s s ； h y d r a u l i c ； a n a l y s i s ； d e s i g n O 引言 电连接器广泛应用于航空 、 航天 、 国防等军用系统 收稿 日期 2 0 1 2 作者简介 徐健丰 1 9 7 8 一 ， 男 ， 浙 江杭州人 ， 讲师 ， 工学硕士 ， 现从事机械 制造及 自动化技术等方 向的研究 。 中， 气源输 出压力不断增大 ， 气缸 内压力输出的稳定值 基本一致 ， 只是在上升过程 中， 超调量不断增大 ， 但调 节时间都比较短 ， 响应灵敏。 从上述仿真结果显示 ， 可以得 出， 系统响应快 ， 压 力输出稳定 ， 能够实现快速充气 ， 而且随着输入信号的 增大 ， 气缸内压力稳定增大 从图 7可以看出， P I D的参 数性能良好 ， 系统上升时间短 ， 超调量小 ， 几乎无振荡。 在仿真过程 中， 在气缸连接活塞杆 的一端 ， 施加有突变 信号， 模拟打磨过程 中的冲击力 ， 仿真结果显示 ， P I D调 节对于突变信号 ， 调节能力很强。 4总 结 1 设计 了打磨试验台气动系统 的气动 回路和 电 气控制 ， 实现对气缸正压的闭环控制。 2 利用 AME S I M软件 ， 对气动系统进行建模 ， 仿 真结果显示 ， 系统响应迅速 ， 性能 良好。 f l 中， 是重要配套接 口元件 ， 是从系统 、 分系统 、 机柜到每 个可更换独立单元的插座 ，任何一个 电连接器失效都 将导致航天系统工程的失败 ， 因此 ， 电连接器必须具备 高质量和高可靠性 ，电连接器玻璃坯应达到一定的精 度 ， 且密度分布均匀。 在进行航空电连接器玻璃粉末压机设计时 ．为保 3 试验 台采用气动系统能够很好 的完成打磨压 力的输出控制 ， 满足设计要求。 参 考 文 献 [ 1 】 胡增 荣． 钢轨 打磨 列车 在高 铁上 的 应用 l J 1 ． 科技 经 济市 场， 2 0 1 0 8 ． 【 2 J 高彦芳． 钢轨打磨试验台的设计研究I J 1． 铁道标准设计 ， 2 0 0 0 2 ． [ 3 】 S M C公 司． 现 代实 用气 动技术 [ M】 ． 北 京 机 械工 业 出版社 ， 20 0 9． [ 4 】 崔 维群 ， 孙启 法． S 7 3 0 0 ／ 4 0 0可 编程控 制器 原理与 应用[ M 】 ． 北京 北京航空航天大学出版社 ． 2 0 0 9 ． [ 5 】 付永舰， 等． L MS I m a g i n e ． L a b A ME S i m系 统建模和仿 真 实例教程[ M】 ． 北京 北京航空航天大学 出版社 ， 2 0 1 1 ． [ 6 】 李平 飞 ， 刘文苹． 基于 A ME S i m 的汽车制动 主缸气密性检测 系统仿真研究[ J ] ． 液压与气动， 2 0 1 0 2 ． [ 7 】 杨 建辉， 等 ． 基于 A ME S i m 的气门开启 机构动态特性研 究『 J 1 ． 液压气动与密封 ， 2 0 1 1 5 ． Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 4 ． 2 0 1 2 证所生产的玻璃坯具有高可靠性和高精度 ，必须对压 机 的液压控制系统进行精确设计 ， 液压系统原理如 图 l 所示 ．采用工作液压缸和加料液压缸来实现压机的合 型腔 、 自动加料、 合模、 开模和顶出制品等工作进程 。 所 压 制 的 玻 璃 坯 尺 寸 如 图 2所 示 ，外 径 D 3 5 m m。 高 H 5 mm， 内径 d 1 ． 8 m m 5 5个 。玻璃粉末 压机压制时玻璃粉的密度要求尽可能均匀 ，玻璃坯各 孑 L 位置精度要求 为 0 ． 0 2 m m， 大 圆、 内孑 L 的 圆柱度要 求为 0 ． 0 1 m mt ” 。由于玻璃坯 的特殊精度要求 ， 液压缸运 动必须平稳 ， 否则玻璃玻璃坯各孔 的位置度 、 圆柱度等 都达不到要求 ， 因此 ， 液压控制 系统在设计 时 ， 必须保 证液压缸运动速度 的平稳性以及较好 的位移线性度。 1 一 网式 滤油器2 一 叶片泵3 一 单 向阀4 一 溢流 阀5 一 远程 调压阀 6 一 三位四通电磁阀7 一 二位二通电磁阀8 一 调速 阀9 一 被压 阀 1 0 一 三位 四通电磁阀 l 1 一 二位二通电磁阀 l 2 一 节流 阀 1 3 一 压力继电器1 4 一 工作液压缸 1 5 一 三位 四通 电磁 阀 1 6 一 压力继电器1 7 一 送料液压缸 1 8 一 油箱 图 l 液压系统原理图 ／ 。 一’ ＼ ／厂 ‘ ， 2 2 |。 一 ＼ ／O o O l 1 ／o o ‘ ‘ ● ／ ⋯ ＼t 一 ． 二r， ， ／f o ， ’ ， 言 o＼ o l O O O ／ 、 0 ＼ o o‘ ， l ’ O o／ 、D D o I Q／ 7 1 ／ ～。 3 5 I ． 7 5 图 2 玻璃坯结构 图 为了实现液压缸的最佳设计 ，精确分析液压缸的 工作情况 ，本文利用 Ma t l a b中的 S i m u l i n k模块对液压 系统的主液压缸 I进行仿真分析 。通过对仿真结果 的 分析 ， 可得出各参数值变化对系统和元件性能的影响 ， 进一步了解设计的液压缸的工作情况。 1 液压缸仿真建模 液压缸 I的数学模型主要包括两腔的流量连续方 程和活塞运动方程 力平衡方程 。液压缸的进油瞬态 流程方程为[ 3 1 Q 1 Q , 1 k P l - p k C 。 1 式中，理论流量 Q J s ， 为活塞的运动速度 ； 5 为进 油 口有效面积。 液压缸的出油瞬态流程方程为【 1 Q Q t2 k p 。 - p k C 2 式 中，理论流量 Q ． s ， 为活塞的运动速度 ； Js 为出 油口有效面积。 液压缸输入腔液容 c 竽 3 液压缸输出腔液容 Vo z S广 , 1 - x 4 式中K工作油液体积弹性增量 ．s ． 、 ．s 活塞两腔内面积 ； 活塞在进油腔 内位置 Z 活塞 的最大工作行程 ； 。 、 ∞ 活塞初始位置液压缸两腔内容积。 对于液压 缸两腔 吸油 腔和排油腔 的工作容积 应 当计算 腔及与其相连 的进 由管和 出油 管容积 。液 压缸在不 考虑干摩擦力 和弹簧 回复力 时的力平衡方 程为 ， 孔 _ 6 p 1 - p 2 s 5 d t 一 J ‘ 式中砰一作用活塞上的外干扰力 ； m 折算到活塞上的质量 6 活塞以及负载等不见 的黏性摩擦系数 。 考 虑 到 ， 詈 ，a p -- p - p ， 并 设 L m 和 Rp ， 则力平衡方程可表示为 5 ￡ R Q , A p o a p 6 31 液 压 气 动 与 密 封 ， 2 0 l 2年 第 4期 缸 的力量连续方程借助于 z v - 1 o a p l_ 可表示 为 Q I Q c d p l 7 Q 2 Q z v △ P c d p 2 8 在忽略摩擦和外泄漏等因素时 ，如考虑液压缸两 腔的工作压力程对称变化 p 。 - p 和缸流量相等 Q 。 Q Q 的情况 ， 液容 C 。 、 C 可视为常数 ， 并按活塞行程 ． Vo l s l 1 z 时计算 ，则 C 1 C C ， 初始位置取中 位 ， 系统内部泄漏呈线性关系 Q z v △ _p ， 液压缸流量方 程可修改为 Q 1 Q Q z v p c d p l 9 Q z Q Q 。 z v 。 叩 一 c d p 2 1 0 进行拉氏变换的 Q v s Q 。 C 互 P 。 s z v p 2 s 1 1 Q s Q 一 互 p s p 。 s 1 2 将二式整理得 p l 1 3 s 互 1 互 将力平衡方程进行变换得 m s b V s V z s s [ p 1 s - p 2 s ] 1 4 又 2 1 2 - 2 式 ， 并进行拉氏变换 ， 得干扰传递 函数 的标准形式为 器 一 } 其中 K 丽 1 Z b s 十 np 2 争 c 奇 2 KF Z -- s z- 茜 液压缸仿真结构如图 3 所示。 32 图 3液 压 缸 仿 真结 构 图 2 液压缸仿真分析 液压缸的主控信号传递 函数写成 由比例环节 、 二 阶振荡环节和积分环节组成的标准形式如下【 5 】 F x Q s _ 1 1 6 l 2 a s s 由上式可知液压缸的主控传递 函数也可表示为 器 K M 17 如考虑液压缸的外负载 0， 在给定参数 测试数 据 下， 上式有以下形式 Q s 一 s 一 1 5 0 Q s 1 ． 2 e 一4 s 2 0 ．O1 s 1 1 8 该液压缸按照传递函数建立的仿真模块图如下图 4所 示 。 阶跃 图 4 仿真模块图 设 输人为阶跃信号 ， 如图 5所示 ， 在输人流量呈 阶跃变化的条件下 ， 如 图 6所示 设 t O ， Q 0 ． 0 1 5 m 3 ／ s ， t O ． 1 5 s ， Q O ． O 0 5 m ／ s ，观察液压缸活塞输 出位移 和 输出速度 V的时域响应曲线。 图 5 外界输入负载 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 4 ． 2 01 2 00 1 5 o o 1 00 05 图 6 输 人流量曲线 在 MA T L AB S i m u l i n k程序下 ，从 S c o p e模块中观 察到的时域 响应仿真 曲线如图 7和图 8 所示 图中横 座标均为时间 f ， 单位为 s ； 纵座标分别为速度和位移 ， 单位分别为 m ／ s 和 m 。 j j j j j i i i i i 三 硝 I二 I Il I／日i i i 图 7液 压 缸 速 度 与 时 I司的 关 系 从 图 7可 以看 出 ，液 压缸 的流速 在 0 ． 3 s的波 动后 趋向于平稳 ， 活塞可实现平稳的移动 ， 不会产生突然性 的速度变化 ，该情况满足压机对液压缸要求平稳工作 的性能要求。 从图 8可以看出 ，液压刚位移在 0 ． 2 s 后 的的线性 度趋 向较好 ， 工作 台能较平稳地运行 。 能较好地满足压 机对工作 台稳定移动的性能要求。 0 ． 4 O 3 5 0． 3 目 0 ． 2 5 ＼ 静 0 2 01 5 01 0 0 5 ／，， I I 7 ／ ／ 0 00 5 0 l 0l 5 0 2 0 2 5 0 3 t ／ s 图 8 位移与时间的关系 3 结束语 通过仿真分析 ，了解玻璃粉末压机液压缸性能特 征 ，从而使设计 的液压缸能满足液压传动系统工作要 求 ， 也为正确设计液压缸提供了理论依据。 参 考 文 献 【 l 】 罗 晓哗 ． 精密 电联接 器 自动玻璃模设计 与制 造[ J ] ． 模具工业 ， 2 0 0 6 ， 3 ． 【 2 】 王 秋敏． 模 拟仿 真技术及 其在液 压系统 中的应用 [ J ] ． 山东机 械 ， 2 0 0 5 ， 5 ． 【 3 】 温新周． 液压系统设计 与实际运行可靠性研究『 J 1 ． 江苏冶金 ， 2 0 0 4， 6 ． 【 4 】 陈连 ， 邹广萍 ． 机械可靠性设计 的最优化 方法及其应 用研究 [ J ] ． 机械设计制造 ， 2 0 0 6 ， 2 ． 【 5 】 李新平 ， 霍族亮 ， 于仁萍 ， 等 ． 基 于 M a t l a b ／ S i m u l i n k的液 压缸 建模与仿真f J 1 ． 煤 矿机 械， 2 0 0 5 ， 7 ． 【 6 】 张德 虎 ， 朱建公 ， 肖跃 军． 基 于 MA T L A B的液压 系统数 字仿 真研究[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 6 ， 8 ． 长江液压被航天领域用户 授予“ 合格供方“ 最近 ， 长江液压公司被航天领域 的用户一一泰安航天特种车有限公司授予“ 合格供方” 称号 ， 表明长江 液压 的技术实力和产品品质获得 了航天领域用户的认可与信任 。长期 以来 ， 长江液压以振兴民族液压工业 为己任 ， 凭借卓越的产 品质量 、 完善 的技术支持 ， 形成了以工程机械急需 的负荷传感多路换向阀、 中高压齿 轮泵 、 高速高压液压缸等为代表的高性能液压件产品 ， 在技术上处于国内领先水平 ， 其性能指标 已达到和部 分超过国外同类产品的性能指标 ， 并为国家“ 神舟／ 天宫” 飞天、 “ 嫦娥” 探月等航天工程做出了贡献。 摘 自2 0 1 2年液压 、 液力 、 气动 、 密封行业信息第 2期 3 3