风机风量调整集成式机液伺服液压缸刚度特性分析.pdf

98 机 械 设 计 与 制 造 Ma c hi ne r y De s i g nMa n u f a c t u r e 第 3期 2 0 1 5年 3月 风机风量调整集成式机液伺服液压缸刚度特性分析 苏东海， 秦明璋 沈阳工业大学 机械工程学 院， 辽宁 沈阳1 1 0 8 7 0 摘 要 介绍了一种集成式机液伺服液压缸的结构及工作原理， 建立了集成式机液伺服液压缸的数学模型， 推导出机液 伺服液压缸的动态刚度表达式。针对具体型号的机液伺服缸用MA T L AB编写程序， 得到不同参数下的动态刚度曲线并 对结果进行了分析， 分析表明阀正开口量、 负载质量、 阀口面积梯度对集成式机液伺服液压缸动态刚度均有很大影响， 适 当减小阀正开 口量和面积梯度 ， 增 大负载质量， 可以提 高集成式机液伺服 液压缸 的动 态刚度 ， 为设计集成式机液伺服 液 压缸 提 供理 论 依 据 。 关键词 风机 ； 集成式机液伺服液压缸 ； 动态刚度； 特性分析 中图分 类号 T HI 6 ； T H1 3 7 ． 5 l 文献标识码 A 文章 编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 5 0 3 0 0 9 8 0 3 Ch a r a c t e r i s t i c An a l y s i s o f Dy n a mi c S t i f f n e s s o f I n t e g r a t e d Ma c h i n e H y d r a u l ic S e r v o C y l i n d e r f o r F a n F lo w A d j u s t i n g S U D o n g - h a i ， Q I N Mi n g z h a n g C o l l e g e o f Me c h a n i c a l En g i n e e r i n g， S h e n y a n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，L i a o n i n g S h e n y a n g 1 1 0 8 7 0，C h i n a A b s t r a c t T h e w o r k p r i n c i p l e a n d s t r uct u r e o f i n t e g r a t e d m a c h i n e h y d r a u l s e P u o c y l i n d e r i s i n t r o d u c e d ． The mat h e m a t i c a l m o d e l o f m a c h i n e h y d r a u l i c s e F V o c y l i n d e r i s e s t a b l i s h e d ． D y n a mi c s t if f nes s e x p r e s s i o n D 厂 m a c h i n e h y d r a u l i c S e F U O c y l i n d e r i s d e d u c e d ． e c c t y p e s o fm ach i n e h y d r a u l i c s e r v o c y l i n d e r w i t h MA T L A B i s p r o gra m m e d ． D y n ami c s t if f nes s c u r B e s o b t a i n e d u n d e r d iff e r e n t p a r a m e t e r s a n d t h e r e s n l t s a r e a n a l y z e d ． I t i s s h o w e d t h at t h e o p e n i n g s i z e o f o p e n c e n t e r s e F 1 3 0 v a l v e ，l o a d q u a l i t y p a r a m e t e r s and t h e a r e agra d i e n t of s e r v o v alv e p o r t h a v e agre a t i m p act o n t h e d y n a m i c s t if f n e s s of t h e i n t e g r a t e d ma c h i n e h y d r a u l i c s e r v o c y l i n d e r b y ana l y s is ． D y n am i c s t if f n e s s 0 厂 t h e i n t e grat e d m ach i n e h y d r aul i c s e r v o c y l i n d e r c an b e i m p r o v e d b y r e d u c i n g t h e o p e n i n g s iz e o f o p e n c e n t e r s e l 3 O v al v e a n d t h e o 3 “ e a g r a d i e n t o f S e F U O v al v e p o r t a n d i n c r e a s i n g t h e l o ad q u al i t y ． The r e s e a r c h r e s u h s C O g t p r o v i d e s o m e t h e o r e t i c alf o u n d ati o n f o r t h e d e s i g n of i n t e g r at e d ma c h i n e h y d r a u l i c s e l T o c yl i nd e r ． Ke y W o r d s F a n ；I n t e g r a t e d M a c h i n e Hy d r a u l i c S e r v o Cy l i n d e r ； Dy n a m i c S t i f f n e s s ； Ch a r a c t e r i s t i c An a l y s i s 1 引言 引风机的T作装置由机壳、 进气箱、 进风 口、 传动部件、 叶 轮、 轴承箱、 调节部件等组成， 集成式机液伺服液压缸的作用是通 过传动轴将位移传递到风量调节盘上， 从而带动叶片改变安装角 度， 实现风量调节 。 在调节过程中 ， 负载阻力扰动和摩擦力扰动等 成为系统伺服性能下降的主要因素，与主要参数变化密切相关， 要减少负载阻力引起的伺服误差 ， 获得良好的动态特性， 机液伺 服缸必须具备较高的动态刚度， 因此对引风机工作装置机液伺服 缸承载状况和液压系统进行分析， 研究相关参数对系统动态刚度 的影响， 是十分必要的。 目前国内有很多学者在研究动态刚度 ， 例 如内蒙古某大学教授 的基于 B o d e图的动态刚度分析方法 ，吉林 某大学教授 课题组对轮式装载机动臂液压缸在 固定地面频率激 励 的条件下的动态刚度变化情况。 从实际工况出发，建立了一种新型集成式机液伺服液压缸 的数学模型 ， 得 出机液伺服缸动态刚度表达式 ， 并用 MA T L AB编 写程序的得到在不同参数下机液伺服缸的动态刚度曲线， 为设计 集成式机液伺服液压缸提供理论依据 。 2集成式机液伺服液压缸结构及工作原理 集成式机液伺服缸的结构 ， 如图 1 所示。从 图中可知 ， 在 阀 控缸集成式元件中，正开口双边滑阀和非对称差动缸是一个整 体 ， 并在活塞上开设了一个阻尼孔； 在配油方面， 机构采用了轴向 配油方式，即油液通过旋转油封直接通过轴向油道进入控制阀 内。 集成式机液伺服液压缸的原理， 如图2 所示。 高压油 直通有 杆腔 ， 当阀芯没有输入时， 油液经阻尼孔流入无杆腔 ， 再经阀芯正开 口流回油箱， 对机构循环冷却。当给阀芯一个 x 正向位移时 ， 此 时右侧节流 口开 口增大，压力油同时向液压缸左右两腔等压供 来稿 日期 2 0 1 4 2 0 8 2 4 作者简介 苏东海 ， 1 9 6 4 一 ， 男 ， 黑龙江牡丹江人 ， 博士 ， 教授 ， 主要研究方 向 流体传动与控制 ； 秦明璋， 1 9 8 9 一 ， 男 ， 黑龙江哈尔滨人， 硕士 ， 主要研究方 向 流体传动与控制 第 3期 苏东海等 风机风量调整集成式机液伺服液压缸刚度特性分析 9 9 油， 由于两腔活塞面积不同， 活塞向右移动， 对负载做功； 由于活 塞与阀体是集成的， 随着活塞的前进， 右侧节流 口逐渐减小， 当达 到平衡位置时， 活塞停止运动。当给阀芯一个 负向位移时， 原 理同上 。 1 ． 阀体 2 ． 后端盖 3 ． 阻尼孔 4 ． 缸体 5 ． 活塞杆 6 ．前端盖 图 1集成式机液伺服缸结构示意图 F i g ． 1 Th e S t r u c t u r e Di a g r a m o f I n t e g r a t e d Ma c h i n e Hy d r a ul i c S e r v o Cy l i n d e r 图 2机液伺服液压缸原理图 F i g ． 2 Th e S c h e ma t i c Di a gra m o f I n t e gra t e d M a c hi n e Hy d r a u l i c S e r v o C y l i n de r 3数学模型 对于闭环控制伺服系统来说 ，动态刚度与控制系统的结构 有很大的关系。所以首先要建立伺服控制系统模型， 在此基础上 仿真分析参数影响动态刚度的规律。假设 阀对于阀芯位移和阀 压力变化所产生的流量变化能瞬间反应， 即阀具有理想的响应能 力； 供油压力恒定， 回油压力为 0 。 阀口流量方程为 QL K X K P 1 式 中 K 一流量增益 ； K c． 一流量压力系数； p 广 负载流量 L ； p ～液压缸控制腔压力 P a 。 液压缸流量连续性方程为 I ／ Q L s X p c P G ， s 2 式中 A厂掖压缸无杆腔有效面积 m ； 活塞杆输出位移 m ； 一 液压缸内漏系数 m s ； G 一 阻尼孔液导 ； 一 液压缸无杆腔面积 m ； ～ 有效体积弹性模量 包括阀、连接管道和缸体机械柔 度 ， N ／ m 。 液压缸力平衡方程为 A ， B s x 3 式中 r 活塞及负载等效质量 k g ； 厅作用在活塞上的外负载力 N ； K 一负载弹簧刚度 N ／ m ； 一 活塞及负载的粘性阻尼系数 N s ／ m 。 将式 1 ～ 式 2 联立 ， 忽略阀芯位移输入和弹簧刚度， 整理 得系统动态刚度表达式为 f 1 1 K ＼ 四 可 ／ f 一 焘 式中 K 。 G ， 机液伺服系统的总流量一 压力系数； 面 ～ 液 压 固 有 频 率 ，取 四 、 ／f 鲁； 一 阻 尼 比 每＼／ ＼／ 。 4机液伺服缸刚度特性分析 以5 t 机液伺服液压缸为例， 用 MA T L A B编程对其刚度特性 进行分析。研究工况 引风机变浆过程中， 在 5 T负载力的工况下 集成式机液伺服液压缸的动态响应情况。 由控制系统的传递函数 可知 ， 影响动态刚度的主要参数有阀正开13量 f ， 、 活塞及负载等 效质量 m、 阀口面积梯度 和伺服缸无杆腔活塞面积A 。 对于负 载已经确定的系统， 无杆腔活塞面积 是固定的。 下面将采用单 因素仿真分析法研究余下参数对系统动态刚度的影响， 相关技术 参数， 如表 1 所示。仿真结果， 如图3 ～ 图5 所示。 表 1系统仿真相关参数 T a b ． 1 Rele v a n t Pa r a me t e r s o f Sy s t e m Si mu l a t i o n 阀正开口量对机液伺服缸动态刚度的影响， 如图3 所示。由 图 3 可以看出， 阀正开 13 量对低频动态刚度影响较大， 随着正开 E l 量的增大， 机液伺服缸低频动态刚度变小， 但在固有频率处的 下降变少。 _ ⋯ ’r rt H_ ⋯ ● ． ． r1， _ ● ● h● _ * ， ‘ 1 ． 。’ ／ } -_ ● ⋯ r 一士 } H 钟 f fl t 。t r ； i ／ 秆 立 ≤ ⋯ --一 母 } 斗 _● H 。 H _-⋯- l l 频率 r a d ／ s 图 3不同阀正开口量下动态刚度频率特 U z U 2 Fi g _3 Dy n a mi c S t i f f n e s s F r e q ue n c y Ch a r a c t e r i s t i c s Un d e r Di f f e r e n t Va l v e Op e n i n g Amo un t Pa r a me t e r s 机 械 设 计 与 制 造 NO ． 3 Ma r ． 2 0l 5 负载质量对机液伺服缸动态刚度的影响， 如图4所示。由图 4可知， 负载质量对高频动态刚度影响较大， 随着负载质量的增 加， 机液伺服缸高频动态刚度变大， 在固有频率处的下降也减少， 但同时势必影响机液伺服缸的加 、 减速能力， 从而影响系统动态 性能。 55 0 5o o 暑45 0 竖4 0 0 3 50 3 o0 l i ⋯ rm 蒋 一 卞 ● 一 竹 - } } 1 o 1 l O 1 频率 r a d ／ s 图4不 同负载质量下动态刚度频率特 I生 m m m1 Fi g ．4 Dy n a mi c S t i f f n e s s F r e q u e nc y Ch a r a c t e ris t i c s U n d e r D i ff e r e n t L 0 a d Q u a l i t y P a r a m e t e r s 阀口面积梯度对机液伺服缸动态刚度的影响， 如图 5 所示。 由图中可知， 阀口面积梯度对低频动态刚度影响较大， 随着阀口 面积梯度的增加， 机液伺服缸低频动态刚度减小， 固有频率处的 下降也减小。 面积梯度对流量增益和流量一 压力系数均有影响， 是 一 个非常重要的结构参数。 l l l { { l { l l ．l f l ⋯ r I { }l l j l i 叶 十 ／ 1 ／ l ll j 需 l l { } { { l i l 频 率 r a s 图 5不 同阀 口面积梯度下动态刚度频率特眭 WW2 W。 F i g ． 5 Dy n a mi c S t i f f n e s s Fr e q u e n c y C ha r a c t e ris t i c s Un d e r Di ff e r e n t Ar e a Gr a d i e n t Pa r am e t e r s 通过比较以上各图曲线， 从综合性能考虑， 该系统正开口量 取 、 负载质量取 m 、 面积梯度取 ， 系统的综合性能最好。 5结束语 动态刚度是集成式机液伺服缸的一个非常重要的指标， 直 接影响机液伺服缸的动态特l生。 仿真分析表明集成式机液伺服缸 动态刚度 主要受阀正开 口量 U、负载质量 m和阀口面积梯度 影响， 适当减小 和 ， 增大m， 可以提高系统动态刚度。但在改 变上述参数以提高系统动态刚度时， 还应综合考虑这些因素的变 化对系统稳定性以及动态性能的影响， 为设计集成式机液伺服液 压缸提供理论依据。 参考文献 [ 1 ] 迟春燕， 秦四成． 轮式装载机动臂液压缸动态刚度杼陛分析[ J ] ． 流体传 动 与控制 ， 2 0 1 0 ， 3 9 2 1 o ． 1 3 ． C h i C h u n - y a n ， Qi n S i c h e n g ．C h a r a c t e ri s t i c a n al y s i s o f d y n a mi c s t i f f n e s s 0 f l 0 a d e r l i f t i n g c y l i n d e r[ J j _F l u i d P o w e r T r a n s mi s s i o n C o n t r o l ， 2 0 1 0 ， 3 9 2 1 o _ 1 3 ． [ 2 ] 张亮． M A T L A B 7 ．x系统建模与仿真[ MI ． 北京 人民邮电出版社， 2 0 0 6 ． Z h a n g L i a n g ． MA T L A B 7 ．X S y s t e m Mo d e l i n g a n d S i m u l a t i o n [ M] ．B e ij i n g P e o p l e P o s t P r e s s ， 2 0 0 6 ． [ 3 ] 林健 ， 汪木兰 ， 周磊． 直线进给系统负载质量对伺服动刚度影 响的研究 [ J ] ．现代制造工程 ， 2 0 l 0 7 9 0-9 2 ． L i n J i a n ， Wa n g Mu l a n ， Z h o uL e t ． T h e s t u d y o f i n fl u e n c e o f l o a d q u a l i t y o n s e r v o d y n am i c s t i f f n e s s f o r l i n e a r f e e d s y s t e m[ J ] ． Mo d e r n Ma n u f a c t u ri n g E n g i n e e ri n g ， 2 0 1 0 7 9 0 - 9 2 ． [ 4 ] 王春行．液压控制 系统[ M] E 京 机械工业出版社 ， 1 9 9 9 5 ． Wa n g C h u n - x i n g ．T h e H y d r a u l i c C o n t r o l S y s t e m[ M] ． B e i j i n g Me c h a n i c a l I n d u s t r y P r e s s ， 1 9 9 9 5 ． [ 5 ] 尹 明， 范丽鹏． 基于 B o d e 图的数控转台伺 服动 刚度分析方法 [ J ] ． 制造 技术与机床， 2 0 1 3 1 9 7 9 9 ． Yi n Mi n g ， F a n L i p e n g ． D y n a mi c s e r v o s t i f f n e s s a n a l y s i s me t h o d o f N C r o t a ry t a b l e b a s e d o n B o d e d i a g r a m [ J ] ．Ma n u f a c t u ri n g T e c h n o l o g y＆ Ma c h i n e T o o l ， 2 0 1 3 1 9 7 9 9 ． [ 6 ] 马平 ， 陈振环 ， 张伯 霖零 传动机床的高速直线进给单元 的伺服动刚度 研究[ J j ． 中国机械工程， 2 0 0 4 ， 1 5 1 5 7 5 5 7 8 ． Ma P i n g ， C h e n Z h e n - h u a n ， Z h a n g B o - l i n ． D y n am i c s t i ff n e s s o f v e l o c i t y f e e d u n i t o f t h e z e r o t r a n s mi s s i o n ma c h i n e t o o l s l J j ． C h i n a Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 4 ， 1 5 1 5 7 5 5 7 8 ． [ 7 ] 时培成 ， 陈无畏， 姜武华． 液压悬 置非线性动态特性仿真研究 [ J 1 ． 中国 机械工程 ， 2 0 0 9 ， 2 0 2 1 2 5 4 5 2 5 4 8 ． S h i P e t c h e n g ， C h e n Wu w e i ， J i a n g Wu_ h u a ．S i mu l a t i o n r e s e arc h o n h y d r a u l i c mo u n t n o n l i n e ar d y n a m i c c h a r a c t e ri s t i c s [ J J ． C h i n a Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 9 ， 2 0 2 1 2 5 4 5 2 5 4 8 ． [ 8 ]曾庆强 ， 秦 四成 ， 王凯 ． 装载机行驶过程中动臂液压缸刚度特性分 析 [ J ] ．矿山机械 ， 2 0 1 1 ， 3 9 7 5 5 5 9 ． Z e n g Q i n g - q i a n g ， Q i n S i c h e n g ， Wa n g K a i ．S t i f f n e s s a n a l y s i s o f a l T O c y l i n d e r o f r u n n i n g l o a d e r l J j ． Mi n i n g ＆P r o c e s s i n g E q u i p me n t ， 2 0 1 1 ， 3 9 7 5 5 5 9 ． [ 9 ] 宋志安， 曹连民， 黄靖． MA T L A B ／ S i mu l i n k与液压控制系统仿真[ M] ． 北 京 国防工业 出版社 ， 2 0 1 2 8 ． S o n g Z h i - a n ， C a o L i a n - mi n ， Hu a n g J i n g ． MA T L A B／ S i n ml i n k a n d Hy d r - a u l i c C o n t r o l S y s t e mS i mu l a t i o n [ M ． B e ij i n g D e f e n s e I n d u s t ryP r e s s ， 2 0 1 2 8 ． f l O ] 陶桂林 ， 向忠辉 ， 罗辉． 液压辊缝控制系统的液压刚度 分析及背压选 择[ J ] ． 液压气动与密封 ， 2 0 1 2 8 1 8 2 1 ． Ta n Gu i - l i n ． Xi a n g Z h o n g h u t ． L u 0 Hu t ． An aly s i s o n h y d r a u l i c r i g i d i t y a n d c h o i c e o f b a c k p r e s s u r e for t h e h y d r a u l i c g a u g e c o n t r o l s y s t e m[ J j ． H y d r a u l i c s P n e u ma t i c s a n dS e a l s ， 2 0 1 2 8 1 8 2 1 ． [ 1 1 ] K a l k e r J J ． T h r e e - D i m e n s i o n a l E l a s t i c B o d i e s i n R o l l i n g C o n t a c t [ M] ． N e t h e r l a n d Kl u we rAc a d e mi cP u b l i s h e r s ， 1 9 9 0 ． [ 1 2 ] k a l k e r J J ． C o mp u t a t i o n C o n t a c t Me c h a n i c o f Wh e e l - r a i l s y s t e m[ J _j ． I n R a i l Q u al i t y a n d Ma i n t e n a c e i n Mo d e rn R a i l w a y O p e r a t i o n K l u w e r Ac a d e mi c P u b i l i s h e r ， 1 9 9 3 ． [ 1 3 ] K r i s t e r S v a n b e r T h e m e t h o d o f mo v i n g a s y m p t o t e s a n e wm e t h o df o r s t r u c t u r a l o p t i m i z a t i o n l J 』 ．I n t e r n a t i o n a l J o u rna l o f N u me ri c a l Me t h o d i n E n g i n e e r i n g ． 1 9 8 7 2 4 3 5 9 3 7 3 ．