往复式液压缓降装置的动态特性仿真研究.pdf

2 0 1 3年 1月 第 4 1卷 第 1 期 机床与液压 MACHI NE T00L HYDRAULI CS J a n ． 2 0l 3 Vo J ． 41 No ．1 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 0 1 ． 0 4 0 往复式液压缓降装置的动态特性仿真研究 王兴 东 ，钟升 ，王 强 ，徐 占民 1 ．武汉科技 大学冶金装备及其控制教育部重点实验室，湖北武汉 4 3 0 0 8 1 ； 2 ．上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 2 0 0 2 4 0 摘要为了从理论上对往复式液压缓降装置工作性能进行综合评价 ，建立系统的数学模型。通过计算机仿真研究系统 的动态工作过程 ，获得了液压缓降装置在不同工作条件下的运动规律，为其推广应用提供相关理论依据和指导。 关键词 往复式液压缓降装置；动态特性；数学模型 ；仿真 中图分类号 T H 2 2 1 ；T H1 3 7 ． 9 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 11 4 2 4 Dy n a mi c Cha r a c t e r i s t i c s S t ud y o f t he Re c i pr o c a t i n g De s c e n t Co n t r o l De v i c e WA N G X i n g d o n g ， Z H O N G S h e n g ，WA N G Q i a n g ，X U Z h a n m i n 1 ． K e y L a b o r a t o r y o f Me t a l l u r g i c a l E q u i p m e n t C o n t r o l T e c h n o l o g y ，M i n i s t ry o f E d u c a t i o n ， W u h a n Un i v e r s i t y o f Sc i e n c e a n d T e c hn o l o gy ，W u ha n Hu b e i 4 3 0 08 1，Ch i n a； 2 ． S c h o o l o f E l e c t r o n i c I n f o r ma t i o n a n d E l e c t ri c a l E n g i n e e ri n g ，S h a n g h a i J i a o t o n g Un i v e r s i t y， S h a n g h a i 2 0 0 2 4 0 ，C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o a s s e s s wo r k i n g p e r f o r ma n c e o f t h e r e c i p r o c a t i n g d e s c e n t c o n t r o l d e v i c e i n t h e o r y ，t h e ma t h e ma t i c a l mo d e l o f t h e d e v i c e wa s b u i h．B a s e d o n t h i s mo d e l ，t h e d y n a mi c w o r k p r o c e s s o f t h e s y s t e m wa s s t u d i e d t h r o u g h S i mu l i n k a n d i t s mo t i o n c h a r a c t e r i s t i c s w e r e o b t a i n e d ．T h e r e s e a r c h r e s u l t s p r o v i d e r e l e v a n t t h e o ry b a s i s a n d g u i d a n c e f o r t h e d e v i c e ’s p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n ． Ke ywor dsRe c i p r o c a t i n g d e s c e nt c o n t r o l d e v i c e；Dy n a mi c c ha r a c t e r i s t i c s ；Ma t h e ma t i c a l mo de l ；S i mu l a t i o n 火灾等突发事件发生时，如何让受困高楼的人员 安全快速地脱离险境 已成 为社会普遍关注的课题 。现 有普通登高救援车只能达到约 1 5层的高度，更高楼 层发生火灾只能靠自救 ，而高楼逃生缓降器一次只能 供一个人使用 ；逃生管必须在建造时配套安装 ，且造 价高 、维护要求较高；逃生伞受环境限制，使用范围 不广⋯。此外，现有逃生装置操作复杂，不利于受困 人员 尤其老弱病残和妇女儿童的及时逃生和重 要物 品的转移 。 针对 以上 问题 ，作 者 提 出了一 种往 复式 液 压缓 降装 置 ，该装 置结构 简单 、无 需外 界动 力 ，可 实现 多人往复逃生 ；将物体 自身下降过程中的重力经液 压 系统转换 为摩擦力 ，通过 控制 系统 自动 调节 液压 系统中的相关参数改变摩擦力大小 ，进而调整摩擦 力矩，实现了不 同质量的物体 以安全 的下降速度 0 ． 8一l m ／ s 安全下降。建立了缓降装置的数学模 型，并利用 S i m u l i n k 仿真软件，建立 了往复式缓降 装 置 的仿 真模型 ，对结 果进行 了深入分析 ，从理论 上 验证 了该装 置的可 行性 ，为装 置 的进一 步 开发完 善 奠定 了 良好 的基础 。 1 结构与原理 提出了往复式液压缓降装置，该装置利用物体的 重 力作为驱动力 ，将重力势能转化 为机械能并输入液 压泵 ，通过调整节流 口的节流系数及前后压差 ，改变 液压泵的负载 ，实现不同质量的物体以安全的下降速 度 0 ． 8～ 1 m ／ s 匀速向下运输。该装置的结构示意 图如图 1 所示 。吊箱 一正一反缠绕在两个卷筒上 ，卷 筒通过联轴 器 I、一对 增 速齿 轮 、一对 棘 轮 其 外 固接有链轮，详见图 1中视图A 和 启一 日 、轴 V 和联轴器 Ⅱ与液压泵相连 ；液压泵连接节 流阀、手动 阀和单向阀 ；溢流 阀与节流阀连接 ；蓄能器通过单 向 阀连接液压泵 ，又通过换 向阀连接制动器。通过速度 传感器及质量传感器将信号传给单片机控制系统，然 后将处理后的信号传递给节流阀和溢流阀，控制其开 口度，实现不同重物下降的精确调速。当遇到突发状 况，通过控制换向阀使制动器紧急制动。 收稿 日期 2 0 1 1 1 2一 叭 作者简介王兴东 1 9 7 O 一 ，男，博士，教授，主要从 事机 械设计及 理论教 学与研究。Ema i l x i n g d o n g w a n g 1 6 3 ． c o n。 第 l 期 王兴东 等往复式液压缓降装置的动态特性仿真研究 1 4 3 搿 垂 螨 磷嚣 溅 v 磋 撼 1 3 卜 棘轮 I 3 4 一棘轮 Ⅱ 图 1 缓降装置结构简图 2 系统数学模型的建立 文中主要是研究该装置机械及液压部分的动态特 性，因此整个装置可进行简化，其原理图见图2 。 图 2 系统原理 图 根据溢流阀是否开启，可把装置的动态工作过程 分为以下两个阶段 第一阶段为液压泵开始工作到溢流阀实现开启。 这一过程中节流 口的出口压力由零上升到 P o ，由于 此过程中溢流阀并未开启 ，液压回路处于闭路状态 ， 因此可认 为节流 口两 端的压差 △ p 0 ，即泵的 出 口压 力 P 与节流 阀的 出 口压力相 等 。由于系统 中管 道 以 及液压泵工作腔的总容积不变，液体的数量不断增 多，由液体的压缩性及初始条件 当初始压力为零 时 ，即 △ p△ p ，有 △ V t 卸 1 式中 为体积压缩系数；AV为体积改变量； 为 液压泵工作腔 以及管道 的容积 。 式 1 两边除 以时间 A t 可得 dV p d p L 2 进一步有液压泵的流量连续性方程和液压泵动态 力矩平衡方程 d O m_ C f r r Ip 一 3 L T L - J _ B m 4 式 中 为液压泵 的流量 ； 为 液压泵 的理 论弧度 排量；0 为液压泵转角；C , m 为液压泵的总泄漏系数； 1 4 4 机床与液压 第 4 1 卷 K 为系统的有效容积弹性系数，K 1 ／ ／ 3 ；T g 为液压 泵的理论输入转矩；， l 为液压泵和系统 折算 到液 压泵轴上的总惯量；B 为系统 折算到液压泵轴 上 和液压泵 内部 的总黏性 阻尼 系数 ；T L 为系 统作 用在液压泵轴上的转矩。 考虑 到 d ， 一 、 g L 5 将式 2 代入式 3 有 -C , p c 6 ， 联立式 4 和 6 即为此 阶段的数学模型， 经过适当变形有 f． 一C I ． P 一 J 4 K 7 二 星 二 L“ ．， ． 第二阶段为溢流阀开启直到系统建立新的平衡。 这个过程中溢流阀开始溢流，节流口的出口压力保持 P 。 不变。由于泵的转速上升，通过节流口的流量增 大，使泵的出口压力上升，直到系统建立平衡，此时 物体便开始匀速下降。 对 于节流 口，其流量公式可写成 以下形式 Q K A 。 ／ 卸 8 式中 A 为节 流 口的通 流面 积 ；K为 节 流系 数 ，由 节流口形状、流体流态、流体性质等因素决定。 考虑到 △ p p L P 。 q Q 9 将式 7 和 8 分别代人式 3 有 Q K A 。 訾- C ,P L 一 杀 0 联立式 4 和 1 0 即为此阶段的数学模型， 经过适当变形有 一 G 一KA。 p L 。弋 ～ 1 1 为了便于系统仿真，将下降物体的重力作用以转 矩的形式折算到液压泵上 1 2 式中m为下降物体的质量；g为重力加速度；D为 转简直径；i 为系统的传动比。 同理，将液压泵的转速 ∞折算成下降物体的速 度 1 3 V ■ 3 S i m u l i n k仿真模型的建立 由式 1 0 一 1 3 得到如 图3所示 的系统仿真 模型，代入系统的参数 ，用 S i m u l i n k软件进行计算机 仿真 。 图3 缓降装置的仿真模型 第 1 期 王兴东 等 往复式液压缓降装置的动态特性仿真研究 1 4 5 考虑到实物模型的具体结构以及试验条件，仿真 模型中各参数值见表 1 ，其取值方法为V m由液压泵 的铭牌确定 ；C B 根据文献 [ 3 ]确定；K 根据 所选用的油液压缩性确定 ；A 根据所用节流阀的 说明书确定；计算 ． ， 时，先计算各轴 的转动惯量， 再折算到液压泵的输入轴 。 表 1 仿真参数取值 v ． ／ m r a d ／ m N～ m Ko ／f N m 一 。 Vt ／m A0 ／m J t ／ N m s B ／ m N s md D／mm 2 ． 5 1 0一 4 1 0一 “ 1 0 51 0- 4 21 0- 4 O ．01 O ． O 3 3 0 0 1 5 4 仿真计算及结果分析 为了便于分析节流系数 和溢流压力 P 。 对物体 下降速度的影响，采用控制变量方法进行仿真研究。 4 ． 1 节流 系数 K对物体下降速度的影响 取下降物体的质量 m1 0 0 k g 不变 ，设定溢流压 力P 。 恒为 1 O P a 。改变节流系数 的取值，分别为 0 ． 51 0 ～、11 0 和 21 0 ～，得 到如 图 4所 示 的 仿真结果 。 县 越 逝 图4 节流系数对下降速度的影响 从图4可发现，节流系数K越大，物体的下降速 度越大。这也是与实际相吻合的，因为当液压泵的输 入转矩 ． 一定时，泵的出口压力P ． 也一定 ，若溢流 压力 P 。 恒 定 ，此 时节 流 口两 边 的 压 力差 也 就 恒 定 。 由式 7 知 通过节流 口的流 量与节 流系数 K成 正 比，因此节流系数越大，泵的流量也越大，其转速也 越快 ，从而物体的下降速度也就越高。 4 ． 2 溢流压力P 对物体下降速度的影响 取节 流系数 K11 0 恒 定不 变 ，改 变下 降物 体 的质量 m，分别 为 1 0 0 、1 5 0和 2 0 0 k g 。相应 地 调 节溢 流压力 P 。 ，分别为 1 1 0 。 、31 0 和 5 1 0 P a ， 分别进行仿真计算 ，可以得到如图5所示的曲线。 从图5可发现，当节流系数 一定时，如果下降 物体的质量 m增大，只需适当增加溢 流压力 P ，就 可以使下降物体的速度保持不变。这是因为 当下降 质量 m增大时，液压泵的输入转矩 增大 ，泵的输 出压力 P 升高，若节流系数 不变，由式 7 知 ， 只需适当调节溢流压力 P ，使节流 口两端的压力差 卸 保持恒定 ，此时泵 的输出流量也不变 ，即泵的转 速不变，由式 1 3 可知 ，物体下降速度与泵的转 速成正比，因此下降物体的速度就可保持不变。 一 1 0． 8 暑 0 ． 6 0 ． 4 垫} 0 ． 2 0 时 阃／ s 图5 下降质量 一 溢流压力 一下降速度曲线 由仿真结果可得出适当调整节流系数 K，可使 物体以不同的速度匀速下降；适当调节溢流压力 P ， 可使不同质量物体的下降速度保持不变。 5 结束语 从对该装置的数学建模 以及动态仿真研究可知 适当调节节流系数 ，可使物体以国家规定的安全速度 匀速下降；对于不 同的质量 ，只需适 当调节溢流压 力 ，就可以使物体下降的速度保持不变。因此，往复 式液压缓降装置可在无外界动力的情况下，仅依靠重 力 ，可保证不同物体均以规定的安全速度匀速下降， 解决了现存逃生装置的一些缺陷，提供了更大的逃生 概率 ，同时也可转移贵重物品，减少损失。但控制算 法 和系统结 构还 需进 步优化 ，保证 该装置 的最终实 际应用 。 参考文献 【 1 】 胡优生． 全 自动不问断高楼 逃生装 置的研究与应用 [ J ] ． 信息系统工程， 2 0 0 9 8 7 07 1 ， 7 5 ． 【 2 】 全国消防标准化技术委员会第 四分技术委员会． G A 4 1 3 2 0 0 3救生缓降器[ s ] ． 北京 中国标准出版社， 2 0 0 3 012 9． 【 3 】 李福义． 液压技术与液压伺服系统[ M] ． 哈尔滨 哈尔滨 工程大学出版社， 1 9 9 5 ． 【 4 】陈奎生． 液压与气压传动[ M] ． 武汉 武汉理工大学出版 社 ． 2 0 0 9 ． 【 5 】 姚俊， 马松辉． S i m u l i n k 建模与仿真[ M] ． 西安 西安 电 子科技大学出版社， 2 0 0 2 ． 【 6 】 廖汉元 ， 孔建益． 机械原理[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 00 7