液压元件对液压机械变速箱动态特性影响规律研究.pdf

2 0 1 0年 6月 第 3 8卷 第 1 2期 机床与液压 MACHI NE T00L HYDRAULI CS J u n ． 2 01 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 1 2 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 2 ． 0 2 5 液压元件对液压机械变速 箱动态特性影响规律研究 王杰 ，王建玲 唐 山学院机 电工程 系，河北唐山 0 6 3 0 0 0 摘要液压机械无级传动是一种新型的无级传动形式，对这种传动形式的研究是非常有价值的。利用液压机械无级传 动系统仿真模型，针对液压元件参数变化对液压机械变速箱动态响应特性影响规律进行仿真分析，得到的仿真结果为液压 机械无级传动系统的设计和控制策略的制定提供参考。 关 键词 液压元件 ；液压机 械变速箱 ；动态 响应 特性 中图分类号T H1 3 7 ． 3 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 1 2 0 6 93 S t u dy o n I n flu e nc e o f Hy d r a ul i c Co mpo ne nt s o n Dy na mi c Re s p o ns e Ch a r a c t e r i s t i c 0 f HM CVT Ca s e WANG J i e ．W ANG J i a n l i n g D e p a r t me n t o f M e c h a n i c a l E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ，T a n g s h a n C o l l e g e ，T a n g s h a n H e b e i 0 6 3 0 0 0，C h i n a A b s t r a c t H y d r o ． m e c h a n i c a l v a r i a b l e t r a n s m i s s i o n s y s t e m HMC V T i s a n e w k i n d o f t r a n s m i s s i o n s y s t e m．I t i s v a l u a b l e t o s t u d y t h i s k i nd o f t r a n s mi s s i o n． The Mu l t i d i s c i pl i n a r y v i r t u al pr o t o t y pe o f HMCVT wa s mo de l e d． The d y n a mi c r e s p o ns e c h a r a c t e r i s t i c o f t h e HMC VT i n fl u e n c e d b y p a r a me t e r s c h a n g i n g o f h y d r a u l i c c o mp o n e n t s wa s a n a l y z e d b a s e d o n t h e mu l t i -- d i s c i p l i n a ry v i r t u a l p r o t o - t y p e o f HMCVT． The s i mul a t i o n r es u l t s p r o v i d e r e f e r e nc e f o r t h e es t a bl i s h me n t o f c o nt r o l s t r a t e g y a n d a pp l i c a t i o n o f t he HMCVT s y s t em ． Ke ywor d sHy d r a u l i c c o mp o n e nt s； HMCVT c a s e； Dy n a mi c r e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c 液压机械无级传动是一种多功率流无级传动形 式 ，其最大的特点是可 以实现传动比的连续无级变 化 ，且具有效率高 、传递的功率大等特点，是一种新 型的无级 传动形式 。 作者对液压机械无级传 动变速箱 中液压元件对 变 速箱 动态 响应特性 的影响规律进 行仿 真研究 。仿真结 果对液压 机械无级传动系统 的设计及 控制策略 的制定 具有一定的参考价值。 1 液压机械变速箱组成及仿真模型建立 输 出 输 入 图 1 液压机械无级传动系统简图 作者介绍的液压机械无级变速器的结构简图如图 1 所示 。其操纵逻辑如表 1所示 。其仿 真模 型建立 过 程见 文献 [ 1 ] 。 表 1 液压机械无级变速器 操纵 逻辑 变化范围 s 变化范围z 1 Z 2 L 1 l D 2 液压元件排量对液压机械变速箱动态特性 的影 响 仿真条件 0 ． 0 6 ，阶跃 负载激励 1 0 0 0 N m， 纯液压段马达排量 一1 4 0 mL ／ r ，液压机械段低档 马达 排量为 一 9 4 m l Mr 。 研究纯液压段和液压机械段泵排量与动载系数及 动载荷扭矩持续时 间之 间的关系。 动载系数 K值具 有 不 同 的定 义 ，为 了便 于 分 析 ，作如下定义 收稿 日期 2 0 0 9 0 51 7 作者简介王杰 1 9 7 2 一 ，女，硕士，副教授，从事虚拟样机技术、机械 C A D ／ C A M技术 、模具技术、液气传动等方面的 研究 及教 学工作 。电话 o 3 1 5 2 5 5 9 9 6 9，Em a i l w j t j j y t 1 6 3 ． c o m。 7 0 机床与液压 第3 8卷 等等 式中 为受阶跃负载激励后变速箱某环节处最大 动载荷扭矩值； 为受 阶跃负载激励 前变速箱某 环节处扭矩 值； 为受阶跃负载激励后变速箱某环节处扭矩 稳定值。 { 卜 - I t ts o m L ／ r l 2 一排量1 3 5 mL ／ r ， ． ． 3 排 量9 0mL ／ r 排 量4 5 mL／ r 载荷扭矩持续时 间 t 4 s ，动载系数 KI ． 5 8 4 。在泵 排量由 1 8 0 m L ／ r 至 0的变化过程中，输出轴的峰值 扭矩逐渐加大，同时动载荷扭矩持续时间t 也在逐渐 变长；在泵排量为0时，输出轴的峰值扭矩最大，为 一 4 9 6 2 N m，动载系数 K1 ． 9 6 2 ，动载荷扭矩 持续 时间 t 也最长 ，为 1 1 ． 5 S 。当泵排量由 0至 一 1 8 0 m L ／ r 变化过程中，随着泵排量沿负方向的逐渐增大，输出 轴的峰值扭矩逐渐减小，在液压机械段低档后半段 ， 在泵排量为 一1 8 0 m L ／ r 时 峰值 扭矩 和 动载荷扭 矩持 续时间最小，峰值扭矩为 一 4 6 3 9 N I n ，动载系数K 1 ． 6 3 9 ，动载荷扭矩持续时间 t 6 ． 5 S 。 裟 图 2 泵 输 出 关 系 图 。 仿 真 曲 线 表 图 泵 排 量 与 输 出 需 明，泵排量 由 1 8 0 m L ／ r 变为 4 5 m l M r 过程 中 轴扭矩 的关 系 纯液压段 随着泵排量的减小，输出轴的峰值扭矩逐渐加大，动 载荷扭 矩 持 续 时间 t 也逐 渐 变 长 。当泵 排量 为 1 8 0 m L ／ r 时，输出轴的峰值扭矩最小，为 一 4 6 4 3 N m， 动载系数 K 1 ． 6 4 3 ，动载荷扭矩持续时间 t 3 ． 8 s 。 在泵排量为4 5 m L ／ r 时，输出轴峰值扭矩与动载荷扭 矩持续时间均最大，最大峰值扭矩为 一 4 8 6 7 N m， 动载系数K 1 ． 8 6 7 ，动载荷扭矩 持续时间 t 7 S 。 籁 销 擦 图3 泵排量与动载 系数的关 系 纯液压段 差 8 萎 萎 曩 z 鬈 图 4 泵排量与动载荷扭 矩持续时间的关 系 纯液压段 图 5为液压机械段 低档泵排量与输出轴扭 富 一 3 ． 4 矩之间的关系图，图 z _ 3 _3 6 、7为 液 压 机 械 段 低 档泵排量变化与动载系 蘩 。 数 及动载荷扭矩持 瓤4 ． 6 续 时 间 t之 间的 关 系 图。仿真曲线表明，在 液压机械 段低档前半 段， 当 泵 排 量 为 i 8 0 m I ／ r 时 ，输 出 轴 的峰 值扭矩与 动载荷扭矩持 j 4 3 5 l 一 排 量1 8 0 mLl r j 一 悱 型 “ 0 m m L L ／ r 一 4 一 排量一 9 0 mL ／ r 5 一 排量 1 8 0 mL／ r 图5 泵排量与输出轴 扭矩的关系 液 压机械段低档 续时间 f 均最小 ，此时峰值扭矩为 一 4 5 8 4 N m，动 图6 泵排量与动载系 图7 泵排量与动载荷扭 数的关系 液 矩持续时间的关系 压机械段低档 液压机械段低档 由图 6可 以看 出，在 液压 机 械段 低档 前 后半 段 中，当泵排量绝对值相 同时输出轴的动载系数 和 动载荷扭矩持续时间 t 却不同，后半段的动载系数 K 和动载荷扭矩持续 时 间 f 比前半段 时 的相 应值 都大 。 这是 由于液压 机 械段 前后 半段 的 传动 比不 同而造成 的，后半段传动比较前半段小，系统的等效转动惯量 较前半段大所导致。 仿真结果总结如下 1 在纯液压段 ，随着泵 排量的增 大 ，系统 的动载 系数和动载荷扭矩持续时 间 不断降低 ； 2 在液压机械段低档前半段，随着泵 排量的减小 ，系统的动载系数和动载荷扭矩持续时间 均增大；泵排量为0时，系统的动载系数和动载荷扭 矩持续时间均最大 ；在后半段 ，随着泵排 量 的增 大 ， 系统的动载系数和动载荷扭矩持续时间随之减小。 3 在液压机械段低档前后半段 ，当泵排量绝对值 相同时 ，后半段时 系统的动载系数和动载荷扭矩持续 时间均较前半段大。这是由于液压机械段前后半段的 传动 比不 同而造成的 ，后半段传动 比较前半段小 ，系 统的等效转 动惯量 较前半段大所导致 。 3 泵和马达排量变化速率对液压机械变 速箱动载 系数的影响 由于仿真条件不同，下面采用文献 [ 3 ]定义的 -- 动载系数 K二 。仿真条件 0 ． 0 3 5 ，纯液压段 1 0 l l 后半段泵排量为 l 8 0 m L ／ r ，马达排量 以不 同速率由 一 1 4 0 m L ／ r 匀速变化为 一9 4 m L ／ r ，液压机械段低挡 ． N 、 暴 丑 段 扭 4 与 压 轴 量 液 出 图 排 纯 输，泵 为 与 图 段 2 量 系 压 图 排 关 液 泵 的 纯 时 矩 为 第 1 2期 王杰 等 液压元件对液压 机械变速箱动态特性影 响规律研究 7 1 马达排量为 一 9 4 m L ／ r ，泵排 量 以不 同速率 由 0 m L ／ r 匀速变化为 一1 8 0 m L ／ r 。 图 8 、9为纯液压段 后半 段 马达排 量变 化速 率 与 输出轴扭矩 及动 载 系数 的关 系 曲线 。由 曲线 图可 以看 出 ，随着马达排量变化速率 的增 大 ，输出轴峰值 扭矩也 随之 加大 。马 达排 量变 化 速率 为 2 3 0 m L ／ r S 时输 出轴峰值扭矩为 一 4 0 4 4 N 1T I ，动载系数 K 4 ． 0 4 4 。当马达排 量 变化 速率 为 1 5 ． 3 m L ／ r s时 ，输 出轴 的峰值扭 矩 为 一1 6 2 9 N m，动载 系数 K 1 ． 6 2 9 籁 1 堪 臀 图 8 马达排量变化速率与 图 9 动载系数与马达排 输出轴扭矩的关系 量 变化速 率关 系 纯液压段后半段 纯液压段后 半段 图 1 0 、l 1 为液压机 械段 低档 泵排 量 变化 速率 与 输出轴峰值扭矩及动载系数之间的关系。可看出其输 出轴峰值扭矩及动载 系数 变化规律与纯液压段 后半段 相似 。当泵排 量 由最 小 值变 为 最 大值 的变化 速 率 为 3 0 m lMr S 时，其输出轴的峰值扭矩为 一 6 3 8 2 N m， 动载系数 K 2 ． 0 9 2 。变化速率为 1 5 m L ／ r s 时 ，其输 出轴 的峰值扭矩为 一 4 8 8 1 N r r l ，动载系数 K1 ． 6 。 S 23m L／ r． s 6 2 6 m L／ r． s 7 一 3n i n I ， r ． 鲁 Z 囊 察 羽 辑 39 45 51 57 时 间／ s 2． 1 2． 0 1 ．9 籁 1 ． 8 1 ． 7 1 ． 6 1 4 l 8 2 2 2 6 3 0 泵 排量 变 化速 率／ mL r s 。 图 1 0 泵排量 变化速率与 图 1 l 动载系数 与泵排量 输出轴扭矩的关系 变化速率关系 液 液压机械段低档 压机械段低 档 根据仿真结果可知 ，泵马达排量变化速率影响液 压机械变速箱的动载系数 ，排 量变化速率越大 动载系 数 K也相应增大 。 4结论 综 上所 述 ，液压元件 的排量 以及 排量变化速率 和 所处 的段位不 同 ，对系统 的动态特性 有不同 的影 响结 果 。因此 ，在 制定控 制策略时要充分考 虑泵马达排量 变化及排量变化的调节速率 ，以便获得传动系统的最 佳性能。目前 ，该变速器已经完成了结构设计，进入 了样机加工 和试验阶段 ，研究结论为其 控制策略 的制 定和工程应 用提供 了重要的理论参考 。 参考文献 【 1 】王杰 ， 魏云平． 液压机械传动多领域虚拟样机实现策略 研究[ J ] ． 煤矿机械， 2 0 0 6 1 1 4 6 4 9 ． 【 2 】马彪． 履带车辆综合传动特性的动态仿真研究 直驶 [ D] ． 北 京 北京理 工大 学 ， 1 9 9 9 ． 【 3 】张光裕 ， 傅建业． 动力换档变速箱的换档平稳性[ J ] ． 工 程机械 ， 1 9 9 0， 2 1 1 2 73 1 ． 【 4 】王杰． 液压机械无级传动多领域虚 拟样机 特性研究 [ D] ． 北京 北京理工大学 ， 2 0 0 6 ． 上接 第 1 1 4页 都输入 了相同的刀偏数值 ，而数控机床运行时是将两 个补偿 值加 在一 起 进行 计 算 ，这 样 调用 两个 负 补偿 时 ，就会发生 撞刀现象 。同样 的现象在广州数控 的早 期版本 G S K 9 8 0 T A中也有 ，它的补偿 和磨 损也不在 同 一 个位 置输入 。 4 对刀时刀具和刀具号不一致。在加工中心 刀库中，刀与刀号的位置和程序中要求的不符，如要 调 的是立铣刀 ，可实 际却是 端 面刀 ，从 而造成 撞刀 。 所 以操作人员必须熟悉 刀具 使用顺序 ，加工时严格按 刀具 卡规定 的顺序装 刀。 4其他 撞 刀原 因 操作者对 基本 的机械 加 工常 识 不 了解 而造 成 撞 刀。背吃刀量太大导致 主轴 由于负载过大而闷车 ；进 给量 过大而使刀具崩碎 ；无级调速 的机床 使用很 低的 转速 ，主轴扭矩 不够而振动 ，导致刀具损坏 。因为切 削参 数的问题在程序校验 中检查不 出来 ，所 以要 求操 作者 或指导者在加工前要认真检查加工程 序。还有如 刀具没有夹紧就进行切削；随意修改机床参数等 ，也 会造成 刀具 和机 床相撞 。 5小 结 数控机 床作 为 高精 度 的 机床 ，防撞 是 非 常必 要 的 。作者从数控机床操作 、数控 编程 、数据输入等方 面进行了总结 ，要求操作者养成认真细心谨慎的习 惯 ，按正确 的 方法 操作 机 床 ，减 少 机床 撞 刀 现象 发 生。当然随着技术 的发展 ，出现了加工过程 中刀具损 坏检测、机床防撞击检测、机床 自适应加工等先进技 术 ，这些可 以更好地保护数控 机床 。 参考 文 献 【 1 】华丽娟， 杨卫平． 数控加工实训中的故障分析 [ J ] ． 实验 室研究与探索， 2 0 0 5 8 8 6 8 9 ． 【 2 】王瑞泉． 数控车实训教学 中防止撞刀的措施 [ J ] ． 天津 职业院校联合学报 ， 2 0 0 8 9 1 61 8 ． 【 3 】 世纪星车床数控系统 H N C - 2 1 ／ 2 2 T操作说 明书 [ M] ． 2 00 3． 9． 【 4 】G S K 9 8 0 T D车床 C N C 使用手册[ M] ． 2 0 0 6 ． 1 ．