基于Simulink的穿行式钢模台车液压系统的性能分析.pdf

2 0 1 2年 1月 第4 0卷 第 1 期 机床与液压 MACHI NE T0OL HYDRAUL I C S J a n ． 2 0 1 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 1 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 0 1 ． 0 3 9 基于 S i m u l i n k的穿行式钢模台车液压系统的性能分析 廖湘辉 ，刘欢，谭宗柒，姜雨，陈文琛 三峡大学机械与材料学院，湖北宜昌 4 4 3 0 0 2 摘要分析了穿行式钢模台车液压系统的工作原理，根据数字同步阀和液压油缸的数学模型在 S i m u l i n k下建立了系统 的仿真模型，通过仿真分析了钢模台车液压系统的动态性能 ，为钢模台车液压系统的设计提供了理论依据，同时为同类型 钢模台车液压系统的设计提供参考。 关键词钢模台车；性能分析；数字同步阀；液压油缸 ；仿真模型 中图分类号T H 1 3 7 ． 7 ；T V 5 3 6 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 1 1 3 9 4 Pe r f o r ma nc e Ana l y s i s o f Hy dr a u l i c S y s t e m o f t he S l i d i n g S t e e l M o u l d Ca r r i a g e Ba s e d o n S i mu l i n k L I AO Xi a n g h u i ，L I U Hu a n，T AN Z o n g q i ，J I ANG Y u，C HE N We n c h e n C o l l e g e o f Me c h a n i c a l Ma t e ri a l E n g i n e e ri n g ，C h i n a T h r e e G o r g e s U n i v e r s i t y ，Y i c h a n g H u b e i 4 4 3 0 0 2 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e wo r k i n g p r i n c i p l e o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m o f t h e s l i d i n g s t e e l mo u l d c a r r i a g e wa s a n a l y z e d ．Ac c o r d i n g t o t h e ma t h - e ma t i c al mo d e l s o f d i g i t al s y n c h r o n o u s v alv e a n d h y d r a u l i c c y l i n d e r ， t h e s i mu l a t i o n mo d e l o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m wa s e s t a b l i s h e d b y S i mu l i n k ． T h r o u g h s i mu l a t i o n， t h e d y n a mi c c h a r a c t e r o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m wa s a n a l y z e d． T h e s i mu l a t i o n r e s u l t s p r o v i d e t h e o r y fou n d a t i o n f o r t h e d e s i g n i n g o f s t e e l mo u l d c a r r i a g e ．At t h e s a me t i me ，t h e y p r o v i d e r e f e r e n c e f o r t h e h y d r a u l i c s y s t e m o f t h e s a me t y p e o f s t e e l mo u l d c a r r i a g e ． ． Ke y wo r d s S t e e l mo u l d c a r r i a g e ； P e r f o r ma n c e a n a l y s i s ； Di g i t a l s y n c h r o n o u s v a l v e ； Hy d r a u l i c c y l i n d e r ；S i mu l a t i o n mo d e l 钢模台车是隧洞工程衬砌施工比较常用的机械设 备，其液压系统 由液压站及各油缸组成，用于脱模、 收模、穿行及台车调整 。由于钢模台车液压系统功 能比较简单，目前国内只是简单地从功能实现上设计 其液压系统，对其性能分析则更少，特别是在实际施 工过程中施工方往往考虑到成本问题忽略了模板收支 的平稳性，在施工中采用缓升多次微调的方式调整模 板动作的一致性 ，工作质量不高，效率低下。而穿行 式全圆液压钢模台车液压系统采用了同步阀对液压油 缸的动作进行同步控制 ，有效地保证了模板调整过程 中的平稳性，并提高了工作效率 ，因此对其液压系统 进行性能分析显得非常有必要 ，分析结果可为该类型 钢模台车液压系统的设计和实际应用提供理论依据。 1 穿行式钢模 台车液压 系统工作原理 图1 为穿行式钢模台车液压系统工作原理图。系 统通过液压泵供油，经过多路换向阀控制顶升油缸的 进回油，在顶升油缸与多路换向阀之间设置一个同步 阀，用于保证油缸动作的一致性。其中，多路换向阀 由三位六通 电磁 换 向阀、溢流 阀和单 向阀组成 。溢流 阀可以保持系统油压稳定，单 向阀主要用于防止系统 回油。当换向阀处于中位时，油液直接回油箱，此时 液压缸两腔封闭不工作；当换 向阀处于左位时，油液 经过单 向阀后 ，通过换 向阀进 入 同步 阀，然后 同时给 两个油缸左腔进行供油，最后从油缸右腔直接回油箱， 液压缸收缩；当换向阀处于右位时，油液经过单向阀 后 ，通过换 向阀进人 同步阀，然后 同时给油 缸右腔进 行供油，最后从油缸左腔直接回油箱，液压缸顶升。 泵 站 图 1 穿行式钢模台车液压系统原理图 穿行式钢模台车液压系统采用的同步阀是一种数 字 同步 阀 ，它是一种基于 同步 阀采用数字控制主阀芯 动作的新型液压流量分配阀。图2是数字同步阀的分 流原理图。可以看出该阀左右结构对称 ，各有两个 可调节流 口，第一次节流口由步进电动机调节，第二 次节 流 口根据 负载 的变化通过梭 阀调节 。 。 收稿 日期 2 0 1 0 1 2 2 7 ‘ 作者简介廖湘辉 1 9 6 4 一，男 ，教授，硕士生导师，主要研究方向为专用机械工程。通信作者 ，刘欢 ，Ema i l l i u h u a n g 0 5 1 2 y a h o o ． c o m． c a 。 1 4 0 机床与液压 第 4 0卷 图2 数字同步阀的分流原理 2 穿行式钢模台车液压系统的数学模型 重点分析由同步阀与液压缸组成的液压系统的动 态性能 。假设油源为恒 流源 ，不计 阀的 自重 ，不考虑 瞬态液动力和阀的泄漏 ，忽略步进电机的影响 ] ， 则 同步 阀的左右补偿阀芯的运 动方程 A 0 P I P 一 柏 I 一c I P I P b 1 一 一 1 A 0 P 一 P m 一 K a 0 a 2 一 C a 2 P a 2 一 P b 2 一 B m 鲁 2 d 冥 中 P 取负载压力 P b 、P b 2 中较大的一个值 。 流人、流出主阀芯容腔的流量连续性方程 Q a1 一 誓 o Q s Q a- 一 Q 一 孟 o 流人流 出油室 o 。 、o 的流量连续性方程 誓 一 。 一 d x a 2 一-- 。 各 阀 口流 量 方 稗 ． 3 4 f Q al p 5 【 Q a2 C 1 p0 一 ／ p 一 p Q C 2 x Q C 2 x 6 式 中 C C g ,r r d 2 s i n 2 a ；C 1C q ,r r d 1 ；C 2 c 竹d 2 s i n a 。 b0 图 3 液压油缸 的简化原理 图 当系统工作时，液压缸活塞将带动终端执行件克 服负载，以某一速度 V 运动 图3 。若液压缸泄漏极 小，可以忽略不计 ，则由流量连续性方程可得 Q b 。 A 。 。 ／ d 7 Q A C d p b 2 ／ d t 8 式中C ， 为油腔及管路的液容 ，C 3 K，其中K为 油液体积弹性模量 ，A 为油腔作用面积。 考虑机械和液压组合系统 ，忽略油液的质量，且 回油腔直接通回邮箱 ，即P 0 ，可得液压缸和负载 的力平衡方程 P b l A 1 m 2 d v ／ d t B 一 厂 9 P b 2 A 1 m 2 d v ／ d t B ， 1 0 3基于 M A T L A B ／ S i m u l i n k的数字仿真 M A T L A B下 的 S i m u l i n k是一个针对动态 系统 进行 建模、仿真与分析的工具 ，非常适合非线性系统。用 户只需在仿真模型编辑窗口中建好 自己的仿真模型， 设置好具体模型参数和仿真参数 ，就可进行动态仿 真 。根据穿行式钢模台车的数学模型 ，搭建的模型 见图4 ，仿真时所需的模型参数见表 1 。 图4 穿行式钢模台车在 S i m u l i n k下的仿真模型 第 1 期 廖湘辉 等基于 S i m u l i n k的穿行式钢模台车液压系统的性能分析 1 4 1 表 1 仿真参数表 m／kg 0． 0 06 o 1 “ r a d r ／9 B ／ N S m 2 0 K J N- m 6 0 0 0 ／ 3 e ／ P a 71 0 D 0 ／m 0 ． 0 01 5 d 1 ／ m 0 ． 0 2 5 Q ／ m m i n 8 01 0一 d ， ／ m 0 ． O 1 8 p ， 0 k g m j 、8 7 0 V ／ m 0 ． 0 0 6 K ／ N r n 71 0 A0 ／m 0． 0 01 Fl ／N 1 0 0 A， ／m 0． 0 02 F2 ／N 1 00 V o ／m 0． 0 09 67 C 2 0 ．8 V ． ／m 0． 0 73 2 ／kg 2 0 0 3 f a 0 ／ m 0 ． 0 1 2 B f ／ N S m 1 5 6 8 0 Cq 0 ．6 4 穿行式钢模 台车液压 系统的性能分析 系统初始仿真分析。图5是主阀芯位移 0时 的同 步 阀压 力 P 、P P 。 的响 应 曲线 。可 以看 出 同步阀内油液压力 曲线 由零开始上升，经过 0 ． 6 8 S 系统趋于稳定 ，油源压力与两补偿 阀控制腔压力上升 到稳态值 比较缓慢 ，但 阀控制腔压力达 到稳态值较油 源压力要稍快，而且两补偿 阀控制腔压力相等。图 6 、7是主阀芯位移 0时同步阀两输 出口流量 曲线 和两液压缸负载速度 曲线 。可 以看 出系统在 阶跃输 入时，开始有振荡，当系统稳定时，两出 口流量相 等 ；两液压缸的负载速度在开始轻微振荡后 ，当系统 稳定时 ，两负载速度相等 ，表 明系统 的负载速度具有 良好 的同步性 。 图 5 0时 P 、 P 1 、 P 日 2 曲线 7 8 6 苎 5 4 I 0 图 6 0时 Q 、 Q 曲线 图7 0时 l 、 2曲线 图8 1 0是两液压缸所受负载 F 。 F 2 8 0 0 N时 与 。 0时相应的系统响应曲线。当增大液压缸负载 时，经过 0 ． 8 S 后系统趋于稳定，同步阀的进出口稳 态压力增大 ，这说明负载的变化对 同步 阀进 阀腔压力 的影响非常大 。而 同步阀两输 出 口的流量 曲线 ，在阶 跃输入后也有一个振荡，但较初始仿真更加明显 ，这 个剧烈振荡也发生在两液压缸速度 曲线变化里 ，表 明 随着 系统 的负载增 大 ，系统在接入负载初期所受影 响 两流量曲线与两速度 曲 图 8 F l F 2 8 0 0 N时 P 、 图 9 F F 2 8 0 0 N时 P P 曲线 Q b 、Q 曲线 图 1 0 F l F 2 8 0 0 N时 l 、 2曲线 当 9 2 ． 0 8 31 0 m时 ，同步阀进 口压力与 两补偿 阀控制腔压 力与 0时基本 相 同，如 图 1 1 。 而 同步 阀两输 出口的流量经过小幅振荡后 ，在系统稳 定时 ，两 出 口流量不等 ，且 Q ． Q 如 图 l 2 。在图 1 3液压缸速度曲线也 出现两稳态速度不等的现象， 说明主阀芯的位移对系统速度同步性影响非常大。 图 1 1 2 ． 0 8 3 1 0 I ” m Q 曲线 t ／ s 图 1 3 。 9 x 2 ． 0 8 31 0 m时 1 、 2 曲线 8 7 6 5 4 3 2 1 O 一 ． _l 【 Iq 5 3 5 2 5 l 5 0 5 m 仉帅 一 ． 曲 ． 昌一 ． 5 3 5 2 5 l 5 0 5 0 0 0 0 0 3 2 L l O 0 一 I ． s 一 1 4 2 机床与液压 第4 0卷 当输入的负载不等时，即F 1 0 0 N、F 1 5 0 N 时 ，系统 各 响应 曲线与 9 2 ． 0 8 31 0 I n时 相 似 ，也出现稳态 同步 阀输 出流量与液 压缸负载速度不 等的情况 ，表明负载 的同步与否对系统各 响应 曲线有 影响 ，如图 1 4 一l 6示 。 2． 1 ． 0． 图 1 4 F l 1 0 0 N， 1 5 0 N 图 1 5 F l 1 0 0 N， 1 5 0 N 时P ， P 。 ， P 曲线 时 Q b ， ，Q 曲线 0 ． 35 0． 3 O ． 2 5 0． 2 0 ． 1 5 0． 1 0 ． 0 5 0 ．0 ． 0 5 图 1 6 F l 1 0 0 N， 1 5 0 N时口 、 曲线 5 结 论 通过简化穿行式钢模 台车液压系统分析模 型 ，建 立 了同步 阀和液压缸的计算机仿真模型 ，实现 了对穿 行式钢模台车液压系统的动态仿真。分析了各参数对 系统动态性 能的影 响，得 出了以下结论 1 采用 所建 立 的仿 真模 型 ，得 出 的动 态 特性 与理论相符； 2 由于采用 了数 字 同步 阀，穿 行式 钢模 台车 液压系统具有 较好 的速度 同步性 ； 3 同步 阀主 阀芯 的位移对 系统 动态 特性 具有 很大 的影响 ，因此实 际中应该注意对 同步 阀的控 制 ； 4 当负载 不等 时 ，液 压缸 的速 度 不 同步 ，这 是由于同步阀的分流误差仅靠压力反馈是不能消除 的，因此在实际中应该避免出现负载不等的情况； 5 系统负载的同步变化只影响系统初期 的调 整程度 ，不影 响其稳定特性 ，因此系统具 有较好 的速 度 刚性 。 参考文献 【 1 】 牛海轩． 穿行式钢模台车在泰可泽水电站导流洞混凝土 施工中的应用[ J ] ． 水利水电施工， 2 0 1 0 6 2 0 2 3 ． 【 2 】 张志凤． 新型数字同步阀在 S i n u l i n k 下的仿真分析[ J ] ． 镇江高专学报 ， 2 0 0 7 ， 2 0 3 1 9 2 1 ． 【 3 】 缪兴兵， 王存堂 ， 张弼， 等． 新型数字同步阀建模及动态 仿真[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 3 6 8 8 9 0 ． 【 4 】 陈龙安， 刘钊 ， 朱武强． 液压分流阀动态性能仿真与研究 [ J ] ． 工程机械， 2 0 0 4 9 4 2 4 4 ． 【 5 】庞博， 侯守全， 王慧， 等． 基于 MA T L A B ／ S i m u l i n k的脱模 液压系统动态特性仿真[ J ] ． 制造业 自动化 ， 2 0 0 9 6 l 1 011 3． 【 6 】 黄小江， 毕龙． 液压系统节流调速回路动特性仿真[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 6 1 2 2 1 4 2 1 5 ． 【 7 】 胡少刚， 周望敏 ， 褚辉生． 面向液压系统动态特性的数字 仿真技术研究[ J ] ． 现代机械， 2 0 0 8 1 3 0 3 2 ． 上接 第 1 3 5页 图 3 、 4、5为 量纲 一 的载荷 分 别 为 0 ． 51 0 ～、 1 ． 01 0 “和 1 ． 51 0 。时 的油膜 内部 温升 的等 值线 图。 各 图的 比较表明 油膜最大温升随着载荷的增 加 而提 高 ，在接触区域 内，温升 的值与载荷 的增加幅度 近乎同步。 在不 同载荷条件下 ，总的趋势是 油膜 内温升随着 z 坐标而增加 ，到接近于上表面的地方达到最大值 ， 但油膜中部的温升小于上下表面处的温升。 在不同载荷条件下，油膜在承载区上游的温升都 是非 常低 的 ，这说 明上游温升对承载区温升 的影响是 微弱的 ，求 温度时入 口的边界条件可以处理得 比较 随 意 。 3 结 论 根据前面的计算结果，可以得到以下结论 1 温 升随载荷 的增加 同步提高。 2 油膜中部的温升小于上下表面处的温升。 3 上游温升对 承载区温升 的影 响是微弱 的。 参考文献 【 1 】 温诗铸． 摩擦学原理[ M] ． 北京 清华大学出版社， 1 9 9 1 ． 【 2 】L i u Y u c h u a n ， Wa n g Q J a n e ， B a i r S c o t t ， e t a 1 ． A Q u a n t i t a t i v e So l u t i o n f o r t he F ul l S h e a r Th i n n i n g EHL Po i n t Co n t a c t P r o b l e m I n c l u d i n g T r a c t i o n [ J ] ． T r i b o l l e t t ， 2 0 0 7 ， 2 8 2 I 7l一1 81． 【 3 】陈皓生 ， 李永健， 陈大融， 等． 规则形貌作用下非牛顿流 体润滑的数值分析 [ J ] ． 机械工程学报， 2 0 0 7 ， 4 3 8 485 2． 【 4 】 李朝峰． 基于多重网格技术的线接触热弹流润滑数值分 析[ D] ． 太原 太原理工大学 ， 2 0 0 5 ． 【 5 】 温诗铸 ， 杨沛然． 弹性流体动力润滑[ M] ． 北京 清华大 学 出版社 ， 1 9 9 2 ． 【 6 】 杨沛然． 流体润滑数值分析[ M] ． 北京 国防工业出版 社 ， 1 9 9 8 ． 8 7 6 5 4 3 2 l O 一 卜 s ． n 目 _【