电吸盘液压系统设计及动态特性仿真.pdf

2 0 1 1 年 7月 第 3 9卷 第 1 3期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS J u 1 ． 2 0 1 1 Vo 1 ． 3 9 No ．1 3 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 1 3 ． 0 2 4 电吸盘液压系统设计及动态特性仿真 杜建西 ，贾跃虎 ，刘志奇 ，高山铁 1 ．太原科技 大学机电学院，山西太原 0 3 0 0 2 4 ； 2 ． 贵州詹阳动力重工有限公司产品开发研究所，贵州詹阳5 5 0 0 0 6 摘要通过对抓钢机电吸盘液压系统的研究 ，提出一种电吸盘液压系统方案，介绍其结构和工作原理，并结合实例进 行液压系统主要参数的选取和计算；利用 A ME S i m软件进行液压系统的动态特性仿真，仿真结果表明设计的系统可行性强。 关键词电吸盘；液压系统；A ME S i m软件 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 1 3 0 7 8 3 De s i g n a n d S i mu l a t i o n o f E l e c t r i c S u c t i o n Hy d r a u l i c S y s t e m D U J i a n x i ，J I A Yu e h u ，L I U Z h i q i ，GAO S h a n t i e ’ 1 ． T a i y u a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， T a i y u a n S h a n x i 0 3 0 0 2 4， C h i n a ； 2 ． Re s e a r c h I n s t i t u t e o f P r o d u c t D e v e l o p me n t ，Gu i z h o u J o n y a n g Ki n e t i c s C o ． ，L t d ． ， Z h a n y a n g Gu i z h o u 5 5 0 0 0 6．Ch i n a Ab s t r a c t T h r o u g h r e s e a r c h i n g t h e e l e c t r i c s u c t i o n s y s t e m o f h y d r a u l i c g r a s p i n g s t e e l ma c h i n e ，t h e s c h e me o f t h e e l e c t ri c s u c t i o n h y d r a u l i c s y s t e m wa s p r e s e n t e d a n d i t s s t r u c t u r e a n d w o r k i n g p r i n c i p l e w e r e i n t r o d u c e d ．T h e s e l e c t i o n s a n d c a l c u l a t i o n s o f t h e ma i n p a r a me t e r s o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m w e r e e x p l a i n e d b y a n e x a mp l e ． T h e s y s t e m w a s s i mu l a t e d b y AME S i m．T h e s i mu l a t i o n r e s u l t i n d i c a t e s t h a t t h e s y s t e m h a s s t r o n g a d a p t a b i l i t y ． Ke y wo r d s E l e c t r i c s u c t i o n； Hy d r a u l i c s y s t e m ；AME S i m s o f t w a r e 液压抓钢机广泛应用于港口、码头和废钢转运中 心等行业。液压抓钢机的电吸盘系统有蓄电池供电、 外接动力线供电和发电机发电供电三种，而发电机发 电又有液压马达驱动发电机和发动机通过皮带传动驱 动发 电机两种 。由于蓄 电池供 电吸料 速度慢 、外接动 力线供电受场地限制和发动机通过皮带传动驱动发电 机结构庞大和不易控制等 ，所以采用液压马达驱动直 流发电机，采用此方式不仅可直接输出直流电，避免 了整流环节，而且布置灵活、结构紧凑 ，因此具有明 显 的优势 。 1 电吸盘液压系统工作原理 电吸盘液压系统的工作原理如图 1 所示。 图 1 电吸盘液压系统原理图 电吸盘液压系统的工作原理为 1 吸取负载。按下启动按钮，电磁铁通 电， 电磁换向阀 1 0左位和液动换向阀右位 3接入系统 ， 其油路走向为①先导系统先导泵 1 1 一电磁换向 阀 1 0 一液动换向阀3 ；②主系统齿轮泵 2 一液动换 向阀 3 一调速阀 5 一液压马达 6 一油箱 1 。 此时液压 马达 6驱动直流发电机 7发 电 ，直 流发 电机 7输 出 电流经 过控 制柜 8调节 ，输 出 2 2 0 V电 压，供给起重电磁铁 9 ，起重电磁铁 9获得动力后电 吸盘系统开始工作 。 2 卸 载。按 下 停 止按钮 ，电磁 铁 断电 ，电磁 换向阀 1 0右位和液动换 向阀3左位接入系统 ，其油 路走向为 ①先导系统先导泵 1 1 一 电磁换 向阀 1 0 一 油箱 1 ；②主系统齿轮泵 2 一液动换向阀 3 一接 入 主油路一 ⋯⋯ 该系统利用 发动 机提 供 动力来 带 动齿 轮 泵 2运 转 ，齿轮泵 2 输 出的油液进 入液压 马达 6 ，并且 通过 液动换向阀3和调速阀 5 来控制进入液压马达 6 ⋯的 流量，然后液压马达 6驱动直流发电机 7发电，发电 机7输出的电流经过整流柜的调节后供给起重 电磁 铁。为了避免整 流环节和 降低 故障点 ，采用 1 1 k W、1 4 5 0 r ／ m i n的直流发 电机 ；控制柜 8为 电吸盘 系统的控制装置 ，它不仅起到调节电压的作用，还起 收稿 日期 2 0 1 0 0 61 2 作者简 介杜 建 西 1 9 8 5 一 ，男，硕 士，主要 研 究方 向为流 体传 动 与控 制。电话 1 5 1 0 3 4 1 3 9 2 1 ，Em a i l d u j i a n x i 1 9 8 5 0 6 1 0 1 6 3 ． c o n。 第 l 3期 杜建西 等电吸盘液压系统设计及动态特性仿真 7 9 到保护起重电磁铁的作用，使整个电吸盘系统工作时 更 加稳定 。 2 电吸盘液压系统设计 以J Y 4 0 0 G型二节臂式抓钢机为例，介绍电吸盘 液压系统的设计过程。 2 ． 1 电吸盘 系统工作循环 电吸盘通 电一 吸取 负载一 电吸盘断电一 卸载。 2 ． 2 技术参数 1 最大吊举能力 6 5 0 0 0 N； 2 最远抓重能力 9 0 0 0 N； 3 齿轮泵排量 3 0 m L ／ r ； 4 发动机工作转速 1 7 0 0～ 2 1 0 0 r ／ m i n 。 2 ． 3 电吸盘 系统设计 2 ． 3 ． 1 电吸盘选型 抓钢 机抓 载分布图如图 2示 。 图 2 抓钢机抓载分布图 最远 时吊举 能力 G远 G大 6 5 o 0 0 2 2 0 0 0 N 电吸盘的重力 为 m 2 2 0 0 09 0 0 01 3 0 o 0 N 从整机平衡设计角度出发 ，所需电磁铁的相关参 数如表 1 所示。 表 1 电磁铁的参数 特点通 电持续率高，工作时间长，工作效率 高。 2 ． 3 ． 2 电吸盘所需功率 由表 1 可知，电磁铁在热态下所消耗的功率为 8 k W，在冷态下所消耗的功率为4 ． 8 k W，由于电吸盘 工作状态为反复短时工作制 ，电磁铁在通电、断电循 环交替的状态下工作 ，所 以电磁铁所需 的功率介于 4 ． 8 8 k W 之间。为了增大安全系数，作者设定电磁 盘所需 的功率为 8 k W。 2 ． 3 ． 3 直流发电机的参数分析及计算 1 直流发电机的基本方程 ①电压平衡方程式 直流发 电机由液压马达拖 动旋转 ，电枢绕组在磁场中作 切割 磁 力线 运 动 ，产生 感 应 电 动势 E 。 ，当外电路负载接通后 ， 在 电动势 的作 用下 流 过 电 枢 电 流 L，L的方向与 E 一致 ，如 图 3 所示，则电压平衡方程式为 UE 一I R 式中R 为电枢回路总电阻 。 ②转矩平衡方程式 图3 直流发电机 的电压平衡 在正常工作时，发电机由液压马达拖动旋转，这 时液压马达轴上共有 3 个转矩 液压马达的拖动转矩 、发电机的电磁转矩 、空载转矩 ，其中电磁转 矩和空载转矩起制动作用。当发电机稳定运行时，转 速恒定不变，这时的转矩平衡方程式为 T 1T ③功率平衡方程式 从液压马达输入的机械功率 P ，可用下式表示 P l T 1 T ∞ P M 式中∞为角速度 ，P 为电磁功率 ，P 0 为空载损耗。 2 直流发 电机 的损耗分析 P l P M P o P 2 ∑PP 2 P c u f P c PF P P 式中P 为发电机输出的电功率；P ， 为励磁回路消 耗的功率 ；P 为电枢回路总铜损耗 ；P 为铁损耗 ； P 为机械损耗；P 为附加损耗。 为了避免整流环节和降低故障点，选用 1 1 k W、 1 4 5 0 r ／ m i n的直流发 电机。额定负载时，直流发电 机的效率与电机的容量有关 系，取效率 卵 。 0 ． 8 5 。 因为 P2 Pl G 8 k W 所以需要液压马达的输出功率 P 0 P1 O 9 41 kW 2 ． 3 ． 4 齿轮泵与液压马达的参数计算 1 输人参数 齿轮泵传动轴与发动机输出轴通过弹性联轴器连 接 ，转速一致 1 7 0 0～ 2 1 0 0 r ／ m i n ，齿轮泵排量3 0 m L ／ r ，则齿轮泵理论流量 ] q t一V n 3 02 1 0 06 3 L ／mi n q i V n i 3 0 1 7 0 051 L ／ rai n 齿轮泵实际 出 口流量 q 一q t m ． x r ／ 。 6 3 X0． 95 6 ． 7 L ／ mi n q I ll i q t m ln r ／ 。 5 10． 94 5 ． 9 L ／ rai n 8 O 机床与液压 第 3 9卷 其中 。 为齿轮泵容积效率。 由于液动换向阀与液压马达之间增加了一调速阀， 故保证 了液压 马达人 E l 流量恒定为 4 0 L ／ m i n ，另外系 统工作压力为 1 8 M P a ，所以液压马达的输入功率为 P g 1 2 k w 2 输出参数 液压马达输 出功率 P P人 1 20． 8 5 51 0． 2 6 k W 9 ． 41 k W 其中叼 为液压马达的总效率。 液压 马达转速 n1 45 0 r ／mi n 液压 马达转矩 2 ,r m 2 1 4 1 4 5 0 6 ‘ ∞ 3 ． ⋯ ⋯⋯ 由以上分析可知 ，该液压系统完全满足电吸盘的 功率需求。 2 ． 3 ． 5 电吸盘液压系统的效率 液压系统回路效率 p q r l 1 8 4 0 0 ． 8 5 “r ／ c P q mi n 液压 系统效率 0 ． 7 4 5 田 7 ／ 叼 叼 0 ． 7 6 5 0 7 4 5 0 8 5 5 0 4 9 5 式中 。 为液压泵的总效率；叼 为液压系统 回路效 率；叼 为液压马达的总效率。 3 电吸盘液压系统动态特性仿真 3 ． 1 液压 系统仿真模型建立 为了对电吸盘的液压系统进行仿真，作者以A M E S i m软件为平台，其自带的 H C D 库中包含多种液压元 件及流体结构的基本组成元素，可以按照实际情况来 组装所需的特殊结构，提高了设计的灵活性。为了简 化系统模型，更好地模拟电吸盘液压系统的工况，作 者用二位三通液动换向阀代替二位五通液动换向阀， 当电磁铁卸载时齿轮泵不接入主油路，而是直接卸荷， 故在 A M E S i m中建立图4 所示的液压系统模型。 T h n k 图4 电吸盘液压系统仿真模型 3 ． 2 仿真及结果分析 3 ． 2 ． 1 仿真参数 以液压泵 模型 、液动 换 向阀模 型 、调速 阀模 型 、 液压马达模型和旋转 负载模 型构成液压系统 回路 ，通 过调节信号资源通电、断电状态来模拟液压系统负载 变化。 表 2 模 型仿 真参数 阀芯直径／ m m 阀座孔直径／ ra m 弹簧刚度／ N m m 齿轮泵流量／ L m i n 。 。 液压 马达流量／ L rai n 溢流阀调定／ MP a 调速阀流量特性／ L m i n 调速阀对应压降／ MP a 液压油绝对黏度／ 1 0 ～ P a S 环境温度／ ℃ 输入信号通、断电状态如图5所示。 l _ 0． 0 ． 0 ． 0 ． O ． 0 5 1 0 l5 2 O 25 t ， s 图5 输入信号状态 3 ． 2 ． 2 仿真结果分析 取仿真 时 间 为 2 4 s ， 。 前 4 s 二位三通电磁阀处于 1 5 打开状态，后 1 s 二位三通 l 0 电磁 阀关 闭 。取 步 长 0 ． 0 5 ，得到泵 的 出 口压力 p的 图 7为液动换 向阀 A 。 口的输出流量 曲线，在 电 。 吸盘开始通电的瞬间，P’； 3 0 口和 A 口接 通 ，由于 阀 芯 呈2 0 受到瞬间液动力等因素的 1 0 影响，再加上换 向阀两 端 的压差瞬间变化很大，所 以通过阀的流量波动起伏 很大，待系统稳定工作后， 阀芯受稳态液动力和弹性 0 O 0 4●0 ●5 4 4 5 4 5 4 机床与液压 第 3 9卷 图4 系统的主动补偿控制原理 2 ． 3 仿真分析 试验中，神经 网络的隐层到输入层 的初始化 权值的取值如表 1 所示。 表 1 隐层到输入层 的初始化 表 2所示的是输出层到隐层 权值的取值。 表 2 输出层到隐层 的初始化 辨识网A N N的 结 。 卷 构为4 - 5 1 ， 学习 算法 臻 采用 全 解 耦 推 广 的 稔00 ．． 11 42 K a l m a n滤波器学习算 n 0 0 8． 1 法 ，采样 时 间 为 1 s ， o0 ． 00 24 缆 线 初 始 长 度 为 3 0 ．。 薏 统 的 最 辇 图 5 六 自 由 度 平 台 模 精 度 为 2 c m ， 根 据 连 一 最 续 1 O次期 望位置 为 2 0 e m的阶跃响应数据得到的系统重复定位精度为 6 e m。试验结果充分证明了神经网络 P I D控制策略 的有效性 ，完全可以达到系统的要求精度。图5所示 的是在该系统参数要求下神经网络 P I D算法的收敛性 能效果。 3结论 采用神经网络P I D算法对六 自由度试验平台进行 控制是可行的，它充分发挥了神经网络的在线学习能 力和P I D控制的有效性 。通过相关试验 ，表明该控制 算法 的网络结构简单 、算 法收敛快 ，实现 了在线辨识 和控 制 ，具有较高 的控制精度和控制效果。但 是上述 的六自由度平台模拟海浪升沉试验同真实环境是有很 大区别的，试验室的模拟试验为我们以后提高算法的 控制效果提供了很好的平台。在以后的试验中，应该 考虑更 多的干扰 因素 ，因此也需要不断改进算 法 。 参考文献 【 1 】 戴学丰， 边信黔． 6自由度水下机器人运动轨迹滑模控 制[ J ] ． 计算机技术与 自动化 ， 2 0 0 0 2 6 8 7 0 ． 【 2 】李延富， 张奇峰， 封锡盛． 基于水下作业系统阻抗力控制 水下目标定位[ J ] ． 机械设计与制造， 2 0 0 9 1 2 2 2 5 22 6． 【 3 】余成伟， 郭莹． 水下潜器运动控制与仿真研究[ J ] ． 舰船 科学技术， 2 0 0 9 1 1 3 71 3 9 ． 【 4 】T A N G I R A L A S ， D Z I E L S K I J ． A V a r i a b l e B u o y a n c y C o n t r o l S y s t e m f o r a L a r g e A U V J ] ． I E E E J o u r n a l o f O c e a n i c E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 7 ， 3 2 4 7 6 2 7 7 1 ． 【 5】F E R N A N D E Z P R I S U E [ O S J ， D E A N D R E S T O R O B， e t a 1 ． Ge n e t i c P l a n n i n g o f C o n t r o l Ac t i o n s for a Hi g h Ma n e u v e r a b i l i t y A U V[ C] ／ ／ O c e a n 2 0 0 5 E u r o p e ， 2 0 0 5 1 2 2 0 1 2 2 5． 【 6 】J A N T A P R E MJ I T P ， WI L S O N P A． C o n t r o l a n d G u i d a n c e for Ho mi n g a n d D o c k i n g T a s k s U s i n g a n Au t o n o mo u s u n d e r Wa t e r V e h i c l e[ C] ／ ／ I E E E ／ R S J I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e O n I n t e l l i g e n t Ro b o t s a n d S y s t e ms ． 2 0 0 7 3 6 7 23 6 7 7 ． 上接 第 8 0页 力的综合作用， 故在通电状态时流量趋于平稳。 4结论 通过对电吸盘液 压系统 进行 分析 ， 在 A M E S i m平 台上建立了其仿真模型， 仿真结果表明 1 系统刚刚开始工作时液压冲击较大； 2 仿真模型真实地模拟了电吸盘液压系统的工 况 ； 3 基于 A ME S i m模型的仿真为电吸盘液压系统 的设计提供了参考。 参考文献 【 1 】王健 ， 高山铁． 詹 阳J Y 4 0 0 G液压抓钢机[ J ] ． 工程机械 与维修， 2 0 0 3 6 2 4 ． 【 2 】高 山铁 ， 任 贵东． 高 效节能 的新一代 抓钢 机 詹 阳 J Y 4 0 0 G抓钢机[ J ] ． 工程机械， 2 0 0 4 1 3 7 ． 【 3 】刘延俊． 液压与气压传动[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 20 0 2． 【 4 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