高压伺服控制脉冲试验台液压系统设计.pdf

Hv d r a u l i c s Pn e uma t i c s S e a l s ／ No ． 9． 2 01 2 高压伺服控制脉冲试验台液压系统设计 王 双 ， 邓 乾坤 ， 张 斌 浙江大学 流体动力与机电系统 国家重点实验室 ， 浙江 杭州 3 1 0 0 2 7 摘 要 液压 系统在工作 的时候承受的压力脉冲严 重影 响着液压元件 的寿命。 该文设计 了一种压力脉冲试验台模 拟飞机液压系统液压 缸所承受 的 T型压力脉 冲， 采用伺服 阀对液压缸进油腔压力直接进行 控制 ， 以确保试验 曲线 的准确性。 建立 了 A ME S i m仿真模 型， 并通 过仿真分析影响脉 冲曲线的因素 ， 验证了系统的正确性 ， 为试验台的合理搭建提供支持 。 分析和仿真表 明 压力脉 冲的上升速率与伺服 阀的瞬时通流能力直接相关。 关键词 压力脉冲； 液压试验台 ； T型波 ； 仿 真 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 2 0 9 0 0 2 1 0 4 Th e Hy d r a u l i c S y s t e m De s i g n o f Hi g h Pr e s s u r e S e r v o c o n t r o l Pu l s e Te s t Be d W AN G s h u a n g ， D E NG Q 一 k u n ， Z H AN G B i n T h e S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f F l u i d P o w e r T r a n s m i s s i o n a n d C o n t r o l ， Z h e j i a n g U n i v e r s i t y ，H a n g z h o u 3 1 0 0 2 7 Ab s t r a c t P r e s s u r e p u l s e o f h y d r a u l i c s y s t e m h a s g r e a t i n fl u e n c e o n t h e l i f e o f h y d r a u l i c c o mp o n e n t s ． I n t h i s p a p e r , a p r e s s u r e p u l s e t e s t s t a n d i s d e s i g n e d t o s i mu l a t e t h e t r a p e z i u m p r e s s u r e p u l s e i n a i r c r a f t h y d r a u l i c c y l i n d e r wh e n a t wo r k ．A s e r v o v a l v e i s u s e d d i r e c t l y t o c o n t r o l t h e p r e s s u r e t o e n s u r e t h e a c c u r a c y o f t e s t c u r v e ． T h e s i mu l a t i o n mo d e l i s b u i l t b y u s i n g AME S i m t o v e ri f y t h e r e l i a b l e o f d e s i g n e d h y d r a u l i c s y s t e m． T h e e ff e c t s o f i mp o r t a n t p a r a me t e r s we r e d i s c u s s e d wh i c h c a n p r o v i d e g u i d a n c e t o t h e p r e s s u r e p u l s e t e s t b e d ． I t s h o ws tha t t h e r i s e r a t e o f t h e p r e s s u r e p u l s e c u r v e h a s c l o s e r e l a t e d t o t h e i n s t a n t a n e o u s fl o w c a p a c i t y of t h e s e r v o v a l v e ． Ke y wo r d s p r e s s u r e p u l s e ； h y d r a u l i c t e s t b e d； t r a p e z i u m wa v e ； s i mu l a t i o n O 引言 液压系统在工作的时候 ， 由于液压阀的开关 、 液压 泵的起停 、 负载的变化而产生严重的液压 冲击 ， 其强度 往往数倍高于系统工作压力 ， 轻则影响元件寿命 ， 重则 基金项 目 国家 自然科学基金 5 1 0 0 5 2 0 0 收稿 日期 2 0 1 2 0 6 0 8 作者 简介 王双 1 9 8 8 一 ， 男 ， 陕西西安人 ， 在读博士生 ， 研 究方 向为电液 控制 、 液压元件 。 一 一 导致管路断裂 、 元件失效等等 。所以对于一些重要的元 件国家标准规定在使用前必须完成脉冲试验。我国的 压力脉冲试验还处在起步阶段 ， 直至 1 9 9 9年才颁布相 应的标准。 液压缸作为液压传动系统 中的重要元件 ．其元件 性能和寿命直接影响着整体系统 的可靠性。现今国内 存在 的液压缸 高压力脉 冲试验 台多为采用增压 缸方 案 ， 这种系统虽然能够在压力上达到要求 ． 但是其脉冲 【 2 】 刘芙蓉， 陈辉． 自主式 水下潜 器研究开发 综述【 J ] ． 舰船科 学技 术， 2 0 0 8 ， 5 ． 【 3 ] H e a l e y A J ， G o o d M R ．T h e N P S A U V I I A u t o n o m o u s Un d e r w a t e r Ve h i c l e T e s t b e d De s i g n a n d E x p e rime n t al V e ri fi c a t i o n [ J ] ．N a v a l E n g i n e e r s J o u r n a l ，1 9 9 2 ， 3 ． [ 4 ] G l e g g S A L ， O l i v i e r i M P ， C o u l s o n R K ，e t ， a1 ．A P a s s i v e S o n a r S y s t e m B a s e d o n a n A u t o n o m o u s U n d e r w a t e r V e h i c l e [ 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 ri n g ， 2 0 0 1 ， 4 ． 【 5 ] 王晓 鸣， 王树新． A U V水下着陆策 略研 究[ J ] ． 机器人， 2 0 0 8 ， 4 ． [ 6 ] 宋保维， 朱信尧． U U V海底停驻策 略及 其关键技术[ J ] ． 鱼雷技 术， 2 0 1 0 ， 6 ． 【 7 】 张宇文． 鱼雷 外形设计【 M 】 ． 西安 西北 工业 大学 出版社， 1 9 9 8． 一‘- 【 8 】 杨曙东， 何存 兴． 液压传动与气压传动【 M】 ． 武汉 华中科技 大学 出版社． 2 0 0 8 ． 【 9 ] 丁意， 赵克定， 于金盈． 双缸 同步控制系统 的研究[ J 】 ． 流体传动 与控制． 2 0 0 7 ， 2 ． 【 1 0 ] 臧克江． 液压缸[ M] ． 北京 化学工业 出版社， 2 0 1 0 ． [ 1 1 ]李 静 明， 邓 海顺 ． 液 压 缸结 构及 设 计 【 J J ． 煤 矿机 械， 2 0 0 9 ， 9 ． [ 1 2 ]于贵文， 臧克 江， 林晶． 双 作用多级液压缸 的设计 【 J 1 ． 中国工程 机械学报 ， 2 0 0 7 ， 4 】 ． [ 1 3 】 周恩涛． 液压系统设计元器 件造型手册[ M】 ． 北京 机械工业出 版社 ． 2 0 0 7 ． [ 1 4 】国家机械工业 局西安微 电机所． 实用微 电机手册[ M I ． 沈阳 i ／ 宁科学技术出版社 ． 2 0 0 0 ． 21 液 压 气动 与 密 封 ／ 2 0 1 2年 第 9期 周期受到限制 ，压力上升速率也会 因增压缸的影响而 变慢 。而且 ， 对于曲线的精确控制难度加大 ， 脉冲波形 也会受到影响。选择增压缸方案是在伺服 阀元件不能 同时满足大流量和高压力 的情况下的一种替代方案 。 本系统根据最近伺服技术的发展 ，选择了压力等级可 到 5 0 MP a ，额定流量可达 2 0 0 L ／ m i n的伺服阀来控制液 压缸进油腔压力曲线的上升速率和波形的稳定。本系 统的研发 ．对于国内压力脉冲试验台的技术发展具有 重要 的意义 。 1 系统组成与工作原理 本系统液压部分原理 图如图 1所示 ，本系统用于 对液压缸进行压力脉冲循环试验 ， 主要系统元件包括 主油源 、 控制油源 、 用于控制压力脉 冲曲线的伺 服阀 、 用于提供系统瞬时大流量 的蓄能器 、比例溢流 阀以及 调压溢流阀等安全阀组。压力传感器检测压力信号与 系统设定压力进行 比较 ，通过控制系统控制伺服阀的 开口大小来控制压力曲线。 1 ． 1 系统 工作 过程说 明 脉冲试验时， 打开辅泵 2 ， 将先导油送人伺服阀 1 1 的先导级。打开主泵 1 ， 伺服阀 l l 的先导级左边通电， 先导级带动主阀工作在左位 ，将被试执行器活塞推倒 右端。伺服阀 1 1先导级右边通电， 被试执行缸压力降 到 5 MP a时， 伺服阀 1 1 调整到中位。 此时为压力脉冲试 验预备状态。 l 6 2 1 一 主泵2 一 辅 泵3 一 水冷4 一 溢 流 闽5 一 过滤 器6 一 单 向 脚 7 一 比例溢流 阀8 一 液位计9 一 高压 滤油器 1 O 一 液温计 1 1 - 伺服阀 1 2 一 高压蓄能器 l 3 一 过滤 器l 4 一 截止阀 1 5 一 压力表1 6 一 压力传感器 图 1 压力脉冲试验台原理图 脉冲试验开始时． 溢流阀 7预调压力为 4 2 MP a ， 高 压蓄能器 l 2预冲氮气 ， 高压蓄能器 1 2充油至满 ， 蓄能 器用于提供系统所需瞬时流量 ， 回油路 回油箱。伺服阀 1 l 左边通电，进油压力脉冲增压的速率与伺服阀阀芯 开 口成正 比， 选择合适的开 口以满足升压斜率。当到达 要求的 3 5 MP a ma x 后保持一段时间。然后伺服阀先导 级右端通电， 带动伺服阀阀芯移向右位 。执行器压力下 降速率与阀芯移动成正 比， 完成降压脉冲。当压力降低 至 5 MP a mi n 时 ， 至此完成一个 脉冲周期 ， 伺 服 阀 1 1 回到中位。伺服阀 l 1 再通电， 开始第二个脉冲试验 ， 如 此循 环 。 1 ． 2系统元件参数计算 1 系统工作参数 本 系统采用航 空液压油 Y H一 1 5 ，系统工作 温度 5 0 5 ℃ 。 2 压力脉冲流量计算 设工作频率为 2 H z ， 根据标准脉冲曲线要求 ， 如 图 2所示 ， 标准脉 冲一个周期共分为 5个区域 ， 每个 区域 0 ． 1 s 。脉冲保持段开始前时间为 0 ． 1 6 s 。进油脉冲谷值 5 MP a ， 进油脉冲峰值在 3 5 MP a ， 液压缸容腔为 6 L 。根据 图示得出计算条件如下 一 次循环时I 司的百分比 图 2压 力脉冲试验标 准曲线 p i n 5 M P a ， p 3 5 M P a ， E 7 0 0 MP a ， 因为管路及空 气溶解 ，有效弹性模量选取较小 ，实际应高于这个数 值 ， 满足系统余量要求 ， V 6 L， A T -- 0 ． 1 6 s 。 1 AV A q A T 2 从 1 、 2 中可以得 出 A q 器 3 由 1 一 3 得 A q 器 l _6 0 7 L ／s 9 6 ．4 3 L ／m iT 7 0 0 M P x 0 1 6 s n E △一 a ． “ ‘ “ 考虑到压力飞升速率可调和系统余量的关 系 ， 从 上图所示选取最高的压力飞升速率进行计算 ，压力上 升在 0 ． 1 s内完成， 此时压力飞升速率约为 3 0 0 MP a ／ s 。 A q 2 ． 5 71 L ／ s 1 5 4 ． 2 9 L ／ mi n E△ T 一7 0 0 MP a x 0． 1 s 一 ‘ “ ⋯ 因为伺服阀 口到执行器还有一定体积 ，所 以选择 阀的额 定流量 为 2 0 0 L ／ mi n 。 3 主泵流量计算 根据式 2 ， A V A q △ 考虑到伺 服阀口到液压缸 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ No ． 9 ．2 O 1 2 的距离以及系统存在泄漏等因素。在 0 ． 5 s内体积消耗 为 △ V m a x O ． 5 L 。 所以泵的流量应满足在 0 ． 5 s内将这些油液体积补 充完整的需求 。 Q ≥ 6 0 L ／ m i n , 根据泵型号的选择 ， 选择额 定流量 6 6 L ／ m i n ， 最高输出压力 5 6 MP a 柱塞泵。 4 主泵点击功率计算 主泵最高输出压力为 5 6 MP a ， 最大流量为 6 6 L ／ m i n 则其电机输出功率应为 W p m Q ． ． x 5 6 x 1 0 6 6 6 l O - 3 ／ 6 0 6 1 ． 6 k W 根据泵样本推荐 ， 选择电机功率为 6 5 k W。 5 蓄能器参数计算 1 充气压力。当蓄能器当作辅助动力源或是储能 用时 ， 建议充气压力 p o 0 ． 4 7 p ， 其 中P 为系统最高工作 压力。 取 p z 4 2 MP a po 0 ． 4 7 pz 2 2 ． 0 9 MP a 取 整 ， p o 2 5 MP a 。 2 蓄能器有效排量。假设蓄能器工作最低压力在 4 MP a ， 则p I 4 0 MP a 根据流量的需求 AV ma x O ． 1 6 设蓄能器处在等熵过程中， k 1 ． 4 6L1 ／ 1 1 ／ I r一 ．4 一 ．4 1 一 P 2 1 一 4 0 ／ 4 2 通 过计 算 ， 选 择 蓄能器 为 2个 3 L并 联 。 6 重 要元 件参 数 见表 1 表 1重 要 元 件 参 数 2 A ME S i m液压系统仿 真与分析 2 ． 1 A ME S i m 仿真 模型 与参 数 根据图 1 所示系统原理图． 采用简化模型 ， 简化控 制油路 ，直接使用 A ME S i m元件库中现成的伺服阀模 型 ， 不需要先导油路进行控制。将液压回路左边等效成 一 直接回油箱油路 。压力脉冲试验台在 AM E S i m 中的 建模如图 3所示。 1 一 电机2 一 主泵3 一 过滤器4 一 单向阀5 一 蓄能器6 一 溢流阀 7 一 伺 服阈8 一 液压缸9 一 控制信号 1 O 一 液压油 图 3 压 力脉冲试验台 A ME S i m 模型 在 A ME S i m的 P a r a m e t e r Mo d e模式下 。设置系统 的仿真参数。包括油液性质 、 电机转速 、 泵排量、 溢流阀 开启压力 、 蓄能器参数和液压缸参数 ， 具体参数如表 2 所示 。 表 2 仿真参数设置 根据上面计算可以看出，压力脉冲波形的升压和 降压速率与伺服 阀后 的建压容腔大小直接相关 ，所以 对于伺服阀后 的管路不能简单 的等效成最简模型 ， 要 考虑 到管路 的体积对于压力脉冲波形的影响 。这里将 伺服 阀后的管路内径设为 2 5 m m， 管路容积 0 ． 5 L 。 2 ． 2 AME S i m 压 力脉 冲仿真 与分 析 在 A ME S i m的 S i mu l a t i o n M o d e模式下，设置运行 仿真参数。压力脉冲试验是一个循环的周期性试验 。 往 往试验周期都达万次以上 ，所以对于仿真程序给定周 期性 的信号 。这里选择伺服阀信号源为线性周期信号 源， 仿真系统开环时的压力脉冲能力 ， 验证与标准曲线 的一致性 。取 0 ． 5 s为一个仿真周期 ， 仿真 7个周期 。 仿 真时 长 0 ～ 3 ． 5 s 。 首先 ， 对标准 曲线进行仿真 ， 如图 4所示 ， 第一个 周期因为元件都处于初始状态 ， 从第二个周期开始 。 可 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 2年 第 9期 以达到稳定的压力脉冲曲线 。 4 0 0 3 0 0 - 幽 2 0 0 簦 墓 1 0 0 0 图 4 0 5 1 0 1 5 20 2 5 3 0 3 5 t ／ s 标准压力脉冲波形仿真 图 5是截取了图 4所示的 0 ． 5 ～ 1 ． 0 s 这一周期的压 力脉冲曲线 。 红色曲线是液压缸进油腔压力 曲线 ， 可以 看 出其达到峰值 的时间约为 0 ． 1 6 s ， 压力 3 5 0 b a r ； 压 力 保 持时间约为 0 ． 1 7 s ， 压力保持在 3 5 0 b a r 允许波动在 3 3 6 ～ 3 6 4 b a r ； 压力下降段在 0 ． 3 4 s 下 降到 5 0 b a r附近 ； 其后到 0 ． 5 s 保持在 5 0 b a r附近直至下个周期。与标准 曲线相比较 ， 基本一致 ， 能够满足压力脉冲的要求 。绿 色曲线是蓄能器 的压力变化 ，从 中可以看出蓄能器压 力在 4 0 ～ 4 2 MP a范围内变化 ，压力脉冲的瞬时大流量 主要 由蓄能器提供 ，从 图中可以看 出蓄能器能够在一 个周期结束之前 回到压力设定值 ，保证压力脉冲试验 可以连续的进行下去。蓝色曲线是液压缸进油 口流量 曲线 。其变化规律与液压缸进油腔压力变化的规律相 一 致 。 一液压缸进油腔压力 o _ 蓄能器压力 液压缸进油口流量 一 5 0 0 量4 0 0 g 3 0 0 2 1 o 0 0 0 8 鎏 二 茹- 5 0- 4 0 00 4 5 0 O 4 0 0 舂 3 0 0 出 2 0 0 曩 1 0 0 O 0 ． 5 O 06 O 07 0 0 8 0 0 9 0 l O O 图 5单周期标准压力脉冲波形仿真 压力脉冲试验台压力脉冲的控制与伺服阀的性能 直接相关 ， 伺服 阀的通流能力强 ， 压力脉冲的升压速率 快 ， 相对于标准压力脉冲曲线 ， 图 6所示为压力脉冲曲 线要求 的上限。因为图 6所示压力上升速率大于标准 5 0 0 曼4 0 0 吕 3 0 0 2 1 00 8 。 鼍 趟 翟 是 一 液压缸进油腔压力 液压缸进油 13 流量 图 6最快 升率压力脉冲波形仿真 压力上升速率 ，可以看出液压缸进油口流量峰值大约 在 2 5 0 L ／ m i n 。大于标准曲线液压缸进油 口流量峰值约 1 9 0 L ／ m i n 。 这表明升压速率直接与伺服阀的同流能力有 关。压力脉冲波形的频率和压力峰值 ， 直接与伺服阀的 性能有关 。选择合适的伺服 阀才能合理 的设计压力脉 冲试验系统。 2 小结 本文设计了一种压力脉冲试验台 ，其最高升压速 率可达 3 5 0 MP a ／ s ， 峰值压力可达 3 5 MP a ， 系统瞬时流量 峰值 2 5 0 L ／ m i n ， 属于高压大流量系统 。通过合理的元件 选择采用高压伺服阀的控制直接生成脉冲曲线 ，避免 了采用增压缸方案增加的系统复杂性 ，控制的难度和 对于脉冲曲线的影响。 在 A ME S i m的参数模式下设置不同的伺服 阀的开 口，压力脉冲曲线变化的规律与伺服阀进入液压缸进 油腔 的流量变化相一致。仿真结果与标准 曲线要求基 本一致 ， 证明了设计的准确性 。仿真表明， 提高伺服的 通流能力和工作压力可以提升压力脉冲曲线的压力上 升速率和系统整体 的压力等级。 压力 脉冲试验 台的脉 冲曲线性能与多种 因素有 关 ， 在计算的过程和仿真结果中可以看出， 直接相关 的 物理量包括伺服阀出 口后的容腔的体积 ，油液介质 的 弹性模量和系统的等效弹性模量 ，这是直接决定压力 变化速率和系统最大流量的条件 ；泵的排量以及蓄能 器 的容积大小是系统所需流量的保证 ；要使曲线按照 标准 曲线可控 ，则伺服阀的性能直接影响了压力脉冲 波形 。 参考 文 献 【 1 1 李军， 陈明． 飞机液 压系统的压力 脉冲试验仿真研究 [ J ] ． 系统 仿 真学报 ， 2 0 0 7 ， 2 3 ． f 2 1 李 军， 罗 战强． 基 于 A ME S i m 的液压 系统压力 脉冲模拟 器仿 真『 J ] ． 机床与液压， 2 0 1 1 ， 1 3 ． f 3 】 尚雅层， 来 跃深， 王玉荣． 液压脉冲系统的特征线法研究 [ J ] ． 西 安工业大学学报， 2 0 o 8 ， 6 ． f 4 1 K a m e s w a r a R a o C V ，E s w a r a n K ．P r e s s u r e T r a n s i e n t s i n I n c o mp r e s s i b l e F l u i d P i p e l i n e N e t w o r k s [ J ] ．N u c l e a r E n g i n e e r i n g a n d D e s i g n ， 1 9 9 9 ， 1 8 8 ． 【 5 ] 李军． 飞机 液压系统压力 脉冲试验的机理分 析与控制【 D 】 ． 西 安 西北工业大学 ， 2 o 0 7 ． [ 6 】 付永领， 祁 晓野． A ME S i m系统建模 与仿真【 M] ． 北京 北京航空 航 天大学出版社， 2 0 0 5 ． 【 7 】 G J B 3 8 4 9 9 9 ， 飞机液压作动筒 、 阀、 压力容器脉冲试验要求 和方法【 S 】 ．