后装压缩式垃圾车专用装置液压系统反馈控制仿真研究.pdf

2 0 1 1 年 7月 第 3 9卷 第 1 4期 机床与液压 MACHI NE TO0L HYDRAULI CS J u 1 ． 2 0 1 1 Vo 1 ． 3 9 No ． 1 4 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 1 4 ． 0 2 5 后装压缩式垃圾车专用装置液压系统反馈控制仿真研究 丁继斌 南京工业职业技 术学院，江苏南京 2 1 0 0 4 6 摘要应用 A ME S i m对后装压缩式垃圾车专用装置反馈控制系统进行建模与仿真，对比分析了开环、闭环专用装置的 运动特性。仿真结果表明反馈控制系统可明显改善专用装置的运动状况，为提高专用装置的设计水平提供了参考。 关键词压缩式垃圾车；专用装置；反馈控制；仿真 中图分类号U 2 7 3 ． 9 9 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 1 4- 0 7 2 4 Si mu l a t i o n St u dy o n Fe e db a c k Co nt r o l o f S p e c i a l De v i c e Hy dr a u l i c S y s t e m f o r Ba c k- l o a de d a n d Co mpr e s s e d Re f us e Co l l e c t o r DI NG J i b i n N a n j i n g I n s t i t u t e o f I n d u s t T e c h n o l o g y ，N a n j i n g J i a n g s u 2 1 0 0 4 6，C h i n a Ab s t r a c t Mo d e l i n g a n d s i mu l a t i o n o f f e e d b a c k c o n t r o l o f s p e c i a l d e v i c e h y d r a u l i c s y s t e m f o r b a c k l o a d e d a n d c o mp r e s s e d r e fos e c o l l e c t o r w e r e , c a r r i e d o u t b y AME s i m． Ki n e ma t i c c h a r a c t e r i s t i c s f o r o p e n i n g l o o p a n d c l o s e d l o o p c o n t r o l s y s t e m w e r e c o mp a r e d a n d a n aly z e d ． T h e s i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e f e e d b a c k c o n t r o l s y s t e m h a s g o o d k i n e ma t i c q u a l i t y ． I t p r o v i d e s r e f e r e n c e s f o r a d v a n c i n g the s p e c i al d e v i c e d e s i g n l e v e 1 ． Ke y wo r d s C o mp r e s s e d r e f u s e c o l l e c t o r ； S p e c i a l d e v i c e ； F e e d b a c k c o n t r o l ； S i mu l a t i o n 后装压缩式垃圾车克服了传统垃圾车容量小、可 压缩性差和容易产生飘、洒、撒、漏等二次污染的缺 点 ，集 自动装填与压缩 、密封运输和自卸于一体 ，自 动化程度高，提高了垃圾运载能力 ，降低了运输成 本 ，避免了二次污染，得到了越来越广泛地应用。目 前国产后装压缩式垃圾车的专用装置液压系统的设计 一 般采取仿制、经验取值或测绘的方法 ，限制了产品 整体设计水平的提高。作者通过对 X Z 5 1 1 0 Z Y S型后 装压缩式垃圾车专用装置液压系统进行反馈控制仿真 分析 ，为改善后装压缩式垃圾车专用装置液压系统的 性能、提高该类产品设计水平提供理论依据。 1 专用装置工作过程 X Z 5 1 1 0 Z Y S型后装压缩式垃圾车如 图 1 ，装填 机 构工作原理如图2所示。 1 一推板 油缸卜 举 升油缸3 一刮 板油缸 4 一滑板 油缸5 一滑板6 一 刮板 图 1 x z 5 1 1 0 Z Y S型后装压缩式垃圾车 8 初 始位 置 b 刮 板转 动 c 刮 板 回转 到位 d 滑 板运 动 到 F止 点 e 清 扫 D二 次压 缩 l 一刮 板2 一 滑板3 一刮 板 油缸4 一 滑板 油 缸 图2 后装压缩式垃圾车装填机构工作原理 1 ． 1 装填机构工作过程 装填垃圾时，在液压系统 如图 3所示 的作 用下 ，通过换向阀的换向，实现滑板的升、降和刮板 的旋转 ，控制滑板和刮板 的各种动作 ，将倒人装填厢 装填斗 中的垃圾 通过装 填机构 的扫刮 、压实并压入 车 厢；当压向推板上的垃圾负荷达到预定压力时，由于 收稿 日期 2 0 1 0 0 5 1 7 作者简介丁继斌 1 9 6 6 一 ，男，副教授，研究方向为汽车设计、汽车检测。电话1 3 7 3 9 1 9 7 9 0 0 ，Em a i l d j b 5 9 6 y a h o o ．c o m． c n。 第 1 4期 丁继斌后装压缩式垃圾车专用装置液压系统反馈控制仿真研究 7 3 推板油缸存在背压 ，液压系统会使推板 自动向车厢前 部逐渐移动 ，使垃圾被均匀地压缩 。 l 一举升油缸换向阀2 一推板油缸换向阀3 一滑板油缸换向阀 4 一刮板油缸换向阀 5 _ 一 举升油缸6 一推板油缸7 一滑板油缸 8 一 刮板 油缸 图3 后装压缩式垃圾车专用装置液压系统 1 将垃圾倒入装填器，操纵刮板油缸换向阀， 在刮板油缸的作用下 ，刮板逆时针转动，当刮板转动 到上止点时，回转到位 ，如图2 a 、 b 、 C 。 2 刮板 回转到位后，操纵 滑板油缸换 向阀， 在滑板油缸的作用下 ，滑板向下运动；到下止点时停 止 ，如图2 d ，至此专用装置完成工作准备阶段。 3 反向操纵刮板油缸换向阀，使刮板顺时针 转动 ，刮板开始清扫动作，扒人垃圾并将其初步压 缩 ；当顺 时 针运动 到下止 点 时，停止 运动，如 图 2 e 。 4 反向操纵滑板油缸换向阀，使滑板 向上运 动 ；滑板上升，研碎垃圾 ，对垃圾进行二次压缩 ，如 图 2 f 。 滑板油缸运动 到上 止点时停 止运动 ，滑板上升到 上止点 ，即回到初始位置，装填机构完成一次工作循 环 。 1 ． 2 倾 卸 垃圾 工作过 程 如图 1 、3 ，倾卸垃圾工作过程为 1 操纵举升油缸换向阀，举升油缸将机构升 起 。 2 操纵推板 油 缸换 向 阀 ，推 板 油 缸伸 出，将 推板向车厢后部移动 ，将垃圾推出。 2专用装置滑板运动分析 由上述专用装置工作原理可知，滑板在装填机构 的工作过程中起到对垃圾进行二次压缩的作用 ，其工 作环境相当恶劣 。由于现有专用装置的液压系统为 开环控制系统 ，由人工控制换 向阀的正反向，当垃圾 中存 在一 些不 易被 压 缩甚 至 是不 可压 缩 的硬 质垃 圾 如石块时，滑板将呈现爬行或抖动，严重时硬质 垃圾还会对滑板施加一个突然的反作用力，损坏滑板 和液压系统。当出现滑板爬行 、抖动或不能工作时， 由人发现情况并且操纵换向阀反向或停止运动来排除 故障，大大降低了专用装置使用寿命和工作效率。若 将滑板的工况反馈到液压系统 ，形成闭环控制系统， 则可改善专用装置的工作状况。 对于举升机构的要求是工作平稳且在装填和倾斜 垃圾的过程 中能保持恒定的角度，对推板油缸的要求 是在装填垃圾时能以一定的背压来均匀地压缩垃圾 ， 倾斜垃圾时能迅速地将垃圾推出。在开环系统中，举 升油缸和推板油缸均由人工操纵 ，不可能实现举升油 缸的匀速上升或下降，也不可能使推板在倾斜垃圾时 将垃圾迅速推出。因此，将举升油缸和推板油缸的控 制系统改为闭环控制系统，可改善液压系统的工作环 境，延长元件和系统的使用寿命 。 3 专用装置液压系统 A ME S i m反馈控制仿真 仿真技术已成为工程领域不可缺少的重要设计手 段，它的应用可以大大地缩短产品的开发周期和降低 产品开发的成本，提高产品的竞争力 。文中采用 A ME S i m仿真软件对专用装置滑板反馈控制模型进行 仿真，A ME S i m仿真软件能实现多学科的机械、液压、 控制等领域的建模和仿真，仿真范围广，不同领域的 模块之间可直接进行物理连接，尤其在机械、液压机 械系统的仿真研究方面具有很强的针对性和优越性。 3 ． 1 专用装置液压 系统 A ME S i m反馈控制模型 图4 开环控制液压系统 A ME S i m仿真模型 启动仿真建模软件 A ME S i m，在机械库、信号和 控制库、液压库、液压阀库中选取适当的模型 ，建 立液压系统的开环控制系统 A M E S i m仿真模型 图 4 和闭环控制系统 A M E S i m仿真模型 图5 。根据 专用装置各油缸 的尺寸设置各 尺寸参 数 ，对 刮板 、滑 板和推板均考虑摩擦 ；根据专用装置的实际工作状 况，对刮板在清扫垃圾期间突遇不可压缩物质的工况 进行模拟 ，对 刮板 和 滑板 的运 动施 加 反方 向阶跃 输 入；模拟推板油缸倾斜垃圾时的实际工作状况，施加 斜坡输入 斜率为 一 1 0 ；由于举升机构的质量相对 恒定，模拟举升油缸举升时的实际工作状况 ，施加恒 7 4 机床与液压 第 3 9卷 定输入；刮板、滑板油缸施加加速度反馈信号 ，推板 油缸施加速度反馈信 号，举升 油缸施 加力反馈信 号 。 图 5 闭环控制液压系统 A ME S i m仿真模型 3 ． 2仿真结果与分析 文中模拟 X Z S 1 1 0 Z Y S型后装压缩式垃圾车专用 装置液压系统实际的工作环境，推板油缸和举升油缸 仿真时间为2 ． 5 s ，刮板和滑板仿真时间为0 ． 5 S ；设 置推板油缸和举升油缸仿真通讯间隔为 0 ． 0 0 0 1 s ； 为考察刮板油缸在工作时遇到不可压缩 的硬质垃圾 如石块时的微观工作状态，仿真通讯间隔尽量 小 ，文中设置刮板 和滑板油缸 的仿 真通讯问隔 为 0 ． 0 0 0 01 S 。 3 ． 2 ． 1 刮板油缸运动分析 刮板油缸开环、闭环控制系统位移 、速度 、加速 度 和力仿真 曲线如 图 6 - _ 9示 。模 拟刮板 在扒入 垃圾 的过程 中突遇不可压缩物质的状况 ，向刮板运 动反方 向施 加阶跃信号。 I ． 0 O 8 O ． 6 i o ．4 0． 2 0． 0 ．0． 2 0 ． O 0 0． 1 0 0． 2 O 0． 30 0． 40 0 ． 5 0 t ／ s 图 6 刮板油缸位移 曲线 l O0 8 0 6 -“ 60 备 4 0 2 o 0 ．2 O 0 ． O O 0 ． 1 0 0 ． 2 0 0．3 0 0 ． 4 0 0 ． S 0 t ／ s 图 8 刮板油缸加 速度曲线 0 ． O 0 0 ． 1 0 0 ． 2 0 0 ． 3 0 0 ． 4 0 0 ．50 t ／ s 图7 刮板油缸速度曲线 2 0 ．2 ．4 一6 ．8 ．1 0 图 9 刮板油缸反 作用力曲线 从 图 6 、7可 知 尽管 开 、闭环系统 的刮板 速度 都在震荡后趋于零 ，但开环系统的刮板位移将会有剧 烈起伏 ，在剧烈震动后位移下降到零，而闭环系统起 伏较小，产生微小振幅波动且位移只有微小下降。 由图8 、9可 以看 出 产生上 述震荡 的原 因是 开 环 系统在 向刮板运动反方 向施加 阶跃信号时 ，产生反 方向的力 有 4个大幅震荡 ，对于 闭环 系统 ，经加 速度反馈后 的刮板加速度和力显著下降 ，消除了大幅 震荡现象。这表明开环系统的刮板油缸在阶跃信号下 突遇不可压缩物 质时的状况 将产生 反方 向大 幅冲 击 ，严重时将 损坏刮板 油缸 ，闭环反馈后能消除这一 冲击，延长刮板油缸的使用寿命 ，改善刮板油缸的工 作环境。 3 ． 2 ． 2滑板 油缸运动分析 滑板油缸开环 、闭环控制系统位移 、速度 、加 速 度和力仿 真曲线 如图 l O 一1 3示 。 2 5 2． 0 目1 ． 5 罢1 ．o O 5 0 ． 0 0 ． O 0 0 ． 1 0 0 ． 2 0 0 ． 3 0 0 ． 4 0 0 ． 5 0 t ／ s 20 1 5 一、 1 0 5 邑0 ≈ 5 。1 0 ．1 5 图 1 0 滑板油缸 位移曲线 川 ㈨ 0 ． O 0 0 ． 1 0 0 ． 2 0 0 ． 3 0 0 ． 4 0 0 ． 5 0 t ／ s 0 1 0 0 ． 05 。三 0 ． 0 0 -0． 05 0． 1 0 2． 5 2． 0 1 ． 5 Z 1 ． 0 0 ． 5 0． 0 -0． 5 ．1 ． 0 图 1 1 滑板油缸 速度 曲线 0 ． O 0 0 ． 1 0 0 ． 2 0 0 ． 3 0 0 ． 4 0 0 ． 5 0 t ／ s 图 1 2 滑板油缸加 图 l 3 滑板油缸反 速度 曲线 作用力曲线 由图 1 0 1 2可以看 出 在 刮板 运动 反方 向施 加 阶跃信 号时 ，对 于 开环 系统 ，将 引 起 滑板 的剧 烈 谐 振 ，位移震荡 呈 上 升趋 势 ，速 度 、加 速 度呈 加 大 趋 势，说明开环系统中滑板油缸将产生大幅的冲击；闭 环系统经加速度反馈后 ，位移 、速度和加速度振幅明 显变小且迅速达到稳定 状态 ，对滑板 油缸 的冲击 明显 减弱 。 开环系统 中出现上述现象的原因是 对于开环系 统 ，由于阶跃信号对刮板油缸的大幅冲击 即模拟 刮板在扒人 垃圾 的过 程 中突 遇不 可压 缩 物质 时 的状 况 ，如图8 _ _ 9 造 成 了滑板 力 的谐 振 图 1 3 ；闭 环反馈能 消除谐振现象 ，改善液压系统和滑板油缸 的 ． 有 一 ； 搴 8 6 4 2 0 2 4 6 8 O O 0 0 0 O O 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 - - ． _ 【 - s ． a 第 1 4期 丁继斌 后装压缩式垃圾车专用装置液压系统反馈控制仿真研究 7 5 工作状况。 3 ． 2 ． 3 推板油缸与举升油缸运动分析 推板油缸开环、闭环控制系统位移、速度、加速 度仿真曲线如图 1 4 1 6示 ；举升油缸开环、闭环控 制系统位移仿真曲线如图 1 7示。 2． 0 1 ． S 1 ． o 0． 5 2 o ． o ．0． 5 ．1 ． o ．1 ． 5 图 l 4 推板油缸 位移曲线 30 25 目 2 0 2 1 5 1 0 5 图 1 5 推板油缸 速度曲线 1 ． 0 1 ． 5 2 ． 0 2 ． 5 t l s 图 1 6 推板油缸加 图 l 7 举 升油缸 速度曲线 位移曲线 由图 1 4 1 6 可 看 出 ，压缩 垃圾 时 ，对 于 开环 系 统，尽管设计时系统中推板油缸会产生背压 图3 ， 但在压缩的过程中仍将产生较大的压缩力 ，位移上升 较快 ，使得推杆快速往前移动 图 1 5 、1 6 ，这将使 垃圾车装入的总垃圾量减小 ，影响装填效果。闭环反 馈后的位移曲线斜率明显下降 图 1 4 ，相对速度、 加速度振幅显著减弱 ，说明经闭环速度反馈后，能装 入的垃圾量将增加 ，提高装载效果 ，减小对推板油缸 的冲击 。 对举升机构的要求是工作平稳，由图1 7可看出， 在施加力反馈信号后 ，在开始阶段 ，闭环反馈系统的 举升油缸位移缓慢上升，经压力储备后 ，位移上升相 对较快。这能快速克服初始阶段机构的重力 ；与开环 系统相比较，施加力之后举升油缸立刻产生位移且以 较大斜率上升。通过上述分析可知 ，采用闭环反馈系 统改善 了举 升油缸 的工作状态 。 4结论 1 由刮板油缸和滑板油缸 的运动分析可知， 开环系统在刮板扒人垃圾过程中突遇不可压缩物质 时，刮板油缸将会产生剧烈抖动，滑板油缸将产生谐 振，使液压系统产生剧烈振荡；闭环反馈控制系统在 此工况下经加速度反馈后达到稳定状态、液压系统运 行平稳。因此采用闭环反馈控制系统可明显改善液压 系统工作环境。 2 推板油缸和举升油缸 的闭环反馈控制系统 可增强工作的平稳性和可靠性，提高装载量。 3 在进行垃圾车液压系统的反馈控制设计时， 应根据各油缸的实际工作情况，合理选择反馈信号和 反馈增 益。 4 仿真结果符合实际情况 ] ，为提高专用装 置液压系统元器件的可靠性和改进液压系统提供了理 论依据 。 参考文献 【 1 】 方昌林． 液压、 气压传动与控制[ M] ． 北京 机械工业 出 版社 ， 2 0 0 1 ． 【 2 】丁继斌． 基于 A M E S i m垃圾车刮板操纵系统仿真研究 [ J ] ． 专用汽车， 2 0 0 9 1 1 P 5 3 5 5 ． 【 3 】丁继斌． 后装压缩式垃圾车实验研究[ J ] ． 机械工程师， 2 0 0 5 1 0 6 5 6 7 ． 【 4 】 付永领 ， 祁晓野． A M E S i m系统建模和仿真 从入门到精 通[ M] ． 北京 北京航空航天大学出版社 ， 2 0 0 6 ． 【 5 】丁继斌． X Z 5 1 1 0 后装压缩式垃圾车专用装置优化设计 [ J ] ． 机械制造与 自动化 ， 2 0 0 3 6 2 8 3 1 ．