基于位置控制的电液伺服弹簧疲劳试验台液压系统仿真研究.pdf

2 0 1 4年 4月 第4 2卷 第7期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAULI CS Ap r ． 2 0 1 4 Vo 1 ． 4 2 No ． 7 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 0 7 ． 0 2 4 基于位置控制的电液伺服弹簧疲劳试验台液 压 系统仿真研究 周恩涛 ，林君哲 ，乔建基 ，丛炬 日 1 ．东北大学机械 工程与 自动化学院，辽 宁沈阳 1 1 0 0 0 4； 2 ．宝钢工程技术集团有限公 司，上海 2 0 1 9 0 0 摘要在大弹簧疲劳测试中，电液伺服疲劳试验台是最为常用的设备。电液伺服疲劳试验台的性能主要取决于液压系 统和控制系统性能的好坏。从液压伺服系统的设计计算人手，采用传递函数的方法建立了液压系统的模型。设计一种基于 遗传算法的模糊控制器，将模糊控制与遗传算法结合起来 ，弥补了常规凭经验来确定隶属函数的粗糙方法的不足。 关键词疲劳试验台；电液伺服系统；模糊控制；遗传算法 ；MA T L A B 中图分类号 T H 1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 7 0 9 0 3 Si mu l a t i o n Re s e a r c h o n El e c t r o Hy dr a uli c S e r v o Fa t i g ue Te s t i ng Be d Hy d r a ul i c S y s t e m Ba s e d o n Po s i t i o n Co n t r o l Z H O U E n t a o ，L I N J u n z h e ，Q I A O J i a i ，C O N G X u a n r i 1 ． S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n gA u t o m a t i o n ，N o r t h e a s t e r n U n i v e r s i t y ， S h e n y a n g L i a o n i n g 1 1 0 0 0 4， Ch i n a； 2 ． B a o s t e e l E n g i n e e ri n gT e c h n o l o g y G r o u p C o ． L t d ． ，S h a n g h a i 2 0 1 9 0 0，C h i n a Ab s t r a c t T h e e l e c t r o h y d r a u l i c s e r v o s p ri n g s f a t i g u e t e s t i n g ma c h i n e i s t h e mo s t p o p u l a r e q u i p me n t i n s p ri n g s f a t i g u e t e s t ． T h e p e r f o r ma n c e o f t h e t e s t i n g ma c h i n e w a s ma i n l y r e l i e d o n t h e p e rfo rm a n c e o f h y d r a u l i c s y s t e m a n d c o n t r o l s y s t e m． S t a r t i n g w i t h t h e c o m p u t a t i o n a n d d e s i g n o f h y d r a u l i c s e r v o s y s t e m， t h e mo d e l 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 b u i l t b y u s i n g t h e me t h o d o f t r a n s f e r f u n c t i o n s ． A f u z z y c o n t r o l l e r b a s e d o n g e n e t i c a l g o ri t h m G A i s d e s i g n e d f o r c o m b i n i n g t h e f u z z y c o n t r o l a n d G A，w h i c h r e me d i e s d e f i c i e n c y o f a k i n d o f r o u g h me t h o d t h a t u s u a l l y c o n f i rm s t h e me mb e r s h i p f u n c t i o n a c c o r d i n g t o e x p e r i e n c e ． Ke y wo r d s F a t i gu e t e s t i n g ma c h i n e ； E l e c t r o h y d r a u l i c s e r v o s y s t e m； F u z z y c o n t r o l ； G A ； MAT L AB 圆柱螺旋弹簧是铁路车辆的重要部件，对整个 车辆起着减震和支撑的作用。由于铁路车辆的弹簧 工作的条件复杂 ，它的失效方式也多种多样 ，其 中 主要有 断裂失效 和应力松 弛失效 两大类 ，约 有 8 0 ％ 失效破坏是由于弹簧疲劳引起 的⋯。因此，对车用 弹簧进行有效精确的疲劳试验显得非常重要 。所 以 设计出合理的机械结构，能够实现多种速度和位移 的弹簧疲劳试验的设备，符合我国试验机研究发展 方 向 。 1 系统原理设计 根据实验 台工作情况 ，提出的设计要求 为 试验波形为正弦波；振幅 1 0 m m；工作频率 2 0 H z ；持续工作时间大于3 0 0 h ；弹簧质量 5 0 k g ；弹簧 变形最大处 的弹力 1 2 0 0 0 N。 由上述设计要求可以看出，这是一个以位置控制 为主的液压伺服系统。系统的控制功率不大，且液压 缸的行程也很小 ，所 以采用伺服阀控液压缸系统来实 现动作要求。液压系统包括主动力源、控制动力源、 伺 服阀控制液压缸 、蓄能过滤 部件组 和油 箱及 附件 。 其工作原理如图 1 所示。 系统设计 的特点 是 系统具 有 低压 启 动保 护 系 统，防止油泵启动时产生的瞬时高压对系统造成巨大 的液压冲击 ，延长系统的使用寿命，同时设有高温报 警、最低液位报警、滤油器污染堵塞报警 ，保证整个 液压源系统的工作安全可靠地运行 。 取 系统工作压力 P 1 0 M P a 。通过相关计算得到 液压缸的尺寸，液压缸内径为 D 5 0 m m；活塞杆直 径为 d 2 5 m m。当液压缸以最大速度 V m a x 运动，考虑 最大流量，按照无杆腔受控，需要提供的流量 q ⋯， 即伺服阀的最大负载流量为 1 6 3 L ／ m i n 。系统选用泵 的流量为 8 4 L ／ m i n ，其余流量由蓄能器供应。 收稿 日期 2 0 1 3 0 3 2 7 基金项 目国家自然科学基金资助项目 5 1 0 7 5 0 6 2 作者简介周恩涛 1 9 5 6 一 ，男，教授，主要研究方向为液压传动与控制。Em a i l j z h l i n ma i l ． n e u ． e d u ． c n 。 第 7期 周恩涛 等基于位置控制的电液伺服弹簧疲劳试验台液压系统仿真研究 9 1 以 , B p K 1 ，且 1时，得到阀芯输入位移和 一㈩ 莉 P ￡ 一 鲁 s 2 _ _4 hs 2 图2 对称阀控非对称液压缸动力机构原理图 2 ． 2 其他环节模型的建立 位移传感器选用的 R H系列高精度位移传感器。 传感器的频宽比系统的频宽大很多 ，因此传感器的传 递函数可以近似按比例环节来考虑。其传递函数为 UK f X 3 其实伺服放大器就是高输出阻抗的电压与电流转 换器，其动态响应比伺服阀响应高得多，固有频率也 大于液压缸固有频率， 所以把放大器看作比例环节，则 ， K a U 4 由于伺服阀的频宽与系统的液压固有频率相差不 大，伺服阀传递函数一般可近似地作为二阶振荡环节 几 K s⋯ G s 了‘ 5 竺 1 t O 本系统采用的阀控非对称液压缸 ，则系统在运动 方向发生变化时，系统的模型不同，由上述各式可以 得到液压缸活塞正反方向运动时的阀控非对称液压缸 的模 型方块 图，如图 3 所示 。 a v 0 b 0时，系统的开环传递函 G s H s 1 0 0 ．1 3 s 0 ．5 6 毒 一 2 6 当 0 ，建立相应的仿真框 图如 图 4所示。 得到系统的仿真曲线如图5所示。 l 2 l0 8 2 6 4 2 0 图 4 液压 系统仿真框 图 f ， m s t ／ m s a 正 弦响 应 曲线 b 阶 跃 响应 曲线 有 干扰 输 入 图5 基于遗传算法模糊控制响应曲线 通过图5 a 可以看出，遗传算法修正模糊控 制隶属度函数后 ，正弦输入仿真结果显示响应曲线 很理想 ，幅值基本没有衰减 ，响应的速度也非常快 ， 能够很好的满足系统的设计要求。在系统 6 5 m s 处加 上一个外干扰力，从图 5 b 可以看出，经过遗传 算法修正后 的模糊控制有较强的鲁棒性 。系统响应 速 度也比较快，基于遗传算法的模糊控制效果较为理 想 。 4结论 通过系统的对 弹簧疲劳试 验 台的负载 特性分 析 ， 得出在系统 含有大 弹性负载 时，在 当弹簧刚度远小于 液压弹簧刚度时，阀控缸系统的传递函数的形式与一 般只受惯性 负载的系统是相似 的，弹性负载的主要影 响是一个惯 性环节代替无 弹性负载 时液压缸 的积分环 节。通过设计基于遗传算法的模糊控制器对系统进行 校正。仿真结果表明基于遗传算法的模糊控制实现 了疲劳实验台快速 、稳定 的性能要求 ，并且有很好 的 下转第 9 8页 9 8 机床与液压 第 4 2卷 实验过程中得到的数据保持一致。实验过程中随机因 素的影响导致曲线并不光滑。 2 ． 4 加工电流对凹坑形貌的影响 虽然放电电压和放电电流都对加工质量有影响， 但理论分析认为，在加工过程 中，电压比较小 ，变化 也不大 ，对加工的影响有限 ，而之所 以可 以在短时 间 内释放出大量能量 ，应该是加工电流起的作用。因 此，在实验中，规定脉宽为2 0 s 时，探讨加工电流 和凹坑直径的关系。通过数据的采集以及运用 Ma t l a b 分析，如图 6 所示 ，伴随着加工电流的加大，凹坑深 度也急剧增加，与图4相比发现，在凹坑深度变化的 过程中，加工电流的作用更为显著 ，这与理论假设相 吻合。但是，凹坑直径并 不是与电流大小呈正比例目 关系 ，而 是 电流越 大 ，曲 线斜率反而下降，主要是 暴 超声振动的空化作用，对 蔷 形成的凹坑外延有一定的 清洗作用 ，使得凹坑深度 变 小 ，外 形 更 加 规 则 ， 从而使得表面粗糙度降低 了。 2 ． 5 脉宽对凹坑形貌的影响 从 图 7 中 可 以 看 出 ， 脉宽对 凹坑 的影 响是 很 明 显 的。因为 脉 宽 的大 小 直 接影 响着加 工 区能量 的 释 放，因此，当脉宽 比较小 时，能量比较小 ，材料的 主要去除以熔化去除为主， 凹坑小 ，表 面 比较规 则； 当脉宽较大时，加工时释 放 的能 量 比较 多 ，材 料 主 平均 电流 ， ／ A 图 6 加工 电流对 凹 坑形貌的影响 眵坑深度 分析值 _- 表面粗糙度 实验值 图7 脉宽对凹坑 形貌的影响 皇 毪 ≈ 黛 陋 锵 6 g 5 4 囊 3喧 懈 2 要以汽化方式去除，不断溅射出来，导致凹坑直径 比 较大，工件表面不规则，粗糙度高。之所以在脉宽变 大以后 ，直线曲率变小，是因为超生振动的作用。超 声振动可以起到搅动工作液的流动，使得释放的能量 可以尽快的传递出去 ，减少能量的聚集，对凹坑的规 则分布起到一定的作用。 3结论 通过 A N S Y S软件 对超声 电火花加工 4 5号 钢的温 度场分析， 发现加工表面质量与功率密度、脉宽和加 工电流成线性关系；实验得出，峰值电流和脉宽是决 定加工表面质量的两个主要因素。分析结果得到了实 验数据的支持。因此，温度场的模拟分析 ，对 4 5号 钢的超声电火花加工具 有一定 指导 意义 。 参考文献 【 1 】 王爱玲 ， 祝锡晶， 吴秀玲． 功率超声振动加工技术[ M] ． 北京 国防工业出版社， 2 0 0 7 ． 【 2 】T S U K A H A R A H， MI N A MI H， M A S U I K， e t a 1 ． S u r f a c e Mo d i fi c a t i o n o f t a n i u m U s i n g E D M P r o c e s s[ J 1 ． J o u r n a l of t h e J a p a n S o c i e t y o f E l e c t r i c a l Ma c h i n i n g E n 6 n e e ， 1 9 9 9 ， 3 3 7 4 91 5 ． 【 3 】 祝锡晶． 超声光整加工及表面成型技术[ M] ． 北京 中国 科学文化出版社 ， 2 0 0 5 2 0 2 5 ． 【 4 】王家宝． 超声波清洗工艺的原理及应用 [ J ] ． 柴油机设 计与制造 ， 2 0 0 6， 1 4 4 3 6 3 8 ． 【 5 】 李明辉． 电火花加工理论基础[ M] ． 北京 国防工业出版 社 ， 1 9 8 9 ． 【 6 】 孟庆国， 王刚， 赵万生． 混粉电火花加工温度场的计算与 分析[ J ] ． 电加工与模具， 2 0 0 0 2 4 6 ． 【 7 】 黄志刚， 郭钟宁． 单脉冲电火花加工温度场的有限元分 析[ J ] ． 广东工业大学学报， 2 0 0 2 ， 1 9 4 3 8 4 3 ． 【 8 】张建华． 精密与特种加工技术[ M] ． 北京 机械工业出版 社 ， 2 0 0 3 3 0 3 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