液压盘式刹车的响应特性及其优化.pdf

l 匐 化 液压盘式刹车的响应特性及其优化 Respons e char act er i s t i c of h ydr aul i c di s c br ake and i t s opt i m i z at i on 陈博，兰辉敏，谭亮 CHEN Bo ，L AN Hu i ． mi n ，T AN L i a n g 兰州理工大学 机电工程学院，兰州 7 3 0 0 5 0 摘 要针对目前液压盘式刹车在调节制动力的过程中还存在响应滞后等问题，对液压盘式刹车的响应 特性进行了优化研究分析了钻进作业时液压盘式刹车工作制动工况 。建立了制动力控制系 统的数学模型 ，研究了影响响应特性的参数并提出优化方案。在M A T L A B ／ s i m u I l n k 中对优化 前后的系统做仿真试验并对比了优化前后的响应特性。仿真结果表明优化后系统响应特性 提高了4 3 ％，响应特性明显改善，响应滞后得以解决。 关键词 液压盘式刹车；制动力矩；响J 亚 特性 ； 优化 中圈分类号T H 1 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 9 -0 1 3 4 2 0 1 4 0 9 下 -0 0 3 3 -0 4 D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． I s s n ． 1 0 0 9 - 0 1 3 4 ． 2 0 1 4 ． o 9 下 ． 1 0 0 引言 液压盘式刹车技术是上世纪 8 0 年代发展起来 的四大钻进装备新技术之一n 。液压盘式刹车的性 能对于保证钻进作业安全及钻进质量 ，满足钻进 工艺需要，提高经济效益起到重要作用 ；尤其是 近年来 ，随着油气勘探开采 的难度加 大及 自动化 钻进技术 的发展 ，刹车 系统 的性能 在钻进作 业中 所起 的作用越来越重要 。目前国内外重型钻机全 部要求配备盘式刹车 ，部分已使用中的钻机也要 求 由原来的带式刹车改装为盘式刹车 。液压盘式 刹车性能的核心是工艺特性u ，其主要指标之一是 响应特性 。国 内已对液压盘式刹车的响应特性进 行了一定的研究 ，但其在钻压 、钻速等的调节 过程 中还存在着响应滞后问题I ，导致钻井过程 中 易 出现溜钻 、制动冲击 、钢丝绳易损坏 等现象 。 因此需对响应特性做进一步研究 ，以改善 响应特 性并解决响应滞后 问题 。本文建立 了液压盘式刹 车制动力控制 系统的数学模型 ，优化研 究系统 响 应特性后得到 了优化设计方案 ，对 比系统优化前 后的响应特性以判别优化效果。 1 液压盘式刹车系统 1 ． 1液压盘式刹车工作制动工况分析及油压变化 液压盘式刹车有 以下 四种 功能紧急制动 、 工作 制动 、驻车制动和防碰天车制动u ⋯ 。钻进作 业 中的钻压与钻速调节是靠工作制动完成 的。从 钻进动力学分析可知钻进过程要经历加速 、匀速 和减速三个 几段 。从而在钻进过程 中，当钻速或 钻 压过 大 时 ，需增 大 制动 力矩 ，减小 钻速 或钻 压 ，称为工作 紧刹制动 ；当钻速或钻压过小 时， 需减小制动 力矩 ，增大钻 速或钻压 ，称 为工作松 刹制动 ；当钻速 和钻压 与期 望值相 等时，需保持 制动 力矩 不变 ，保持钻 速和钻压 不变 ，称 为工作 固刹制动 。综上 ，工作 制动 在钻进过程 中有以上 三个工况 ，下文简称为紧刹、固刹及松刹工况 。 液 压 盘式 刹 车 系统 由制动 执 行机 构 、 液压 站 、控制 台等组成 ，制动执行机构包括工作钳 、 安全钳 、钳架和刹车盘 。其 中调节工作制动 力的 控 制 系统 由放 大器 、比例 减压 阀、单 作用 液压 缸 、工作钳 等构 成，是一个开环控制 系统 ；通过 控制流入或 流出液压缸液压 油油压实现对工作制 动 力 大小 的调 节 。工 作钳 开 始产 生制 动力 的 瞬 间，刹车块与刹车盘 间隙为0 ，此时液压缸柱塞的 位移、速 度及加速度均为0 ，液压缸为容积不变的 密闭容腔 。当有油液流入 该容腔时，容腔 内油液 被压缩 引起 油压升 高；当有油液流出该 容腔 时， 容腔 内油液膨胀 引起 油压 降低。紧刹工 况下 ，油 压增大 ；松 刹工况下 ，油压减小；固刹 工况下 ， 油压 不变 。在整个工作制 动过程 中，油压在最小 油压P 和最大油压P 一 间变化 。 1 ．2液压盘式刹车数学模型 液压盘式刹车 的响应特性 是指制动 力跟随司 钻操作的性能⋯。盘式刹车响应特性的优化研 究主 要是对制动力调节 系统快速性 的优化研究 ，也 即 收稿日期2 0 1 4 - 0 4 -2 1 作者简介陈博 1 9 6 5一，女，硕士，高级工程师，研究方向为机械设计理论及机电一体化技术。 第3 6 卷第9 期2 0 1 4 0 9 下 【 3 3 】 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 匐 化 提高快 速性 缩短调节 时间，但调节时 间也不能太 小 ，否则会使给定控 制信号调节范 围变 窄。调节 制动力 大小的控制 系统 的输入是给定 电压信号或 刹把转 角，输 出是制动力矩 。当要研究单输入输 出系统 的快速性时 ，数学模型采用传递 函数表达 式 比其他方法更方便 。液压缸输 出力通过杠杆 传递给 刹车块产生正 压力，进 而产 生制动 力矩 ； 从液压缸输 出力到制动 力矩 只有 比例环节H ，不 会加快或变慢控制系统的快速性 ，因此将液压缸 输 出力作 为 系统 的输 出不 会对 响 应特性 产 生影 响，同时可简化传递 函数 的形式 。根据工作制动 工 况分 析可知固刹工 况下 油压不变 ，没有快速性 要求，因此研 究液压 盘式刹车 的响应特性 只需得 到紧刹工况和松刹工况下系统传递函数。 1 放大器传递函数 旦 1 一 ＼ ‘ ， H 。 式中G为放大器的输 出，A H为放大器的 输入，V；l a 为放大器增益 。 2 比例减压阀传递 函数 工程中使用的比例减压阀数学模型通常为二 阶 系统模型 ，计算 简便且准确性好 。传递 函数 形式如下 鲁 2 G s 1 i ∞ p 玎 式中K 为 比例减压阀的增益系数 ，m／ A； ∞ p n为 比例减压 阀的固有频率，r a d ／ s ； 为 比例减 压阀的阻尼比。 3 液压动力元件方程 液压盘式刹车 的动力元件是比例减压 阀控制 单作用液压缸 ，可简化为三通阀控单作用缸 。连 接比例 阀与液压缸的液压软管一般长 1 0 m～ 1 5 m。 根据管路动态影响判据阻 ，可将此处软管看成集 中参数处理 只考虑管路的液阻和容腔效应 ，忽 略压 力波传播时间的影响 。假设 负载为质量、弹 性 和阻尼 ，同时忽略非线性负载 ，如库伦摩擦力 等。则紧刹工况下 ，液压动 力元件的动态可用下 面五个方程表示 一 3 P 十 4 s pL 5 【 3 4 l 第3 6 卷第9 期2 o 1 4 - o 9 下 Ci p PL V l 7 式 中Q 为比例减压 阀出油 口流量，m3 ／ s ； 为流 量增 益 ，m ／ s ；K 为 流量 一 压 力 系数 ，m ， N S P 为 比例减压阀出 口压 力，P a ；P 为负载 压力 ，P a ；QL 为负载 流量 ，m ／ s ；RH 为 液阻 ， 1 2 _ 8 ／ a l ， 为粘性 系数 ，l 为管路长度，d 为管 ～ 冗d ’ Af A| d 路直径 ；C 为液容 ， i ，A为内截面 l 积， 为管壁厚，E 。 为管路弹性模量 ；C i p 为液压缸 内泄漏 系数，m ／ N S ；V为密闭容腔容积 ，m ； E为有效体积弹性模量，P a ；A， 为柱塞有效工作面 积，m ；K为负载弹簧刚度 ，N／ m；L 为刹车块与 刹车盘问隙为0 时复位弹簧的伸长量 ，m。 综上 ，紧刹工况下 系统传递函数为 。 曼 H 8 式 中 Kt 为 系统增益 ， ； T 为时间常数 。 紧刹工况下，系统方框图如图1 所示。 A lx XN c K ． R X ⋯ 十 - c ． e E 『 f 1 ． ．． ] ⋯ 类似地，可得松刹工况下系统方框图，如图2 所示。 嘉 图2 松刹工况下制动力调节控制系统的方框图 2 系统优化研究及液压缸输出力响 应曲线 2 ． 1系统优化研究 液压盘式刹车 响应特性的优化设计 目标是缩 一 商 l 壹 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务I 訇 似 短调节时 间，求解制动力控制 系统调节 时间的解 析表 达 式很 困难 ，但 可将 该 系统近 似 为一 阶 或 二阶 系统求其调节时 间表达式u 引 ，且能保证准确 度 。系统 的快速性 是由系统 中最 低频率的环节 决 定的 。在制动 力调节控制 系统 中，放大器、比例 减压 阀的固有频率远 大于液压 固有频率 。因此， 在求调节时 间的表达 式时可以忽略放大器、比例 减压 阀的影 响，将 系统 看成一阶系统 。一阶系统 的调节时间为 t , 4 T 9 本文采用动态封 闭容腔压力变 化速率理论 研 究式 9 中各变量的变化趋势，避免 了大量的 微分 运算 。根据动态封 闭容腔油压变化速率理论 可知 油压变化速率d p ／ d t 和进出液压缸流量A q ，容 腔容积V以及有效体积弹性模量E 有关 当V和E 为 定值 时，Aq 与d p ／ d t 成正 比；当Aq 和E为定值时， V与d p ／ d t 成反 比 ； 当A q和V为 定值 时 ，与成正 比。因此减d , v，增大Aq 和E，能提 高d p ／ d t 。A q 包含进入液压缸流量 、内泄漏流量 和油液压缩与 容腔变形所需流量 ，增大进入液压 缸流量 ，减小 内泄漏流量和油液压 缩与容腔变形 所需流量能增 大A q；根据式 4 、式 5 可知减小C 及R 可 增 大进 入液 压缸 流量 ，减 d , Ci p 可减 小 内泄漏 流 量 ，增大E 可减小油液压缩 与容腔变形所需流量。 由上述优化研究得到液压盘式 刹车 系统响应 特性 的优化设 计方案选用长度短、柱塞面积小 和缸筒厚的单作用液压缸 对 应V和E 的优化 ； 选 用管壁厚、材料弹性模量大的软管作为液压缸 与比例减压阀之 间的管路 对应C 和E 的优化 ， 合理布置液压站与制动执行机构 ，以缩短管路长 度 ，尽量不超过 l O m 对应C 和R 的优化 ；选 用性能可靠 的密封件作 为各连接处及运动 副间的 密封 对应C ； 。 的优化。 2 ． 2液压缸输出力响应曲线 以P S 7 0 DB电控液压盘式刹车u 的系统参数为 例 ，利用MAT L AB ／ S i mu l i n k 对制动 力控制 系统进 行仿真试 验 ，其 中系统参数K a 、 K 、 1 、 A1 、Kp 、Ci p 、K 、RH 、’ V、C H 、E分别 取值 为 1 25、 6． 67 1 0一、 600、 0． 5、 1． 5393 10～、 3 5 4 3 ． 2 3、 4 ． 3 1 0 ‘ ”、 1 ．1 07 1 0一、 1 ． 1 1 0 、 8． 3 1 0 ’ 4 、 4 ．2 8 5 1 0 ～ 、5 ． 1 7 1 0 。司钻 阀对油压 的调节 是一个瞬间的突然动作 ，因此仿真实验的 输入信号用阶跃信号 比较 好 引 。由仿真试验分别 获得 系统 仿 真框 图 及液 压缸 输 出力 阶跃 响 应 曲 线，如图3 ，图4 所示 。 图3 液压盘式刹车制动 力控 制系统仿真框图 力 图4阶跃信号 F 液压缸输 出力的时间响应曲线 从图4 可以看到P S 7 0 DB的液压缸输 出力在阶 跃信号下 的调节时 间紧刹工况为 1 4 ． 9 s ，松刹工 况为 1 4 ． 1 s 。仿真实验 中的阶跃信号从0 s 开始，显 然调节时 间过长 ，即液压盘式刹车在调节钻压 、 钻速等过程存在 响应滞后 的问题 。另外 ，将紧刹 工况和松刹工况 的时 间常数3 ． 8 s 和3 ． 6 s 代入 9 式 ，计算 结果分别为1 5 ． 2 s 和 1 4 ． 4 s ，与仿真结果对 比只有0 ． 3 s 的偏差 ，由此可见将制动力控制 系统简 化为一阶系统是可行的。 以 紧刹 工况 为 例 ，做 系统优 化 设计 仿 真试 验 ，包括 只优化 单个 参数 和 优化 方案 。优 化 后 的 系统仿 真框 图如 图5 所示 ，其 中阶 跃信号发 生 时 间 、放大 器及 其放 大 系数 、 比例减 压 阀均 与 P S 7 0 DB的相同。参考相关标准和产品手册口 J “ 后 计算得到优化参数E 、C | o 、C H 、V、R H 的值分别为 7． 08 6 1 0 、 4． 2 5 1 0 。 、 3 ．5 8 71 0 ～ 、2 1 0 。 。在 MAT L AB ／ S i mu l i n k 中仿真后，获得阶跃信号下液 压缸输出力时间响应曲线，如图6 所示 。 从 图6 可以看到系统 在紧刹工 况下 只优化E、 只优化C i D 、只优化CH 、只优化V、只优化R H 和采 用优化方案后调节时 间分别为1 l s 、1 4 ． 8 s 、1 4 ． 8 s 、 9 ． 7 8 s 、1 4 ． 8 s 和8 ． 4 9 s 。优化前系统 紧刹工况下调节 时间为 1 4 ． 9 s 。对 比优化前后系统调节时 间发现 ， 无论 是只优化 单个参数 还是采用优化方案，调节 时间均缩短 ；并且 采用优化 方案后，系统 响应特 性 提高 了4 3 ％。另外 ，从 图6 还 可 以看 出 只优 化 C C 和R ，调节时 间几乎没 发生变化 ，而只优 第3 6 卷第9 期2 0 1 4 - 0 9 下 [ 3 5 1 9 8 7 6 5 4 3 i 1 0 一 孑0 ．【 ＼ 密簿耳幽臻 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 化E 、V 却能使调节时间明显缩短。 图5 紧刹工况下优化设计 后制动 力控制 系统仿真 框图 力a 力b b J 图6 紧刹工况下系统优化设计后阶跃信号下 液压缸输 出力的时 间响应 曲线 3 结论 1 钻进过程 中，根据油压的变化情况不 同， 将液压盘式刹车工作制动细分为紧刹工况 、固刹 工况 、松刹工况等三个工况；且只有紧刹工况和 松刹工况存在响应滞后问题。 2 研究表明液压缸缸筒厚度、液缸容积， 比例 减压 阀和液 压缸 之 间管路 的 长 度 、管壁 厚 度、材料 的弹性模 量，各处连 接及运动副之 间的 密封性能 等因素会在不 同程 度上 引起制动 力调节 的响应滞 后。在对 液压盘式刹 车响应特性 进行优 化时 ，必须充分考虑 以上 因素设计 出合理 的优化 方案。 【 3 6 】 第3 6 卷第9 期2 0 1 4 -0 9 下 3 本 文采用 的优化 方案为 增大 液压缸 壁 厚 ，减小液压缸液缸容积；选用材料弹性模量大 且 管壁厚的管路，合理布 置液压站与制动 执行机 构以减小管路长 度选 用密封性 能好 密封件做 各 连 接处 及运动副 之间的密封 ，同时要避免液 压油 引起密封件失效。 4 通过对优化前后系统响应特性比较后发现 采用优化方案后，系统的调节时间缩短 了4 3 ％，响 应特性明显改善，响应滞后问题得到解决。 参考文献 【 1 】张 嗣伟， 樊启蕴． 关于发展我 国钻机 盘式刹车技术 的几点 认识 【 J ] ． 石油机械， 2 0 0 0 ，2 8 1 1 4 ． 【 2 】At o s ． 产 品样本E 1 2 5 - 1 2 ／ C防电磁阀[ E B ／ O L ] ． h t t p ／ ／ w ww． a t o s ． c o m／ c h i n e s e ／ t e c h n i c al _t a b l e s ／ c h i n e s e ／ E1 2 5 ． p d f , 2 0 0 6 ． [ 3 】高向前， 马青芳． 石油钻机盘式刹车技术的新发展【 J 】 ． 石 油矿场机械， 2 0 0 6 ， 3 5 3 9 2 - 9 4 ． [ 4 】赵鸽， 梁冠民， 康永田， 等． 石油钻机盘式刹车系统优化的 理论探讨 【 J 】 ． 西部探矿工程， 2 0 1 0 ， 2 2 0 0 9 7 3 7 6 ． 【 5 】王瑜， 林 立， 姜建胜． 基于 A ME s i m液压盘式刹车 系统建模 与仿真研 究【 J ] ． 石油机械， 2 0 0 8 ， 3 6 9 3 1 3 5 ． [ 6 】W a n g Y． ， L i n L． Th e Ev a l u a t i o n o f Br a k i n g P e r f o r manc e s o f Me c h a n i c a l B r a k e S y s t e m o n Oi l R i g [ J 】 ． J o u r n a l of Advanced M echani cal D esi gn， Syst em s， and Ma n u f a c t u r i n g ， 2 0 1 3 ， 7 2 1 9 5 2 0 4 ． [ 7 】李先东． 盘式刹车调节与钻压关系的分析【 J ] ． 石油矿场机 械， 2 0 0 4 ， 3 3 B 0 8 1 0 3 1 0 5 ． 【 8 】马青芳． 钻机盘式刹车系统钻进特性分析[ J 】 ． 石油机械， 2 0 0 0 ， 2 8 8 4 4 - 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