液压油温度变化对供料机性能影响仿真研究.pdf

2 0 1 5年 1 月 第 4 3卷 第 2期 机床 与液 压 MACHI NE T0OL HYDRAUL I C S J a n ． 2 01 5 Vo 1 ． 4 3 No ． 2 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 0 2 ． 0 3 4 液压油温度变化对供料机性能影响仿真研究 李伟，赵智妹 ，李映红，张晶 海军航 空兵学院，辽宁葫芦岛 1 2 5 0 0 1 摘要 基于协同仿真技术，利用 MS C ． A D A MS和 E A S Y 5仿真软件建立了供料机机电液耦合动力学仿真模型。对液压油 温度为 4 5 、5 5 、6 5和 7 5℃，料仓摆转角为 0 。 、3 0 。 、6 0 。 工况进行了动力学仿真分析，明确了液压油温度对供料机性能的 影响规律 ．并指出了不同液压油温度条件下供料机正常运转的摆转角范围。 关键词 动力学仿真；机电液耦合；液压油温；供料机 中图分类 号 T H1 1 3 文献标 志码 A 文章编号 1 0 0 1 - 3 8 8 1 2 0 1 5 2 1 0 3 3 S i mu l a t i o n S t u d y o n I n fl u e n c e s o f Oi l Te mp e r a t u r e t o t h e P e r f o r ma n c e o f F e e d i n g De v i c e L I We i ，Z HAO Z h i s h u，L I Yi n g h o n g ，Z HANG l i n g N a v a l A i r F o r c e A c a d e m y ，H u l u d a o L i a o n i n g 1 2 5 0 0 1 ，C h i n a Ab s t r a c t Ba s e d o n e o s i mu l a t i o n t e c h n o l o g y ，t h e me c h a n i c a l e l e c t ric a l - h y d r a u l i c d y n a mi c s i mu l a t i o n mo d e l o f f e e d i n g d e , i c e w a s b u i l t ．Dy n a mi c s i mu l a t i o n s o f t h e f e e d i n g p r o c e s s e s a t t i l t a n g l e 0 。 ，3 0 。 a n d 6 0 。 ，o i l t e mp e r a t u r e o f 4 5 、 5 5、 6 5 a n d 7 5 o C w e r e c a r r i e d o u t ．B y s i mu l a t i o n a n a l y s i s ，t h e i n f l u e n c e s o f o i l t e mp e r a t u r e t o t h e d y n a mi c p e r f o r ma n c e o f t h e f e e d i n g d e v i c e we r e o b t a i n e d a n d t h e l i mi t s o f f u n c t i o n i n g t i l t a n g l e a t d i f f e r e n t o i l t e mp e r a t u r e w e r e p o i n t e d o u t ． Ke y wo r d s Dy n am i c s i mu l a t i o n；Me c h a n i c al e l e c t r i c a l h y d r a u l i c c o u p l i n g ；Hy d r a u l i c o i l t e mp e r a t u r e ；F e e d i n g d e v i c e 供 料机是实现物料快速转运供给 的重要设备 ，具 有较高的 自动化水平，属于机 电液一体化 的机械 系 统 ，其动力学涉及机械、液压及电控等领域的耦合 ， 单领域仿真已经无法满足现实分析的精度要求 ，必须 采用协 同仿 真技术建立完整 的包括机 电液在 内的闭环 模型。从而提高分析精度。同时在供料机工作过程中 随着液压油温度的逐渐升高。其工作性能呈现退化趋 势 。甚至出现供料不到位现象，严重影响了供料机正 常运转 。 以供料机为研究对象 ，基 于协 同仿真技术 ，通过 M S C ． A D A M S和 E A S Y联合仿真 建立 了供料机机 电液 耦合动力学模型，重点研究液压油温度变化对供料机 性 能的影响规律 。 1 机电液耦合动力学模型 1 ． 1 机械 系统动力学模型 供料机的拓扑构型⋯如图 1所示。H 、H 日 为固 定铰 ；H ， 为齿轮箱 输 出轴 与链 轮 间联 轴 器连 接 ，简 化为固定铰；H 、H H。 为旋转铰 ；H 为平移铰； H 、H 、H 、H 、H H。 为 虚铰 ，为非 完整 约 束 ， 模 型中通过接触定义 。对链条 B 进行 了详细 的建模 ， 它共有 链节 4 5个 、滚子 4 5个 、1 个链 条头 ，链 节 间 采用旋转铰 ，链节滚子与链 轮及链 条箱隔板间通 过接 触实现力的传递和 自由度的约束。 图 1 供料机拓扑结构 MS C ． A D A M S应用带乘子 的拉格 朗 E l 方法 自动建 立系统动力学方程并将碰撞铰以等效接触力形式引入 方程 ，则供输弹 系统 的动力学方程可表示为 f Mq q Q F g 【 q， t 0 式 中 q为系统广义坐标列 阵 ；M 、 Q分别 为系 统的广义质量阵、约束方程 q ， t 0的雅克比阵 收稿 日期 2 0 1 3 1 0 2 4 作者简介李伟 1 9 8 2 一 ，男 ，博士 ，讲师，研究方向为机械系统动力学与仿真。E - m a i l l i w 3 0 5 s i n a ． c o m。 1 0 4 机床与液压 第 4 3 卷 及 广义力 阵 ；F 为接触 力 F相 对于广 义坐标 g的广 义力列阵，采用基于 i m p a c t 函数的实体碰撞接触模 型 计算 。 1 ． 2油源 电机模 型 油源电机是液压系统的动力源。通常的液压系统 仿 真分析 中往往 将其 忽 略或 假定 液压 泵是 一 恒 流量 泵 。这显然 与实 际情况不符 。文 中将油源 电机 的动力 学模型 引入 液 压 系统 ，其 动 力学 模 型 ] 可 以表 示 为 誓 Tk m i 2 ．， 警 一 - - 式中￡ 、R 。 分别为电枢线圈的电感和电阻；i 为电 枢 电流 ； 为反电势常数 ； 为电机旋转角速度 ；“ 。 为 电枢 电压 ；T为 电动机的 电磁力矩 ；k 为电磁力矩 常数 ；J 为 电机转 动惯 量 ； 为 电机 内部 机 械 阻力 矩 ； 为负载力矩 。 1 ． 3液压 系统模 型 供料机液压 系统模 型是基于 M S C ． E A S Y 5图形化 建模环境 ，依据液压系统 图构建仿真模型 。 模 型的求解采用 A D A MS E x t e r n a l S y s t e m L i b r a r y _ 5 ] 协同求解方式 将 E A S Y 5中模型以一套 G S E方程形 式加入 A D A M S中 以动态链接库 ． d u形式引入 ， 通过调用 A D A MS ／ S o l v e r ．利用 G S T I F F积分器求解所 有模 型。 为了分析液压 油温度变 化对供 料机性 能 的影 响 ， 建立了液压油模型和动态泄漏计算模型。 1 ． 3 ． 1 液压油模型 液压系统动态仿真时．液压油属性数据的准确性 对结果有很大影响 。目前 ，对油液属性 的计算基本上 是通过实验数据拟合得到各类 方程参数 的方法 ，各种 计算式都不尽相同。并且由于油液属性数据受众多因 素 的影响 ，如不同实验来源 、不同的老化程度 等 ，因 而其属性数据会有一定的波动范围，通常保证其精度 在 1 0 ％内就足够 了 5 - 6 ] 。 在液压系统仿真过程 中，液压油在流经每个 液压 元件时．通过动态调用液压油属性数据，计算系统各 项参数。为准确分析问题的需要，文中通过液压油属 性计算公式 。利用 MS C ． E A S Y 5提 供 的液压 油数据 开 发工 具 ，结 合 文 献 [ 7 ] 提 供 的 液 压 油 S H 0 3 5 8 ． 1 9 9 5 性 能数据 ，建立 了动态液压油模型 ，如 图 2所 示 图 2 液压油模型 1 ． 3 ． 2 动态泄漏计算模型 液压元 件 的内泄 漏往 往 不 只一 处 ，泄 漏类 型多 样 。在具体计算 时泄漏参数很难准确确定 ，并且 由于 结构尺寸偏差 、装配误差等的存在，均会使得利用元 件具体结构尺寸计算其泄漏的计算方法与实测值偏差 较大 。 文中利用等效折算 思想 。同时作 如下假设 ，建立 液压元件 的动态泄漏模 型 。 1 系统元 件结 构参数 无 劣化 ，即不 考虑 因摩 擦磨损、装配不当引起的缝隙变化 2 不考虑 因材 料热膨 胀 系数不 同 而引起 缝 隙 随温度 的变化 3 不考虑 液压 油氧化 形成 沉积 物堵 塞对 缝 隙 的影响 。 将各液压元件在额定工作条件下的容积效率损失 折算成 当量缝 隙 泄漏 结 构 系数 ，见 式 3 4 ， 用其来表征液压元件 的泄漏 A n QK Q 1一玑 3 1一 ， K Q 4 P 式 中 为 油液 动 力 黏 度 ；△ p为 缝 隙 两端 的压 差 ； Q 为额定流量 ；-q 为容积效率 。 2油温对供料机性能影响分析 2 ． 1仿 真工 况 料仓工作时可以在 0 ～ 6 0 。 摆转，以完成不同角度 的输料要求 。t 0油源 电机分 级启 动 开始 。t 0 ． 8 S 启动完毕 ，油源电机带动 双联泵 驱动 液压 系统运转 。 1 S 时开始 1 级输料，双联泵大泵单独供油，马达 经齿轮箱将动力传递到链轮 ，链轮驱动链 条从链 条箱 中伸 出推送棒料 当链 条伸出一定长度后 ，改为双泵 供油 ，开始 2级输料 ，以保证棒 料 卡膛点 速度要 求 ； 输料到位后，电磁阀控制马达反转将链条收回；当链 条快回收到位时，行程开关触发，小泵单泵供油完成 收链 。 第 2期 李伟 等 液压油温度变化对供料机性能影响仿真研究 1 0 5 基于所建立的供料机机电液耦合动力学模型。对 供料机料仓摆转角为 0 。 、3 0 。 、6 0 。 ，液压油温度为 4 5 、5 5 、6 5和 7 5 c 【 工况进行动力学仿真。限于篇 幅。仅给出6 O o 摆转角时部分计算结果。 2 ． 2结果 分析 1 为避免油 源电机 启动时过大的启动 电流 ，电 机采用两级 降压启动。图 3为油源 电机转速 曲线， 0 ～ 1 s 为 电机启 动 过 程 ．启 动 完成 后 电 机空 载 运 转 ，转速约 2 1 0 0 r ／ m i n 。t 1 s 时输料开始，电机驱 动双联泵运 转 ．输 出扭矩增大 ，转速下降 ；随着泵 出 油 口压力下降。电机转速略有回升；由于 1 级输料时 是大泵单泵供油．因而油源电机负载较小 。当2级输 料 时两泵 同时供油 ，电机负载变大 ，转速较 1 级输料 时小 ，随着泵出油口压力的下降，转速再次回升。收 链 时 ．双泵供油 ，并且负载小 。电机转速上升 。收链 完成 ，电机 回升到空载状态 。 2 输料初始时在约 0 ． 2 s 时间内系统压力达到 调压 阀组设 定 值 1 0 M P a 。属 马达 加速 过 程 ，见 图 4 中标注 。马达转速提高 以后 ，大泵供油量增加 ，压力 逐渐下 降 ；当链 尾排 料 器 脱 离 见 图 4标 注 后 ， 输料负载进一步减少 ，系统压力下 降。 2 ， 、2 ．口 1 ● 日 图3 油源电机转速 图 4 泵出油 口压力 3 图 4 、图 5显示 出 第 1 级 输 料 时 大泵 进 出 油 8 口压 差 随 油 温 变 化 不 大 ．’目6 内泄漏 量 却有 明显 增 加。 这 是 由 于 随 着 油 温 升 高 ． 2 油 液 动 力 黏 度 下 降 所 致 。0 兰 妻 图 5 大 泵 内t／s泄 漏 量 化 趋 势 保 持 一 致 。随 着 油 ⋯⋯⋯ ⋯ ” 温升高 ．泄漏量增 大 ．链 条头速 度有 较 明显 的下降 ， 1 级输料 时间变长 。 4 链条 伸出一定长后 ，2级输料 开始 ，小 泵开 始供油 ，泵出油口压力突增 ，马达再次加速，链条头 速度有较大增加，同时大、小泵内泄漏也随压力、温 度 的增大而增 大 。如 图 5 、图 6所示 。当马达扭矩 与 负载平衡后 ，速度 由供 油量 调定 ，并 达到 动态稳 定 。 由于双联泵在 6 5℃ 时泄漏 量随油 温增加 后变 大 ．实 际供给马达的流量减小 。致使泵出口压力 比4 5℃和 5 5℃小 ，链条头 速度相 比也要 小 ，见 图 7 。 3 2 1 0 县 ． 1 一2 -3 ．4 图 6 小泵 内泄漏量 图 7 链条头 的速度 曲线 5 输料到位后，电磁阀换向，出现明显液压冲 击 。由于收链 过程负载小 ，且链条 的重力矩成为驱动 力矩 ，因而链 条 头 回收速 度 较 大。当链 条 快 收到 位 时 ，电磁阀切断大泵 ，只有小泵供油 ，由于供油 量不 足，系统压力骤降为 0 ，在基座的限位作用下 。链条 头速度 降为 0 ．链条 回收到位 。 6 从图 4 8可以看到曲线 的波动非常明 显 ，这是机液系统 间耦合效应 的体现 。马达驱动链轮 带动链条伸出推送棒料过程中，由于链传动固有的多 边形效应 和链 轮轮齿 与链 条滚子 间 的啮人啮 出冲击 ， 链条速度是周期性波 动的。并且链条头与棒料 间依靠 接触传递动力 ，链条头与棒料间的反复接触更加剧了 链条速度的波动 。如图 8 所示。 7 油温升高，内泄漏增大，功率损失将进一步 引起油 温上升 ，属恶性 循环 ，如 果不采 取降 温措施 ， 系统性 能将急剧下 降 ，并且 油温过 高会 引起液压油 的 变质、密封件的过快老化等，必须严格控制液压油 温。表 1 数据显示 随着料仓摆转角 的增大和油温 的 升高，棒料的卡膛点速度下降。 表 1 卡膛点速度仿真 结果 m ／ s 3结论 基 于供料 机机电液耦合动力学模型 ，仿真分 析了 料仓不 同摆转 角条件 下供料机动力学性能 ．明确 了油 温变化对供料机供料过程动力学性能的影响 。研 究表 明为保证系统正常工作，以卡膛点速度 3 ． 0 m ／ s 为 阈值 ，则 油温 介 于 5 5 ～ 6 5℃ 时 ，料仓 在 0 ～ 4 5 。 摆转 角范围 内棒 料速 度 能 满 足要 求 ，而 大于 4 5 。 摆转 角 后 ，棒 料卡膛 点速度不能满足要求 ，将 出现供料 不到 下转第 6 3页 第 2期 金 川 一种新型组合式 电机轴承 的设计 6 3 镀锌 防尘盖和钢球 以及外 圈外 径 面上包 覆 的橡 胶层 。 外 圈的外径面上有两个交叉 的凹槽 ，橡胶层通过 注塑 的方式 包覆于外圈外侧并在轴承端 面一侧延 伸包 覆住 外圈部分。橡胶层的厚度大于 4 m m，能有效提供由 于定转子不 同心所需要 的偏转调心 功能 ，另外 ，在轴 承一侧端面所包覆 的橡胶层 能够对轴 向载荷起到极大 的缓冲作用 。外径上 的交叉槽能够保证外 径上包 覆的 橡胶与外径牢 固地贴合 ，不 至于受力 分离。同时 ，由 于电机轴承的高转速 ，工作温度高，轴承采用铆钉式 保持架 以及镀锌金属 防尘盖 。 与现有技术相 比，文中提供 了一体化解决方案， 既满足 了轴承在 电机 工况下 所需要的调心以及承受轴 向载荷 的要求 ．又不额外增 加零 件 ，成本低廉且极大 地延长电机寿命 ，同时装配效率更高。 3 新型轴承的设计 与制造 如 图 2 a 所 示 ，钢 球 6在外 圈 2和 内圈 5的 滚道中运行 。钢球保持架 4均匀地将钢球隔离开并用 铆钉 7将两半保持架铆合起来 ，保证了轴承高速运转 的平稳性 ；两个镀锌金属防尘盖 3压装入外圈 2的密 封槽中并 随外圈一起转动，保证在高温高速下不变 形 。安装示 意图 中外圈外径交叉槽槽底部 圆弧过渡 如 图 2 b 所示 。 l 一橡 胶 层 2 一外 豳 3 一金 属 防尘 盖 4 -保 持 架 5 _ 一内 圈 6 ---钢 球 7 一铆 钉 a 安装示意图 b 外圈外径交叉槽槽底部圆弧 过渡示意图 A处放大结构 图 2 新型电机轴承结构示意图 外圈外径 面 的槽 型结 构见 图 2和 图 3 ，橡 胶层 1 通过注塑的方式牢固贴合于轴承外圈上，由于交叉槽 的结构，无论轴承受到任何方向的载荷 ，都不会使橡 胶层与外圈脱离 。 最终轴承 的内圈与 电机 转子 轴 的末 端配 合安 装 ， 带有橡胶层的外圈与电机外壳的轴承座孔进行配合安 装 图 3 外圈外径交叉槽结构示意 图 4结论 文中介绍的新型轴承可 以在交流 串激电机 中长时 间使用，维护率极低 ，大大提高电机的使用寿命 ，且 在电机组装过程中，极易组装，组装效率高，具有极 大的实用价值 。 参考文献 [ 1 ]赵东海． 滚动轴承设计技术现状及发展[ J ] ． 轴承 ， 2 0 0 7 1 0 4 6 - 4 9 ． [ 2 ]梁文杰， 吴志军， 郁鼎文， 等． 滚动轴承工艺设计 自动化 研究[ J ] ． 制造技术与机床 ， 2 0 0 4 7 9 3 9 5 ． [ 3 ]王立臣， 梁浩． 滚动轴承故障诊断技术现状及发展趋势 [ J ] ． 电子测试 ， 2 0 1 3 2 2 1 4 1 1 4 3 ． [ 4 ]王勇． 工业电机滚动轴承的安装及使用[ J ] ． 电机与控制 应用 ， 2 0 1 0 ， 3 7 1 5 6 6 0 ． 上接第 1 0 5页 位或棒料滑落故障；当油温大于 7 5℃后，为保证棒 料可靠卡膛 ，供料机只能以0 o 摆角供料。 参考文献 [ 1 ]洪嘉振． 计算多体系统动力学[ M] ． 北京 高等教育出版 社 ． 1 9 9 9 ． [ 2 ]MS C C o mp a n y ． A d a ms ／ V i e w U s e r G u i d e [ E B ／ O L ] ， 2 0 0 5 ． [ 3 ]李伟 ， 马吉胜， 狄长春 ， 等． 供料机机电液耦合动力学仿 真研究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 1 ， 3 9 9 1 1 4 - 1 1 7 ． [ 4 ]胡晓朋． 电机与拖动基础[ M] ． 北京 国防工业出版社， 2o 0 7． [ 5 ]M S C C o m p a n y ． T h e r m a l H y d r a u l i c S y s t e ms L i b r a r y U s e r G u i d e [ E B ／ O L ] ， 2 0 0 5 ． [ 6 ]李成功 ， 和彦森． 液压系统建模与仿真分析[ M] ． 北京 航 空工业 出版社 ． 2 0 0 8 ． [ 7 ]机械设计手册编委会． 机械设计手册一 液压传动与控制 [ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 7 ． [ 8 ]马振福． 液压与气压传动[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2n1 2