机械反馈式液压伺服机构动态特性测量环节非线性影响分析.pdf

Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ No．0 2 ．2 0 1 6 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ． 2 0 1 6 ． 0 2 。 0 0 7 机械反馈式液压伺服机构动态特性测量 环节非线性影响分析 谭汉清 ， 滕怀海 ， 陈 飞 ， 李沛剑 ， 王书铭 1 ．海军驻航天一院军代室， 北京 1 0 0 0 7 6 ；2 _ 中国运载火箭技术研究院 第十八研究所， 北京 1 0 0 0 7 6 摘要 该文针对某装备用液压伺服作动器在测试过程中表现出的内置线位移相频特性滞后于角位移传感器 1 。 一 2 。 的问题进行了分 析。通过建立数学模型进行仿真分析和试验验证 ， 得出了相频滞后问题是由于内置线位移传感器传动连接环节刚度较差和连接环节 存在间隙等非线性因素引起的。最后， 针对这两个主要因素， 采取加强连接环节刚度和减小连接环节间隙的措施进行了试验验证。 关键词 液压 ； 伺服机构； 动态特性 ； 非线性 中图分类号 T H1 3 7 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 6 0 2 0 0 1 9 0 4 Ef r e c t An a l y s i s o f M e a s u r e me n t L i n k No n l i n e a r o n M e c h a n i c a l F e e d b a c k Hy d r a u l i c Se r v o Sy s t e m Dy n a mi c Cha r a c t e r i s t i c s T A NHa n - -q i n g , T E NGHu a i -- h a i , C HE NF e L L I P e i -j i a n , W A NG S h u - mi n g 1 ． N a v y Mi l i t a r y R e p r e s e n t a t i v e Offic e i n C AL T , B e i j i n g 1 0 0 0 7 6 ， C h i n a ； 2 ． T h e 1 8 t h R e s e a r c h I n s t i t u t e o f CAL T ， B e i j i n g 1 0 0 0 7 6 ， C h i n a Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r , a h y d r a u l i c s e r v o a c t u a t o r e q u i p p e d wi t h b u i l t i n l i n e d i s p l a c e me n t s e n s o r s h o we d i n t h e t e s t i n g p r o c e s s o f t h e l a g p h a s e f r e q u e n c y c h a r a c t e ris t i c o f a n g u l a r d i s p l a c e me n t s e n s o r f o r 1 - 2 DEG p r o b l e m i s a n a l y z e d ． ．By e s t a b l i s h i n g a ma t h e ma t i c a l mo d e l f o r t h e s i mu l a t i o n a n a l y s i s a n d e x p e rime n t a l v e rific a t i o n ， t h e o b t a i n e d p h a s e fre q u e n c y l a g i s d u e t o b u i l t - i n l i n e a r d i s p l a c e me n t t r a n s d u c e r t r a n s - mi s s i o n l i n k p o o r s t i ff ne s s a n d l i n k s t o g a p c a u s e d b y n o n l i n e a r f a c t o r ．Fi n a l l y , a c c o r d i n g t o t h e t wo ma i n f a c t o r s ， t a k e the s t r e n g t h e n i n g c o n n e c t i o n l i nk s t i f f n e s s a n d r e d u c e t h e g a p me a s u r e s i s v e r i fi e d ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c ； s e r v o s y s t e m； d y n a mi c c h a r a c t e ris t i c ； no n l i n e ar O 引言 某装备推力矢量控制系统采用液压伺服作动器推 动发动机的柔性喷管 ， 实现飞行器在飞行过程中的俯 仰、 偏航控制。在液压伺服作动器出厂测试过程中， 为 更加准确的测试伺服作动器推动负载的特性 ， 伺服作 动器的对面安装了角位移传感器 ， 如图1 所示。在测试 过程中， 通过作动器内置位移传感器和角位移传感器 同时对运动位移数据进行采集。频率特性测试作为伺 服作动器的一项重要测试项 目， 能够反应液压伺服作 动器的动态性能 ， 也是该装备控制系统总体对液压伺 服机构的一项重要指标要求。经过对一个批次产品的 测试数据进行检查分析发现内置位移传感器测量的频 率特性相位滞后于角位移传感器测得的相位， 如图2 示， 其中在w 2 0 频率点大约滞后 l O 2 。 。 收稿 日期 2 0 1 5 1 2 2 2 基金项目 海军十二五预研课题 1 0 1 0 4 0 3 0 2 0 2 0 2 作者简介 谭汉清 1 9 6 6 一 ， 男 ， 北京人 ， 高工， 学士 ， 主要从事液压装备 的应用技 术研 究 。 图1某装备液压伺服作动器推动负载示意图 从直观的角度， 角位移传感器安装在负载的另一 端 ， 相当于增加了传动环节 ， 在动态特性测试过程中应 该表现为较内置线位移频率特性相位略有滞后。对于 产品实际测试过程中表现出内置线位移传感器测得频 率特性相位有所滞后这一现象 ， 产品设计人员开展了 如下的分析工作， 并找到了其影响因素。 1 产品动态特性仿真及试验验证 1 ． 1产品动态特性的仿真分析 按照液压伺服作动器的实际工作情况， 采用阀控 缸的简化模型， 不考虑位移传感器的非线性， 建立了数 学模型。 1 9 液 压 气 动 与 密 封 ／ 20 1 6 r - - J Ig0 2期 5 0 ＼ l 0 i O 0 角频率 w／ r a d 作动器顺序号 n ／台 a 内置线位移与角位移频率特性相位测试数据对比 b 内置线位移与角位移频率特性测试相位 w 2 0 比对 图2 内置线位移与角位移测试频率特性相位比对 伺服阀阀流量方程 Q K X 一 K P ． ． 连续性方程 Q L A - C ,op L 茜 d P__ _LL 液压缸与负载力矩平衡方程 p l _ A R．， d OKO 采用 Ma t l a b进行 了仿 真分析 ， 其 数学模型 如 图3 所示 。 图3 液压推力矢量 系统数 学模 型 通过分析可以得出， 在角频率 w 2 0 时， 角位移传 感器相位为一 4 0 ．2 。 ， 内置线位移传感器相位为一 3 9 ．3 。 。 可以看出， 不对伺服作动器内部结构进行细化， 且不考 虑非线性因素的情况下 ， 内置位移传感器测得的频率 特性相位超前角位移传感器测得的相位。这与我们的 直观认识是一致的。 1 _ 2 采用外置位移传感器的方式验证 经过对产品的特点进行分析， 由于角位移传感器 为电位计式对位移直接测量 ， 连接结构相对简单。而 伺服作动器为高精密复杂的机电产品， 为在有限的安 装空间内实现大行程动作 ， 采用了反馈杠杆机构将轴 向位移变为横向位移输出， 其中的连接环节较多。为 此采用增加外置位移传感器的方式进行测量 ， 从而进 一 步验证是否为作动器内部传动环节引起了内置位移 传感器测量相位滞后。在作动器外平行于轴线安装一 位移传感器， 进行频率特性测试。 从表1 可以看出， 采用外置位移传感器测得的频率 特性相位与角位移传感器测试数据基本一致， 与内置 线位移传感器测试数据在 w 2 0 时存在 2 。 左右的差 异。由此可以推断内置线位移传感器测得相位滞后问 题是由于伺服作动器内部传动环节引起的。 表 1 频率特性测试相位 比对 角频率 W 内置线位移 。 角位移 。外置线位移 。 2 伺服作动器内置线位移相频滞后的 机理分析 2 ． 1伺服作动器内置位移传感器的传动环节分析 该型号伺服作动器为在有限的安装空间内尽量增 大行程， 在测量和反馈环节采用了反馈杠杆式 比例机 构 ， 如图4 所示 。 图4 伺服作动器测量环节连接 结构 示意图 活塞杆轴向运动 ， 通过反馈杠杆转换为位移传感 器的法 向运动 ， 期间增加 了滑块 、 反馈杠杆组件 、 位移 传感器反馈杆等传动环节。 瑚 芎 号 瑚 喵 。 ＼ 霎 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ．0 2 ． 2 01 6 2 ． 2 位移传感器反馈杆 以及连接环节刚度偏小引起 如图4 所示 ， 位移传感器反馈杆与反馈杠杆组件相 连 ， 从而对活塞杆的运动进行测量。而位移传感器反 馈杆为一细长杆结构， 在传递运动过程中刚度较差， 会 产生一定的滞后。采用有限元分析的方法 ， 对位移传 感器的反馈杆刚度进行了分析。 计算出反馈杆刚度K l O ／ 7 ．4 9 e 一 5 1 ． 3 3 5 e 5 N ／ m ， 将位移出感器以及反馈杠杆组件 ， 作为二阶环节。 w Kw XL m ／,／ s B S 将其代入图3 所示数学模型中进行仿真计算。考 虑反馈杆 刚度后 ， 在w 2 0 点测量 的相角变化了O ． 4 。 ， 角 位移传感器和线位移传感器之间的相位差缩小至 O ．7 。 。但与实际测试结果仍有一定的差距， 因此必然还 有其他因素影响产品的相位。 2 ． 3 传递环节 间隙引起的相位滞后 从伺服作动器测量环节连接结构示意图4 可以看 出， 位移传感器采用销轴连接 ， 销轴能够灵活转动， 因 此销轴处必然为间隙配合形式。经查阅图纸， 该处间 隙为6 ～ 1 5 1x m， 将此问隙考虑到模型当中 见图5 ， 重新 进行仿真计算。 图5 考虑传递环节间隙的仿真分析 从图6 可以看出， 如考虑传递环节间隙影响， 测得 的相位进一步滞后。经仿真， 内置线位移在考虑连接 刚度和间隙影响的情况下 ， w 2 0 点频率特性相位 由 一 3 9 ． 7 。 滞后到一 4 1 ．5 。 。 ” 曲线 卜指令信号 曲线2 一 仅考虑传感器连接刚度 曲线 3 一同时考虑传感器连接刚度和连接销轴间隙影响 图6 w 2 0 考虑传递环节间隙影响的仿真曲线 2 ． 4 小 结 综上， 通过仿真分析可以看出， 在同样的参数情况 下 ， 角位移传感 器处测得 的频率特性 w 2 0 相位为 一 4 0 ．3 。 。内置线位移传感器在不考虑连接刚度和间隙 的影响情况下 ， 测得的频率特性w 2 0 相位为一 3 9 ．3 。 。 内置线位移传感器在考虑连接刚度和不考虑间隙的影 响情况下 ， 测得的频率特性w 2 0 相位为一 3 9 ．7 。 。内置 线位移传感器在既考虑连接刚度又考虑间隙影响的情 况下 ， 测得的频率特性w 2 0 相位为一 4 1 ． 5 。 。从仿真分 析来看， 当考虑连接刚度和间隙时， 内置线位移传感器 测得的频率特性相位滞后于角位移传感器测得的相位。 3 试验验证工作 3 ． 1 针对连接刚度变化 引起的相角滞后问题进行试验 验证工作 为验证位移传感器反馈杆刚度的影响， 将结构进 行 改进优化 ， 优化后其结构刚度 明显提高。改进后结 构刚度 由原来的K l O ／ 7 ．4 9 e 一 5 1 ．3 3 5 e 5 N ／ m 提高至 K I O ／ 1 ． 7 9 e 一 5 5 ． 5 7 6 e 5 f N ／ m 。 选择 5 台产品更换 刚度较大的反馈杆进行测试 ， 对 其频率特性w 2 0 点相位进行比较如表2 所示。从表中 看以看出， 提高反馈杆刚度后， 内置线位移测得的相频 w 2 0 相位由0 ．4 0 - 0 ．6 。 提高。与仿真分析结果基本一致。 表2更换反馈杆前后相频 n 2 O 比较 3 ． 2 传动环节间隙影响试验验证分析 位移传感器反馈杆通过可转动的销轴与剪式反馈 组件相连， 该处的间隙设计为6 ～ 1 5 tx m， 通常产品装配 完成后， 间隙一般在 1 0 1x m。为了验证间隙的影响， 将 上 述试验使用的 5台产品的配套转动销轴进行重新 配 作 ， 保证间隙为3 5 p ,m， 重新装配到产品上进行试验验 证。如表3 所示， 相位值得到了明显的提高， 基本与角 位移测试值接近。 表 3减小配合间隙前后相频 2 0 比较 2 1 2 ， 。 J E ， 螽 I - ． E K气 动 与 密 t d ／ 20 1 6年 第 0 2期 d o i 1 0 。 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ． 2 0 1 6 。 0 2 ． 0 0 8 基于A N S Y S Wo r k b e n c h 的CB - B 型齿轮泵基座温度场分析 姜 鑫 责 ，叠 陕西国防工业职业技术学院 机 电工程学院， 陕西 西安7 1 0 3 0 0 摘要 该文利用A N S Y S Wo r k b e n c h 软件对 S o l i d Wo r k s 绘制的C B B齿轮泵基座进行热分析 即温度分析 ， 通过分析的结果 ， 并结合 分析结果提出合理的改进方案和措施 ， 具有很强的借鉴和推广价值。 关键词 A N S Y S ； 齿轮泵 ； 基座； 温度分析； 改进措施 中图分类号 T H1 3 7 ． 5 1 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 6 0 2 0 0 2 2 0 2 Ba s e d o n ANS YS W o r k be n c h o f CB B Ty p e Ge a r P ump Ba s e T e mp e r a t u r e Fi e l d Ana l ys i s J I ANG Xi n Co l l e g e o f Me c h a n i c s a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ， S h a a n x i I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y , Xi ’ a n 7 1 0 3 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r , u s i n g ANS Y S Wo r k b e n c h S o f t wa r e o f S o l i d Wo r k s d r a w i n g s o f C B- B p u mp b a s e o n t h e r ma l a n a l y s i s i ． e ． ， t e mp e r a t u r e a n a l y s i s ， b y a n a l y z i n g t h e r e s u l t s ， a n d c o mb i n i n g wi t h t h e r e s u l t s o f t h e ana l y s i s p u t f o r wa r d r e a s o n a b l e i mp r o v e me n t s c h e me and me a s u r e s ， h a s a s t r o n g r e f e r e n c e an d p o p u l a r i z a t i o n v a l u e ． K e y wo r ds ANS YS ； g e a r p u mp ； t h e b a s e ； a n a l y s i s o f t h e t e mp e r a t u r e ； i mp r o v e me n t me a s u r e s U 日 IJ舌 A N S Y S 1 3 ． 5的Wo r k b e n c h 模块 可 以与现 阶段 主流 的三维制图软件绘制的实体造型相兼容， 本文利用A N ． S Y S Wo r k b e n c h对 S o l i d w o r k s 设计 的 C B B型齿轮泵基 座进行温度分析， 找出问题并提出整改方案。 1 结构分析 C B B型号又叫微形齿轮泵 、 小流量耐腐蚀泵。 C B B 系列齿轮泵是一种容积式泵 ， 因结构简单， 它不 能承受较高的压力 ， 所以这类齿轮泵适用于各种机床 收 稿 日期 2 0 1 5 0 7 2 0 基金项目 陕西省教育厅十二五规划课题 S G H1 2 5 9 4 作者简介 姜鑫 1 9 8 4 一 ， 男 ， 黑龙江鸡西人 ， 讲师 ， 硕士 ， 主要从事机电 方向的教学与研究工作。 - - - 一 - - - - - - - - - - 4 结论 本文从某装备液压伺服作动器在测试过程中表现 出的内置线位移传感器相频特性滞后于角位移相频特 性的问题人手， 开展了仿真分析和试验验证。最终得 出了线位移相频滞后是由于连接刚度和传动环节间隙 双重因素引起的， 其中传动环节间隙占主导因素。 参考文献 ⋯ 1 李洪人． 液压控制系统【 M 1 ． 北京 国防工业出版社， 1 9 9 0 ． [ 2 】 张静， 等． M a t l a b 在控制系统中的应用 [ M ] ． 北京 电子工业出 2 2 的液压系统 、 负载较小的液压传动系统。其结构简单、 外形美观 、 重量轻， 维修方便、 价格低廉 、 噪声低、 输油 平稳流量大 ， 脉冲小 ， 运转平稳 、 自吸性能好、 工作可 靠 、 使用寿命长。 如图 1 所示为该型齿轮泵的结构简 图， 适用于输送 矿物 油及性质差不 多的植物油 ， 油温不大于 I O 0 C， 如 液压油 、 机械油 、 燃料油等 ， 图 2 所示 为 S o l i d w o r k s 绘制 的齿轮泵基座三维图。 2 温度分析 2 ． 1 A NS Y S分析界面导入与材料选择 在打开 A N S Y S界面后 ， 双击 S t e a d y S t a t e T h e r ma l 后进人温度分析模式 ， 导人s o li d w o r k s 绘制的图2 中的 齿轮泵基座实体 ， 选择材料过程为双击 E n g i n e e r i n g D a ． 。 ’ t 一 。 1 一 ‘ 。 -I - - - 十一 十- 十- 十 十。 十- - 十一 十- 十- 十。 - - - 十- 十- 十- 版社， 2 0 0 7 ． [ 3 】 刘江．AN S Y S 1 4 5 Wo r k b e n c h机械仿真实例详解[ M】 ． 北京 机械工业出版社， 2 0 1 5 ． 【 4 ] 牛巍， 黄效国， 管东方． 车 L 机液压厚度控制系统的动态特性分 析【 J J ．液压与气动， 2 0 0 5 ， 3 ． [ 5 】 刘勋， 刘玉， 等． 液压伺服控制系统的液压弹簧刚度和机械负 载刚度耦合特性分析 钢铁技术， 2 0 1 2 ， 2 ． 【 6 】 江玲玲， 张俊俊． 基于A ME S i m的液压位置伺服系统动态特 性仿真[ J ] ． 机械工程自动化， 2 0 0 7 ， 2 ． 【 7 ] 胡良谋， 李景超， 曹克强． 基于 MA T L A B ／ S I MU L I N K的电液伺 服控制系统的建模与仿真研究[ J j ．机床与液压 ， 2 0 0 3 ， 3 ．