液压油体积弹性模量综合实验系统设计与分析.pdf

2 0 1 1 年 2月 第3 9卷 第 3期 机床 与液压 MACHI NE TO0L HYDRAULI CS F e b ． 2 0 1 1 Vo I I 3 9 No ． 3 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 0 3 ． 0 0 1 液压油体积弹性模量综合实验系统设计与分析 程 帅 ，龚 国芳 ，冯斌 浙江大学流体传动及控制国家重点实验室，浙江杭 州 I 3 1 0 0 2 7 摘要 设计一种液压油体积弹性模量综合实验系统 ，介绍该系统的工作原理 ；基于定义法设计弹性模量检测装置；设 计伺服控制分系统并对其性能进行分析 ，结果表明所设计系统的性能指标较好地满足了设计要求 ；构建系统的总体结构。 该系统不仅可以高精度地在线测量油液的体积弹性模量 ，也可用于研究液压油含气效应以及油液体积弹性模量与温度、压 力、含气量等参数间的精确数学关系，还可研究弹性模量对系统动态特性的影响。 关键词液压油；体积弹性模量；测量装置；伺服控制系统；结构设计 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 f 2 0 1 1 3 0 0 1 4 De s i g n a nd An a l y s i s o f Co mpr e he n s i v e Ex pe r i me n t a l S y s t e m f o r Hy d r a u l i c Oi l Bulk M o du l us CHENG S h ua i ． G0NG Gu o f a n g． F ENG Bi n S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f F l u i d P o w e r T r a n s mi s s i o n a n d C o n t r o l ， Z h e j i a n g U n i v e r s i t y ，H a n g z h o u Z h e j i a n g 3 1 0 0 2 7 ，C h i n a Abs t r ac tA h y d r a ul i c o i l bu l k mo d ul u s c o mp r e h e ns i v e e x p e rime n t a l s y s t e m wa s de s i g n e d whi c h wo r k i ng p r i nc i p l e wa s i n t r o d uc e d． The mo d ul u s me a s uring d e v i c e wa s d e s i gn e d b a s e d on t he d e fin i t i o n o f hy d r a u l i c o i l b ul k mo d ul u s ． Th e s e r v o c o nt r o l l e d s u b s y s t e m w a s d e s i g n e d a n d i t s p e r f o r ma n c e W as a n a l y z e d ． T h e a n a l y s i s r e s u l t s h o w s t h a t t h e p e rf o rm a n c e i n d e x e s o f t h e d e s i g n e d s y s t e m me e t t h e d e s i g n d e ma n d ． T h e o v e r all s t r u c t u r e o f t h e s y s t e m wa s d e s i gn e d ． T h i s s y s t e m c a n n o t o n l y me a s u r e t h e h y d r a u l i c o i l b u l k mo d u l u s o n l i n e w i t h h i g h p r e c i s i o n， b u t a l s o c a n b e u s e d t o s t u d y t h e e f f e c t i v e n e s s o f e n t r a i n e d a i r o f t h e h y d r a u l i c o i l a n d t h e a c c u r a t e ma t h e ma t i c a l mo d e l b e t we e n t h e o i l b u l k mod u l u s a n d t e mp e r a t u r e ， p r e s s u r e ， g a s c o n t e n t ． T h e i mp a c t o f h y d r a u l i c o i l b u l k mod u l u s o n d y n a mi c c h a r a c t e ri s t i c s o f h y d r a u l i c s y s t e m c a n als o b e s t u d i e d ． Ke y wo r d s Hy dra u l i c o i l ； B u l k mo d u l u s ；Me a s u r i n g d e v i c e ； S e r v o c o n t r o l l e d s y s t e m； S t ruc t u r e d e s i g n 弹性模量是液压油的一个重要物理参数，表征液 压油的刚性，它直接影响液压元件和系统的固有频率 和阻尼 比，从 而影 响稳 定性 和动态品质⋯。 目前 ，可 靠、实用的弹性模量测量装置还仅仅限于学术上的讨 论，作者设计的液压油体积弹性模量综合实验系统， 基 于定义 法 ，可 以在线 、 自动 、高精度地测量油液的 有效体积 弹性模量 。 油液的体积弹性模量值与油液的压力、温度、含 气量及油液 的种类相关 ，目前 尚无完善的油液有效 体 积弹性模量的理论计算模型。以上几个因素中，含气 量对油液体积弹性模量的影响很大，必须降低油液中 的空气含量 ，但 油 液 中气体 的溶 解 变化 过程 较 为复 杂 ，目前 尚元完善 的理论模型 。同时液压系统 的油温 的控制也很重要。作者设计的液压油体积弹性模量综 合实验系统集成了抽真空除气系统 、含气量测量仪 器、温度控制系统，可以有效地除去油液中掺杂和溶 解的气体 ，同时可测量油液中气体含量 ，控制实验过 程中的油温，对液压油的含气效应和油液体积弹性模 量值与压力、温度 、含气量之间的定量规律的数学模 型进行研究 。 随着 电液控制 系统对控制精度和动态响应要求 的 不断提高 ，液压油体积弹性模 量对系统动态性 能的影 响逐渐显现而变得不可忽视 ，作者设 计的油液体积 弹 性模量实验系统集成了伺服控制分系统，可对油液体 积弹性模 量对系统的稳 定性和动态品质 的影 响进行研 究 。 1 综合实验系统原理设计 该实验 系统 主要包括 4个子系统 ，分别 为 油液 抽真空除气和含气量检测 系统 、温度控制系统 、液压 油体积弹性模量检测系统和伺服控制系统。 该综合实验系统原理 图如 图 1 所示 。 收稿 日期 2 0 1 0 0 51 8 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 0 9 7 5 2 5 2 作者简介 程 帅 1 9 8 6 一 ，男 ，硕 士研 究 生 ，主要 从 事 机 电 液控 制 技 术 方 面 的 研 究。 电话 1 5 0 8 8 6 8 9 0 7 5 ，Em a i l c he ng s h ua i 8 0 8 1 2 6． c o n。 2 机床与液压 第 3 9卷 伺服 控 制系统 图 1 实验系统原理图 系统采用恒压变量泵 2 l ，实现供油压力的恒压 控制；比例溢 流阀 3 0控制系统工作压力在 0～2 5 MP a 连续可调 ；电磁溢流 阀 3 l 设 定 系统 最高压力 为 3 1 ． 5 MP a ，同时可用于系统卸荷 ；系统开始工作时先 利用抽真空除气系统对油箱中的油液进行除气，该工 作主要通过球 阀 4 、6 、1 5 、1 7的通 断、辅 助油箱 l 4 的辅助作用以及真空泵 1的作用来实现的。含气量检 测仪与弹性模量测量装置直接相连，可以在线检测测 试油液的含气 量。弹性模 量检 测装 置基 于定义 法设 计，电磁换向阀2 9和4 1 用于控制弹性模量检测工作 的开始和结束 ，采用温控 系统对被测油液温度进行精 确控制。伺服控制系统与弹性模量检测装置直接相 连，进行液压系统动态性能试验，研究油液体积弹性 模量对系统 动态特性的影 响。实验系统设置多处温度 和压力测量 点 ，采用高精度传感器实现温度和压力的 精确测量。 2 液压油体积弹性模量检测装置设计 2 ． 1 弹性模量检测装置原理与结构设计 该装置的设计基于油液体积弹性模量的定义 K一 1 式 中 为油液 的体积弹性模量 ； A V为油液体积的改变量 ； 卸 为与 A V 对应 的油液压 力的改变量 ； 为初始状态的油液体积 。 该装置依据上述原理把液压系统 的一部分油液作 为研究对象，对测试腔内一定体积的油液施加压力， 1 一真空泵2 一油水过滤器 3 一真空度计4 一电动球 阀 s 一放气截止阀6 球阀 7 风冷却器8 、9 温度传感器 1 O 一压力传感器l 1 一压力表 1 2 一油箱l 3 安全阀 l 4 一辅助油箱1 5 、l 6 、l 7 球阀 l 8 一手动吸油泵l 9 一球阀 2 O 一电机2 l 恒压变量泵 2 2 一伺服油缸2 3 一重块 2 4 一压力传感器2 一伺服 阀 2 6 一温度传感器2 卜 压力表 2 8 - - - 电磁换向阀2 9 一主油路过滤器 3 O 一比例溢流阀3 1 一电磁溢流阀 3 2 一单 向阀3 3 一步进电机 3 4 -- - 单 向阀3 s 一弹性模量测量装置 主体3 6 一电磁换 向阀 改变压力的大小 ，得到相应的油液体积的变化量 ，按 照以上定义求得油液的体积弹性模量值，用二次系统 直接显示或输出弹性模量信号。 检测装置基 本结 构如 图 2所示 。在 该测 量装 置 中 ，检测油液 注入到测试腔体 9和底座 8形成 的密闭 测试空间进行检测 ，测试腔体上安装有温度传感器 3 检测被测油液的温度，底座上装有压力传感器4检测 油液压力。测试腔进油口处设置单向阀，使油液不能 回流 ，通过直线式步进 电机驱动压杆 1 对测试腔 内的 液压油加压得到压力和体积变化 ，用温度和压力传感 器直接获取测试腔 内的油液状态参数 、所受压力 和体 积变化等数据，采用含气检测仪直接在线测取被测油 液的含气量 ，通过数学分析得到油液体积弹性模量 值 。 测试 腔 进 油 口 测 试腔 回 油 口 卜一 压 杆 2 -- 电热 丝 3 一温 度 传感器 4 --压力传感器 5 一传 感 器安装 座 6 一球 阀 7 一 密闭 壳体 8 - -底座 9 一测 试腔 体 l O 一温 度传 感器 图2 弹性模量检测装置结构图 第 3期 程帅 等液压油体积弹性模量综合实验系统设计与分析 3 综合考虑外形尺寸合理、测量误差小、成本合理 等 因素 ，经过 分 析 比较确 定结 构 尺寸 压杆 的直径 D1 2 m m，长度 L 。 2 1 0 I T l m，行 程 L 6 3 ． 5 m m，测 试腔的 内径 D 。 7 0 m m，外 径 D。 1 2 0 m m，测 试腔 的高度 h 9 0 m m，测试 腔体 与底座 形成 的密 闭空 间 的容积约为 0 ． 8 L 。 2 ． 2 检测装置关键技术 1 由于在低压下油液的体积弹性模量值随压 力变化较 为明显 ，在该检测装置 中采用直线步进 电机 作 为执行 器推 动压 杆来 压 缩 油液 ，并 配有 编码 器 检 测 ，严格保证加载腔 内活塞杆每次 的加载位移为 固定 值 ，可 以满 足低 压 区域 的压 力 细 分 分 辨 率 约 0 ． 5 MP a ，能够精确测量较低压力下的弹性模量值。 设油液体积弹性模量值 K1 0 0 0 M P a ，已知测 试腔总体积 V o 0 ． 8 L ，当产生微小压力变化 却 5 M P a 时，理论上相应的油液体积变化 △ V o Z W ／ K 81 0 x 0 ． 5 ／ 1 0 0 0 4 0 0 m m ，这时的体积变化由压 杆运动产 生 ，A Vh ,r r D ／ 4 ，h为 压杆 所需 位 移 ，将 参数代入计算可知压杆所需位移 h 3 ． 5 m m，而直线 步进电机的步进精度可以达到 0 ． 0 3 1 7 m m，完全可 以达 到设计要求 。 2 主油路温度控制与弹性模量测试腔体内的温 度控制 系统分开设计 。主油路采用风冷却器冷却 ，将 弹性模量检测系统小型化 、仪器化 ，弹性模量检测腔 体置于密封的金属壳体7内，并通过测试壳体的电热 丝 2对密封测试腔内的油液进行温度精确控制，确保 了被测油液温度控制的精确性和保真性，温度控制范 围为 2 0 6 0℃，精度优于 0 ． 5℃。温度控制算法采 用模糊 R B F神 经 网络 P I D控 制 ，其输 出控制 电热 丝温度 ，进而达到温度 控制的 目的。该算法具有 自学 习和 自适应 的能力 ，控 制精度 高 ，能够有效地抑制超 调 ，动态特性好 ，具有很强 的鲁棒性 。控制器结构见 图 3。 图 3 模糊 R B F神经网络 P I D控制器结构图 3 伺服控制分系统设计与分析 3 ． 1 伺服 控制 分 系统原 理与 结构 设计 伺服控制系统结构如图4所示 该系统主要包括 伺服液压缸4 、伺服阀 6 、重块 3和传感器等元件组 成 。当伺 服阀 6开启时 ，在液压油 的压力作用下伺服 油缸活塞杆将推 动重块 3在导轨 2上滑行 ，对 重块位 移进行精确控制 ，重块最 大运动 速度为 0 ． 5 m ／ s 。设 置挡块 1 控制重块的最大行程为 1 9 5 m m，通过伺服 缸内置的磁 致式 位移传感 器可精 确测 量重块 的位移。 重块 有 1 0 、2 0 、5 O k g 3种 ，实验 时可相 互配 重。该 伺 服系统与弹性模 量测量 装置直 接相连 ，可用来建立 以弹性模量 作为 一个 变量 为液 压 油性 能参 数 、工 况参数和系统参数的函数的液压系统控制特性分 析数学模型 ，改变温度、压力、油液含气量等参数以 控制油液体积弹性模量的变化 ，进行液压系统动态性 能试验 ，研究油液体积弹性模量对系统动态特性的影 响。 6 7 一压力传感器8 伺服 阀块 图4 伺服控制系统结构图 3 ． 2 系统性能分析 根据伺服 阀的负载压力 一 流量特性 、阀控缸流量 连续性方程 以及非对称液压缸力平衡方程 ，可得出 阀控非对称缸的位移数学模型 y ㈤ K q 一 丧s 1 F J／／【r v o, 3 一 K ee 。m I 、 V e K,, g een p s ] 2 式 2 中 为伺 服 阀 流量 增益 ；X 为伺 服 阀 阀 芯位移 ； 为总流量压力系数 ；A 为平均 活塞面积 ； 为液压 缸最 大容 积 ； 为油液 体积 弹性 模量 ；F 为外加 负载力 ；m 为负 载质 量 ；K 为 弹性 系数 ；B 。 为黏性 阻尼 系数 。 在位置控制时，将活塞的位移作为输 出控制量， 重块在光 滑 导轨上 滑 行 ，外 加 负载 力 F 近似 为零 ， 同时 可忽 略 两 个 因素 1 无 弹性 负 载 ， 0 ； 2 无阻尼缸 ，B 。 忽 略不计 ，则式 2 可简化 为 s 毫 ＼ 0 2 h ， 式 3 中 ∞ 为 液 压 固 有 频 率 ， √ ； 为 液 压 阻 尼 比 鲁 噜层， 忽 4 机床与液压 第3 9卷 略 可 近 似 写 她。 √ 当外负载 为零 时 ，缸 的位 移 主要 由阀芯开 口决 定 ，系统传递 函数 图如 图 5所示 ，图中 X o 为放大 器 增益，K s 为伺服阀增益系数，K f 为传感器增益。 图5 系统传递函数框图 将系统各个参数代入系统传递函数方块图，采用 M A T L A B仿真可得伺服系统开环伯德 图，如图 6所 示。 频 翠／ r a d。 s 1 图6 伺服系统开环伯德图 分析系 统 开环 伯德 图可知 ，幅值 裕度 K 1 5 ． 3 9 8 d B ，相位裕量 8 8 ． 4 。 ，系统具有 很高 的相 对稳定性。由系统开环伯德 图，通过尼科尔斯 图求 出 系统的 闭 环伯 德 图 ，闭 环 系 统 频 宽 2 2 ． 1 H z 1 0 H z ；该伺服系统的位 置控制误差主要 由 伺服放大器 的温度零漂 、伺服 阀零漂和滞环 、执行元 件的不敏感区域所 引起 ，重块位移误差 e f 0 ． 0 2 1 n an f _ -4 - 2 ． 61 0。 m 21 0～ m ，经 以上分析计算 ，所 设计系统 的性能指标较好地满足 了设计要求 。 4 实验系统总体结构设计 实验系统总体结构如图7所示。综合考虑系统各 组成部分的尺 寸 ，将 系统集 成在 占地 面积约 为 5 m 的金属 台架上 。为节约空间 ，有利于操作 ，将系统 中 的大部分 单 向阀 、换 向阀 、溢流 阀等集 成 到尺 寸为 3 3 0 m m1 4 5 m m 1 1 0 m m液压阀块上 ；辅助油箱容 积设计为 4 O L ，内置活塞 ，压力油箱容 积 2 0 0 L ，并 设有观察窗 ，可随时观测到油箱 内油液的状况 ；抽真 空除气系统直接与压力 油箱相连 ，通过集成在辅助油 箱 台架上 的手动吸油泵 以及油 箱管路上 的球 阀作 用 ， 使辅助油箱 内置的活塞上下滑动 ，从 而实现抽真空的 泄压 与压力油箱的加压 ；弹性模量 检测装置集成设计 在尺寸为 2 9 0 m m 2 7 5 fi l m 2 8 8 m m的密闭金属腔体 内 ，由台架上的步进 电机直接加载 ，并通过管路 连接 将伺服控制系统与检测装置直接相连 ，供油管路布局 尽量简单化 、有序化 。 手动 泵 电机 组 抽 真空 装 箕 图 7 实验系统总体结构图 5结论 作 者设计 了一种 适用 于液 压系统 工况 和便 于工 程应用 的液 压 油体 积 弹性模 量 综 合测 试 实 验 系统 。 该实验系统集成了弹性模量测量装置 、温度控制系 统、含气量检测仪器和抽真空除气系统、伺服控制 系统等 ，不仅可 以高精度 地在线 自动检测 液压 油 的 有效体积 弹性模 量 ，还可 用 于研究 液压 油含气 量及 其状态 的数 学 描述 ，弹 性模 量 随油 液 品质 、含 气 、 压力 、温度等参 数变化规律 的定 量数 学模 型 ，以及 油液体积 弹性模 量对伺 服 系统动态 性 能的影 响 ，对 液压系统 的设计 与分析具 有重 要 的学术 意义 和工程 应用价值 。 参考文 献 【 l 】路甬祥． 液压气动技术手册 [ M] ． 北京 机械工业出版 社 ， 2 0 0 2 ． 【 2 】金瑶兰， 龚国芳， 王静． 油液抽真空除气装置的设计及仿 真分析[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 7 ， 3 5 7 7 7 7 9 ． 【 3 】 盛静超． 液压流体力学[ M] ． 北京 机械工业出版社， 1 9 8 2． 【 4 】欧阳磊， 黄友锐， 黄宜庆． 基于模糊 R B F神经网络的P I D 及其应用[ J ] ． 计算机工程 ， 2 0 0 8 ， 3 4 2 2 2 3 1 2 3 3 ． 【 5 】 王春行． 液压控制系统[ M] ． 北京 机械工业 出版社， 2 0 4．