挖掘机工作装置液压系统动臂油缸的压力跃变研究-.pdf

第 8卷第 2期 2 0 1 0年 6月 中国工程机械学报 C H／ NE S E J OURNAL O F C ONS T RU v r I ON MAC HI NER Y V0 l _ 8 No． 2 J u n ． 2 0 1 0 挖掘机工作装置液压 系统动臂油缸的压 力跃变研 究 杨克石 ， 刘 杰 ， 韩 鹰。 ， 刘 阔 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 ． 青岛理工大学 费县校区机电系 ，山东 临沂2 7 3 4 0 0 ； 3 ． 山东交通学院 工程机械系 ，山东 济南2 5 0 0 0 1 摘要以P C 0 2挖掘机工作装置液压系统为例， 建立了状态变量数学模型和仿真模型． 通过分析动臂油缸活塞杆 在伸出和缩回时负载压力 p 跃变的规律 ， 提出在压力跃变过程中存在压力冲击和压力空穴阶段； 给出了负载 压力 P 的稳态解析表达式； 压力冲击的峰值远大于压力跃变的稳态值． 关键词 挖掘机； 状态变量； 压力跃变 中图分类号 T D 4 2 2 ． 3 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 2 5 5 8 1 2 0 1 0 0 20 1 5 2 0 7 St u d y o f p r e s s u r e j u mp i ng 0 n l ⋯ c y l i n d e r f o rt u 0 r e s s u r e U 1 I t - a r m e r 0 r 1 0 n l l l l■ n ‘ l● l ■ nydr aul I C s ys t e m 0I excaVat 0r w orKi ng m e c1 1 ani S m NG Ke s h i ，U 【 ， J i e ，HAⅣ 。 ，L Ku o 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c al En g i n e e r i n g＆Au t o ma t i o n， No r t h e a s t e r n Un i v e r s i t y，S h e n y a n g 1 1 0 0 0 4，C h i n a； 2 ． Me c h a n i a l a n d E l e c t r i c a l D e p a r t me n t ， F e ix i a n C a mp u s ， Qin g d a o T e c h n o lo g i c a l U n i v e r s it y ， L i n y i 2 7 3 4 0 0 ，C h i n a ； 3 ． C o n s t r u c t i o n Ma c h i n e r y De p a r t me n t ，S h a n d o n g J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， J i n a n 2 5 0 0 0 1 ， C h i n a Ab s t r a c t By e mp l o y i n g t h e h y d r a u l i c s y s t e m o f P C 0 2 e x c a v a t o r wo r k i n g me c h a n i s m a s a n e x a mp l e， t h e ma t h e ma t i c a l a n d s i mu l a t i o n mo d e l s a r e f i r s t e s t a b l i s h e d i n t e r ms o f s t a t e v a r i a b l e s ． Th r o u g h a n a l y z i n g t h e j u mp i n g p r i n c i p l e w i t h r e g a r d t o p i s t o n r o d e x t e n s i o n a n d r e t r a c t i o n i n l i f t a r m c y l i n d e r ， t h e p r e s s u r e c l a s h i n g p e a k a n d v a c u u m p h a s e s a r e t h e n p r o p e s e d d u r i n g p r e s s u r e j u mp i n g p r o c e s s ． F i n a l l y ， a s t e a d y - s tat e a n a l y t i c e x p r e s s i o n i s d e v e l o p e d f o r l o a d i n g p r e s s u r e， P L ， wh i c h i n d i c a t e s t h a t t h e p r e s s u r e c l a s h i n g p e a k v a l u e i s e x t r e me l y h i g h e r t h a n t h e s t e a d y - s a t e v a l u e w h i l e p r e s s u r e j u mp i n g ． Ke y wo r d s e x c a v a t o r ；s t a t e v a r i a b l e s ；p r e s s u r e j u mp 铲土运输机械， 如装载机 、 挖掘机 、 推土机， 在矿山、 建筑工地 、 垃圾清理和道路工程 中应用广泛． 这些 机械设备价格昂贵， 工作环境恶劣l 1 ] ． 长期以来 ， 设备运行一直需要人力操作 ， 作业效率不高， 劳动者强度 大． 随着科技 的进步， 遥控操作 、 协调控制、 智能化操作已经成为发展的方向[ 2 ] ． 在铲土运输机械的工作装置液压系统里 ， 驱动油缸 ， 如动臂油缸、 斗杆油缸以及铲斗油缸， 采用单活塞 杆双作用型式． 活塞两侧油腔的有效工作面积不等 ， 具有非对称性 ． 因此活塞杆伸出、 缩回的过程 中， 存在 压力跃变现象 ， 也就是压力发生突然的变化_ 3 ] ． 这将直接影响系统工作的平稳性． 研究压力跃变的规律对于提高铲土运输机械工作装置液压系统的工作平稳性 ， 保证可靠 、 长期稳定的 工作 ， 具有特别 的意义； 同时也是进行智能化操作的基础． 文献[ 4 ] 给出了在对称阀控制非对称油缸的情况下， 压力跃变数值的解析表达式 ； 该表达式没有考虑 油液的可压缩性 、 系统泄漏对压力跃变的影响． 本文以 P C 0 2 挖掘机工作装置液压系统为例， 以多路换向阀中动臂阀芯的压力 一 流量特性方程、 动臂 油缸的流量连续性方程和动臂油缸活塞杆的力平衡方程为基础， 考虑了动臂油缸的非对称性 、 油液的可压 基金项 目国家 自然科学基金资助项 目 5 0 7 7 5 0 2 9 作者简介 杨克 1 9 6 1一 ， 男 ， 高级工程师 ， 博士生 ． E ma i l y a n g k e s h 0 0 1 1 2 6 ． c o rn 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 杨克石 ， 等 挖掘机工作装 置液压 系统动臂油缸 的压力跃变研究 缩性 、 系统的泄漏因素 ， 建立 了状态变量数学模型和仿真模型． 分析 了活塞杆在伸出和缩 回时压力跃变的 规律 ， 这些规律对于其他 的铲土运输机械同样具有指导作用． 1 建模 建模是系统分析的基础． 若考虑密封件及管路连接件的泄漏 、 胶管内部的损失 、 油液的可压缩性、 粘性 的变化 、 阀口的磨损 ， 建立 阀控油缸液压系统 的动 态模型较为困难 ． 本文提出的状态变量模型， 考虑 了油液的可压 缩性和系统 的泄漏 ， 反 映了输 出变量 、 输 入变量和 系统内部状态变量之间的关系 ， 为分析系统的动态 特性和控制系统设计带来方便[ 5 ] ． 挖掘机工作装置是由液压系统来 驱动 的， 该系 统包括油箱 、 油泵 、 多路换 向阀、 铲斗油缸 、 斗杆油 缸 、 动臂油缸 、 油管等_ 6 ] ． 考虑到动臂油缸和斗杆油缸及铲 斗油缸 的油 路基本相 同， 本文以动臂油缸为例 ． 如 图 1所示 ， 为 多路阀阀芯控制动臂油缸的液压系统图． 动臂油缸具有非对称性 ， 活塞杆在伸 出和缩 回 2个 方 向上 运动状 态不 同[ 7 ] ． 下面从 活塞杆 伸 出 图 1 挖掘机工作装置液压系统阀控动臂油缸示意图 Fi g ． 1 Sk e t c h o f p r o p o r t i o n a l v a l v e a n d l i f t a r m c y l i n d e r o f e x c a v a t o r ’ s a t t a c h me n t 0 和活塞杆缩 回 O 为简化讨论 ， 不失一般性 ， 假设如下 矩形 阀口的多路阀阀芯 ， 阀口处油液为紊流状态 ； 不考虑管道的 摩擦损失和动态特性 ； 油液的温度和密度为常数 ； 阀芯的位移一 流量死区对称 ． 动臂阀芯的阀 口压力一 流量特性为 Q1 C d ∞ J2 P 。 一P 1 ／ P， Q 2 C d J 2p 2 ／ P 1 式 中 Q ， Qz 分别为油缸无杆腔和有杆腔的流量 ， m3 s 一； C a 为阀 口流量系数 ； ∞为 阀口的面积梯度 ， m； 为动臂阀芯 的位移 ， c m； P 。 为供油压力 ， MP a ； P ， P z 分别为油缸无杆腔 、 有杆腔的油液压力 ， MP a ； l0 为油液密度 ， k g 1 T I ～． 在这里， 假设回油压力 P o 0 ． 动臂油缸的流量连续性方程为 Q C ip p 一 c e p p 1 Q 。 C i p p 一 一C e p p 2一 V 2 d p 2 一 。 2 式中 C ， C 印 分别为油缸 内、 外泄漏系数 ， m N S ～； V ， V z分别为油缸无杆腔和有杆 腔容积 ， m。 ； 为油液体积弹性模量 ， P a ． 设 Vl V1 oA1 Y， V2 V2 0一A2 Y 3 式中 o ， z o 分别为在平衡点时， 活塞两侧油腔 的容积 ， m3 ； A ， Az 分别为活塞两侧 的有效面积 ， m2 ； ， 为活塞杆伸 出位移． 对式 3 两端取导数得 V 1A1 雪 ， V 2一A2 7 7 4 考虑到油缸 的外部泄漏很少 ， C 。 。 0 ， 则式 2 可以写成如下 的形式 Q C i p p 一p z A ，Q C i p p 一p 一 V 2 d p 2A 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 5 4 中国工程机械学报 第 8卷 考虑到泄漏及液容效应所引起的流量远小于活塞运动所引起的流量 ， 式 5 进一步简化为 Q1A1 d y ， d Q A2 d 艺 若定义两腔流量之比为 叩 ， 结合式 1 和式 6 ， 可以表示为 】 7 Q ／ Q A。 ／ A _ 若定义负载压力为 P c P 一 z ， 结合式 7 得 ， 将式 8 代入式 1 ， 得到用负载压力 P 表示 的动臂阀芯的阀口压力一 流量特性如下 6 7 8 Q C ， Q C X 丽丁 9 定义负载流量 QL - “ 1 Q 十Q z ， 得到多路阀动臂阀芯的负载压力一 负载流量特性为 Q 兰 C 伽 二 _ ／ 2 1- I- 矿 对式 1 0 进行线性化处理， 得出负载流量 Q 的线性化表达式 QLK1 № 一K1 mP L 1 0 1 1 热 工 况 1 时 阀 系 数 流 量 增 益 K lxa -- a Q L 丽．K l 况 1 时 流 量压力系数 , Kl w- a Q L 1叩 C d 、 2、 考虑了油液的可压缩性及系统的泄漏影响， 阀控动臂油缸 的油液连续性方程如式 2 所示 ， 根据负载 流 量 的 定 义 ， Q 丢 Q Q ，动 臂 油 缸 流 量 连 续 性 方 程 为 Q 。 丢 p 一 对式 1 2 取增量形式 ， 负载流量表示为 A QL C t e △ P 1 一P 2 式 中 c 为总泄漏系数 ， c ip 1 c 印 对式 8 取增量的形式， 整理得 V △ V 2 1 2 2 一 二 2 2 fl o 虮 将式 8 写成对负载压力求导的形式 dpl 一 1 d L d p 2 一d t一 ’ _ I _ 一 7 d p L dt ～ dt 1 d t 。 d t 矿 ＼ ～ ／ V l V 2 。 d p 设动臂油缸的等效容积为 ， ， 对式 1 5 取增量的形式 ， 得 △ f 将式 4 合并 ， 得到下面的形式 一 1 一V e dt dt 2 △ dt J 一 1 3 1 4 1 5 1 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 期 杨克石， 等 挖掘机工作装置液压系统动臂油缸的压力跃变研究 1 5 5 z A A2 - 2 A 1 7 式 中 A 为活塞平均面积 ， A A Az ／ 2 ． 对式 1 7 取增量 的形式 ， 得 △ 2 A △ 1 8 综合式 1 6 和式 1 8 ， 将式 1 3 写成 △ q p Y e △ d p LA △ 1 9 对式 1 9 取拉氏变换 ， 得到如下动臂油缸流量连续性方程 Q Ye d p LA 2 0 由图 1 ， 动臂油缸活塞杆力平衡方程为 lmt d 2 y Bt dy ，A1 p 1 一A2 p 2 A1 】 L 2 1 式中 m 为装载机工作装置动臂和铲斗 自身折合到活塞杆上的总质量 ， k g ； Bt 为活塞杆总粘性阻尼系数 ， N S． IT I ～； ． 厂 为外载荷 ， N． 综合式 1 1 ， 2 。 和式 2 1 ， 并设状态变量 X l P L , ， ， ， 得到活塞杆伸出情 ．下状 态蛮 量模 型 为 一 ] B e f { f J 【 2 J 一 j 0 0 1 m 式中 K 为工况 1总压力流量系数 ， K K mC t e ． 1 ． 2 在活塞杆缩回的情况下 工况 2 ， y 0 变为缩回 1 7 0 时， 压力冲击先于压力空穴； 在活塞杆由缩回变为伸出时， 压力空穴先 于压力冲击 ． 2 动臂油缸的非对称性 ， 是产生压力跃变的原 因， 影响系统工作 的平稳性 ； 压力冲击和压力空穴 的 存在， 对系统工作平稳性的影响更大． 3 出现压力冲击时， 因为油液的可压缩性， 瞬时负载压力远大于压力跃变稳态值， 在进行系统设计 和元件选择时 ， 应考虑到这一点， 以提高系统运行的可靠性． 4 外载荷一定 、 阀口开度一定时， 活塞杆缩回的速度大于伸出的速度 ． 5 在阀芯开口量一定的条件下， 负载压力 P 随外载荷厂的增加而增加； 由于系统内部的泄漏， 活塞 杆的速度随外载荷 _厂的增加稍有降低 ． 参考文献 [ 1 ] S H I X i a o b o ． I n t e l li g e n t c o n t r o l o f a u t o n o m o u s r o c k e x c a v a t i o n t h e o r y＆ e x p e r i m e n ta ti o n[ D] ． A r i z o n a ， U S T h e U n iv e r s i t y o f Ar i z o n a， 1 9 9 6． 下转第 1 7 2 页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 7 2 中国工程机械学报 第 8 卷 6 结论 利用状态反馈线性化方法所设计的非线性跟踪控制器能够实现刀盘转速的恒定 ， 且闭环系统稳定． 因 此 ， 变频电机 定量泵的控制方式能够实现刀盘转速恒定 的控制要求 ， 这对于实际的工程应用有一定的参 考价值． 参考文献 [ 1 1 王化更 ， 王强华 ， 徐宝富． 双偏心液压缸驱动隧道掘进机的计算机监控系统设计 [ J ] ． 机电一体化 ， 2 0 0 7 2 7 47 8 ． WA NG H u a g e n g ， WA N G Q i a n g h u a ， X U B a o f u ． D e s i g n o f t h e c o mp u t e r mo n i t o r i n g s y s t e m o f the d o u b l e e c c e n t r i c i t y h y d r a u l i c c y l i n d e r d r i v e n s h i e l d E J ] ． Me c h a t r o n i c s ， 2 0 0 7 2 7 4 7 8 ． [ 2 3 路甬祥， 液压气动技术手册[ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 3 ． L U Y o n g x i a n g ． H y d r a u l i c s a n d p n e u m a t i c s h a n d b o o k [ M] ． B e i j i n g C h i n a M a c h in e P r e s s ， 2 0 0 3 ． [ 3 ] 彭天好． 变频泵控马达调速及补偿特性的研究[ D ] ． 杭州 浙江大学机械工程学院， 2 0 0 1 ． P E N G T i a n h a o ． S t u d y o f t h e s p e e d g o v e r n i n g a n d c o m pen s a t e c h a r a c t e r i s t ic o f p u m p - c o n t r o l m o t o r w i th f r e q u e n c y c o n v e r s i o n [ D ] ． H a n g z h o u I n s t i t u t e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， Z h i a n g Un i v e r s i t y ， 2 0 0 1 ． [ 4 3 S l o t i n e J J E， L I We ip in g ． 应用非线性控制[ M] ． 程代展 ， 郭于骞 ， 朱亚红 ， 等 ， 译． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 6 ． S l o t in e J J E， L I We i p i n g ． A p p l i e d n o n l i n e a r c o n t r o l [ M] ． C H E N GDa i z h a n ， G U OY u q i a n ， Z H UY a h o n g ， e t a l ， Tr a n s la t e d ． B e ij i n g C h i n aMa - c h i n e Pr e s s ， 2 0 0 6 ． [ 5 ] K A U T S K Y J ， NI C H O L S N K， V A N D P． R o b u s t p o l e a s s i g n me n t i n l i n e a r s ta t e f e e d b a c k [ J ] ． I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f C o n tro l ， 1 9 8 5 ， 4 1 1 1 2 91 1 5 5． [ 6 ] 飞思科技研发中心． MA T “ 7 辅助控制系统设计与仿真[ M] ． 北京 电子工业出版社， 2 0 0 5 ． F e i s i T e c h n o l o g y R e s e a r c h C e n t e r ． A i d e d c o n t r o l s y s t e m d e s i g n a n d s i m u l a t i o n[ M] ． B e i j i n g P u b l i s h i n g H o u s e o f E le c tr o n i c s I nd u s t r y， 2 0 0 5． ～～⋯⋯⋯ 上接第 1 5 8页 】 ⋯】⋯】一 ⋯⋯】 ⋯～⋯ [ 2 3 S I N G H S ． T h e s t a t e o f t h e a r t i n a u t o m a t i o n o f e a r t h m o v i n g [ J ] ． A S C E ， J o u r n a l o f A e r o s p a c e E n g i n e e r i n g ， 1 9 9 7 ， 1 0 4 2 6 ． [ 3 ] 田富俊， 周恩涛． 非对称油缸施力系统状态变量模型的建立口] ． 机床与液压， 2 0 0 1 2 6 5 6 8 ． TI AN F u j u n ． Z H O U E n tao ． E s tab l i s h i n g o f s tat e s v a r i a b l e s mo d e l o f s i n g l e - r ed c y l i n d e r ’ S f o r c e c o n tr o l s y s t e m[ J ] ． Ma c h i n e T o o l Hy - d r a u l i c s 2 0 0 1 2 6 5～ 6 8． [ 4 ] 成大先 ． 机械设计手册 液压控制[ M] ． 北京 化学工业出版社 ， 2 0 0 4 ． C H E N G D a x i a n ． H a n d b o o k o f m e c h a n i c a l e n g i n e e r i n g ， h y d r a u l i c c o n t r o l [ M] ． B e i j i n g C h e m ic a l I n d u s t r y P r e s s ， 2 0 0 4 ． [ 5 ] 王宣银． 非对称液压缸系统压力跃变的研究口] ． 组合机床与自动化加工技术， 1 9 9 6 1 1 1 5 1 7 ． WAN G X u a n y i n ． R e sea r c h o f p r e s s u r e j u mp o f s in g l e r o d c y l i n d e r s y s t e m[ J ] ． Modu l a r Ma c h i n e To o l ＆A u t o ma t i c Ma n u f a c t u r i n g Te c h - ni q u e， 1 9 9 6 1 1 1 51 7 ． [ 6 ] 李丽荣． Z L G 5 0 装载机工作装置液压系统[ J ] ． 青海大学学报， 1 9 9 9 2 2 5 2 7 ． L I L i r o n g ． Z L G5 0 l o a d e r a t tac h me n t h y d r a u l i c s y s t e m[ J ] ． J o u r n a l o f Qi n g h a i U n i v e r s i t y ， 1 9 9 9 2 2 52 7 ． [ 7 1 徐建华． 遥控装载机电液操纵系统的设计 与研究 [ D ] ． 长沙 中南大学 ， 2 0 0 3 ． X U J i a n h u a ． De s i g n＆r e s e a r c h o f e l e c t r a - 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