风机风量调整集成式机液伺服液压缸动态特性分析.pdf

2015年 10月 机 床 与 液 压 Oct. 2015 第 43 卷第 19 期 MACHINET0 0 L 2 HYDRAULICS Vol. 43 No. 19 DOI 10.3969/j. issn. 1001-3881. 2015. 19. 026 风机风量调整集成式机液伺服液压缸动态特性分析 苏东海，秦明璋 沈阳工业大学机械工程学院，辽 宁 沈 阳 110870 摘要 介绍了一种集成式机液伺服液压缸的结构及工作原理， 建立了集成式机液伺服缸的数学模型，对系统的动态特 性进行了仿真研究。改变阀正开口量、面积梯度、阻尼孔直径和负载质量参数，分析其对系统动态特性的影响，优化系统 参数，获得了良好的动态特性。 关键词 集成式机液伺服液压缸； 参数优化；动态特性 中图分类号TH137.51 文献标志码 A 文章编号1001-3881 2015 19-113-3 Analysis of Dynamic Characteristics of Integrated Machine Hydraulic Servo Cylinder for Fan Flow Adjusting SUDonghai，QINMingzhang College of Mechanical Engineering， Shenyang University of Technology， Shenyang Liaoning 110870, China Abstract The work principle and structure of integrated machine hydraulic servo cylinder were introduced. The mathematical model of machine hydraulic servo cylinder was established and the dynamic characteristics were researched. By changing the opening size of open center servo valve， the area gradient of sero valve port， damper orifice diameter and load quality parameters， the influ ence of dynamic characteristics of thie system was analyzed， the parameters of thie system was optimized， good dynamic characteristics was obtained. Keywords Integrated machine hydraulic sero cylinder； Parameter optimization； Dynamic characteristics 〇 前言 在引风机的使用过程中，风量的需求并不是恒定 的，会根据实际需要选择适当风量以完成生产需求。 当供风量大于实际需求量时，富裕风量会白白消耗电 能，增加生产成本。而机液伺服缸作为风机风量调节 的主要元件，它的动态性能直接影响到风机的性能和 效率。因此，近几年来对风机机液伺服缸的研究引起 了更多学者的重视。本文作者通过对集成式风机风量 调节机液伺服缸进行建模，对其动态特性进行仿真分 析，为设计集成式机液伺服液压缸提供理论依据。 1集成式机液伺服液压缸的结构及工作原理 集成式机液伺服缸的结构如图1所示。 从图中可知，在阀控缸集成式元件中，正开口双 边滑阀和非对称差动缸是一个整体，并在活塞上开设 了一个阻尼孔；在配油方面，机构采用了轴向配油方 式 ，即油液通过旋转油封直接通过轴向油道进入控制 阀内。 集成式机液伺服液压缸的原理如图2所示。 图2机液伺服液压缸原理图 高压油1直通有杆腔，当阀芯没有输入时，油 液经阻尼孔流入无杆腔，再经阀芯正开口流回油箱， 对机构循环冷却。当给阀芯一个正向位移时，此 时右侧节流口开口增大，压力油同时向液压缸左右两 收 稿日期 2014-08-19 作者简介苏东海（ 1964， 男， 博士， 教授，研究方向为流体传动与控制技术。E-mail qinming0451126. com 114 - 机床与液压 第 43 卷 腔等压供油，由于两腔活塞面积不同，活塞向右移 动，对负载做功；由于活塞与阀体是集成的，随着活 塞的前进，右侧节流口逐渐减小，当达到平衡位置 时，活塞停止运动。当 给 阀 芯 一 个 负 向 位 移 时 ， 原理同上。 2数学模型 假设阀对于阀芯位移和阀压力变化所产生的流 量变化能瞬间反应，即阀具有理想的响应能力；供油 压力恒定，回油压力为零[1]。 阀口流量方程为 1 式中 q为流量增益；c为流量-压力系数； Ml为 负载流量； 1为液压缸控制腔压力。 液压缸流量连续性方程为 ML 2 式中 h为液压缸无杆腔有效面积；为 活 塞 杆 输 出位移；为液压缸内漏系数； R为阻尼孔液导； ;。 为液压缸无杆腔面积；从为有效体积弹性模量 包括阀、连接管道和缸体机械柔度） 。 液压缸力平衡方程为 1h L23 式中 L为活塞及负载等效质量； B为作用在活塞 上的外负载力； 为负载弹簧刚度；％为活塞及负载 的粘性阻尼系数。 将 式 （1、（2、⑶ 联 立 ，忽略弹簧刚度，整 理得系统开环传递函数为 式中e为机液伺服系统的总流量-压力系数， e cpR 为液压固有频率，取 1 为阻尼比，取 3系统动态特性的影响因素分析 该系统为机液伺服控制系统，特别是采用集成式 阀控非对称差动缸结构，参数优化设计显得尤为重 要[2]。文中以5 t机液伺服液压缸为例分析系统的动 态特性。 根据传递函数可知，影响机液伺服缸系统的主要 因素有阻尼孔直径2、阀口面积梯度C、阀正开口 量 8 和负载质量L，这些参数对系统动态性能的影 响是存在矛盾的。所以必须合理的选取参数值，使系 统综合性能达到最优[3]。 3. 1 阻尼孔直径对系统动态特性的影响 图3 显示了不同阻尼孔直径下的系统阶跃响应曲 线。由图中可知，随着阻尼孔直径的增加，系统上升 时间变大，响应变慢，超调量先减小后增大。 232221 阻尼孔直径对系统的阻尼比有直接影响，但阻尼 孔直径也不是越大越好，过大的阻尼孔直径会增加系 统的内泄量，出现爬行、出力不足、保压性能差等问 题 ；且随着阻尼比的增加，系统超调并不是一直减 小 ，到达一定值后开始增加。综合系统性能，阻尼孔 直径选22时最满足设计要求。 3 . 2 阀口面积梯度对系统动态特性的影响 图4 显示了不同阀口面积梯度下的系统阶跃响应 图。由图中可知，随着面积梯度的增加，上升时间减 小 ，系统响应变快，但超调量增加，稳定性降低。 阀口面积梯度对开环增益和阻尼比均有影响，选 取大的面积梯度会提高系统的响应速度，但过大的面 积梯度会增加阀的体积，使流量增加，降低阀的效 率 ；超调量也会增加，系统更加不稳定，综合系统性 能，面积梯度选％ 最符合设计要求。 3. 3 阀正开口量对系统动态特性的影响 图 5 显示了不同阀正开口量下系统阶跃响应图， 第 1期苏东海等风机风量调整集成式机液伺服液压缸动态特性分析 115 - 由图中可知，随着阀正开口量的增加，上升时间增 加，系统响应变慢，超调量先减小后增大。 正开口量对系统动态特性的影响与阻尼孔直径类 似，但对系统动态特性影响不大，根 据 文 献 [4]， 通常取正开口量为8 3 , 这样既满足了正开口，又 获得了最大压力增益。综合系统特性，正开口量取 82最符合设计要求。 3 . 4 负载质量对系统动态特性的影响 图6显示了不同负载质量下系统阶跃响应图，由 图中可知，随着负载质量的增加，系统上升时间增 加，响应变慢。超调量变大，稳定性降低。 负载质量对系统固有频率和阻尼比均有影响，负 载质量增加，系统响应变慢，稳定性降低，所以设计 时要优化系统结构和使用材料，尽量减小负载质量。 综合系统性能，负载质量取L时最符合设计要求。 4结论 通过对集成式机液伺服液压缸的理论分析，建立 了机液伺服缸的数学模型。从仿真结果来看阻尼孔直 径2、阀口面积梯度C 阀正开口量8和负载质量l 对动态特性均有很大影响，适当调节8、C 2, 减 小l，可以提高系统动态特性。通过仿真不断修改结 构参数，使机液伺服缸的综合性能最好，为设计集成 式机液伺服缸提供了-定的理论依据。 参考文献 [1] 王春行.液压控制系统[M].北京 机械工业出版社， 1999. [2] LEI Junbo，WANG Xuanyin，PI Yangjun.Sliding Mode Con trol in Postion Control for Asymmetrical Hydraulic Cylinder with Chambers Connected C]//Shanghai Jiaotong Univer sity and Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2013. Shanghai Jiaotong Uni_Sci.， 2013， 184454-459. [3] 江海兵， 曹树平， 朱会学， 等.森吉米尔轧机FMV阀控缸 系统动态特性研究[J]. 机床与液压， 2004745-46. [4] 李阁强， 韩建海， 张彪， 等.正开口阀在电液负载模拟器 中的应用[J ]. 液压与气动， 2008 12 42-44. [5 ] 魏树国， 赵升吨， 张立军， 等.直驱泵控式液压机液压系 统的动态特性仿真及优化[J].西安交通大学学报， 2009,43 7 79-82. [6] 江桂云， 王勇勤， 严兴春.液压伺服阀控缸动态特性数学 建模及仿真分析[J].四川大学学报， 2008,40 5 195-198. [7 ] 苑士华， 魏超， 张银彩. 液压机械无级变速器动态特性的 影响因素研究[J]. 农业工程学报， 2008,24233-37. [8 ] 刘少辉， 林少芬， 刘国印， 等.工程机械液压系统试验台 的动态特性仿真研究[J].机床与液压， 2009,37 3 138-141. I 全机器人农场将成为现实 1 随着人口红利的逐步消失，劳动力短缺、劳动力成本急剧上升等因素大量聚集，不断挤压制造企业的生存空间。 另外， 一台机器人的工作效率往往是工人的数倍， 通过自动化提升生产效率能有效应对人力成本压力。因此，修建一一 个完全由计算机和机器人来控制的室内生菜农场， 将至关重要。 日前，日本一家名叫Spread的公司已经拥有几家大型的室内农场， 并且环境很好。里面的蔬菜采用水耕法， 不 会 丨 丨 消耗土壤资源。多达98的水都被循环使用，也不需要喷洒杀虫剂，因为害虫都在室外。人工光照系统让植物脱离了了 对气候变数的依赖， 这些灯光的能源都来自可再生能源。 完全自动化的农业生产环境更加适合生菜的生长，同样可以使生菜更便宜。目前，Spread每年种植7700万棵生g 菜，售价与普通生菜差不多。而通过完全自动化， 则可以提高产能从而提高利润。 现在， 用计算机来控制室内农场的温度、湿度、光照和二氧化碳含量并不少见。而Spied则希望通过机器人雜制 生产的整个过程， 从播种到收获。根据华尔街日报的报道， 该公司正在开发一种播种机器人，不过依然需要人来判断种g 子是否发芽。不过机器人的视觉系统目前已经能够识别不同的披萨， 识别种子是否发芽也不是一件遥不可及的事。 据悉，Spread新工厂将于明年正式投入麵， 届时新工厂将为Spread节省50的人工。此外，德国也早早进入机g 器人农场时代，而德国的农林机械设备全球著名。最后，也希望我国的机器人农场的发展步伐加快 内容来源互联网） j