伺服液压缸试验台动态性能研究.pdf

２０１４ 年 １２ 月 第 ４２ 卷 第 ２３ 期 机床与液压 ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ｄｅｃ􀆱 ２０１４ Ｖｏｌ􀆱 ４２ Ｎｏ􀆱 ２３ ＤＯＩ１０．３９６９／ ｊ􀆱 ｉｓｓｎ􀆱 １００１－３８８１􀆱 ２０１４􀆱 ２３􀆱 ０２２ 收稿日期 ２０１３－１０－１０ 作者简介 吴英武 （１９７９）， 女， 博士研究生， 主要从事液压传动和控制的研究。 Ｅ－ｍａｉｌ ｎｇｏａｎｈｖｕｇｔ＠ ｙａｈｏｏ􀆱 ｃｏｍ。 伺服液压缸试验台动态性能研究 吴英武， 宋锦春， 李松， 任广安 （东北大学机械工程与自动化学院， 辽宁沈阳 １１０８１９） 摘要 根据某钢厂 ＡＧＣ 液压缸测试试验台的需要， 设计了 ＡＧＣ 测试缸加载机架和液压控制系统。 利用传递函数方法 建立了液压控制系统模型， 得到了系统开环伯德图。 根据设计的液压控制系统计算了相关参数， 在有负载干扰的情况下得 到了系统的阶跃响应曲线和 ２０ Ｈｚ 下的正弦响应曲线。 结果证明加载控制系统能满足 ＡＧＣ 液压缸动态试验 ２０ Ｈｚ 的响应要 求。 关键词 ＡＧＣ； 加载机架； 动态性能； 响应频率 中图分类号 ＴＨ１３７􀆱 ９ 文献标识码 Ａ 文章编号 １００１－３８８１ （２０１４） ２３－０９０－３ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｓｅｒｖｏ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｃｙｌｉｎｄｅｒ Ｔｅｓｔ⁃ｄｅｖｉｃｅ ＷＵ Ｙｉｎｇｗｕ， ＳＯＮＧ Ｊｉｎｃｈｕｎ， ＬＩ Ｓｏｎｇ， ＲＥＮ Ｇｕａｎｇａｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ， Ｎｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｌｉａｏｎｉｎｇ １１０８１９， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ＡＧＣ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｔｅｓｔ⁃ｂｅｄ ｉｎ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｓｔｅｅｌ ｍｉｌｌ， ｔｈｅ ＡＧＣ ｔｅｓｔ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｌｏａｄｉｎｇ ｆｒａｍｅ ａｎｄ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗｅｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ． Ｔｒａｎｓｆｅｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｏ ｅｓｔａｂｌｉｓｈ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ， ａｎｄ ｔｈｅ ｏｐｅｎ ｌｏｏｐ Ｂｏｄｅ⁃ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｇｏｔ． Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｗｅｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ， ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｅｐ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｃｕｒｖｅ ａｎｄ ２０ Ｈｚ ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｃｕｒｖｅ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｌｏａｄｉｎｇ ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ． Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｃａｎ ｓａｔｉｓｆｙ ｔｈｅ ＡＧＣ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｄｙｎａｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ＡＧＣ； Ｌｏａｄ ｆｒａｍｅ； Ｄｙｎａｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ； Ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ０ 前言 轧机液压 ＡＧＣ 系统已成为高精度快速轧制的核 心设备。 系统中的关键元件轧制伺服油缸轧制力大、 行程短、 频率响应高、 测试难度大［１］， 以上特点为 ＡＧＣ 液压缸的故障处理和检修提出了难题。 ＡＧＣ 液 压缸试验装置为 ＡＧＣ 液压缸专用试验设备， 可以完 成 ＡＧＣ 液压缸的空载及模拟轧机加载的静态和动态 特性测试， 以便技术人员根据测试结果对 ＡＧＣ 液压 缸的性能进行分析， 对 ＡＧＣ 液压缸状态进行评价。 掌握 ＡＧＣ 液压缸的特性， 为 ＡＧＣ 系统的可靠运行提 供基础保障［２－３］。 为实现 ＡＧＣ 液压缸的独立检测和维修， 需要伺 服缸的检测试验台。 设备上缸径超过 １ ２００ ｍｍ 的 ＡＧＣ 缸数量不多， 因此， 考虑模拟加载牌坊承载力 时， 满足对缸径不超过 １ ２００ ｍｍ 的缸达到耐压试验 压力要求， 其余缸在不超过模拟加载牌坊承载能力范 围内进行加载。 以下的动态参数都是以 １ ２００ ｍｍ 缸 径为例进行计算和仿真的。 １ ＡＧＣ 液压缸的结构及控制原理 ＡＧＣ 液压缸测试试验台采用机架加载， 机械结 构示意图如图 １ 所示。 省略液压油源部分， 液压控制系统原理图如图 ２ 所示。 图 １ ＡＧＣ 加载框架 结构示意图 图 ２ ＡＧＣ 缸测试液 压控制原理图 ２ 液压控制系统模型的建立 建立的液压控制系统模型如图 ３ 所示［４］。 （１） 液压执行元件的传递函数 对于三通阀控制的非对称缸， 液压谐振频率为［５］ ωｈ＝ βｅＡ２ ｃ Ｖｃｍｔ ＝ βｅＡｃ Ｓｍｔ （１） 式中 Ａｃ为 ＡＧＣ 缸活塞腔面积， Ａｃ＝１􀆱 １３１ ｍ２； βｅ 为油液的容积弹性模量， 考虑到系统在 ２６ ＭＰａ 左右的高压状态下工作， 取 βｅ＝８００ ＭＰａ； Ｖｃ为 ＡＧＣ 缸活塞腔控制容积， 考虑到伺服阀直 接安装在压下缸缸体上， 管道容积极小， 则 Ｖｃｍａｘ ＝Ａ ｃＳ； Ｓ 为 ＡＧＣ 加载缸行程， Ｓ＝０􀆱 ２６ ｍ； ｍｔ为 ＡＧＣ 缸活塞与活塞杆质量， ｍｔ≈９１０３ｋｇ； 将 Ａｃ、 βｅ、 Ｓ、 ｍｔ诸参数代入式 （１） 中， 可计 算出 ωｈ＝６２１ ｒａｄ／ ｓ， ｆ＝９９ Ｈｚ。 图 ３ ＡＧＣ 液压缸试验台液压控制系统框图 液压缸传递函数如下 Ｇｃ（ｓ） ＝ Ｘ Ｑ ＝ １／ Ａｃ ｓ ｓ２ ω２ ｈ ＋ ２ξｈ ωｈ ｓ ＋ １ （２） 式中 １／ Ａｃ＝１／１􀆱 １３１＝０􀆱 ８８４； ξｈ＝０􀆱 ２； ωｈ＝６２１ ｒａｄ／ ｓ。 代入公式 （２） 得 Ｇｃ（ｓ） ＝ ０􀆱 ８８４ ｓ ｓ２ ６２１２ ＋ ２ ０􀆱 ２ ６２１ ｓ ＋ １ （２） 液压伺服阀的传递函数 查阅伺服阀样本， 确定选用 ＭＯＯＧ Ｄ６６２ 系列电 液伺服阀， 主要参数如下 额定流量 （单边压降 ０􀆱 ５ ＭＰａ） ｑＮ＝ ２５０ Ｌ／ ｍｉｎ； ωｓｖ＝１０２ Ｈｚ＝６４１ ｒａｄ／ ｓ； ξｓｖ＝０􀆱 ７； Ｉｎ＝１０ ｍＡ。 伺服阀空载流量 伺服阀空载时， 压降为 Δｐ０＝ ３２ ＭＰａ， 其最大空载流量为 ｑｏｍ ＝ ｑ Ｎ ３２ ０􀆱 ５ ＝ ２５０ ３２ ０􀆱 ５ ＝ ２ ０００ Ｌ／ ｍｉｎ 阀的额定电流为 Ｉｎ＝ １０ ｍＡ＝ ０􀆱 ０１ Ａ， 则伺服阀 增益为 Ｋｓｖ＝ ｑｏｍ Ｉｎ ＝ ２ ０００ １０ －３ ／６０ ０􀆱 ０１ ＝ ３􀆱 ３４ ｍ３／ （ｓＡ） 则伺服阀的传递函数为 Ｇｓｖ（ｓ） ＝ Ｋｓｖ ｓ２ ω２ ｓｖ ＋ ２ξｓｖ ωｓｖ ｓ ＋ １ ＝ ３􀆱 ３４ ｓ２ ６４１２ ＋ ２ ０􀆱 ７ ６４１ ｓ ＋ １ （３） 外负载干扰 负载作用下系统传动函数参数取值为 ＦＬ为外力负载， 最大 ３ ２００ ｔ； Ａ１为液压缸无杆腔面积， 取 Ａ１＝１􀆱 １３１ ｍ２； Ｋｃｅ为总的流量－压力系数，（ｍ３／ ｓ） ／ Ｐａ， Ｋｃｅ＝ Ｋｃ ＋Ｃ ｉ， Ｋｃ为线性化压力流量系数， Ｃｉ为液压缸内泄 漏系数， 取 Ｋｃｅ＝０􀆱 ４１０ －９ （ｍ３／ ｓ） ／ Ｐａ； ｎ 为液压缸无杆腔与有杆腔面积之比， ｎ＝１􀆱 ４４； Ｖｔ为液压缸活塞腔容积， Ｖｔ＝０􀆱 ２９４ ｍ３。 代入负载作用下系统传动函数框图得 １ Ａ２ １ Ｋｃｅ＋ Ｖｔ ２（１ ＋ ｎ２）βｅｓ ＝ １ １􀆱 １３１２ ４ １０ －１０ ＋ ０􀆱 ２９４ １ ２ （１ ＋ １􀆱 ４４２） ８ １０８ｓ ＝ ５􀆱 ２３３ １０ －１１ ｓ ＋ ３􀆱 ５１８ １０ －１０ （４） 伺服放大器、 位移传感器 伺服放大器、 位移传感器的响应很快， 因此一般 可以忽略它们对系统的动态影响， 看成比例环节。 采用单位负反馈， Ｋｆ ＝１， 系统开环放大系数 Ｋｖ ＝Ｋ ｆＫａＫｓｖ／ Ａｐ 要求系统误差控制在 ε＝１％， 则 Ｋｖ＝ １００， Ｋａ＝ ３３􀆱 ８５。 ３ 系统仿真 伺服阀的传递函数为 Ｇｓｖ（ｓ） ＝ ３􀆱 ３４ ｓ２ ６４１２ ＋ ２ ０􀆱 ７ ６４１ ｓ ＋ １ ＝ Ｑ Ｉ 液压缸的传递函数为 Ｇｃ（ｓ） ＝ ０􀆱 ８８４ ｓ ｓ２ ６２１２ ＋ ２ ０􀆱 ２ ６２１ ｓ ＋ １ 得到系统开环 Ｂｏｄｅ 图如图 ４ 所示。 图 ４ 系统开环 Ｂｏｄｅ 图 系统阶跃响应曲线和正弦响应曲线分别如图 ５、 图 ６ 所示。 １９第 ２３ 期吴英武 等 伺服液压缸试验台动态性能研究 图 ５ 系统阶跃响应曲线 图 ６ 系统正弦响应曲线 （ｆ＝２０ Ｈｚ， Ａ＝０􀆱 ０５ ｍｍ） 从系统负载阶跃响应仿真曲线可以看出， 系统响 应频率约为 ２５ Ｈｚ； 从 ２０ Ｈｚ 的正弦响应曲线可以看 出， 系统跟随幅值衰减约 ２１％， 相位滞后约 ４０。 ４ 结束语 通过建立 ＡＧＣ 液压缸测试系统的传递函数框图， 得到了系统的阶跃响应曲线和 ２０ Ｈｚ 下的正弦响应曲 线。 从仿真曲线可以看出， 液压伺服控制系统的响应 频率能满足测试要求。 参考文献 ［１］ 卜匀，王晓东，靳同红，等．轧机液压 ＡＧＣ 伺服缸试验台 测试缸控制系统研究［Ｊ］．冶金自动化，２００６（Ｓ１）１４５－ １４８． ［２］ 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３⁃ＤＯＦ Ｉｎ⁃ｐａｒａｌｌｅｌ Ａｃｔｕａｔｅｄ Ｐｙｒａｍｉｄ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ［ Ｊ］． Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｔｈｅｏｒｙ，１９９６，３１（８）１００９－１０１８． ［５］ 周结华，彭侠夫，仲训昱．空间三自由度冗余驱动并联机 构的运动学分析［Ｊ］．四川大学学报，４４（２）２２１－２２６． ［６］ 刘峰，王向军，许薇．三自由度并联机构参数化设计研究 ［Ｊ］．系统仿真学报，２００９，２１（１１）３４７９－３４８３． ２９机床与液压第 ４２ 卷