阀前压力脉动的仿真与实验研究.pdf

2 0 1 5年 1 月 第 4 3卷 第 1 期 机床与液压 MACHI NE T0OL HYDRAULI CS J a n ． 2 0l 5 Vo 1 ． 4 3 No ． 1 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 0 1 ． 0 1 8 阀前压力脉动的仿真与实验研究 金 鑫 ，傅 连 东，阮长松 武汉科技 大学机械 自动化学院 ， 湖北武汉 4 3 0 0 8 1 摘要高频 、高精度的电液振动台系统中，阀前压力的脉动必须加以考虑，此处主要分析压力脉动产生的机制及其抑 制方法 ，利用 A ME S i m软件建立电液伺服系统仿真模型，分别对输入信号、蓄能器对阀前压力脉动的影响进行仿真分析 ． 并通过实验对理论与仿真分析进行验证，实验结果表明蓄能器在一定频率和幅值范围内对 阀前压力脉动具有较好的衰减 作用。 关键词电液伺服系统；阀前压力脉动；振动台；蓄能器；滤波 中图分类号 T H1 3 7 ． 5 2 文献标志码 A 文章编 号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 5 卜0 6 8 6 S i mul a t i o n a n d Ex p e r i me nt a l St ud y o f Pr e s s ur e Pu l s a t i o n be f o r e Va l v e J I N Xi n．F U L i a n d o n g ．RU AN C h a n g s o n g C o l l e g e o f Ma c h i n e r y a n d A u t o ma t i o n ， Wu h a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Wu h a n Hu b e i 4 3 0 0 8 1 ．C h i n a Ab s t r a c t I n t h e h i g h f r e q u e n c y ，h i g h p r e c i s i o n e l e c t r o h y d r a u l i c v i b r o s t a n d s y s t e m ，p r e s s u r e p u l s a t i o n b e f o r e t h e v a l v e mu s t b e c o ns i d e r e d．He r e t h e ma i n me c h a n i s m o f p r e s s u r e p ul s a t i o n g e n e r a t e d a nd s up p r e s s i o n me t h o ds we r e a na l y z e d ma i n l y，a n d t h e AMES i m s o f t wa r e w a s u s e d t O e s t a b l i s h t h e e l e c t r o h y d r a u l i c s e n ro s y s t e m s i mu l a t i o n mo d e 1 ． T h e i n fl u e n c e o f p r e s s u r e p u l s a t i o n b e f o r e t h e v a l v e f r o m t h e i np ut s i g n a l a n d t he a c c umu l a t o r wa s a n a l y z e d wi t h s i mu l a t i o n r e s p e c t i v e l y，a nd t h e t h e o r y a nd s i mul a t i o n a na l y s i s we r e v e r i fle d by e x pe r i me nt ．Th e e x p e r i me n t a l r e s ul t s s h o w t h a t t h e a c c u mu l a t o r h a s a g o o d d a mpi n g e f f ec t t o t he p r e s s u r e pu l s a t i o n b e r e t h e v a l v e wi t hi n a c e r t a i n r a ng e o f f r e qu e n c i e s a n d a mp l i t u de s ． Ke y wo r d s E l e c t r o h y d r a u l i c s e r v o s y s t e m；P r e s s u r e p u l s a t i o n b e f o r e v a l v e；Vi b r o s t a n d ；E n e r g y a c c u mu l a t o r ；S mo o t h i n g 0前 言 电液振动台的作用力大，既可以在较低频、较长 行程下_丁作 ，又可 以在较高频 、较短行程下工作 ，而 且配合计算机进行控制能任意改变试验波形易实现 自 动控制⋯ ，由于这些优势广泛用于地震模拟 、道路模 拟等场合 。由于油源供油流量周期性变化致使 阀前供 油压力周期性波动，导致负载流量脉动、产生谐波． 从而 引起振动 台的加速度 、速度 、位移 、负载压力 中 都会产生谐 波 ，并 影 响 电液伺 服 控制 系 统 的控制 精 度 [ 2 ] 。此外 ，压 力 脉动有 可 能导 致 系统 形成 共 振 ． 引起管路振动 ，使 电液振动 台无法正常工作 。 因此对液压系统压力脉动 的研究具有重要 的现实 意义 ，尤其是在高频环境下 ，电液振动台的阀前压力 脉动必须作 为一种 影响因素加 以考虑。文中对 阀前压 力脉 动的产 生机制及其抑 制进行 分析 ，利用仿 真和实 验来 探究负载运动和阀前 压力脉动之间的关 系 ，并分 析蓄能器对 阀前压 力脉动衰减的影响。 1 阀前 压 力脉 动 1 ． 1 阀前 压 力脉动 产 生机制 液压系 统压 力脉 动产 生 的两个 主要 原 因 1 液压泵由于 自身结构及工作特点使其压力产生脉动； 2 伺服 负载运 动产 生 的压力 脉 动。对于 叶 片泵 由 于其定子半径在每 一点都 不相 同 ，所 以当转子 转过相 同角度时，其排出的油液量不同。因此叶片泵输出的 流量 是脉动 的 ，且 随着 叶 片转过 的角度 成 周期 性 变 化。对于齿轮泵 ，一对齿轮在互相啮合时，其啮合点 是变化 的。啮合点 的变化 导致 啮合 点 的半径 的变 化 ， 从 而使其压油腔容积变化率不均匀 。因而其输 出流量 是脉 动的。对 于柱 塞泵 ，柱塞 的瞬时速 度及 处于排油 区的柱塞个 数是 随着转子转动的变化而变化的 ，因而 其输 出流量也是脉动的。叶片泵 、齿轮泵以及柱塞泵 由于 自身结 构的原因 ．其 输出流量都是脉动的 。伺服 负载的运动使得负载流量是变化 的，负载流量 的变化 导致 阀前流量 的脉动 ，脉动 的流量遇到阻抗时最终 当 导致压力 的脉动 。 以上两种原 因产生 的压力脉 动是 由系统本 身决定 的。无法消除 。除此之外 ，当液压泵吸人空气 、液压 泵磨损也会产生压力 脉动 。液压泵在 吸油过程 中有 时 会 因为密封不严等原 因会 吸人 空气 ，当带有气 泡的液 流进入压油 区时 ，压油 区压力会使气泡 迅速压 缩甚至 收稿 日期 2 0 1 3 1 2 0 3 作者简介 金鑫 1 9 8 7 一 ，男 ，硕 士研究生 ，主要从事液压技术方面的研究。E m a i l 2 7 9 8 6 5 8 4 1 q q ． C O Z U 。 第 1 期 金鑫 等 阀前压 力脉动的仿真与实验研究 6 9 崩 溃 ．气泡 破裂 使局 部 产 生非 常 高 的压 力 冲击 ，会 引起压力脉动 。此外 由于液压泵 的磨损情况在每个位 置都是不同的，因而泵工作时的泄漏流量是时刻变化 的 泵泄漏量 的脉 动最终 导致泵输 出压力 的脉动 。但 由于液压泵吸入空气和液压泵磨损产生的脉动是随机 产生 的 ．是可 以避 免的。 1 ． 2 阀前压 力 脉动 的抑 制 对液压 系统压力脉动 的控制可 以从 液压 系统脉动 产生 的机制 出发进行研究 ， 目前 的研究 主要集 中在以 下两 个方 面 1 对于 由液压 泵 自身结构 和工作特 点引起 的压 力脉动 ， 目前 主要是靠优化 液压泵 自身结 构 ．以尽 可能使其输 出的流量 脉动 较小 ； 2 对 系 统压 力脉动进行滤波和衰减 。被 动滤波是液压系统压 力脉 动衰减 比较有效 的方法 ，其 方法主要是在脉动源 附近安装蓄能器或其他脉动衰减器 j 。 蓄能器抑制压力脉动 的基本 原理如图 1 所 示 。图 中 Q 为负载运动的平均流量 ，Q 为作 正弦运 动的负 载所 需流 量。设 油泵 输 出的恒 定 流 量 为 Q ，则 在 。 到 t 内 ，泵供 油流量 Q 小于系统所需流量 Q 此时 蓄能器 向系统 提供 附加 流量 ；在 t 到 t ，内，泵 供油 流量 Q 大于系统所需 流量 Q 此 时蓄能器会 可吸收 多余的流量。因此蓄能器在油路中相当于一个平滑滤 波器 ．其 衰 减 压 力 脉 动 的效 果 与很 多 因 素Q s 有关 ，有 关 这 方 面 的 。 研究 主 要 集 中在 蓄 能 - Q 。 器 的 充 气 压 力 、蓄 能 器容 积 及 蓄 能器 前 管 路等 。 箩 所 需 流 量 Q L一 ＼ ／ ／ ＼ ＼ 一 ／ 图 1 系统所需流量 图 2 基于 A ME S i m 的液压伺服 系统仿真 2 ． 1 电液振动 台液压 系统模型的建立 图 2 所示 为电液伺服振 动 台液压 系统 的 A ME S i m 仿真模 型。该仿真模型 由液压泵站 、转接 集成块和伺 服振 动试 验台三部分组成 。图中软 管 1 为泵 站与转接 2 4 堇 2 3 R 出2 2 昙2 1 制 2 0 0． 罂 0． 85 0． 90 时 间， s 致一 集成块的连接油路；软管 2表示集成块与伺服阀的连 接油路 。为 了解实际液压泵产生 的流量脉 动 、溢 流阀 动态特性对 阀前压力脉 动的影 响 ，利用 A ME S i m应用 库 中的模块建立液压泵及溢 流阀的模 型。文中在 建模 的时候采用 的是定 量泵 而非实 际系统 的恒压 变量 泵 ， 由于文 中 旨在定性 的分析液 压泵的输出流量脉动会导 致其输 出压力 的脉动 ，因而仿 真模 型采用定量泵对仿 真结果不会有太大影 响。建模后 由于仿真元件 比较 多．系统仿真模型比较大．可利用 A ME S i m提供的超 级元件对 液压 泵进行 封装 。图 2中的泵 为封装 之后的 超级元 件 ，它是一个 三柱塞 的定量柱塞泵 。 图 2 电液伺服系统阀前压力脉动仿真模型 2 ． 2液压 系统仿 真 分析 仿 真主要探究不 同的输入信号幅值 、频率及蓄能 器对 阀前压力 脉动的影响。 1 输人信号 幅值对 阀前 压力 脉动的影 响 此 次仿 真主要探 究不 同的输入信号幅值对 阀前压 力 脉动 的影响 ，因此影 响 阀前 压力 脉 动 的其他 因素 应 该设置 为一 致 。 图 3所 示 为 阀前 软 管 长度 为 2 ． 7 m，系统 进油 路 与 回油 路都 无 蓄 能 器 ，输 入 信 号 分 别为 2 0 H z ／ 1 V、2 0 H z ／ 5 V、2 0 H z ／ 1 0 V时 的仿 真 结果 。 0． 1 妻 0 ． 1 星 回o ． 0 20 40 60 80 l OO 频 率／Hz a 伺服 阀进油 12 1 压力 曲线及 频谱 图 3 不 同输入信号 幅值对阀前压力 0． 90 时 间， s 0 2 0 4 0 6 0 8 0 频 率／ Hz b 1 伺 服 阀回 油 口压 力 曲线 及频 谱 进 、回油路都无蓄 能器 lO0 3 5 0 5 0 5 O 0 2 21l 0 0 O 0 O 0 0 0 0 0 0 0 0 O _ 毫、 毒 } } 馨 7 0 机床与液压 第 4 3卷 由图 3 可知 ，信号幅值为 l v时，进油口压力脉 动约为 0 ． 8 MP a ；信号幅值为 5 v时 ，进油口压力脉 动约为 1 ． 5 MP a ；信号幅值为 1 0 V时，进油 口压力 脉动约为 2 ． 2 MP a ；由其幅值谱也 可看 出，在信号 频 率及其他条件一定的情况下 ，信号幅值越大 ，其阀前 压力脉动越大 。 垂 -R 2 2 日 撤 j 型 馨 0 ． 90 时间， s 、 ／sHz 2 输入信号频率对 阀前压力 脉动 的影 响 该仿真 主要探 究不同的输 入信号频率对阀前压力 脉动 的影 响 ．因此影 响阀前 压力脉动的其他因素应该 设置 为一致 。图 4所示为 阀前软 管长度 为 2 ． 7 m，系 统进油路 与回油路都无 蓄能器，输 入信号分 别为 5 H z ／ 1 0 V、1 0 H z ／ 1 0 V、2 0 H z ／ 1 0 V时 的仿真结果 。 重 杂 0 ． 兽 蔷 0． 02 皇。 ‘ 0 癌 0 ． 0 1 0 篓 o ．o o s 0 ． 0 0 0 O ． 9 0 时 间『 s ／ sH z 0入 zonz_一 U 2O 4 U 6U U lU U O 2U 40 60 8U l 0U 频率／ Hz 频 率／ Hz l a 伺服阀进油口压力曲线及其频谱 b 伺服阀回油口压力曲线及其频谱 图4 不同输入信号频率阀前压力曲线 进 、回油路都无蓄能器 由图4可知，信号频率为 5 H z 时，进油 口压力 低频滤波器。其对高频压力脉动抑制 的效果更为明 脉动约 为 3 ． 3 M P a ，回油 口压力脉 动约 为 0 ． 0 5 M P a ； 显 。 信号频率 为 1 0 H z 时 进油 口压力脉动约为 2 ． 8 M P a ， 回油 口压力 脉 动 约为 0 ． 0 5 MP a 信 号 频 率 为 2 0 H z 时 ，进油 口压力脉 动约为 2 ． 5 MP a ，回油 口压力脉动 约为0 ． 0 5 M P a 。由其幅值谱可看出，在信号幅值及 其他条件一定的情况下。输入信号频率的增大，阀进 油 口压力主频幅值减小 。这是因为软管可 以看作一个 目 星 出 口 曩 时 间， s a 伺服阀进油口压力曲线 3 蓄能器对阀前压力脉动 的影响 该仿真 主要探究 蓄能器 对 阀前 压力 脉动 的影 响 ， 仿真时输入信号幅值均为 1 0 v，频率均为 2 0 H z ，软 管长度 为 2 ． 7 m．图 5所示分别表示 进油路 和 回油路 都无 蓄能器 、进油路有 蓄能器而回油路 无蓄能器 、进 油路 和回油路都有蓄能器时的阀前压力 曲线 。 星 Ⅱ 震 凰 时 间， s f b 1 伺服 阀 回油 口压 力 曲线 图 5 伺服阀进 、回油 口是否接蓄能器时阀前压力曲线 由图 5可知 ，在伺服 阀进油路和 回油路都没有安 路 同时安装 蓄 能 器 时 ，进 油 口压力 脉 动 幅度 约 为 1 装蓄能器时 ，进油 口压力 脉动幅度约 为 2 ． 2 MP a ．回 MP a ，回油 口压力 脉动 幅度约 为 0 ． 0 1 5 M P a 。比较 i 油 口压力 脉动 幅度约 为 0 ． 0 5 MP a 当蓄 能器 安装 在 条曲线得 ，在伺 服阀阀前安 装蓄能器能够有效地吸收 系统进 油路 时 ，进 油 口压 力脉动幅度约 为 1 M P a 。回 伺 服阀阀前压 力脉动 ，伺 服阀进 油 口蓄能器对伺服 阀 油 口压力脉 动 幅度约 为 0 ． 0 5 MP a ；当系统 进 、回油 回油 口压力脉动没有吸收作用 ，伺服 阀回油路蓄能器 7 2 机 床与液压 第 4 3卷 信号 ” 中两 个输 入控 件分 别用 于指定 指 令信 号 的 幅 值 和频率 ；“ 数据文件路径 ”则 用于 指定采集 的数据 的存储路径 ；“ 是否 控制 ” 、 “ 数 据保存 ” 、“ 数据 已 满 ”作用如前文所述 ，在此不再 赘述 ；“ 停止控制 ” 用于结束整个程序的运行；右边 6 个波形图表分别用 于实时显示采集的加速度 、阀位移 、缸位移 、阀进 口 压力、阀回油压力及指令信号。当指令信号由信号发 生器给定 时的前 面板 与图 6 C 基本 一样 ，只是 少 了控制信号 ” 中两个 输入控 件 和开关 “ 是 否控 制” ， 这里不再列出指令信号 由信号发生器给定时的前面 板 。 3 ． 2实验 结果 与 分析 此次实验 的主 要 目的就是 探究 输入 信 号 幅值 和频率 、蓄能器对 阀前压力 脉动 到底有何 影 响 ，验 证理论分析结论 和仿真结果 。因此实验需要采 集不同 输入信号 幅值和频率及蓄能器是否接入时的阀 前压力数据。此次实验采集了信号频率为 8 H z ，幅 值分别 为 0 ． 3 V、0 ． 4 V、0 ． 6 V、0 ． 8 V；信号 频率为 6 I -l z ．幅值 分别为 0 ． 3 V、0 ． 4 V、0 ． 6 V、0 ． 8 V；信 号频 率为 4 H z ，幅值 分别 为 0 ． 3 V、0 ． 4 V、0 ． 6 V、 0 ． 8 V；以及 信号 频 率 为 2 H z ，幅值 分 别 为 0 ． 3 V、 0 ． 4 V、0 ． 6 V、 0 ． 8 V时 ，蓄能器在 接入 和断 开两种 状态下 的阀前压力数据 。本文 由于篇 幅限制 ，仅列 出 部分实验数据 ，如图7所示。 时 间／ s a 1 O ． 6 VB Hz 无蓄能器 频率， E a 2 DF T的幅值 一 频率圈 时间， s b 1 ．g vs 无 蓄能 器 遥 0 10 2O 30 40 50 60 频率／ Hz b 2 DF T的幅值 一 频率囤 R 幽 Ⅱ 瘿 时间／ s 频率／ Hz a 3 0 ． 6 V8 Hz 有蓄能器 a 4 】 DF T的幅值一 频率图 a 幅值O ． 4 V、频率8 Hz 时 间， s b 3 0 ． 8 V8 Hz 有蓄能器 b 幅值O ． 8 V、 频 率／ Hz b 4 DF T的幅值一 频率图 频 率8Hz 时 间， s f c 1 0 ． 8 V6 H z 无蓄能器 频率／ H z c 2 DF T的幅值． 频率图 时闻， s d 1 0 ． 8 V 2 Hz 无蓄能器 频率／ H z d 2 DF T的幅值 一 频率图 c 3 0 ． 8 V6 I -l z 有蓄能器 c 4 DF T的幅值一 频率图 c 幅值0 ． 8 V、频率6 Hz d 3 0 ． 8 V 2I- I z 有蓄能器 d 4 DF T的幅值 一 频率图 d 幅值0 ． 8 V、频率2H z 图7 不同输入信号时的阀前压力 由图 7 一 d 可看出阀前压力信号的主 要频率成分为输入信号频率的倍频 ，没有出现含有输 W， R Ⅱ袅 日 皇 出口幕 R 、 坦Ⅱ景嘲 复 、 第 1 期 金鑫 等阀前压力脉动的仿真与实验研究 7 3 入信号 2倍频的谐波 、泵的工作频率及其谐波，其原 因是本来这些频率因素不大 ，而且在泵出口安装的蓄 能器对 由泵 产生的压力脉动进行 了衰减 ，此外 系统的 非线 性 因素 及 噪声 会 对 系统 产 生 干扰 。图 7 b 、 c 中除主要频率成分外还有 2 9 H z 的谐 波 ，此谐 波 为系统 的噪声 信号 。图 7 a 中没 有蓄 能器 时其 主 频 幅值 为 0 ． 1 1 ，有蓄 能器时其主频幅值为 0 ． 0 9 ；图 7 b 中没有 蓄能器 时其 主频 幅值 为 0 ． 3 1 ，有 蓄能 器 时其 主频 幅值为 0 ． 2 5 ；图 7 C 中没有 蓄能 器时其 主频幅值为 0 ． 2 6 。有蓄能器时其 主频幅值为 0 ． 2 4 ； 图 7 d 中没有蓄能器 时其 主频 幅值 为 0 ． 1 7 ，有 蓄 能器时其主频 幅值为 0 ． 1 2 。 比较图 7 a 一 d 有 蓄能 器及 没有 蓄能 器 时阀前压力的主频 幅值大小 可知 ，有蓄能器时 阀前压 力主频幅值 比没 有蓄 能器时分 别减小 了 0 ． 0 2 、0 ． 0 6 、 0 ． 0 2 、0 ． 0 5 ，这说 明阀前安装蓄 能器对 阀前压力 脉动 有一定 的衰减作用 。 比较图 7 a 、 b 可知 ，当输 入信号频率及其他条件一定时，随着输入信号的幅值 的增大 ，阀前压力主频的幅值也随之增大，这也与仿 真结果相 吻合 。 4小 结 对 阀前压力脉动 的产 生机制及其抑制进行 了理论 分析 ．然后在 A ME S i m 中建立 电液振动 台的液压 伺服 系统模型 ，分析输入信号的幅值、频率及蓄能器对阀 前压力脉动 的影 响 ，最后结合实验室现有 的电液振 动 台，开发基 于 L a b V I E W 的测 控 系统 ．并 通过 实 验采 集不 同输入信 号 幅值 和频 率 及 蓄能 器是 否 接入 时 的阀前压力数 据。实验结果证 明理论分析结论 和仿 真结果 的合理 性 ，即蓄能器对压力脉动有一定 的抑制 作用 ，阀前压力脉动随输入信号幅值增大而增大，而 输入信号频率对 阀前 压力 脉动的影 响不大。 参考文献 『 1 ]唐贞云， 李振宝 ， 纪金豹， 等． 地震模拟振动台控制系统 的发展 [ J ] ． 地震 工 程 与 工程 振 动 ， 2 0 0 9 ， 2 9 6 1 6 2 1 6 9． [ 2 ]邢科礼 ， 冯玉， 金侠杰 ， 等． 基于 A ME S i m ／ Ma t l a b的电液 伺服控制系统的仿真研究『 J ] ． 机床与液压， 2 0 0 4 1 0 57 -5 8． f 3 ]郭江波， 邢科礼 ， 金侠杰． 电液伺服阀前压力脉动的仿真 研究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 4 7 3 8 - 3 9 ， 8 0 ． [ 4 ]高纪念， 吴伟 ， 职黎光． 抽油机电液伺服模拟系统伺服阀 前压力脉动分析[ J ] ． 西安石油学报， 1 9 9 7 ， 1 2 1 3 5 3 7． [ 5 ]J I N X i a o h o n g ， R O N G Z h i j u n ． R e s e a r c h o n t h e A d a p t i v e Mo d e l f o r El e c t r o hy d r a u l i c Po s i t i o n S e r v o S y s t e m wi t h t h e E x t e r n a l D i s t u r b a n c e s [ C ] ． P r o c e e d i n g s o f t h e F o u r t h I n t e ma t i o na l S y mp o s i u m o n Fl u i d Po we r Tr a ns mi s s i o n a nd C o n t r o l I S F P’ 2 0 0 3 ， I n t e r n a t i o n a l A c a d e m i c P u b l i s h e r s ， 2 0 03 1 98-2 01 ． [ 6 ]张齐生 ， 金 呈虎 ， 王益 群 ， 等． 阀前 蓄能 器对 轧机 油源波 动影响的实验研究[ J ] ． 液压与气动， 2 0 1 1 3 8 2 - 8 4 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