基于高速开关阀的电液振动冲击系统的研究.pdf

2 0 1 1 年 1月 第 3 9卷 第 1 期 机床与液压 MACHI NE TOOL ＆ HYDRAUL I CS J a n ．2 01 l Vo I ． 3 9 No ． 1 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 1 ． 0 0 1 基于高速开关阀的电液振动冲击系统的研究 王素清 ，满军 ，李其朋 r ，笪靖 ．一 ，丁凡 ，邵森寅 1 ．浙江大学流体传动及控制 国家重点 实验室，浙江杭 州 3 1 0 0 0 7 ； 2 ．浙江科技 学院机械与汽车工程学院，浙江杭 州 3 1 0 0 2 3 ； 3 ．镇江船艇学院船艇工程学系，江苏镇江 2 1 2 0 0 3 ； 4 ． 9 2 1 3 2部队装备部 摘要提出一种基于高速开关阀的电液振动冲击式剁锉机的液压系统 ，利用 A ME S i m软件建立系统的仿真模型，分析 系统的动态特性 ，探讨系统各主要结构参数对冲击能的影响。结果表明调整系统压力 P 、控制信号占空比 r和控制信号 频率 厂 ，分别在 2～ 7 MP a 、0 ． 1 ～1 和 4 2 0 H z 范围内，可以有效地控制冲击能的大小； 在满足剁锉频率的基础上，增加活 塞质量 m，能有效提高冲击能；蓄能弹簧预压缩量 。 和刚度 k有优化范围，分别为‰ 1 04 0 mm和 k 4 01 0 8 N ／ m m。 在仿真分析的基础上，研制剁锉机样机，并进行相关实验和试生产。结果表明，该系统能够满足实际生产的需要。 关键词剁锉机；电液振动冲击；高速开关阀；仿真；A ME S i m 中图分类号T H 1 3 7 ． 7 ；T G 7 1 7 文献标识码A 文章编号1 1 9 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 J 1 0 0 1 4 S t u dy o n a n El e c t r o h y dr a u l i c I mp a c t S y s t e m Ba s e d o n Hi g h S pe e d On- o f f Va l v e WA N G S u q i n g ， MA N J u n ， H Q i p e n g ， D A J i n g ，D I N G F a n ， S H A O S e n y i n ‘ ， 1 ． S t a t e K e y L a b o f F l u i d P o w e r T r a n s m i 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 ang z h o u Z h e j i a n g 3 1 0 0 3 7 ， C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f M e c h a n i c a l a n d A u t o m o t i v e E n g i n e e r i n g ， Z h e j i a n g 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 ， H a n g z h o u Z h i a n g 3 1 0 0 2 3 ，C h i n a ； 3 ． D e p a r t me n t o f Wa t e r c r a f t E n g i n e e r i n g ， Z h e n j i a n g Wa t e r c r a f t C o l l e g e ，Z h e i a n g J i a n g s u 2 1 2 0 0 3 ， C h i n a ； 4 ． A r ma m e n t D e p a rt m e n t o f T r o o p 9 2 1 3 2 Ab s t r a c t A h y d r a u l i c s y s t e m o f fi l e c h o p p i n g ma c h i n e w a s p r o p o s e d b a s e d o n e l e c t r o h y d r a u l i c i mp a c t s y s t e m w i t h h i g h - s p e e d o n - o ff v a l v e ．T h e s i mu l a t i o n mo d e l W as e s t a b l i s h e d b y AMES i m s o f t wa r e ．T h e s y s t e m d y n a mi c c h a r a c t e ri s t i c s w e r e a n a l y z e d．a n d t h e ma i n s y s t e m s t r u c t u r e p a r a me t e r s ，w h i c h i n f l u e n c e d t h e i mp a c t e n e r g y，w e r e e x p l o r e d ．Th e s i mula t i o n r e s u l t s s h o w t h a t w h e n s y s t e m p r e s s u r e P 。 i s 2 7 M P a ， d u t y r a t i o o f c o n t r o l s i g n al r i s 0 ． 1 1 ， a n d f r e q u e n c y o f c o n t r o l s i g n a l fi s 4～ 2 0 H z ， t h e i m p a c t e n e r gy c a n b e e f f e c t i v e l y c o n t r o l l e d；i n c r e asi n g p i s t o n ma s s i s a g o o d me t h o d t o e n h a n c e i mp a c t e n e r gy w h e n t h e c h o p p i n g f r e q u e n c y i s s a t i s fi e d； t h e t wo p ara me t e rs h a v e o p t i mal r a n g e s ， n a me l y a c c u mu l a t i n g s p ri n g p r e c o mp r e s s i o n i s 1 04 0 n u n a n d s t i ff n e s s i s 4 0 1 0 8 N／ mm． A fi l e c h o p p i n g ma c h i n e w a s ma n u f a c t u r e d b a s e d o n t h e s i mu l a t i o n s ，a n d r e l a t e d e x p e ri me n t s w e r e ma d e ．T ri al p r o d u c t i o n s h o ws t h a t t h e s y s t e m me e t s t h e i n d u s t r i al r e q u i r e me n t ． Ke y wo r d s F i l e c h o p p i n g ma c h i n e ；E l e c t r o h y d r a u l i c i mp a c t ；Hi g b - s p e e d o n o ff v alv e ；S i mu l a t i o n；AME S i m 电液振动冲击技术具有输出功率大、效率高、结 构紧凑、控制方便等优点 ，广泛应用在冶金、建筑、 铁路 、煤炭 、地质钻探和 国防等工业部门。在过去的 3 0多年 中，电液振动冲击技术得到了迅速的发展 ． 其应用范围也不断扩大” 。其中，电液控制强制配 流式液压振动冲击 系统 由于具有 振动频 率调 整方便 、 准确稳定 以及冲击能无级可控等优点 ，被应用 于剁锉 机 。2 0世纪 8 0年代，国内已成功研制 了液压冲击 式剁锉机 ，取 得 了很 好 的效果 ，并沿 用 至今 。但 收稿 日期 2 0 1 0 0 7 2 2 基金项目国家自然基金资助项 目 资助项 目 y 1 0 9 0 2 1 0 作者简介王素清 1 9 8 3 一 ，女， r a _z j u h o t m a i l ． c o m。 是该系统配流所采用的伺服／ 比例阀存在价格昂贵、 对油液污染敏感和维护困难等缺点。近年来 ，高速开 关 阀由于价格便宜 、抗污染能力强 、结构简单 、工作 可靠以及便于与计算机接口等诸多优点，得到广泛应 用⋯1 。 作者提出了一种基于高速开关阀的电液控制强制 配流振动冲击式 剁锉 机的液压 系统 ，利用 A ME S i m软 件建立了仿真模型，并对系统的动态特性进行了仿真 分析 ，同时探讨 了系统各 主要 参数 对 冲击 能 的影 响 ， 5 0 9 0 5 1 6 6 ；浙江省重大科技专项基金资助项 目 2 0 0 8 C 1 1 0 2 8 ；浙江省 自然科学基金 硕士研究生 ，主要从事电液元件 与系统 的研 究。电话 0 5 7 1 8 7 9 5 1 2 7 1 ，Em a i l a u r o 2 机床与液压 第 3 9卷 为电液振动冲击系统的设计与优化提供理论依据。 1 系统结构与原理 基于高速开关阀的电液控制强制配流振动冲击式 剁锉机的液压系统原理图如图 1 所示。控制器发送脉 冲电压作为控制信号 ，直接输出给高速开关阀；高速 开关阀驱动特殊设计 的高速液动切换阀 ，使 高速液动 切换阀完成快速换向配流动作；高速液动切换阀作为 中间一级流量放大器件 ，其控制油口直接与冲击液压 缸的上腔相连接；冲击液压缸采用下腔常高压、上腔 高低压交替变换的差动结构，这样，再借助蓄能器和 蓄能弹簧的作用，冲击活塞就在控制器产生的控制信 号作用下产生振动与冲击，使剁刀反复运动不断冲击 随台架移动的锉刀坯 ， ，从而在锉刀坯上剁制齿纹。 图1 基于高速开关阀的液压振动冲击系统原理图 2建模与分析 由于冲击机构的运动体在多数情况下都处于剧烈 的变速 运动 状态 ，系统 的压力 、流量 变化 都 非常 剧 烈。因此 ，描述其运动的数学模 型是一个复杂 的非线 性微分方程组，这就给液压冲击机构的研究和设计带 来一定 的难 度 。为 了更 精确 地反 映液压 冲击 器的 运动规律 ，利用 A M E S i m软件 ，建 立 了图 1 所 示 的剁锉机液压系统的仿真模型 ，如图 2 示。 图 2 基 于 A M E S i m 的系统模型 图 3为冲击 液压缸 活塞在一个周期 内的位移特性 s 和速度特性 。可 看 出 ，活塞 的运动 可分 为 回程 和 冲程两大部分 。其 中回程包括 回程滞后 t i 、回程加速 t 和回程制动 t ，冲程包括冲程加速t 、冲程冲击t 。 图3 动态特性 t 。 为回程滞后阶段，此时控制信号从高电压转换 为低电压，高速开关阀关闭，通过控制高速液动切换 阀使冲击液压缸上腔接回油箱，但是冲击液压缸上腔 的压力 尚未卸荷 ，因此活塞 仍在下 面 ，蓄能器充 压 ； t 为回程加速 阶段 ，此时控制器的控制信号保持低 电 压，冲击液压缸上腔的压力已降低 ，在下腔压力的作 用下 ，活塞上移，压缩蓄能弹簧 ，蓄能器保持充压状 态；t ， 为回程制动阶段，此时控制信号切换为高电 压 ，高速开关 阀换 向，切换高速液动换 向阀使控制油 缸上腔通高压 ，活 塞上 下 腔差 动连 接 上 、下腔 均 处于高压状态 ，但是活塞由于惯性作用将继续向上 运动，直至速度为零 ，蓄能弹簧的压缩量达最大值， 此阶段蓄能器继续充压；t 为冲程加速阶段，此时控 制信号保持高电压，活塞上下腔继续保持差动连接， 活塞在油液压力差 和蓄能 弹簧作用下 向下加速 ，同时 蓄能器释放油液辅助工作 ，活塞速度不断提高，直至 接触锉刀坯；t 为冲程冲击阶段，此时控制信号保持 高电压，活塞反复冲击锉刀坯剁 出齿纹 ，耗尽冲击 能，此时蓄能器重新开始充压 ，完成一个工作循环。 直至控制信号重新由高电压变为低电压 ，重新开始下 一 循环 。 3 仿真分析 为提高剁齿力，除了要提高剁刀接触锉刀坯的瞬 时速度 外，更应该提高剁刀接触锉刀坯瞬时动量 m 。基于建立的仿真模型，以动量 m 作为冲击 能的评价指标 ，探讨各主要参数对冲击能的影响规 律，从而进行优化设计。剁锉机液压系统的主要参数 有溢流阀设定的系统压力P 。 、活塞质量 m、蓄能弹簧 刚度 k 、蓄能弹簧预压缩量 ‰、控制信号占空比 |r 、 控制信号频率 仿真结果表明 1 从 图 4可 看 出 ，调 整 系统 压 力 P 。 在 27 M P a 范围 内工作 ，可 以有效地控制 冲击能 。此时 ，活 5 0 5 O r 第 l 期 王素清 等基于高速开关阀的电液振动冲击系统的研究 3 塞产生振 动与 冲击 ，冲 击能 随 着 P 的增 大 而增 大 ， 化范 围。 此时油泵所 供油的一部分供 系统工作 ，另一部分通过 溢流阀溢 回油箱 ，系统 工作 压力 等 于 P 。而 当 P 0～ 2 M P a I，由于油 压 在 冲击 液压 缸 下腔 产 生 的作 用小于蓄能弹簧的预压缩力，所以不能使活塞向上运 动 ，也无法产生振 动与冲击 ，油泵 的油全部通过溢流 阀回油箱 ，系统 的工 作 压 力 等 于 P 。 当 P 7 M P a 时 ，冲击能并不 随 P 的增 高而增 加 ，在 这种 情况 下 溢流阀并不溢流 ，决定 系统压力 的是 系统本身 的工作 状态 ，而此时系统 的实际工作压力并不增加 。 2 图 5指出 ，增加活塞质量 m，冲击能也相应 增大，但是当 m增加到一定程度后，对冲击能基本 无影响 。不过随着 m的增加 ，活塞 的运动速 度减小 ， 运动的时间也随之增加 ，这会阻碍剁锉频率的提高。 因此，在满足剁锉频率的基础上，增加活塞质量 m， 能有效提高冲击能。 图 4 系统压力P 。 对 冲击能的影响 图 5 活塞质量 m对 冲击能 的影 响 3 图 6和图 7分别是蓄能弹簧预压缩量 ‰ 和 刚度 k对冲击能 m 的影 响曲线 。当 ‰ 0～1 0 m m 或者k 8～ 4 0 N ／ m m时，冲击能随着弹簧参数 预 压缩量 和刚度 的增大 而增 加 。这 是 因为 在活塞 上 升阶段 ，蓄 能弹簧 所储 存 的弹 性能 与 弹簧参 数成 正 比；当活塞 向下运动时 ，弹性 能释放 ，所储存 的弹性 能越多 ，则转变 成 的 冲击能 也越 大 。当 ‰ 1 0～4 0 i n l n或者 k 4 0～1 0 8 N ／ m m时，曲线基本呈一条水平 线，这是因为随着蓄能弹簧参数的增加 ，活塞向上运 动的距离逐步减小 ，但活塞 回程 阶段储存 的能量并没 有增加，所以冲击能不变化。当弹簧参数进一步增大 ‰ 4 0 m m或者 k 1 0 8 N ／ m m ，冲击 能反而减 小 ， 这是因为此时弹簧负载过大，油压力仅能使活塞向上 移动很少距离，弹簧所储存的弹性能降低，所以冲击 能下降。因此，蓄能弹簧预压缩量 ‰ 和刚度 k 有优 图6 蓄能弹簧预压缩量 。对冲击能的影响 图7 蓄能弹簧刚度 k 对 冲击能的影响 4 控制 器发 出的脉 冲 电压方 波 的 占空 比 Jr 对 冲击 能有很 大影 响。控制信号低 电压时 冲击液压缸活 塞向上运动 ，高电平使冲击液压缸活塞向下运动。图 8表明，当占空比 0 ． 1时，虽然二位三通高速液 动阀能够切换 ，但 由于活塞 响应跟不上 ，所 以活塞一 直在下 面 ，无法产生振动 和冲击 ，冲击能为零 。当 占 空比 r 0 ． 1一I时 ，活 塞能 很好 响应 ，振 动 冲击 正 常 ，并且 Jr 0 ． 4时 ，冲击 能达最 大值 。 5 控制信号频率不仅决定了电液控制强制配 流式液压振动 冲击系统的振动频率，也影响着冲击 能。如图9所示，当控制信号频率较小时，活塞能够 得到充分 的往复运动 ，因此 冲击能不受影响 。随着频 率 的升高 ，活塞的运动时 间缩短 ，活塞刚 向上运动就 又马上向下运动，处于一种先冲击后加压再抬起的状 态，因此冲击能下降。因此，可通过控制信号频率控 制冲击能 。 量 叫 -譬 誉 图8 控制信号占空比r 对冲击能的影响 士 ● 暑 ， ， H 图9 控制信号频率， 对冲击能的影响 4 机床与液压 第 3 9卷 4试验 在仿真分析的基础上 ，研制了剁锉机样机，并采 用在剁刀上贴应变片的方法进行试验。需要说明的 是通过应变片测量的力信号正比于实际的剁齿力 ， 但难以标定，因此试验结果仅作为衡量冲击能的相对 数值。 图 1 O 是 动态实验 曲线 。从 曲线可看 出 ，应 变 片 测量的力信号的变化和图 3中活塞的动态特性相吻 合。图 1 1 是不同的蓄能弹簧预压缩量 ‰和应变片的 最大信号的关系，与图 6中的仿真趋势一致。因此， 试验结果验证了仿真模型的有效性。 图 1 O 动态试验曲线 2 0 0 0 8 0 6 0 40 2 0 0 0 l O 2 O 3 O 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 x 0 ／ mm 图 1 1 在不同的蓄能弹簧预压 缩量 ‰下的试验曲线 该试验样机已投人生产，工作频率 42 0 H z ， 可剁制 2 5 0 4 0 0 i n l n各种粗细锉纹的锉刀，最大剁 锉力可同时剁两把 4 0 0 n l l n I号纹的尖扁锉，经检验 所生产锉刀质量符合国家标准。同时，该系统还具有 剁齿力与剁齿频率调整方便、生产效率高、能耗低、 维护方便、费用低和通用性好的优点。 5 结论 作者提出了一种基于高速开关阀的电液控制强制 配流振动冲击 式剁锉机 的液压 系统 ，利用 A M E S i m软 件建立了仿真模型，并对系统的动态特性进行了仿真 分析。以剁刀接触锉刀坯瞬时动量 m 作为冲击能 的评价指标，探讨了各主要参数对冲击能的影响，从 而对液压振动冲击系统进行优化设计 。结果表明 调 整系统压力P 。 、控制信号占空比7和控制信号频率， 分别在 2 7 M P a 、0 ． 1 一l 和 4 2 0 范 围内，可 以 有效地控制冲击能的大小；在满足剁锉频率的基础 上，增加活塞质量 m，能有效提高冲击能；蓄能弹簧 预压缩 量 。和 刚度 k有优化 范 围，分别 为 ‰ 1 0- 4 0 mm和 k4 01 0 8 N ／ ram。 在仿真分析的基础上，设计了剁锉机样机， 并进 行了相关试验。试验与仿真分析一致 ，验证了模型的 有效性。剁锉机样机经试生产，能满足实际生产的需 要 。 参考文献 【 1 】林红， 杨国平， 王习兵， 等． 液压冲击器回程运动和冲程运 动仿真研究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 8 ， 3 6 5 1 5 6 1 6 0 ． 【 2 】杨国平， 柴睿． 液压破碎锤冲击活塞设计与制造的若干 关键技术[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 8 ， 3 6 6 6 26 3 ． 【 3 】姜超， 苑士华， 荆崇波， 等． 液压冲击试验台系统设计研 究【 J ] ． 液压与气动， 2 o o 6 2 3 3 3 6 ． 【 4 】 Y ang G ， W a n g L ． R e s e a r c h o f h y d r a u l i c i m p a e t o r t l I s e l f - a d a p t i v e i n t e l l i g e n t b u ff e r [ c] ／ ／2 0 1 0 2 n d I n t e r n a ti o n a l As i a C o n f e r e n c e o n I n f o r ma t i c s i n C o n t r o l ， A u t o ma t i o n a n d R o b o t i c s C A R ， Wu h a n ， C h i n a ， 2 0 1 0 4 54 9 ． 【 5 】 G e n e t M， Y a n W， T r a n - C o n g T ． I n v e s t i g a t i o n o f a h y d r a u l i c i m p a c t A t e c h n o l o g y in r o c k b r e a k i n g [ J 1] ． A r c h i v e o f A p - p l i e d Me c h a n i c s ， 2 0 0 9 ， 7 9 9 8 2 58 4 1 ． 【 6 】 J i Y u n Z ， D e S h e n g Z ， We n C h e n g L ， e t a 1 ． D e s i g n a n d e X - p e r i me n t o f h y dra u l i c i mp a c t l o a d i n g s y s t e m f o r mi n e c a b l e bol t [ J ] ． P r o c e d i a E a r t h and P l a n e t a r y S c i e n c e ， 2 0 0 9， 1 1 1 3 3 71 3 4 2 ． 【 7 】王雪， 龚进， 邹湘伏 ， 等． 液压冲击机械的发展概况[ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 6 1 1 4 9 5 3 ． 【 8 】刘忠， 龙国键， 褚福磊， 等． 国内外液压冲击机械的发展 研究[ J ] ． 建筑机械 ， 2 0 0 3 7 2 93 1 ． 【 9 】 刘忠， 杨襄璧 ， 杨国平． 液压冲击机械的配流系统方案研 究[ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 1 6 1 31 4 ． 【 l 0 】丁凡． 电液振动冲击系统在剁锉机上的应用[ J ] ． 中国 机械工程， 1 9 9 9， 1 0 8 3 4 3 6 ． 【 l l 】胡竟湘， 李建军 ， 钟定清． 高速开关阀及其发展趋势 [ J ] ． 机电产品开发与创新， 2 0 0 9 2 6 06 2 ． 【 l 2 】孟庆鑫， 刘贺平， 张岚， 等． 基于高速开关阀控制的液压 冲击铲研究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 4 1 0 1 5 21 5 4 ． 【 1 3 】何清华． 液压冲击机构研究 分析[ M] ． 长沙 中南大 学 出版社 ， 2 0 0 9 ． 【 1 4 】 吴万荣， 孟莹， 杨矗， 等． 基于A M E S i m的新型数字控制 液压冲击器的仿真[ J ] ． 机械制造与自动化， 2 0 0 8 3 1 05一】 07．