（化工过程机械专业论文）扶正器试验台中驱动气缸的特性研究.pdf

扶正器试验台中驱动气缸的特性研究摘要气动技术是以压缩气体为工作介质进行能量和信号传递，实现生产过程自动化的重要手段之一。近年来，随着工业自动化和机电一体化飞速发展，气动技术以其成本低廉、工作效率高、清洁无污染、节约能源、使用和维修方便、对环境要求低等一系列优点，已在各个领域得到越来越广泛的应用。本文根据扶正器试验台的实际要求，设计与研究了试验台中气压传动系统。在气动控制基本回路的基础上，通过理论计算，进行气动系统所需元件的计算和选型。通过详细的数学推导，在气缸基本数学模型的基础上，建立了扶正器试验台驱动气缸的动态数学模型。其次，运用c f d 软件f l u e n t 及其前处理软件g a m b i t 对实验台中所选用的气缸的内部流场进行数值模拟。通过对气缸内部的流场流动特点进行分析和气缸的进气道结构参数的变化，研究缸内速度、压力、湍流强度的分布情况，分析气缸的启动状态。并应用a d - 蝴s 软件，分析了行程中气缸运行过程中速度与推力之间的关系及其运动特性。通过仿真模拟分析，为试验台装置的应用及结构优化研究提供理论依据，同时也为进一步开发设计提供参考。用这种方法缩短了设计过程，减少了产品开发成本，提高了效率。关键词：气缸，f l u e n t ，数值模拟，仿真，a d a m sc h a r a c t e l u s t i cr e s e a r c ho fp n e u m a t i cc y l i n d e ri nc e n t rai ，i z e rt e s tb e da b s t r a c tp n e u m a t i ct e c h n o l o g yt h a tu s e sc o m p r e s s e dg a st om a k ee n e r g ya n ds i g n a lt r a n s m i s s i o ni sa ni m p o r t a n tm e a no fa c h i e v i n ga u t o m a t i cp r o d u c t i o np r o c e s s i nr e c e n ty e a r s ，a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n d u s t 巧a u t o m o t i o na n dm e c h a t r o n i c s ，p n e u m a t i ct e c h n o l o g y ，w i t hi t sa d v a n t a g e ss u c ha sc h e a pc o s t ，h i g hw o r ke f ! i c i e n c y ，c l e a n l i l ya n dn o tc o n t a m i n a t i v i n ge n v i r o n m e n t ，e c o n o m ye n e r g y ，c o n v e n i e n tu s a g ew i t hm a i n t a i n ，n o th i g hr e q u e s tt ot h ee n v i r o n m e n ta n ds oo n ，h a sa l r e a d yg o tt h em o r ea n dm o r ee x t e n s i v e 印p l i c a t i o ni ne a c hr e a l m a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fc e n t r a l i z e rt e s tb e d ，t h i sp a p e rd e s i g n e sa n ds t u d i e si t sp n e u m a t i ct r a n s m i s s i o ns y s t e m o nt h eb a s eo fp n e u m a t i cc o n v e ya n dc o n t r o lc i r c u i t ，t h r o u 曲t h e o r i c a lc a l c u l a t i o n ，s e l e c ta n dd e t e r m i nc o m p o n e n t so ft h ep n e u m a t i cs y s t e m a f t e rd e t a i l e dm a t h e m a t i c a ld e d u c t i o n ，b a s e do nm a t h e m a t i c a lm o d e lo fa i rc y l i n d e r ，s t m c t u r e dd y n a m i cm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ea i rc y l i n d e rt h a ti si nt h ec e n t r a l i z e rt e s tb e d n e x t ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nw i t hf l u e n ta b o u tc f da n di t si i ip r e p r o c e s s i n gs o f t w a r e so fg a m b i ta r eu s e do nt h ea i rc y l i n d e ro ft h et e s tb e d n l r o u g hs t l l d y i n gt h ef l o wc h a r a c t e r sa n dc h a n g eo fi n l e t ss t m c t u r a lp a r a m e t e r ，d i s t r i b u t i o no fi n n e rf i e l d ，s u c ha sv e l o c i t y ，p r e s s u r ea n dt u r b u l e n c ei n t e n s i t ya r ed i s c u s s e d ，a n da n a l y z e ds t a r t i n gs t a t eo ft h ec y l i n d e r a d a m si su s e df o rs i m u l a t i o na n a l y s i so nm o v e m e n tp r o c e s so ft h ec y l i n d e r ，w h i c hi n c l u d e st h er e l a t i o nb e t w e e nv e l o c i t ya n dd r i v i n g 五d r c ea n di t sk i n e t i cc h a r a c t e r i s t i c b ym e a n so ft h i ss i m u l a t i o na n a l y s i s ，i tw o u l db et h er e f e r e n c et op r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sf b rt h ea p p l i c a t i o na n dt h es t m c t u r a lo p t i m i z a t i o no ft h ee x p e r i m e n t a lf a c i l i t y ，a n da l s om a k e sr e f e r e n c ef o rf u r t h e rd e v e l o p m e n ta n dd e s i g l l b yt h i sm e a n s ，i tc a nc u td o w nt h ep e r i o do ft h ed e s i g np r o c e s s ，r e d u c ec o s to fp r o d u c td e v e l o p m e n ta n di n c r e a s eo fe f f i c i e n c y k e yw o r d s ：c y l i n d e f ，f l u e n t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，e m u l a t i o n ，a d a m si v口sdq oq j七1七2七3qr雎p i以t瓯mxab七gc ls ，s 。，s 。，s 。品ld 弘f伉c pc 。符号及缩略词说明气缸负载率气缸行程，班缸径，聊所空压机供气量，m 3 m i n自由空气消耗量，胁3 m i n泄漏系数备用系数利用系数系统总耗气量，册3 m i n气体常数，臃( 碚k )比内能，k j k g气源压力，胸气源密度，堙臃。气源温度，k质量流量，堙s 。1负载质量，k g ；活塞运动位移，m ；腔内的横截面积，肌2 ；临界压力比湍动能，j湍动耗散率动力黏度，船肌s 。1源项广义源项粘性耗散项湍动能对应的p r 数湍动耗散率对应的p r 数湍动黏度，堙m 一s _ 1平均速度梯度引起的湍动能产生项定压比热容，j k 姆4定容比热，u ( j 咯k )rq，口ah由gp o ，口ipc热传导系数，w k 胁。1相应于流体通量的广义扩散系数系统广义坐标列阵广义速度列阵约束反力及作用力列阵时间步长完整约束的代数方程列阵非完整约束的方程列阵g e a r 积分系数值预估值校正值x i v北京化工大学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者签名：关于论文使用授权的说明学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。作者签名：导师签名：日期：丝堕：三里日期：之塑：兰：! = 三1 1 气动技术及其发展第一章绪论气动技术是以压缩气体为工作介质进行能量和信号传递，实现生产过程自动化的一门技术。气动技术的发展是与人类的生产进步密切相关的。远在几千年前，人们就懂得利用风力扬帆航船。约在两千年前，希腊人就曾制造出一门压缩空气弩炮，利用压缩空气增大推力产生较远的射程。约在公元6 4 0 年，我国就发明了卧式风车，这是最早的风动机械用于农业灌溉。近代用于采煤的风钻，火车的自动闸和门窗开闭等也都是充分地利用了气动技术。然而，过去气动技术一直只是作为传动的手段，到了2 0 世纪5 0 年代，出现了射流逻辑元件和随后出现了各种有可动件的气动逻辑元件，开始把数字技术和逻辑代数等控制技术引进气动领域，才赋予气动技术以新的内容，使气动技术具有传动和控制两方面综合含义，从而促进了气动技术的迅猛发展【1 枷。现在，气动技术与电子电气、液压技术一样，都是生产过程及工业自动化最有效的技术之一，广泛应用于采矿、冶金、各类机器制造、航空、交通运输、轻工、化工等各个部门，在国民经济发展中发挥着越来越重要的作用。气动技术具有如下优点【5 - 7 】：( 1 ) 空气随处可取，取之不尽，节省了购买、储存、运输介质的费用和麻烦；用后的空气可以直接排入大气，对环境无污染，处理方便，不必设置回收管路，因而也不存在介质变质、补充和更换等问题。( 2 ) 因空气粘度小( 约为液压油的万分之一) ，在管内流动阻力小，压力损失小，便于集中供气和远距离输送。即使有泄漏，也不会像液压油一样污染环境。( 3 ) 与液压相比，气动反应快，动作迅速，维护简单，管路不易堵塞。( 4 ) 气动元件结构简单，制造容易，适于标准化、系列化、通用化。( 5 ) 气动系统对工作环境适应性好，特别在易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射、振动等恶劣工作环境中工作时，安全可靠性优于液压、电子和电气系统。( 6 ) 空气具有可压缩性，使气动系统能够实现过载自动保护，也便于储气罐储存。( 7 ) 排气时气体因膨胀而温度降低，因而气动设备可以自动降温，长期运行也不会发生过热现象。当然，气动技术也并非十全十美，与液压系统相比，存在以下不足：( 1 ) 气体具有可压缩性，当载荷变化时，气动系统的动作稳定性差，但可以采用气液联动装置解决此问题。但有时候考虑到成本和结构问题也直接采用气动。( 2 ) 工作压力较低，因为结构尺寸不宜过大，因而输出功率较小。北京化t 人学硕+ i ：学位论文( 3 ) 噪声较大，在高速排气时要加消声器。( 4 ) 气信号传递的速度比光、电子速度慢，因此气信号传递不适用高速传递复杂的回路中，但对一般机械设备，气动信号的传递速度是能够满足要求的。近年来随着工业自动化程度的迅速提高，气动控制技术已从汽车、电子、食品加工、采矿、冶金、各类机器制造、航空、交通运输、轻工、化工等各个部门和产业扩展到其他工业领域，在国民经济建设中发挥着越来越重要的作用。近代气动技术经过几十年的应用和发展，气动元件呈现出以下发展趋势【8 9 】：1 ) 精确化( 1 ) 带磁性接近开关的气缸带磁性接近开关的气缸由于在活塞上装有永久磁铁，故当活塞运动到接近开关的预设位置时，活塞上的磁铁使触点闭合，发出电信号，指示行程位置或控制某一元件动作。省去了机械定位档块和附加的位置传感器等部件。( 2 ) 气液变换执行元件在一些应用场合，不仅要求执行元件有足够的驱动力，而且要求进给速度均匀、可调，在负载变化时能保持其平稳性。普通气缸的特点是动作快，但速度不易控制，会出现“爬行”和“自走 等现象，难以满足这些要求；而液压缸的特点是动作较慢，但负载刚性高，速度稳定性好。将二者恰当地组合起来，发挥各自的优点，即成为目前气动( 或液压) 控制系统中普遍采用的气一液压阻尼缸。2 ) 高速化气缸的高速化发展对提高装置的生产效率有着重要意义，近年来颇引人注目，不仅f e s t o 公司，c k d ，t a i y o ，o r l g a ，n o r g r e n ，m e c m e n ，s m c 等公司研制的无杆气缸的最大速度都已达到2 m s 以上，其它类型的高速气缸甚至达到了3 4 m s 的速度，气缸高速化的发展相应需要解决的技术问题，除对密封的材料、形状有所考虑外，气缸的驱动方式及如何吸收冲击惯量进行缓冲等问题非常重要。关于气缸缓冲机构装置，外部缓冲回路的构成等研究，国外各企业十分重视，这方面的专利也颇多。3 ) 小型化( 1 ) 针笔型气缸a 1 、a p 系列针笔型气缸的缸径小至2 5 1 5 m m ，可以用于小型和微型机械设备的场合。( 2 ) 薄型气缸c u 系列、c q 2 系列、m u 系列气缸属节省安装空间型气缸，其中c u 系列气缸可以多方位安装固定，c 2 系列是轴向超薄型气缸，这种缸适用于短行程大推力的场合。m u 系列是径向超薄型气缸，它采用椭圆活塞，在同样推力的情况一下，其厚度只是普通气缸的一半。2第一章绪论( 3 ) 低功耗与微电子化德国f e s t o 、日本s m c 等公司生产的数十种系列电磁阀中，电磁铁的消耗功率大都在1 8 w 以下，小型阀有的功率仅为0 4 5 w ，直动型阀的功率一般也都小于4w 。最近，s m c 为v j 系列阀增设了一种新的节电回路。当线圈通电时问超过3 0 m s时，在保证铁芯必要吸力的前提下，线圈的功耗可降低3 0 。电磁铁低功耗的意义不仅仅在于能节约电能消耗，提高电磁铁的可靠性，另一方面，也为气动技术与微电子技术相结合创造了必要条件。在自动化生产装置中的气动系统，大都是顺序控制回路，低功耗的气动元件信号可直接作为可编程控制器的信号分时处理，可驱动几十个电磁阀的信号，通过一根导线传送到远距离的集成阀块上。这项技术不仅大大节省了接线工作，而且也减少了由于复杂接线而引起的故障。目前，这项技术不仅应用在驱动信号的传送上，现场执行元件、机构监控的各类传感器信号的传送也开始采用这项技术，使得整个系统的配置更加简洁、明快。4 ) 复合化气缸的另一个发展趋势就是复合化，为了方便用户，缩短用户进行机械设计的时间，各公司研制出复合化概念的气缸组件。例如s m c 公司的m r q 系列直线、摆动复合缸，具有两个运动自由度，再配上两个灵活的气爪，构成了颇有用途的机械手。n o k 公司的f p t 系列的平台承重式气缸将导轨、平台、气缸一体化，该气缸平台直接承重达7 8 0 k g ，可直接用作小型压力机下的移动底座。n s c 公司推出的带吸盘的一体化气缸，与众不同的是：( 1 ) 与真空发生器一体；( 2 ) 吸盘接触到工件后，吸着并自动复归，无需真空压力继电开关；( 3 ) 气缸的推力不作用在工件上。另外还有其它公司开发的类似于机床卡盘的气动复合执行元件等，这些具有复合功能的气缸，大大地方便了用户的选择与使用。今后，市场的需求，技术的竞争将把气缸的发展带入到一个多样化的新时代。5 ) 集成化( 1 ) 气源三联件( 过滤器、减压阀和油雾分离器) 的集成气源三联件( f 、r 、l 用于改善压缩气体的质量。根据用户的不同要求，可以考虑有不同的组合。s m c 生产的5 个基本单元是廿( 过滤器) 、a r ( 减压阀) 、a u 油雾器) 、a w ( 带过滤器的减压阀) 及a f m ( 油雾分离器) 。在上述基本元件的相互组合中，利用s m c 所设计的一些具有特殊机能的接块，不仅连接齐整，紧凑，同时也增加了附加功能。( 2 ) 控制阀与控制器的集成一阀岛“阀岛 一词译自德语的“v e n t i l i n s e l ”，英文译为“v a l v e t e 珊i n a l ”。常规方式实现的气控单元，其特点是系统中包含大量的分立元器件，并且这些分立的元器件是通过大量的管件以及接插件实现连接的。相互连接复杂，引发的故障率高，同时还给设备的管理和维护带来不便。把控制阀的供气支路和排气口等气流通道集成，把3北京化下大学硕十学位论文传感器输入电信号的接线集成在一个插座里，形成模块化的、小巧的集成块则称为阀岛。在阀岛上，可编程控制器的输出信号、输入信号均通过一根带多针插头的多股电缆与阀岛连接，而由传感器输出的信号则通过电缆连接到阀岛的电信号输入口上。因此，可编程控制器与气动阀、传感器输入电信号之间的接口简化为只有一个多针插头和一根多股电缆。与常规方式实现的控制系统比较可知，采用多针接口的阀岛后，系统不再需要接线盒。同时，所有电信号的处理、保护功能都已在阀岛上实现。显然，通过采用阀岛使得系统的设计、制造和维护过程大为简化。然而，随着控制回路的复杂化，可编程控制器输出、输入口与阀岛的电缆将加粗并随着阀岛与可编程控制器的距离增大而加长。为克服这一缺点，出现了新型的带现场总线的阀岛。两个采用现场总线进行信息交换的对象之间只需由一根电缆线连接。这样就使得阀岛的结构更加紧凑，抗干扰性更强，数据传输的可靠性更高。1 2 计算机仿真模拟技术1 2 1 计算机仿真模拟简介【1 0 1 4 1计算机模拟是近年来发展起来的综合性很强的一门新兴学科，它涉及到系统分析、控制理论、计算方法和计算机技术等。计算机模拟的特点是精度高、重复性好、通用性强、价格便宜。至今已发展了许多计算机模拟程序包和仿真语言，使用起来特别方便。因此，计算机模拟技术在生产管理、工程技术、军事研究、科学试验、国民经济、重大决策以及在社会科学和自然科学等领域内得到了广泛的应用，效果十分显著。目前，计算机模拟己成为系统分析、研究、设计和人员训练不可缺少的手段，它给工程界及企业界带来了巨大的社会效益和经济效益，被认为是科学研究的第三支翅膀，与试验和理论一起构成了完整的研究体系，能做到理论和试验难以做到的事情，如全工况模拟、流场模拟等，计算机模拟大大拓宽了理论分析和试验研究的范围和深度【l o l 。计算机仿真模拟的过程可通过图卜1 所示的要素问的三个基本活动描述：图卜1 仿真过程三要素关系f i g 1 - 1t h r e ee l e m e n t so fs i m u l a t i o np r o c e s s4第一章绪论建模活动是通过对实际系统的观测或检测，在忽略次要因素及不可检测变量的基础上，用物理或数学的方法进行描述，从而获得实际系统的简化近似模型。这里的模型同实际系统的功能与参数之间应具有相似性和对应性。仿真模型是对系统的数学模型( 简化模型) 进行一定的算法处理，使其成为合适的形式( 如将数值积分变为迭代运算模型) 之后，成为能被计算机接受的“可计算模型”。仿真模型对实际系统来讲是一个二次简化的模型。仿真实验是指将系统的仿真模型在计算机上运行的过程。仿真是通过仿真模拟来研究实际系统的一种技术，通过仿真技术可以弄清系统内在结构变量和环境条件的影响。计算机仿真技术是以控制论、计算技术和相似原理为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，借助系统模型对真实的或设想的系统进行试验研究的一门综合性技术。它的发展趋势主要表现在两个方面：应用领域的扩大和仿真计算机的智能化。计算机仿真技术不仅在传统的工程技术领域( 航空、航天、化工等方面) 继续发展，而且扩大到社会经济、生物等许多非工程领域，此外，并行处理、人工智能、知识库和专家系统等技术的发展正影响着仿真计算机的发展。与传统的经验方法相比，计算机仿真具有以下的优点：( 1 ) 能提供整个计算机域内所有有关变量完整详尽的数据；( 2 ) 不用进行系统实验；( 3 ) 可预测某特定工艺的变化过程和最终结果，使人们对过程变化规律有深入的了解；( 4 ) 在测量方法有困难情况下是唯一的研究方法。此外，数字仿真还具有高效率、高精度和进行实际系统难以进行具有破坏性或危险性的实验研究等优点。1 2 2 计算机模拟在气动系统中的应用气动系统计算机模拟作为计算机模拟的一个分支，为气动系统的设计、优化和控制，特别是动态工作性能的提高，提供了一个有力的技术手段，己成为现代气动系统设计体系中的一个非常重要的环节。因此，气动系统计算机模拟具有很广泛的实用价值，随着计算机模拟技术的发展，将愈加受到人们的重视。计算机模拟技术在气动技术领域的应用，归纳起来可以解决以下几方面的问题：( 1 ) 对已有气动元件或系统通过理论推导建立描述它们的数学模型，然后进行计算机模拟，所得到的模拟结果与实物试验结果进行对比，来验证理论的准确程度，反复修改数学模型，直到使得两试验结果非常接近，把这个理沦模型作为今后改进和设计类似元件或系统的依据。5北京化t 人学硕i ：学位论文( 2 ) 对于己有的系统通过建立数学模型和模拟试验，确定参数的调整范围作为该系统调试时的依据，从而缩短调试时问和避免损坏设备。( 3 ) 对于新设计的元件，可以通过计算机模拟研究元件各部分结构参数对其动特性的影响，从而确定满足性能要求的最佳匹配结构参数，给实际设计该元件提供必要的数据。( 4 ) 对于新设计的系统通过计算机模拟验证控制方案的可行性以及诸结构参数对系统动特性的影响，从而确定最佳控制方案及最佳结构和控制参数的匹配。总之，通过计算机模拟可以得到气动元件或系统的动态特性，从而研究提高它们动态特性的途径。计算机模拟己成为研究设计及优化气动元件或系统的重要组成部分。1 3 气动技术及其计算机模拟的研究现状1 3 1 气动技术的研究现状随着自动化技术的快速发展，国内外气动行业在不断提高气动元器件的性能和降低生产成本的同时，致力于开发各类新型气动器件。近年来气动领域的发展主要表现在气动技术与其他科学技术的广泛结合1 1 5 d 6 j ：气动技术与机械技术的结合产生了大量诸如，直线摆动复合缸，带滚珠滑动导轨直线驱动单元等集气动、机构于一体的气动执行元件；气动技术与电子技术的结合则为现代气动技术提供了更为广阔的发展空间，阀岛技术，气动伺服定位系统，气动比例控制元件作为三种最为成功的电一气一体化产品，给现代气动技术的发展注入了极大的活力；在与计算机、电气、传感、通讯等技术相结合产生了智能气动概念( 气动比例与伺服、智能阀岛、模块化机械手) 。气动伺服定位技术可使气缸在高速运动情况下实现任意电自动定位。智能阀岛解决了整个自动化生产线的分散与集中控制问题。气动伺服定位技术的出现，为气动机器人、气动机械手大规模进入自动化领域丌辟了广阔的前景。气动技术的发展正在走向精确化、高速化、微型化、复合化、集成化、智能化，有利的推动了气动伺服控制技术的发展，近年来各国学者在各种新型气动元件的基础上，利用现代控制技术和方法，对电气伺服控制系统进行了深入研究。目前电气伺服控制系统已成功应用于机械定位机构、气控的液压泵变量系统、食品机械、人造血泵、柔性抓取机构等1 1 7 m j 。华中科技大学的杨钢对气动人工肌肉系统动态特性进行了研究。他们提出将气动人工肌肉视为带有弹性负载的变截面气缸的观点，这样就可以借鉴现有较成熟的气缸分析方法对气动人工肌肉进行分析。采用与气缸系统一样的分析方法，从控制阀的流量方程、执行元件的动态方程和运动方程入手，用非线性模型进行分析和研6第一章绪论究，建立气动人工肌肉系统的动态数学模型。并通过仿真和实验研究对气动人工肌肉进行了特性分析，表明了所建立的动态数学模型的正确性，为气动人工肌肉研究及应用奠定了理论基础【冽。湖北襄樊学院的孙艳玲针对气动位置伺服系统的非线性特征，提出了一种基于模糊控制的气缸位置控制系统1 2 3 1 。系统以计算机和压力型电气比例阀为控制核心，采用了模糊控制算法来实现气缸位置控制。模糊控制器采用了位置偏差与位置偏差变化率的双输入与控制量的单输出的模型实验研究表明，系统的位置控制精度可达到o 2 5 姗，该系统可以实现对气缸位黄的高精度控制。南京理工大学的李桂海研究一种全气动多自由度关节型机器人。针对气动手腕设计了一种新型的气动辅助制动机构，实现了手腕俯仰的有限多点定位。完成了气动机器人的运动学分析和综合，进行了气动机器人工作空间分析，对气动机器人的定位技术进行分析和研究，有效地提高了系统定位的精度和稳定性。通过研究和试验解决了全气动关节型机器人所涉及的技术问题，成功开发了一种全气动五自由度关节型机器人，该成果可为工业界提供可行的技术示范，促进气动技术在工业领域的实际应用l 矧。1 3 2 气动系统计算机模拟的研究现状仿真技术现在已成为系统分析、研究、设计及人员训练不可缺少的重要手段，它给工程界及企业界带来了巨大的社会效益与经济效益。使用仿真技术可以降低系统的研制成本，提高系统实验、调试及训练过程中的安全性。对于社会、经济系统，由于不可能直接进行实验，仿真技术更显出它的重要性。在我国，自从2 0 世纪5 0 年代中期以来，系统仿真技术就在航天、航空、军事等尖端领域得到应用，取得了重大的成果。自2 0 世纪8 0 年代初开始，随着微机的广泛应用，计算机仿真技术在自动控制、电气传动、机械制造、流体传动、造船、化工等工程技术领域也得到了广泛应用。仿真技术在气动系统方面的应用，是其众多应用中很重要的一部分，成为开展这方面研究的必不可少的重要工具。在气动系统的设计中，计算机仿真主要用于设计方案的验证、系统性能的预测、新产品潜在问题的发现以及解决问题方法的评价等。目前国内外对于气动系统计算机模拟技术的方法主要有：( 1 ) 传递函数法基于古典控制理论的一种分析方法。主要用于分析系统的稳定性、主要参数对系统稳定性的影响等。( 2 ) 状态空间法是随着现代控制理论和计算机技术的发展而出现的。基本思想是一个系统的状态特性可用一组称为状态变量的系统参数来描述，当系统各状态变量的初始值及输入作用信号被确定后，系统在任意时刻的状态就被唯一地确定了。7北京化t 大学硕i ：学位论文显然，状态空间法的这一特点与系统动态过渡过程研究的基本目的相当吻合，特别适用于求解气动系统的瞬态响应。南京理工大学的戴龙成等人对气压式连杆机构的动力学分析进行了研究就是采用了传递函数法。他们建立了描述气压式连杆机构系统的数学模型，通过对气压式连杆机构的动力学分析，求得在气压驱动下连杆机构的动力学参数随时间的变化规律，并分析了几个主要参数对气压式连杆机构动力学特性的影响，对气动连杆的研究与设计提供了参考和理论依据i z 5 j 。华中科技大学的王虎对高压气动阀控缸一体化元件的动静态特性分析及实验的研究采用了上述的两种计算机模拟方法。采用状态空问法，在应用m a t l a b 软件仿真研究的基础上，讨论了高压气动阀控缸一体化元件响应特性的影响因素。采用传递函数法，应用f l u e n t 软件，讨论了三位四通换向阀进气口面积等参数对元件内部气体流动特性的影响【删。哈尔滨工业大学的郭晓晨采用空气动力学、热力学、一维流场特征线理论、多维流场数值计算技术和计算机模拟理论对气动系统的数值模拟进行了系统的分析研究【2 7 1 。采用模块化建模的思想，建立了气动系统的模块化建模体系；应用多维流场数值计算技术研究了气动元件数值建模中的压力损失系数的变化规律，并对流场计算结果进行了分析。为气动系统的设计、优化和控制，准确地建立复杂气动系统的数学模型和多回路气动系统计算机模拟的算法，研究其动态特性，提供了指导意见。1 4 本课题的研究内容、目的和意义随着油田开发中后期的到来和油井含水率的升高，有杆泵机采井的管杆偏磨腐蚀现象同趋严重，对石油开发及生产造成巨大的浪费和严重的经济损失。因此为解决这一问题，结合国内目前的石油生产及防偏磨的现状，自行设计研制了抽油杆扶正器偏磨实验台架，对油田常用的几种扶正器在不同温度、径向载荷作用下和直线运动中的磨蚀进行了试验研究。本课题设计的一整套气动装置为抽油管杆偏磨实验台架提供驱动力，实现实验机架4 8 m 行程的直线往复运动。由于实验台4 8 m 的行程，每分钟达到3 8 4 米。这样的气动装置其运行平稳性对整个试验装置的运行影响很大，因此了解这种工况下气缸的动特性对此类产品进一步开发，维护设备的运行稳定具有重要意义，对实验台中驱动气缸的特性研究是关键。自从1 6 8 7 年牛顿定律公布以来，直到本世纪5 0 年代初，研究流体运动规律的主要方法有两种：一是实验研究，以实验为研究手段；另一种是理论分析方法，利用简单流动模型假设，给出某些问题的解析解。前者耗费巨大，而后者对于较复杂的非线性流动现象目前还无能为力。2 0 世纪7 0 年代以来，飞速发展起来的计算机技术为实验研究和理论研究都起到了促进作用，也为简化流动模型提供了更多的依8第一章绪论据，使很多分析方法得到发展和完善。实验研究、理论分析方法和数值模拟已成为当前研究流体和运动规律的三种基本方法。随着工业自动化程度的迅速提高，气动技术已从汽车、电子、冶金、食品加工等支柱产业扩展到其他工业领域。在这些领域中，常规产品都具有了非常好的产品性能，但是一些在非常规参数和条件下，比如高速和长行程气缸，其选用比较困难，使用性能也无法预计。目前国内对气缸的研究，新产品的研发，大多采用实验研究，实验费用十分昂贵，而且实验参数较少。在传统理论分析和实验研究的基础上，随着计算机技术的发展而兴起的数值模拟和仿真技术，已越来越多地被研究人员所采用。它相对于实验研究有很独特的优点，如成本低，周期短，能获得完整的数据，能模拟出实际运行过程中各种所测数据状态，对于设计、改造等商业或实验室应用起到重要的指导作用。本课题主要是针对油田抽油管杆偏磨试验台架中的气动装置而进行的设计和研究。气动装置主要完成驱动实验台架抽油管的直线往复运动，在一种理想情况下模拟抽油管杆井下作业，以检测油田抽油管杆扶正器的偏磨。利用c f d 分析软件f l u e n t及其前处理软件g a m b i t 对实验装置中所选用的气压传动执行元件气缸中内部流场进行数值模拟。通过对气缸内部的流场流动特点进行分析，研究缸体内速度、压力和湍流强度的分布情况，分析气缸的启动状态。并应用a d a m s 软件，分析了长行程气缸运行过程中速度与推力之间的关系及其运动特性，为该装置的应用及结构优化研究提供理论依据。同时，为进一步开发设计提供参考。用这种方法可以缩短设计过程，减少实验室测定试验的数目，减少产品开发成本，提高效率。9第二章扶正器实验装置中气动系统设计及理论分析2 1 扶正器实验装置中气动系统设计2 1 1 扶正器实验装置的基本原理随着油田进入高含水开发期，油井产出液的含水量上升，管杆接触面的润滑系数大幅度地降低，使抽油杆上行载荷明显增加，下行阻力加大，使管杆偏磨腐蚀现象日趋严重1 2 8 1 。常规作业中的几种抽油杆柱防偏磨工艺有：优化多级抽油杆柱组合；杆柱底部设计加重杆；用油管锚锚定油管；在适当深度加入一定数量抽油杆扶正器；使用抽油杆旋转器。由于井斜和抽油杆柱下部弯曲，偏磨不可避免地存在。通过对比各种防偏磨措施得出最简便有效方法就是在抽油杆柱上安装一定数量的扶正器，用以平衡抽油杆柱所受的力，使之不再发生弯曲变形，并且在抽油杆柱上安装扶正器。通过扶正器与油管壁的摩擦接触来扶正抽油杆，使抽油杆与油管壁间的摩擦转变为扶正器与油管壁的摩擦，这样既可避免抽油杆柱的磨损，又可减少油管壁的磨损。目前，使用扶正器防偏磨在抽油杆防偏磨工艺中占主导地位。但是现今所用的抽油杆扶正器品种繁多，彼此之间结构、性能及使用寿命差异性较大。另外由于安装工艺和结构的不同，在使用过程中扶正器经常出现掉块、掉渣、部分磨损过快等现象，严重影响了油井的正常开采，加速了井下设备的损坏，增大修井工作量及采油成本，对石油开发造成了巨大的浪费和严重的经济损失。因此，针对防偏磨的抽油杆扶正器来自行设计扶正器摩擦磨损试验专用设备，检验其材质、结构的好坏以及使用寿命就变得十分有意义。对于扶正器实验装置中驱动部分的设计，有两套方案：一是采用气压传动驱动的方式。二是采用曲柄连杆机构。在变频电动机的驱动下带动做相应的往复运动。本文采用第一套方案采用气压驱动方式。如图2 1 所示为自行设计研制的抽油杆扶正器偏磨实验台架。实验机工作原理：抽油杆2 上安装了用于磨损实验的扶正器5 ，而且扶正器是固定安装在抽油杆的正中间。扶正器通过央套夹持，并施加一定的正压力，通过无杆气缸9 中活塞的往复运动，带动抽油杆往复运动。从而实现对抽油系统中扶正器受力状况的近似动态模拟，研究不同扶正器的磨损情况。本课题设计的一整套气动装置为抽油管杆偏磨实验台架提供驱动力，实现实验机架4 8 m 行程的直线往复运动。由于实验台4 8 m 的行程，每分钟达到3 8 4 米。这样的气动装置其运行平稳性对整个试验装置的运行影响很大，因此了解这种工况下气缸的动特性对此类产品进一步开发，维护设备的运行稳定具有重要意义，对实验北京化t 大学硕十学位论文台中驱动气缸的特性研究是关键。l己345己7e1 、光杆支撑；2 、抽油杆；3 、抽油管支撑；4 、加热圈及保温层；5 、扶正器；6 、抽油管：7 、抽油管联结；8 、封头；9 、无杆气缸：1 0 支撑平台和底座图2 - l 扶正器偏磨试验台f i g 2 - lt e s ts t 她d0 fc e n t m l i z e re c c e n t r i cw e a r2 1 2 气压传动系统的设计2 1 2 1 气压传动系统实验装置原理图设计捧气单向节流阀8无活塞杆气缸7油雾器6减压阀5 分水滤气器4压力表2空压机l图2 2 气压传动装置原理图f i g 2 - 2s c h e m a t i cd i a 黟a l no fp n e u m a t i ct r a n s m i s s i o n在广泛查阅、整理资料和阅读文献的基础上，根据抽油管杆扶正器偏磨实验台架的要求，参考气动控制基本回路，通过理论计算，进行传统气动理论选型，包括1 2第二章扶讵器实验装置中气动系统设计及理论分析参数的确定，元件选型；并应用f e s t o 公司的f l u i dd r a w 软件，选取合适的气动元件，完成实验装置的气动控制原理图，设计出了气动系统装置如图2 2 所示。在上图中空气压缩机l 将原动机的机械能转化为空气的压力能，空气经空气压缩机压缩进入气罐3 ，目的是存储一定的压缩空气，保证连续，稳定的气流输出。气动回路的主要作用是实现实验台机架单程4 8 m 直线往复运动：气体经过气源处理组件，包括分水滤气器4 、减压阀5 和油雾器6 。分水滤气器除去压缩空气中的冷凝水、故态杂质和油滴。减压阀的作用是将较高的输入压力调整到给定压力输出，并保持压力稳定，以保证气动系统的工作压力稳定。油雾器可使润滑油雾化，并随着气流进入到重要需要润滑的部件。接着压缩空气通过两个常闭式，带手控机构的三位二通电磁换向阀9 和1 0 ，然后流经排气单向节流阀8 ( 气缸进气使不起作用，排气时进行节流) 进入一双作用无活塞杆气缸7 ，驱动活塞运动，依靠接近开关完成换向及往复的循环直线运动，排气时可通过调节排气单向节流阀来调节活塞的运动速度。2 1 2 2 气动系统设计计算和元件选择【2 9 。1 l1 ) 气缸的计算和选择气缸是将压缩空气的压力能转变为机械能，并产生直线往复运动的装置。根据传统的气动理论基础，计算气动执行元件一无杆气缸的缸径d 。对于双作用气缸活塞的理论输出力为：圪一等d 2 p ，( 2 1 )斗在研究气缸的性能和选择确定气缸缸径时，常用到负载率口的概念。气缸负载率是气缸活塞杆受到的轴向负载力f 与气缸的理论输出力r 之比，即是：负载率a = 意器则瞄气缸的实际负载是有工况决定的。若确定了气缸负载率口，气缸的理论输出力r ，从而可以计算出气缸的缸径。( 2 2 )则由定义就能确定气缸负载率口的选取与气缸的负载率性能及气缸的运动速度有关，参见下表2 一l 。其中阻性负载是指不产生惯性力的静载荷，如气缸做气动央具的负载就是阻性负载。而惯性负载是指产生惯性力的的动载荷，如气缸用来推送工件，负载将产生惯性力。负载率口影响着气缸缸径的大小，从而影响整个系统的大小，所以需要根据实际情况慎重考虑。北京化t 人学顾l ：学位论文表2 1 气缸的运动状态和负载率t a b 2 1l q n e s t a t ea n dd u t yc y c l eo fc y l i n d e 兰惯性负载的运动速度y阻性负载( 静负载) 5 0 0m m s口0 80 8 50 5o 3 5由已知的气缸所带的负载、运动状态及工作压力，就可以进行气缸缸径的计算和选用。具体缸径的计算步骤如下：( 1 ) 根据气缸所带的负载，计算气缸的轴向负载力f 。( 2 ) 由气缸的平均速度来选定气缸的负载率口气缸的运动速度，越高，负载率a 应选得越低。( 3 ) 若系统工作压力为0 6 m p a 时，气缸的工作压力计算时一般为o 4 m p a 。这个是由于气缸工作时气缸腔室里的压力受到管路充放气以及气缸速度的影响，不可能达到系统的工作压力。若系统工作压力低于0 6 m p a ，计算时工作压力也作相应的调整。( 4 ) 由气缸的理论输出力的计算公式、负载率a 及工作压力即可以计算出缸径。由计算的缸径再圆整到标准缸径。本文设计研究的气压传动系统的已知条件为气缸在导轨上做直线往复运动，气缸轴向负载力f _ 4 0 0 n ，气缸行程s = 4 8 m ，每分钟往复4 次，工作压力为p ，= o 4 坳口。则根据已知条件有：气缸的平均速度为：，；羔：兰：垒兰兰里o 6 4 历s ；( 2 3 )v = 一= 一i j n 4 ，挖，譬：z j ，f6 0由气缸的运动状态和负载率关系，查表2 1 ，有负载率为口= 0 3 5 ，所以得气缸的理论输出力为：r = ，口= 1 1 4 3 ( 2 - 4 )将( 2 4 ) 代入( 2 1 ) 得，双作用气缸缸径为：肌摆- j 等划砌朋江5 ，圆整之，并考虑气缸的通用直径系列，取d = 6 3 姗。2 ) 气动控制阀的选择在简单的气压传动系统中，气动控制阀的规格通常是按气动执行元件上的配管的连接尺寸大小或执行元件的规格来选取的。1 4第二章扶正器实验装置中气动系统设计及理论分析本系统的气压传动控制阀主要是用来控制压缩空气流通方向或气路通、断等作用的方向控制阀和通过调节改变节流口开度来控制气流的流量单向节流阀，如气动原理图所示的元件中，9 、1 0 是电磁换向阀和7 、8 是单向节流阀。电磁换向阀和单向节流阀根据f e s t o 气动产品电子目录选用。在气压传动装置原理图中，电磁换向阀9 和1 0 选择m f h 系列的管接式、接口螺纹为g 1 4 、电压为d c 2 4 、不带电磁线圈和插头插座、单电控、机械弹簧复位，带手控装置可锁定、阀功能可转换( 常闭或常开) 、接线方式为d i n 型带电保护电路和指示灯的电磁换向阀，其型号为m f h 3 1 4 。单向节流阀用于双作用气缸的排气流量控制。在相反的方向单向节流完全打开压缩空气可以自由通过。进气流量不受控制而只对排气流量进行控制，从而来控制气缸的运动速度。气压传动装置原理图单向节流阀7 和8 ，气接口螺纹为g 1 4 ，带有可旋转的接头，与快插接头配合安装。3 ) 气动附件的选择压缩空气在进入某一个执行元件和仪表之前，一般需要进行除水和过滤，并需控制其压力、流速和流向，有时还要注入润滑剂和消除噪音等，以达到延长气动执行元件和仪表的寿命、降低设备的修理费、提高设备的利用率等目的。因此系统中还需要多种完成这些功能的气动附件。本实验装置系统的气动附件主要为气动三联件，一般将分水滤气器、调压阀和油雾器组合在一起使用，通称气动三大件，如果三者是无管化连接的则称气动三联件。分水滤气器是气动装置中为了得到纯净、干燥的气体，而被广泛应用的一种基本元件；减压阀是在一般气动控制系统和一般管路中需要保持一定压力的情况下使用；油雾器是向气动装置中的气动元件提供润滑的装置，它是以气体为动力，将润滑油喷射成雾状，供给需要润滑的各类气动元件如气缸、控制阀等。本系统选用型号为f r c 1 2 d m a x i 的气动三联件。其他的一些附件还包括消声器、快插接头、接管等4 、空气压缩机的选择空气压缩机是将机械能转换成气体压力能的装置。选择空气压缩机的根据是气压传动系统所需要的工作压力和流量两个主要参数。本系统的工作压力为0 4 m p a ，选用额定排气压力o 7m p a 。空气压缩机的供气量可由下式计算：坩q o = k ，罗q( 2 6 )筒