（机械电子工程专业论文）液压数字控制装置设计.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 本课题所研究的液压数字控制装置属于数字液压领域，该装置可以将液压 装置与数字控制技术结合到一体，是一种真正意义上的数字液压装置。通过该 装置可以实现对输出油液流量，压力的精确控制。该装置可以达到数字控制所 需要的转换频率，并且可以根据负载要求实现大流量输出控制，控制方便，结 构简单，成本低。本文通过原理分析，实验分析与验证，结构实现，流场仿真 四个方面对该液压数字控制装置进行了研究。主要研究内容如下： 首先，对目前数字液压领域的研究内容和成果作了综述，进而提出本文所 要研究液压数字控制装置的原理，即液压开关控制原理，并且对控制参数进行 了分析。 其次，设计液压实验，对该数字控制原理进行分析与验证。这一部分首先 对实验回路进行建模，并在m a t l a b s i m u l i n k 中对数学模型进行了仿真分析。 然后搭建液压实验台进行验证，重点控制两个高速开关阀进行联合脉宽调制。 第三，根据控制原理和实验研究，对该液压数字控制装置进行了建模。该 部分详细介绍了设计的两种配流结构的液压数字控制装置，重点介绍了配流原 理与结构实现。 第四，使用f l u e n t 仿真软件对两种液压数字控制装置进行了流场仿真，并 对局部结构进行了改进。 最后对全文作了总结，该液压数字控制装置的研究为新型数字液压元件的 研究指明了方向。 关键词：液压数字控制，m a t l a b ，配流，f l u e n t v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eh y d r a u l i cd i g i t a l - c o n t r o ld e v i c e sp r o p o s e di nt h ed i s s e r t a t i o ni sp a r to f d i g i t a lh y d r a u l i c s ，w h i c h c o m b i n et h e h y d r a u l i cd e v i c e s a n dd i g i t a lc o n t r o l t e c h n o l o g y i tm a t c h e st h e “d i g i t a lh y d r a u l i c s ”i nd e e d t h ev e l o c i t ya n dp r e s s u r e o ff l o wc a nb ec o n t r o l l e da c c u r a t e l yv i at h eh y d r a u l i cd i g i t a l c o n t r o ld e v i c e b e s i d e s ， t h ef i ：c q u e n c yo ft h es w i t c h i n gi sh i 幽a n dt h ef l u xc a l lb eu s e df o rh e a v yl o a d t h e m a n u f a c t u r i n gc o s to ft h ed e v i c ei sl o wa n dt h ec o n t r o lm e t h o di ss i m p l e t h e r e s e a r c ho ft h eh y d r a u l i cd i g i t a l - c o n t r o ld e v i c ei nt h ed i s s e r t a t i o ni n c l u d e st h e a n a l y s eo ft h ep r i n c i p l e ，t h ee x p e r i m e n tv e r i f y i n g ，t h e s t r u c t u r ed e s i g na n dt h e s i m u l a t i o no ft h ef l o wf i e l d f i r s t ，t h er e s e a r c hc o n t e n ta n dt h ep r o d u c t i o no fd i g i t a lh y d r a u l i c s i s s u m m a r i z e d t h e nt h eh y d r a u l i cs w i t h i n gp r i n c i p l ei sp r o p o s e da n dt h ep a r a m e t e r s a l ea n a l y z e d t h e n ，d e s i g nt h eh y d r a u l i ce x p e r i m e n t ，a n a l y z ea n dv e r i f yt h eh y d r a u l i cd i g i t a l c o n t r o lp r i n c i p l e ，i n c l u d i n ge s t a b l i s h i n gt h em a t hm o d e lo ft h ee x p e r i m e n t ，a n a l y z i n g t h em o d e li nm a t l a b s i m u l i n k ，v e r i f y i n gt h ep r i n c i p l ei n t h ee x p e r i m e n tb y a d j u s t i n gt w oh i g hs p e e do r g o f f v a l v e s t h i r d ，t h es t r u c t u r eo ft h eh y d r a u l i cd i 西t a l c o n t r o ld e v i c ei sd e s i g n e do nt h e b a s eo ft h ep r i n c i p l ea n dt h ee x p e r i m e n ta b o v e t h ea r t i c l ei n t r o d u c e st w ok i n d so f h y d r a u l i cd i g i t a lc o n t r o ld e v i c e sa c c o r d i n gt ot h ef l o wd i s t r i b u t i o np r i n c i p l e ，i nw h i c h t h ef l o wd i s t r i b u t i o ns t r u c t u r ei se m p h a s i z e d f o u r t h ，t h ef l o wf i e l ds i m u l a t i o no ft w od e v i c e sa b o v ei sd o n ei nf l u e n t s o m es t r u c t u r e sa r ei m p r o v e d f i n a l l y , t h es u m u pi sd o n e t h ea b o v ew o r k s p a v et h e w a y t ot h ef u t u r ed e v e l o p m e n to fd i g i t a lh y d r a u l i c s k e y w o r d s ：h y d r a u l i cd i g i t a l c o n t r o l ， m a t l a b ， f l o wd i s t r i b u t i o n ，f l u e n t v i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：坦量：主：二广 上海大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 2 1 世纪是数字化时代，传统传动技术数字化进程中，由于变频技术的出现 成功实现了电机驱动的数字化，然而在液压传动中尚未能实现直接数字控制， 关键是要搜索与研发液压中的变频器。本文提出了一种液压数字控制转换装置， 将液压技术与数字控制结合为一体，为真正意义上的数字液压提供了一种变换 装置“液压变频器”，在取代目前液压系统中广泛应用的节流阀，调速阀等 高耗能装置，实现真正意义上的液压直接数字控制。 在传统的阀控液压传动中，是通过各种液压阀来控制普通油缸的运动方向、 速度和位置的。为了满足各种要求，液压先驱者们，经过近百年的不断努力， 发明和生产了上百种规格的液压元件和产品。但为了获得精确的控制，普通的 液压元件已经不能满足要求，于是依靠电子技术和传感技术，发明了伺服阀和 比例阀，这两种液压元件的出现，把液压的精确控制引入到工业领域，对工业 自动化尤其是重型设备自动化起到了极大的推动作用，促进了整个工业的技术 进步 1 1 。 进入2 1 世纪，计算机技术和数字技术已经已经十分完善并大量采用，如何 液压技术和计算机技术相结合，势必给液压和控制技术带来巨大进步。近几年， 由于微型计算机的发展和提高，特别是单板机、单片机低廉的价格，为液压系 统的数字化提供了必要的条件，使数字技术已应用于液压的诸多方面，并且还 不断地在开拓着新的应用领域。 为了能使液压系统实现高速、高效及高可靠性，需研制将电信号转换为液 压输出的且性能好的数字元件。这种数字液压元件通过把电子控制装置安装于 传统阀、缸或泵内，并进行集成化处理( 如把传感器集成于液压缸的活塞杆上) ， 形成了种类繁多的数字元件i 引，如数字阀、数字缸、数字泵等，由数一模转换 元件直接与计算机相连，利用计算机输出的脉冲数和频率来控制电液系统的压 上海大学硕士学位论文 力和流量。 1 ) 数字控制阀 液压系统中采用的数字控制阀可分为模拟式阀、组合式数字阀、步进式数 字阀及高速开关阀等类型。模拟式阀需要进行数模和模数的反复转换，也常采 用脉宽调制式控制，是一种间接式的数字控制。组合式数字阀是由成组的普通 电磁阀和压力阀或流量阀组成的数字式压力或流量阀。电磁阀接受由微机编码 的经电压放大后的二进制电压信号，省去了昂贵的d a 转换装置。步进式数字 阀是采用步进电动机作为电一机械转换元件，将输入信号转换为与步数成比例 的阀输出信号，这类阀具有重复精度高、无滞环、无需采用d a 转换和线性放 大器等优点，但由于它的响应速度慢，对于要求快速响应的高精密系统，需要 采用模拟量控制方式。 快速开关阀采用脉冲调制法来达到流量控制的目的。产生脉冲调制法有如 下几种：控制脉冲宽度的脉宽调制法( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，p 1 | | m ) ，控制 脉冲交变频率的脉冲频率调制法( p u l s ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n ，p f m ) ，脉冲 数调制法( p n m ) ，控制脉冲振幅的脉冲振幅调制法( p a m ) ，以及用1 或o 将p n m 的脉冲数分段并符号化的脉冲符号调制法( p c m ) 等，而开关阀常用占空比式脉 宽调制的方法。 2 ) 数字液压执行元件 数字液压缸是增量式数字控制电液伺服元件，即一种将控制步进电动机的 电信号转换为机械位移的转换元件。步进电动机可以采用微计算机或可编程控 制器( p l c ) 进行控制。其工作原理是微机发出控制脉冲序列信号，经驱动电源 放大后驱动步进电动机运动；微机通过控制脉冲来控制步进电动机的转速，从 而就控制了电液步进液压缸的运动。电液步进液压缸的位移与控制脉冲的总数 成正比；而电液步进液压缸的运动速度与控制脉冲的频率成正比【3 。 数字式液压马达是增量式数字控制电液伺服元件，由步进电动机和液压扭 矩放大器组成，其输出扭矩可达几十至上百n m ，是普通步进电动机的几百至 一千倍。其中，液压扭矩放大器是一个直接反馈式液压伺服机构，由四边滑阀、 液压马达和反馈机构组成。其工作原理是当步进电动机在输入脉冲的作用下转 2 上海大学硕士学位论文 过一定的角度时，经齿轮带动滑阀的阀芯旋转，由于液压马达此时尚未转动， 因此使滑阀的阀芯产生一定的轴向位移，阀口打开，压力油进入马达使马达转 动，同时反馈螺母的转动使滑阀的阀芯退到零位，马达停止运动、如果连续输 入脉冲，电液步进马达即按一定的速度旋转，改变输入脉冲的频率即可改变马 达的转速。 ： 1 2 国内外研究概况 数字技术是二十一世纪的主流技术，到目前为止，全世界的数字技术主要 还是在信息领域和视听领域应用。如何将这种功能无比强大而信号十分微弱的 数字技术直接引入到液压领域，实现液压技术的飞跃，是国内外研究的热门课 题。 将数字控制应用于液压领域，有两个制约因素。一是缺少快速转换的液压 阀，二是高速液压阀的通流能力低，带负载能力差。 目前数字液压元件研究成功的一个典范是高速开关电磁阀【4 。它是一种新 型的数字式电液转换元件，采用脉冲流量控制方式，直接根据一系列电脉冲进 行开关操作。它具有结构简单，价格低廉，阀口对污染不敏感等特点，能将o n o f f 数字信号直接转换成流体脉冲信号，使计算机控制技术无需d a 转换接口 便可实现与液压技术的有机结合。 国内外一些单位和科研机构纷纷开展了对高速开关阀的研究工作，开发出 多种结构和形式的高速开关阀，但是目前研制出的一些切换速度较快的单级阀 流量较小，不能满足工程实际的需要，而二级阀虽然流量大，但切换速度却比 较慢。研制一种新型的高速开关阀解决快速性和大流量之间的矛盾就势在必行。 1 2 1 国外研究现状 近二十年，高速开关阀的理论和应用研究越来越得到广泛的重视，日本、法 国、美国、英国、加拿大等国都在大力研究与开发，并得到了优先发展。例如 日本的一些高档轿车上使用了高速开关阀控制的液压主动悬架隔振系统，高速 3 上海大学硕士学位论文 开关阀已成功地应用于美国公司内燃机全电子燃油喷射系统，作为电控喷油器 的关键部件，利用其高速响应和优良的重复性，控制燃油喷射并进行精确的定 时控制。除此之外，在车轮防抱制动装置、离合器自动操纵等领域也广为应用【5 | 。 到目前为止，高速开关阀已经广泛应用到农业机械、工程机械起重机、挖掘机、 运输设备、机床、航空器等领域中。 但目前大多数高速电磁开关阀的响应时间一般在几m s 至几十m s 之间， 而响应时间小于i m s 的高速电磁开关阀产品还只在日本、美国、德国和英国等 少数国家有报道。然而要与数字控制真正接轨，这还不够，还需要更高的切换 频率，更短的响应时间，但由于受电磁铁响应能力和阀芯运动惯性的影响，高 速开关电磁阀始终达不到与数字控制相适应的开关频率。而且通流能力考虑到 阀芯惯性和转换速度，不可能做到大的流量，一般通过二级阀进行功率放大来 驱动负载，庞大的结构反过来又制约了响应速度i 6 。 1 2 2 国内研究现状 与国外相比，我国的高速电磁开关阀的开发研究工作则起步相对较晚，所 开展的工作大致可以分为两个方面，即一方面是跟踪国外的研究，探索电磁开 关阀实现高速响应能力的基础理论研究；另一方面则是自主或合作开发高速电 磁开关阀样机及与之配套的驱动控制装置。 其中，具有代表性的是贵州红林机械厂与美国b k m 公司合作并经过三年多 的努力，研制成功了h s v 系列高速电磁开关阀 7 1 。北京理工大学的王尚勇等、 黄官升等曾分别于1 9 9 6 年和1 9 9 8 年前后研制了两种不同结构的高速电磁开 关阀。此外，清华大学的卢启龙等人在研制柴油机第二代电控燃油喷射系统时， 也开发了一种多极盘式“高速强力电磁开关阀”。无锡油泵油嘴研究所的谢云臣 等在文献中介绍了一种拍合式( 盘式电磁铁) 高速电磁开关阀的设计、分析与试 验结果。洛阳工学院的周福章等人也撰文介绍了他们所研制的新型二级高速开 关阀。 4 上海大学硕士学位论文 1 3 液压数字控制原理及装置的提出 正如上节中所述，高速开关阀工作于“开”，“关两种状态，对应于数字 控制中的“o ，“1 信号，与微型计算机相连接无需d a 转换便可以实现数字 控制，但是开关量控制，即“0 “1 控制要求较高的转换频率，而高速开关阀 的最快响应时间也仅为几m s ，难以与数字控制完全接轨；另外，液压系统要满 足一定的工业现场要求，用来驱动各种规格的负载，就要求控制元件具有一定 的通流能力来带动较大的负载或实现较高的运动速度，而高速开关阀受响应速 度的限制，体积结构上有严格要求，通流能力差，一般需要接二级功率放大装 置才能驱动负载。 另外，第一节提到的数字液压元件，本质上是将电子控制装置，传感器等 集成到传统的液压元件如阀，缸或泵内部来实现对液压元件的精确控制。因此 不可避免的存在三个缺点，一是结构复杂，成本高；二是受传统液压元件性能 的影响，如通流能力弱，带负载能力差；三是装置调节控制不方便，液压执行 元件受负载的影响，且呈非线性，因此控制复杂，实时闭环控制更难。 因此，本论文提出一种真正意义的液压数字控制装置来解决以上问题。该 装置依然采用的开关控制，即“l “o ”控制原理，通过油路的通断来实现数字 控制，不同的是该装置是通过电机带动多孔转子旋转来实现的多条油路通断， 装置原理如图1 - 1 所示，装置有两个进油口p 、t ，油路p 通液压泵，油路t 通 油箱，油口a 输出压力油至负载。装置结构如图1 - 2 所示，图1 - 2 ( a ) 为轴向 配流式液压数字控制装置，图1 - 2 ( b ) 为端面配流式液压数字控制装置。具体 的液压数字控制原理和两种液压数字控制装置将在第二章和第四章中有详细介 绍。 5 上海大学硕士学位论文 图1 - 1 液压开关转换控制原理 2 图1 - 2 液压数字控制装置 这种液压数字控制装置具有以下优点： 1 - 该装置采用多孔转子的旋转运动，在多个配流盘之间形成油路的通断， 实现了液压开关控制；而且采用旋转运动代替阀芯的往复运动，一是可以减少 能量损失，二是旋转运动可以通过调节电机转速实现更高的转换频率。 6 上海大学硕士学位论文 2 该装置可以实现较大的通流量，大流量液动力引起的扭矩完全可以通过 电机扭矩来平衡，不会影响油路的转换频率。 3 该装置结构简单，对油液的污染不敏感，无需功率放大，只通过简单的 机械调节改变配流盘之间的相对夹角便可以方便的进行脉宽调节，控制方便。 4 本装置采用一种共振装置，使装置在共振条件下工作，可以很大程度上提高 效率。 1 4 论文结构与主要研究内容 根据本论文研究背景，将本论文的主题定为“液压数字控制装置设计 ，数 字液压是液压领域中一个很有前景的研究方向，本论文中所采用的液压开关控 制更是一个崭新的研究领域，仅仅在少数的外文文献中有记载，该类数字液压 元件的研发将带来液压领域的一个飞跃，实现真正意义上的数字液压，大大提 高中国工业化的水平。 本论文分别从原理，实验和模型三个方面对该液压开关控制装置进行了研 究。原理部分对该装置的控制参数进行了分析，提出了实现方案；实验部分首 先对实验回路进行了建模，仿真，然后通过真实的实验数据进行了验证；模型 部分设计了两种实现结构轴向配流式结构和端面配流式结构，并且通过 f l u e n t 软件进行了流场仿真和结构改进。 论文的各章节主要研究内容如下： 第一章是绪论，简单介绍了数字液压的研究内容，介绍了高速开关阀的国 内外研究现状。 第二章提出了液压开关控制原理的概念，并提出了几种液压开关控制的实 现方案，最后对该原理建立了数学模型，对主要参数进行了分析。 第三章从实验角度对液压开关控制原理进行了研究。首先设计出实验回路， 通过m a t l a b s i m u l i n k 软件对实验回路的模型进行仿真分析，最后在液压实验 台上搭建回路，设计控制部分和驱动电路，对实验数据进行分析。 第四章根据液压开关控制原理和实验分析，用p r o e 软件建立液压开关控 制装置模型。本章介绍了两种模型轴向配流式和端面配流式，分别从配流 7 上海大学硕士学位论文 原理和结构上作了详细介绍。 第五章用f l u e n t 软件对设计装置进行了流场仿真，并进行了部分结构改 进。 第六章对全文进行了总结并提出后续工作。 上海大学硕士学位论文 第二章液压开关控制原理 2 1 液压开关控制原理的提出 液压开关控制实质上就是通过液压元件的开关动作来实现“o ”“1 控制， 开关控制在液压领域是一种相对较新的控制方法，仅仅在少数的国际会议文献 中有过讨论。但开关控制在电领域已经应用好多年，尤其在电子工程和半导体 科技中已经得到了很好的应用。 脉宽调制直流一直流转换器就是应用了开关控制的原理，如图2 - i 所示 图2 1 脉宽调制直流一直流转换器 转换开关可以进行脉宽调制，占空比可以调节。回路工作过程：当p w m 开 关处于打开状态时，电能储存于电感线圈上，输出回路被短路，负载暂时接受 存储于电容极板上的电能；当p w m 开关处于关闭状态时，输入电流和电感上的 感应电流输出到负载，同时电容充电。通过改变信号占空比来调节输出电流， 而不是通过电阻抑制电流。可以减少电阻发热而造成的能量损失，效率较高， 结构简单，成本低，调节方便。 将这种开关控制应用于液压领域，模拟直流转换原理研发出了p 1 j i m 变量泵 8 1 ，如图2 2 所示， 9 上海大学硕士学位论文 图2 - 2p w m 变量泵 靠用定量泵的惯性或飞轮的惯性代替电感，用蓄能器代替电容，储存高压 时的流体，用高速开关阀来代替晶体管开关，蓄能器能消除输出压力脉动，飞 轮能消除电动机的载荷波动。当原动机恒速转动时，输出到负载的流量仅仅是 定量泵的一部分，即开关阀导通位时间段流过的体积，因此通过控制高速开关 阀的占空比就可以调节流速。同电流转换类似，调节流速而不用节流，效率较 高，而且较变量泵结构简单，成本低，便于调节流速。 因此采用液压开关控制有两个主要的优点：一是相对于比例阀来说结构简 单，价格便宜，而且这种装置便于数字控制，可以和数字控制器相结合；二是 可以比节流控制达到更高的效率【引，如表2 - 所示。 表2 一l 节流控制与开关控制的比较 l o 上海大学硕士学位论文 2 2 液压开关控制方案 图2 - 3 基本的液压转换控制回路 图2 3 为液压开关原理图l l0 | ，通过一可控换向阀l ，将负载液压缸2 与油 路p 和t 接通或断开，油路p 接通液压泵，油路t 接通油箱。当换向阀1 工作 于a 位时，油路p 接通液压缸压力腔4 ，油液克服负载f 运动，压力腔4 体积 增大；当换向阀经c 位工作至b 位时，油路p 断开，油路t 接通，由于油液及 质量块m 的惯性作用，压力腔体积继续增大，使得压力腔压力p 下降至油箱预 压，油液少量被吸入压力腔4 ；当换向阀1 又重新经c 位至a 位时，由于负载f 的作用，液压缸活塞停止运动，当压力腔4 内压力p 大于油路p 油压时，油液 又重新被压回油路p ，在油液回流过程中可以通过蓄能器蓄能或者接通其他负 载恢复一部分能量，因而提高了系统效率。通过控制装置3 可以控制换向阀的 油路p ，t 切换顺序，通油时间和切换频率，进而能控制输出油液压力和流量。 p t 图2 4 共振管实现液压转换原理图 2 上海大学硕士学位论文 图2 - 4 是采用共振管5 来实现上述液压转换功能的原理图1 1 1 j ，通过换向阀 1 使共振腔5 接通油路p 和t ，在油路快速转换过程中，在压力腔5 入口处6 产 生和转换频率同频的压力波，通过设定共振管5 的长度，使入口处的压力波和 共振腔端部反射的压力波叠加形成驻波。在共振管上某一共振节点处8 输出油 液至负载液压缸。由于共振管端部7 为固定端，驻波各处振幅恒为0 ，通过控 制装置3 调节油路p ，t 的接通时间便可以调节共振腔的输出压力。但是采用这 种装置有两个缺点，一是共振管最短为压力波波长的一半，通常为几米，并且 换向阀l 的转换频率越低，要求的共振管就越长。二是系统共振频率确定，无 法调节，装置调节范围有限。 图2 5 采用共振装置实现液压转换原理 图2 - 5 采用共振装置9 来实现液压转换1 1 2 j ，通过换向阀使压力腔4 陆续接 通油路p ，t ，a ，油路p 接通液压泵供油线路，油路t 接通油箱，油路a 用来 接通负载。当压力腔4 体积达到最大时，油路a 接通，油液输出驱动负载。共 振装置9 由弹簧和质量块组成，当油路转换频率与共振装置固有频率相同时， 系统达到共振，压力腔4 内形成驻波，当压力腔4 出口位于驻波波幅位置时， 压力波振幅最大，输出压力最高。通过控制装置可以调节油路p ，t ，a 的通油 时间，可以方便调节压力腔的输出压力和流量。输出油压可以在油箱油压和泵 油压的范围内调节，当调节油路a 的通油时间至少与油路p 和t 的通油时间之 和时，输出油压会大于泵输出油压。使用该装置可以克服使用共振管的结构限 制，调节范围也大于共振管转换装置的调节范围，但是系统仍然只具有单一共 振频率，适用性差。 1 2 上海大学硕士学位论文 2 图2 - 6 改进的频率可调的液压转换装置 如图2 - 6 所示，共振装置1 0 由压力膜片1 3 密封可调压缩空气1 1 组成，压力膜 片上固连质量块1 4 ，通过端口1 2 可以调节压缩空气压力，进而可以改变共振 装置的固有频率。因此使用该装置不仅可以调节油路p ，t 的通油时间( 脉宽调 节) ，还可以改变系统共振频率来适应不同的转换频率。装置的调节范围更广， 适用性更强。 2 3 液压开关控制模型及参数分析 2 3 1液压开关转换原理 液压开关转换就是要实现油液周期性的接通供油管和回油箱。如图2 7 所 示，b 通液压泵，b 通油箱，中间为一三位三通换向阀，可以实现脉宽调制， 如图2 7 左上角所示，右侧通过液压缸驱动负载【1 0 l 。 1 3 上海大学硕士学位论文 图2 7 液压开关控制原理模型 参数定义 彳活塞面积( 研2 ) e 流体压力系数( 乞) 厂无量纲进程力负载力( n ) 初始位置活塞密封腔长度( m ) 历负载质量( k g ) p 密封腔压力( 只)阀的额定压降( 乞) 风系统压力( 只)所油箱压力( ) q 进入密封腔的流量( ，z 3 厶)阀的额定流量( m 3s ) f 时间常量( s )丁无量纲开关周期 乙开关周期( s )五无量纲开关周期 无量纲阀尺寸初始位置时密封腔体积 x 活塞位置( m )j ，开关阀芯位置 口无量纲活塞速度g 无量纲系统压力 1 4 上海大学硕士学位论文 刁系统能量效率开关阀角频 r 开关阀占空比 善活塞无量纲位置 仃无量纲阀尺寸倒数 吼线性无量纲阀尺寸倒数 f 无量纲时间q 无量纲时间 y 密封腔无量纲压力无量纲输入信号 唬转换方程后无量纲输入信号蚧无量纲油箱压力 卸阀口两侧压力差 p 液压有密度 q ，。换向阀公称流量p 一换向阀公称压力 l 一个周期内压力腔驱动负载时间 一个周期内泵线路供油时间 瓦一个周期内油箱吸油时间 t 系统振荡周期 卜换向阀无因次转换频率( 转换频率比共振装置固有频率) 假设开关阀周期l = 2 n c o 删和占空比r 均为常数，开关阀入口压力也为常数， 开关过程无限快，忽略液压油惯性影响，负载恒定。 系统状态方程如下： 横= 卅一 ( 2 1 ) p 形o + 。a x ：一做+ q ( 2 2 ) 丘 由q 羽愕 协3 ) 协陲 1 5 ( 2 - 4 ) 上海大学硕士学位论文 其中，蛎= 喀( ) 为了便于分析系统主要参数，将上述方程无因次化， f 专丢，z 寸弘，p g p s ，办- o g r p s ，一纸彳，风= 眈，缈2 = 面a p $ ( 2 5 ) m b 铲他盱虎 得系统微分方程 箬厂 占譬( 1 均：一譬+ 概万可 d fd f 肌一= 焉f 肋o r y 。0 当孝 o - - f o r 【f 【一门= 盯力，y 0 将系统状态方程线性化得 口一+ 口：1 ( 吸一口，) o l ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) 计算系统一个周期内的输入功率，即系统油路和油箱油路的进油功率之和 ：r 既缈+ 办鳓：砖圪誓( r 瓴习d _ + a 痧g r - a d 1 ) ( 2 - 1 3 ) 输出功率从用于驱动负载， 1 6 上海大学硕士学位论文 = f k , , , ar f d t = 加s a l 毫口d f = f p y 0 4 7 r a c l , ：, 其中丁= 飘五= 忑t = 警 刁= 老 通过对输入信号暖和口( 一) 进行傅立叶级数展开， 赡= 石( r 一门+ 艺i = 12 石挈c o s ( f 2 万争 ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) 毗) 2 + 磐删记万耖吃, ，s i n ( f 2 嚏) 】 ( 2 _ 1 8 ) 将方程( 2 1 7 ) 、( 2 - 1 8 ) 代入( 2 - 1 2 ) 得 ：石型 ( 2 1 9 ) 吒 q j = 一瓦妒獗e j t 乒1 2 0 l 虿( 4 z 再2 i 2 雨- - t 1 2 ) f ( 2 - 2 0 ) = 而老赫( 2 - 2 1 ) 取呒、口( ) 傅立叶级数的一阶形式，将方程( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 代入方程( 2 1 6 ) 可推导出效率公式如下 叩= 丢一旦二号墨笔i 掣+ 。( 以) ( 2 - 2 2 ) 可以看出，当j i 一厂，互一2 万时系统效率最高，由方程( 2 1 5 ) 可得 乙= 等石 ( 2 2 3 ) 2 3 2 液压开关转换原理参数分析 ( 1 ) 输出流量g 与开关频率f ，系统油路开通时间 1 7 上海大学硕士学位论文 压力腔油液的流量g 是换向阀转换频率f 和压力腔对供油线开路时间乙的 函数。如图2 8 所示，可以通过调节转换频率f 和供油线路通油时间来改变输 出流量g 。当系统处于共振条件时，如图2 8 ，f = 1 时，输出流量g 较大，可以通 过调节，即调节占空比r 来调节流量g ，由方程( 2 - 2 2 ) 可知，当调节占空比 r 与负载f o 。d 进程力一致时，效率最高，即为图2 8 中为o 5 时刻； ( 2 ) 输出流量q ，压力p 与l l = t 2 图2 8q - - 与f ，关系 ( 2 - 2 4 ) ( 2 - 2 5 ) g ，p 与l 的关系如图2 9 、2 1 0 所示，按照图2 5 所示方案，当l t 2 时，输出q 会减小，但不会影响系统 效率。 1 8 上海大学硕士学位论文 f ，kj 图2 9q ，p 与l 关系( l t 2 ) 当负载运动突然停止时，液压开关继续工作，油液会流回油箱或供油线，因 此系统有过载缓冲的功能，较安全。 ( 3 ) 系统的效率巧和优化转换频率f 根据式( 2 - 8 ) ，换向阀转换频率f 与共振频率相对应时，系统才具有最高效 率，这就是共振条件。但是当开关装置尺寸较大，即盯较小时，共振的作用将不 明显，仃较小时，开关频率f 会较小。如图2 一l l 所示，系统效率，7 为五，万= - - 彭一厂 的函数。当万一0 时，即k _ 厂，r 最大。仃减小时，正增大，转换频率f 1 9 2 歹 协 “ 外 矾 反 上海大学硕士学位论文 随着减小 2 4 本章小结 圈2l l 效率曲线 本章由电路原理引出液压开关控制原理，通过与节流控制相比较指出液压 开关控制原理的优势，提高了系统效率；然后提出了液压开关控制原理的几种 实现方案，并对它们做了比较，显然图2 - 6 所示方案为最佳方案，适用范围广； 最后对液压数字控制原理建立了数学模型，并对其关键参数进行了分析。 上海大学硕士学位论文 第三章液压开关控制原理的实验研究 3 1 液压开关控制回路的建模与仿真 3 1 1 液压开关控制回路 如图3 - 1 所示，该液压开关控制回路1 1 3 j 由一个电机，液压泵p 1 ，液压马达 m l ，两个高速电磁阀v s l 和v s 2 ，一个蓄能器a c c ，两个飞轮f w l ，f w 2 等组成。 通过调节i p m 电机的转速，或者调节高速开关电磁阀可以无级调节马达输出的 流量和扭矩。i p m 电机与泵p 1 之间连接有飞轮f w l ，飞轮f w l 可以吸收由于高 速开关阀v s l 的通断压力油对电机连接轴的冲击。f w l 的运动是放出还是积蓄 能量，取决于驱动电动机输出转矩和泵负荷转矩的大小关系泵负荷转矩大，驱 动电动机输出转矩，f w l 转速降低，飞轮的惯性转矩被附加至驱动泵，飞轮f w l 释放能量。如果泵负荷转矩较小，驱动电动机输出转矩大于负荷转矩，f w l 转速 增加，即飞轮f w l 蓄能。飞轮f w l 的惯性的选定根据实验装置的构成，零部件 特性，控制目标等选择最适合的值 泵的输出载荷由电磁阀的开关状态及蓄能器的压力值决定。电磁阀v s l 打 开时，泵与油箱接通，泵空载状态，负荷转矩大小理论上为零，此时f w l 被电 动机驱动加速旋转，储存能量v s l 关闭的时候，如果泵的负荷转矩比电机驱动 转矩泵大，f w l 释放能量，转速降低。如果小于驱动转矩，飞轮f w l 蓄能，转 速增加。还有蓄能器a c c 和液压马达m l 之间的电磁阀v s 2 ，只有v s l 关闭的时 候，开关动作才有效。v s l 的开关动作与输出马达的压力也有关。 蓄能器吸收泵的输出功率，通过管路传递至马达m 1 。原则上，蓄能器的压 力是由电磁阀v s l 控制，马达m 1 的转速由电磁阀v s 2 控制。电磁阀v s l ，v s 2 的开关动作由蓄能器压力与马达转速综合决定。 当电磁阀v s 2 断开时，飞轮f w 2 由于惯性继续转动，马达h 1 1 继续输出扭矩， 由于背压作用，马达m 1 与电磁阀v s 2 之间的单向阀打开，马达m 1 工作在泵的 2 1 上海大学硕士学位论文 状态。 图3 1 液压开关控制回路 3 1 2 液压开关控制回路数学模型 将该回路分为三个部分，泵p 1 和飞轮f w l ，马达m 1 和飞轮f w 2 ，蓄能器 a c c 。分别对这三部分建立数学模型。建模之前首先对主要参数进行表示和说明 如下： 乙电机输出扭矩五泵p 1 的扭矩 耳矿l 细飞轮f 矿1 的扭矩损失飞轮，1 的转动惯量 q 飞轮f 形1 的转速d 泵p l 和马达m l 的排量 p 鼬泵p l 的压力损失 a 伽泵p l 的输出端至蓄能器a c c 的沿程压力损失 a ，b 高速开关阀v s l ，v s 2 的开关参数 p l 泵的输出压力只蓄能器彳c c 中气体的绝对压力 乞拥大气压仍泵的流量仍马达膨l 的入口压力 岛妇蓄能器a c c 至马达m 1 的严惩压力损失 互马达膨1 的输出扭矩乙协马达膨l 的扭矩损失 厶飞轮f 形2 的转动惯量吐飞轮，矿2 的转速 上海大学硕士学位论文 2 妇飞轮f 形2 的扭矩损失吼马达m 1 的流量 乞。蓄能器么c c 的预压圪。蓄能器彳c c 预压气体体积 圪蓄能器彳c c 气体体积吼蓄能：器a c c 进出油液流量 以蓄能器密封气体的多变指数 吃蓄能器的固有频率 瓦蓄能器气体弹性系数以蓄能器油液腔的截面积 为蓄能器蓄能腔的液体质量一高速开关阀v s l 的脉宽占空比 乞高速开关阀v s 2 的脉宽占空比吼蓄能器的平均流量 1 泵p 1 和飞轮f w l 的数学模型 电机带动飞轮f 形1 以q 的角速度旋转，并且带动泵p 1 输出油液。泵p 1 和飞 轮f w l 的转动方程如下： 警= 乙一五一膦 ( 3 _ 1 ) 其中，泵p l 输出扭矩五由泵的输出压力p l 和泵的压力损失产生，即、 五= d ( a + p 如。) ( 3 - 2 ) 当高速开关阀v s l 关闭时，单向阀打开，油液从泵流入蓄能器，由于沿程压力 损失a 妇的存在，蓄能器压力低于泵输出压力，因此 p l a 细= 口( 一p 珈) ( 3 - 3 ) 当高速开关阀v s l 打开时，油液从泵直接回油，高速开关阀v s l 的开关参数a 定 义如下： ：1：vsl-clos耐(3-4ak 5 - a t )2 ， 0 ：v s l 一o p e n e d 泵p 1 的理想流量g 定义如下： q l = d o l ( 3 5 ) 2 马达m 1 和飞轮f w 2 的模型 当高速开关阀v s 2 打开时，蓄能器的高压油输入至马达m 1 ， 上海大学硕士学位论文 p 2 = 6 ( 一尸咖) 一见细 系数b 代表高速开关阀v s 2 的开关状态 6 ：j1 v s 2 - - + o p p n e d 【0 ：v s 2 一c l o s e d 马达肘1 的扭矩为： 互= d p 2 一乙汹 飞轮f w 2 的运动方程为： i 。d 出i n 2 = 互一2 妇 马达膨l 的理想流量为： 9 2 = d 哆 3 蓄能器的模型 由波尔定律可知 = 乞。( 等) 8 以为气体多变过程指数，无量纲，绝热状态下取1 4 。 蓄能器的流量连续方程为 警一吼 负号表示油液流量的变化与气体体积的变化相反。 蓄能器的固有频率【1 4 】为 吃= 厝= 、f 譬n p a o a a ( 3 - 6 ) ( 3 7 ) ( 3 - 8 ) ( 3 - 9 ) ( 3 - 1 0 ) ( 3 - 1 1 ) ( 3 - 1 2 ) ( 3 - 1 3 ) 流量吼受高速开关阀v s i ，v s 2 控制，并且与控制脉宽的占空比有关。 q o = a q , 一b q 2 ( 3 - 1 4 ) 3 1 3m a t l a b s i m u l i n k 仿真 ( 一) s i m u l i n k 模型建立 对( 3 - 1 ) ( 3 1 4 ) 式进行数学变换得 上海大学硕士学位论文 ( 乙一耳矿。伽一警) 一。( a 伽+ ) = 。口( 一) ( k + ：妇+ 厶警) + 锄细= d b ( p 甜一) m ( k + ：妇+ 锄伽) + 心( 乙一。细一锄细一n p p l 。s ) + i , 1 2 d 万w 2 一口警) - d ( b 2 枷2 纠( 钞吲 令 a = ( z 旺刚+ 正啊2 幻时+ 0 统厶。) b = 厶( 乙一耳矿l 伽，一d 慨幻盱一d p 皿鲫) c = 刀为气体多边指数，绝热状态取1 4 又由方程( 3 - 5 ) 、( 3 1 0 ) 、( 3 - 1 2 ) 、( 3 - 1 4 ) 可知 鲁= d ( b 0 2 嗍) ( 3 _ 1 6 ) 将方程( 3 1 5 ) 两边积分，代入( 3 - 1 6 ) 得 鲁= 嵯 d ( m + 吐) c 巧“- 6 ( 啦+ 彳) - 口( p 咖+ 曰) 协( 3 - 1 7 ) 令肚p 咖“，儿必们，g - 最 得到系统方程 百d t = j o t o ( b ，, + a z 2 ) c v ：”一施一矿砂 ( 3 1 8 ) 由方程( 3 1 ) ( 3 1 4 ) 可求g l ，9 2 g l2 詈f 乙一d 【p i t o n + p p t , o s s 】一- 汹一d a ( p , 。一) 以= 詈f 唼一。口( 一p 砌) 批 ( 3 - 1 9 ) 吼2 。f 晦6 ( 匕一) 一去( + ：抽+ 却z 伽) 弦= 。f 嚎6 ( p 础一) 纠a - - 4 。1 d t 上海大学硕士学位论文 ( 3 - 2 0 ) 其中口，b 为两个高速开关阀的开关参数。由下文3 2 节的原理实验可知实验采 用的两个高速电磁阀v s i ，v s 2 为常开型二位二通阀，因此控制电压波形如图3 2 所示 1 d ： 1 ；_ _ i 了_ 粥2 控制脉冲波形 图3 - 2 高速开关阀v s i y s 2 的控制脉冲波形图 a _ b 段，高速开关阀v s i 通电，阀关闭，a = 1 ，单向阀打开，油液从泵流 入蓄能器，同时阀v s 2 通电关闭，6 = o ，单向阀开通，蓄能器蓄能；b c 段， 阀v s i 断电复位，a = 0 ，油液回油箱，单向阀关闭，同时阀v s 2 仍然通电断开， 6 = 0 5c d 段，高速开关阀y s i 仍然断电，a = o ，油液回油箱，单向阀关闭， 阀v s 2 断电复位，b = 0 ，油液从蓄能器流入马达。 令乙= t 2 ，则有 互：鱼：鱼，l ：鱼 t 2 l 2 t i ( 1 ，0 )口一6 ，v s l - 9 c l o s e d ，v s 2 专c l o s e d ( 口，功= ( o ，o ) 6 一c ，飚1 专o p e n e d ，陋2 一c l o s e d 【( o ，1 )c d ，v s l _ o p e n e d ，v s 2 一o p e n e d ( 二) m a t l a b s i m i j l i n k 仿真【1 5 】1 1 6 1 设定初值： 上海大学硕士学位论文 d = l x l 0 + 5 研3 ，圪o =