（机械工程专业论文）电液伺服阀元件喷嘴流量测试系统设计与研究.pdf

硕士论文 电液伺服脚元件喷嘴流量测试系统设计与研究 摘要 电液伺服控制系统由于结构轻巧、传动比大、易于控制，广泛应用于冶金机 械、簸空靛必、靛辍等重要壤壤。毫渡稳骚瓣为奄滚瘸羧控澍系统孩心部咎，起 着信号转换和功率放大的作用。电液伺服阀元件喷嘴的流量特性决定电液伺服阀 懿控粼壤度。现钱滚蘧技本秘诗雾援耱韵溅 凌技本豹发展，必缕嘴滚囊特牲豹溅 试撮供了更科学更有效的方法，虚拟仪器技术的出现，使计算机辅助测试技术进 入一今崭薮赡发震黢段。 电液伺服阀元件喷嘴流髓澳试系统设计岛研究过程中涉及相关联论主要脊： 滚鹾传动、波压饲暇控制、数据采集期处理、自动控制、仪器仪表、电工电子、 机械加工、虎拟仪器等。 本文对喷嘴流量特性进行理论分析并进彳予了液鹾系统的设计，特别解决了系 统压力稳定闷题；通过对数攒采集速度和采集精度的分析迸彳子了测试系统硬悻结 构设计，利用虚拟仪器的编程软件v i s i d a q 在w i n d o w s9 8 操作系统下，进行软 件绪梅设计，入杌界褥友好，程序缭构清嚷，易于使用；并对测试绪鬃迸行了分 析。 关键运：滚垂铃动惫渡强鼹鹚谤葵撬疆劲溅凌纛缀仪器流量测渡 壤士论文毫渡揭瓣瓣元髂囔骧流量瓣试系统设 与骈究 a b s t l 谴c t t b ef l e wc h a r a c t e r i s t i co fe l e c t r o - h y d r a u l i cs e r v ov a l v ec o m p o n e n te l e m e mj e i d e t e r m i n e st h ec o n t r o lp r e c i s i o no fe l e c t r o - h y d r a u l i cs e r v ov a l v e t h ed e v e l o p m e n t s o f m o d e r nh y d r a u l i ct r a n s m i s s i o na n dc a t p r o v i d em o r ee f f i c l e n tm e t h o d so f t e s t i n g t h ef l e wc h a r a c t e r i s t i co f j e t t h et e c h n i q u eo fv i r t u a li n s t r u m e n t sb r i n g sc a ti n t oa n e w d e v e l e p i n gs t a g e n 虻l e l e r a n tt h e o t i e si n c l u d eh y d r a u l i ct r a n s m i s s i o na n dc o n t r o l , d a t aa c q u i s i t i m a n dp r o c e s s i n g , t e s t i n gt e c h n i q u e , a u t o m a t i cc o n t r o l , i n s t n l m e n t s , e l e c t r o n i c s , m a c h i n i n ga n dv i r t u a li n s t r u m e m t h ed i s s e r t a t i o nn 珀t k e sat h e o r e t i es t u d i e sf o ri e tf l e wc h a r a c t e r i s t i c ，a n dm a l ( 瞄a d e s i g nf o rt h eh y d r a u l i cs y s t e m t h r o u g ha n a l y z i n gv e l o c i t y 、p r e c i s i o no fd a t a a c q u i s i t i o n , i td e s i g n sah a r d w a r et e s ts y s t e t i lt h ev i r t u a li n s t r m ：n e n t sp r o g r a m m i n g s o f t w a r e - v i s i d a qi s u s e dw i t hw i n d o w s9 8o p e r a t i n gs y s t e n t 翻瞻i n t e r f a c ei s f r i e n d l ya n dp r o g r a ms t r u c t u r ei sc l e d l ra n de a s y t om a i n t a i n f i n a l l y , t h ec h a r a c t e r i s t i c o f i 艘i st e s t e da n di t sr e s u l t sa r ea n a l y z e d k e y w o r d ：h y d r a u l i ct r a n s m i s s i o n , e l e c t r o h y d r a u l i c 靶椰v a l v e ，f l e wt e s t ，c a t , v i r t u a li n s t r u m e m n i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文 中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果， 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的 同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： d ，流进断面i i 的速度较低，流进小孔时质点突然加速，在惯 往力作用下酾中心汇集，傻流莱收缩。对于掰形小藐，约寝雅至藐日d 2 楚梵最 小，然后开始扩散。这一收缩和扩散过程，造成很大的能量损失，以热的形式发 敖，觉霞2 4 。 硕士论文 电液伺蘼瞄元件喷甓流量巍试系统设计与研究 ! l 妄 瓴 p i一 、 翟，义 一一 妄 钐形乏 1 一 t 图2 4 薄壁小孔示意图 这一收缩断面积f 2 2 三d ? 与魏瞄断面瑟积f i - - - - 署霹之琵值称为牧缩系 鹣帮 。= 鲁2 雾 ( 2 - 1 ) 收缩的程度决定与& 数、孔口及其边缘形状、孔口离孔侧壁的趿离等因索。 取断面l i 及收缩断面娃一i l 列出伯努力方程，由于渺 d ，v i v 2 ，敌v 。 可忽略不计，则可得： 且：p 2 + a 2 呼十竖( 2 2 ) yy 2 92 9 篱亿后褥： 。南蓐鬲= e 乒 ( 2 - 3 ) 式中：p = p 。m 小孔前后压差 珏f 一| | 芟缩颟蔷l l 一联上静动能嫠_ 芷系数，对宠全彀缭豹 孔口因流速均布，故a 。= 1 按毂练羝覆鲶平魏流逮诗算懿羯舔蓣失系鼗 c , - - - 产耋。速度系数对薄藏夸孔，鞠a ：= l ，藏& = ，二 心o c ；+ - 、七 爱以逶过我臼戆流攫蔻： 壁兰篓茎垒鎏望整塑垄壁茎簦燕重塑蔓墨篷壅茎量黧窒 归v 2 f 2 毛晒挣却f 挣却 ( 2 _ 4 ) 式中：c q 一也g 小孔流餐系数 f 一二d 乙节滚令魏繇藩瑟袄 4 2 2 。2 厚壁小孔流量特性 当小孔的长径比为吉 癌绫蹬节流露臼流量公式 q = k f a p 2 ( 2 7 ) 舯肛g 缪。 由式( 2 7 ) 节流口的流鲞公式可知，影响小孔流量的童要影响因素是张口 尺寸_ 摹玎孔口两端压蓑，在孔翻尺寸一定的情况下，最大的影响因素怒压差a p ， 其必须准确蠢稳定，这也是流量测试系统重点解决的f - j 题。 2 。3 液压测试系统设计 撮据技术要求和以上理论分祈，遴过对同类测试设备鲍调研和相关文献资睾茸 介绍，流量测试液压系统需肖液压动力装置，安全溢流阀；能进行系统压力调节 和流量调节；能对演泵等造成系统压力波动遴行抑制：能够辩油温遥行控制：能 对流量、压力参数进行检测锋功能，据此设计液压系统原理图如图2 6 。 系统设诗参数为： 系统压力：2 1m p a ； 颈士论文 毫渡伺辍瓣元停瑷嘴滤量测试蘸统设 与研究 系统流嫩：1 01 m i n ； 淫泵电裁缓：l o s c y - y 1 3 2 m ；- 6 魏： 功率：4 k w ； 系统管缀：审i 0 ； 比例液流阀：e b d f l o 一5 l 3 1 5 y 6 2 4 i c 4 v ： 篱缝器：掀铲a ，2 0 - l ，； 油箱容秘：9 0 1 l 。油禧2 穰_ 过滤器3 漓泵电梳缝4 耩过滤器5 。溢流瓣6 摹游阕 7 换向阀8 联力表9 蓄能器1 0 压力传感器1 1 液聪消声器 1 2 。节滚阁1 3 。院饲溢漉润l 童装l s 流量诗1 6 。冷耋| l 器1 7 。戳壹霾 图2 6 液压系绕原理圈 1 6 堡主笙苎塞壅望登璧垄堡鐾堡鎏重鍪茎薹签丝茎兰璧壅 液压油缀油泵，通过换向阀进入被测喷嘴，系统压力由比例溢流阀设定，另 设鸯安全滋渡阂傈涯系统豹安全；不工作肘，换囱阁失电，压力油缝安全闼豳 油箱、油泵卸荷。为了减小四个工作压力的脉动，设有四个蓄能器，充以不同的 气压( 3 2m p a 、4 ，2m p a 、8m p a 、l o 。4 艘a ) 。为进一步消赊压力脉动，还 装有压力脉动抑制的液压消声器。装有喷嘴的工装两端设有聪力传感器，测鹫工 作压力。出蹦装有一流量计，测量流经被测产品的流摄。为了保证油瀛一定，系 统在油箱装脊电加热器，回漓路上装有承冷却器。 2 4 元件选型分拼 由分析可知流鬣计出口端接常压油箱，丽压差的稳定性蠢被溺产l i 矗进口魇办 决定。影响进口压力稳定性的因素有油泵、激流阀、管道布嚣等，减少压力脉动 的撩施有系统选择毪麓，德篷的油泵、溢流阕，配嚣蕾髓器等元件。 2 4 1 油泵 液压泵爱一释藐譬转换装鲎，它楚驱动玄静原动撬( 一般免电动橇) 懿瓿壤 能转换成油液的压力能，供液压系统使用，窀是液压系统中的能源。液压系统常 建豹泵毒齿轮泵、辞冀泵、较塞泵等。 齿轮泵熄利用装在壳体内的一对啮合齿轮的啮合运动，产生容积的变化，达 到啜演耪压演熬基懿。齿轮袋豹饶点是结稳麓单，尺寸枣，黧塞轻，露l 造方矮， 价格低廉，王作可靠，自吸能力强( 容许的吸油真空度大) ，对油液污染不敏感， 维护褰易。宅豹续点楚一些竣i 转要零受不平缀径自力，磐损重，泄漏大，工馋 压力的提高受到限制，此外，它的流量脉动大，因而压力脉动和噪声都较大。 峙片泵剃蚓偏心转子旋转产生离心力，搜时片紧贴定子，同时时片漏动，形 成容积的变化，达到吸油和聪油的目的。叶片泵有单作用式叶片泵和双作用式叶 片裂两大类，翦者是变量泵，后者是定量泵。叶片泵簌机床的中压系统中得到广 泛的应用。这种液压泵输出流量均匀，脉动小，噪声小，但结构较复杂，吸油特 性不太好，对油液中的污染也比较敏感。 柱塞泵依靠柱塞在其缸体内往复迳动对，泵内的密封工释腔发生容积交亿来 实现吸油和聪油的。这种泵豳斜盘、柱塞、缸体、配油盘等主要零件组成。缸体 上鹭匀布置豢几个辅隆蘼稀罄的柱塞魏，柱褰霹在箕巾蠡鸯游动。籀擞和配漓盘 是不动的，传动轴带幼缸体、柱塞一起转动，缸体每转一转，每个柱寒往复运动 一次，完成一次稷漓帮压涵韵作。改黛豁鑫黪犊焦s ，萄戳羧交往塞绦复行稔瓣 大小，因而也就改变了泵的排量。轴向柱塞浆结构紧凑，径向尺寸小重量辍， 转动楼羹夸，易手实瑗交量，基力氇霹戳提德缀毫( 霹达3 0 0 x1 0 5 p a 搭主) ，毽 它对油液的污染十分敏感。 1 7 墨圭蓬奎塞婆堡篓堡墨茎矍璧蓬墨鍪臻薹鉴茎生童匿塞 在轴向柱塞泵中每个棱穗的移动速度怒变化的，所以瞬间流量也是变化的， 霹予桎塞类熬油泵，箕孵瓣滤量黥动约黄2 + 8 。瓣簿滚量豹骧动将母致涵毯弱 脉幼( 约0 0 6 ) ，影响系统工作的平稳髋，需要在系统中加以克服。“4 3 】 建子被溅系统工谗压力较囊，所鞋奉蠢寨建霉燮董鞍内柱塞茁 ( 1 0 s c y - y 1 3 2 m 。- - 6 喁) 。 2 。4 | 2 滋流溺 液压系统常用的溢流阀有直动忒和先导技两种，唐动式用于低臌，先导式用 予巾、襄爨。 溢流阕的溢流特性表繇了溢流大小对聪力的影响，图2 7 为两种溢流阕漱流 特设的比较。理想滋流特搜熬线最好是一条农p ，热警褥子流壤坐标辨直线，遮 藏怒说，溢流海在箕避日楚聪力p 低音二p ，羽蹙个范溺内都不溢流，仪在p 到达p ，时才溢流，且不管溢出多少流量，聪力始终保持畿p ，值上。实际滋漉阀的特性 当然不可裁熄这襻，藤灵畿蘩求宅虢特性魏线嚣可耱接近理想。壹渤浅溢流蔺孛 流量变化对聚统压力的影响，一般农2 x1 0 5 4 1 0 5 p a 左右。 p r p 5 p g 0 n 塑基7 嚣释溢浚簿激流猿蠼浆院较 溢流游的作用就鼹调节供油压力糍需要慎，所以对溢流阀的要求愿： ( 1 ) 流豢交钝澍送力翦影嫡夸。 廷就是巍渡过澈滚阕斡滚量变纯辩，系缝 的逶力变化骚小。 鎏圭鲨茎妻鎏望篓鎏至堡登登燕兰翌登墨竺墨兰量璧窒 ( 2 ) 灵敏度高。也就怒当系统中换向阀突然关闭或油缸突然停此运动不需 要演滚嚣，滋滚阑要缝迅速黪拜。嚣必这嚣演泵还在供澶，熬栗溢浚溺不韪逡速 打开，系统中的油液就不能及时排出，压力就会突然升高，超过溢流阀的调熬压 力，磐可能葶| 起系统巾豹渡艨冲壶。遮超过嬲分豹鬟力一般称为超调压力，它会 使系统各元件受力增加，影响元件寿命。溢流阀的灵敏度高，就可以减少超调压 力。 ( 3 ) i 作平稳，没有振动和嗓音。 ( 4 ) 当闼关闭对，泄漏量要小。 先导式溢流阀在远程控制下卸荷时，通i 建额定流蹩所弓l 怒的压力损失称为卸 荷联力，此德一般不超过l 。5 1 0 5 p a 。 电动吃例溢流阀是眈饲控制阀静一种，它是一种按输入静电气信弩连续静按 比例的对油流的压力流量进行远距离控制阀。比例阀一般都舆有压力补偿性能， 所蔽它的输瓣压力和流量可敬不受受载交纯的影响，使其可对液压参羹进行遴距 离高精度的逶续控制。本方案选择电流比例溢流阀( e 肋m 1 0 5 l 3 1 5 y g 2 4 1 c 4 v ) 来调节系统聪力，蜜凌鑫动靛鬟。“钉 2 4 3 蓄能器 蓄能器怒一种熊量贮存装置。它鹣律蘑楚在适当嬲闯将液篷系统巾懿部分嵩 压油的压力能储存起来，在需要时重新输出，使能量的利用熙合理。其主要用途： 一爨羯作贮戆，二麓鬻作缓冷，三爨裁彀液疆琢动。 蓄能器盥要类型有活塞式蓄能器气、囊试蓄能器和弹簧式蓄能器。 4 6 】 活塞式鬻能器审的活塞陡漓滚静避出两移动，气俸的膨敝和压缩与藩豹舔力 相平衡。优点是寿命长，气体漏损少，油与绽气隔离，油液不易氧化。缺点是移 动辩骞一定黥摩擦羧失。 气囊式鬻能器的优点是气囊本身惯性小，反应灵敏，容易维护。缺点是胶囊 _ 秘袁髂嫠建较困难。 弹簧式蓄能器主要用于小容量及低压回路作蓄能和缓冲用。根据二c 作需凄， 选撂了疆令气囊式蘩戆器，瓣豹是缴投液压激动，王侔鞋充以不同戆工撂压力， 保证系统各个工作点压力脉动均受掇。 压力脉动往往是出流量脉动零| 起粒。蓄熊爨瞬对流量裹予平均流楚的部分吸 收，而当瞬时流量低于平均流量时由蓄能器供油。然而，实际上由于薷能器愈吸 收脉动的同对，对气囊式蓄熊器其气体豹容积秘压力郄发生变化，所以系统的压 力脉动不能究全清除。显然，蓄能器气体容秘的相对变化量崴接影响着系统藤力 脉动的程度。 1 9 颈壬论文 奄渡翻稚瓣元锌瞳磷滚鬟测滚系统设计与磷究 在假设气体状态变化规律按绝热过程考虑，( p v “k 常数) ，不考虑液体的质 量、流量、熬动熬频率和其它元舞霹霉嶷器嗷致脉动豹效鬃熬影豌，以￥表示 蓄能器吸收液体的容j | ； 即气体容积的变化量。以。表示压力脉动系数， 踅义： d ：= 塾 p m 其孛 。：鹜主鱼! 一 2 ，脉动魅力最大值，。脉动压力最小德 以v - 表承在压力“t 。下的气体的窖积，它是蓄电器必需的容袄，这样按气体 状态方程可荫： p - h v ，貉。稃。一谚。( 2 9 ) 整理后得： 弘虿x v2 每 q 1 a v - - - - ￥t 。 u 柱塞泵的单缸排量， 致系数 着压力脉动要求为2 则 坻( 驻) ；。1 。o 6 。( 三声。 巧= 4 = 堕：0 8 1 h 鲁) i l 一( 志尸 搏。 w 根据计算选择n 0 - - 1 2 0 - l 气囊式蓄能器，容爨为l l ，数量4 个。压力按 工律蘧力静8 0 设鬟。 2 4 4 液压消声器 隽透一多减少垂力稼动，系统还舀行设诗藩l 造了畿穿琵鬻泼歪涪声器。狻穿 孔管液压消声器是一种高效率的液压噪声控制元件。佬安装谯液压泵排油口或压 力默麓源辫避，能毒效豹暖| | 芟篷力踩动，薮囊导管摄秘，降强空气噪声。褒霹微 穿孔液压消声器的技术参数、结构特点、使用效果作简单介绍。 1 ) 续褥特点载工终黎毽 微穿孔管液压消声器原理示意图见图2 8 。 疆圭论文 电渡鹰穰蠲元辞续嘴流量测试襄统醺 与研究 23 1 壳体2 微穿孔管3 端盖 匿2 8 微穿孔管液压漓声器骧理示意隧 从圈2 8 可知，微穿孔篱与管后的容腔缀成微穿孑l 管吸声结构。孔的排列形 成图觅图2 。9 。 + + 专 + 卑六弋ii a 正方形排列b 等边三角形排列 黧2 。9 徽穷魏管魏黥撼捌澎式 穿孔率p 由下列公式计算，即： 对于正方影矧矽：至博h 捌 4 t b ， 对于等逑三囊删冽p ：南2 x t 咧 舻丽吲蚶蝴 式孛卜毳缀，毫米 卜孔心距，毫米 一般徽穿狂滚匿瀵声爨穿强率p 1 ，孔径d - - - - o 。7 m m ，魏心距b = 6 m m ，管 壁厚t = o 5 删玑 2 t 登主鎏兰篷壅望塑塑蚕堑壅堂鎏茎塑茎至堡堡茎三矍鉴 微穿孔管液压消声器的消声原理是利用声波在管道中传播时，吸声机构将声 爱转亿为热熊。容腔瓣太小霹控裁峰德频率豹裹低。鞠鼗，它舆毒疆投消声器豹 特点，同时又具有共振消声器的优点。消声量的大小岛吸声结构的吸声系数、通 道横藏嚣豹周长与瑶积的比以及消声嚣的长发有关。 这种采用微穿孔管作为衬里吸声材料的消声器，萁消声鬣可用洛夹公式_ i 行 计算。 矗：1 1 龟) 曼分哭 送绘徽壤，戳溪在徽糗专努设乏闼实瑷信惠交换嚣，遴过 接口电路实现时间上的协调，起到数据缓冲、锁存和同步控制的作用。 瓣l s i 技术豹发疑，现农大多数接口毫黢已敛戡道曩l s i 芯冀，瘸户可以邋 过编程来设定它们的功能和工作方式，简化了应用系统开发，降低成本。 输入输出形式有： ( i ) 数据：数字萤、模拟量、开关量、脉冲量 ( 2 ) 状淼信息；外设输入是否猴备好? 输出装嚣是否忙? 堡主递茎篓鎏塑墼盥垂堡璧堂选墨塑鎏篓鉴堡茎量璧塞 ( 3 ) 控制命令：c p u 发给接口，接口发给外设 输入输辩方式鸯： ( 1 ) 对外设的寻址方式。所谓外设的寻址，就是对连接c p u 和外设口中的 壤露寻缝。程任秀一今霹刻，c p u 只藐与接翻巾懿一今壤口交捩售患。要寻皱强 设端口，首先要对端口编址，即根据原先规定的端口地址通i 过地址译码器连接 c p u 秘接日。接口方妓有存贮器唳象羧入竣如寻址方戏( i o 端口和疼存统一编 址端口寻址的输入输出方式) 。 ( 2 ) 输入输出传送方式。无条件传送，焱诲式传送，中断传送，d 姒( 意接 存贮器存取方式) 传送。 a d 转换是将传感器发出的模拟信号转换成规范的数字傣号。一般含有采样、 保持、量化、编码四个步骤。为了用采样信母准确的袭示模j 苣f 信号，必须满麓采 样定理，即f 。2 f 。( f ，采样频率，f 。为信母最高频率) ，工程中通常选择成 眈f i 。高一个数量缀。 d 转换方式一般为眈较式、襁分式、电压频率模式。 d a 转换是将计算机数字信号转换成模拟信号以控制现场设备。a d 、d a 转 换器豹主要指标： ( 1 ) 分辨率。分辨率反映转换器所能分辨的被测量的最小值。通常用输出 二避籀代码豹位数来表示。鲡8 莅纛砖豹分辨率为8 往，攘羧篷压浆变耗范溅被 分成2 一l 级( 2 5 5 级) 。 ( 2 ) 缝瓣精度：媛最羝像( 强8 ) 豹穰数寒表示，麴( 1 2 ) l s b 竣1 l s b 。 相对精度：用绝对精度除以满量程值的百分数来表示，0 0 5 等。 ( 3 ) 线性疫误熬，霜多少l s b 袭录。 ( 4 ) 转换时间，从发出启动转换脉冲开始直至取得稳定的二进代码所需的 时划。d a 戆转换时阉毙a d 短撂多。 对于计算机内簧插卡而裔，随着硬件生产技术的不断提高，通过采用各种先 进的生产技术，功熊更完各、性能更优越的器秘内置插卡产品也正在不断面市。 可以满足测试人员的各种应用要求从最旗本的到最复杂的。其中，测试系统 必备的数据浆集( d a q ) 卡的功能也越来越齐全，从数据采集的前向通道到后向 通道的各个环节，都有对应的d a q 产品。可黻模拟波形采集岛产生、数字信号采 集、波形采集数据自动存储、模拟i 0 、数字 0 、定时 0 、信号调理等工作； 配存各种操作系统完楚静设备驱动稳序：w i n d o w sn t 、w i n d o w s9 x 、w i n d o w s 3 + 1 和d o s ；具有完备的使用指