（机械电子工程专业论文）gk型密炼机上顶栓液压系统性能仿真及其控制策略研究.pdf

中南大学硕士学位论文摘要 摘要 密炼机已成为当前世界橡胶工业的主要炼胶设备。上顶栓是密炼机最核心的 部位，早期的密炼机都是气动上顶栓，不仅体积庞大、工作噪声大、需要配备气 站，而且压力也不稳定，很难根据配方不同而对压力进行调整和自动控制，因此 逐渐被液压上顶栓取代。但是，由于国内在引进液压系统时的照搬，造成系统在 使用过程中出现了很多问题。本文以g k 型密炼机为研究对象，借助动力学研究， 对现有液压系统进行了优化，针对混炼过程负载和液压系统难以精确建模的问 题，设计研究了合理的模糊控制策略。 本文将a m e s i m 应用于密炼机上顶栓液压系统仿真中，研究了液压系统的动 态特性，对原有液压系统控制方案、参数匹配、元件选型进行了优化；借助橡胶 机械混炼动力学理论和液压控制系统动力学理论，对上顶栓液压系统负载、上顶 栓压力电液比例伺服控制系统进行了数学建模，通过m a t l a b s i 删l i n k 进行了计 算机仿真；将基于s 7 3 0 0p l c 的模糊p i d 控制取代了原来的模拟电路控制系统 中的压差控制板和给定板，制作完成了参数自调整模糊p i d 控制装置，进行了现 场实验，并与普通p i d 的p l c 控制效果进行了对比。实验结果表明：参数自调整 模糊p i d 控制器显著提高了压差控制精度、完全消除了原有的设备的抖动问题； 解决了模拟电路容易“烧板”、脱焊等问题的同时，又节约了控制系统成本。 本文对提高上顶栓液压系统性能及压力控制精度有一定理论意义和实用价 值。 关键词密炼机，液压上顶栓，a m e s i m ，模糊p i d ，m a t l a b s i m u l i n k ，p l c a b s t r a c t t h ei n t e rm i x e rh a sb e e np r i m a r yr e f i n i n ge q u i p m e n ti nt h ef i l e do f r u b b e r si n d u s t r i a ln o w a d a y s e v e r yc o u n t r ya m e l i o r a t e sa n dr e s e a r c h e s t h ei n t e rm i x e rt oi n c r e a s et h ee f f i c i e n c y 、q u a l i t yo fr e f i n i n ga n dr e d u c e t h ee n e r g yw a s t i n g t h er a mi st h em o s tp i v o t a lp a r to ft h ei n t e rm i x e r t h ei n c h o a t ei n t e rm i x e rw i t hg a sd r i v i n gi sd i f f i c u l tt oa d j u s ta n d a u t o c o n t r o lp r e s s u r ea c c o r d i n gt od i f f e r e n tr e q u i r e sb e c a u s eo fi t sh u g e c u b a g e 、b i gw o r k i n gy a w p 、u n s t a b l ep r e s s u r ea n dr e q u i r e dg a ss t a t i o n ， s oi th a sb e e nr e p l a c i n gb yh y d r a u l i cr a mg r a d u a l l y b u t ，t h es y s t e m a p p e a ra l o to fp r o b l e m si nu s i n gb e c a u s eo ft h ec o p yw h e nf e t c hi nt h e s y s t e m t h i ss t u d yo p t i m i z e st h eh y d r a u l i cs y s t e mt og k i n t e rm i x e rb y d y n a m i c sa n dd e s i g n s t h er e a s o n a b l ef u z z y c o n t r o ls t r a t e g y t h i ss t u d ye m u l a t e st h er a m ss y s t e mo fi n t e rm i x e rb ya m e s i m t or e s e a r c ht h ed y n a m i ct r a i t t h e n ，o p t i n i z e sc o n t r o ls t r a t e g y ，p a r a m e t e r m a t c h i n g a n d c o m p o n e n ta n t h o l o g i n g b u i l d s t h e m a c h i n e e l e c t r i c i t y f l u i d m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h era m sc o n t r o l s y s t e mt h a ti n c l u d ee l e c t r i c i t y f l u i ds c a l i n gv a l v ea n dt h er a m sl o a d i n t e l l i g e n t i z e st h ec l o s e dp r e s s u r ec o n t r o lo fr a mb yu s i n ga r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c ef u z z y p i di no r d e r t ow o r ko u tt h e s eq u e s t i o n sa b o u t p r e s s u r ec o n t r o ls u c ha sw e a kp r e c i s i o n ，s n o wr e s p o n s e ，l a r g e s t a t i ce r r o r a n dw e a ks t a b i l i t ya n ds oo n ；t h e n ，e m u l a t e sa n dr e s e a r c h e st h e c h a r a c t e r i s t i co fp i da n df u z z y - p i db yt h ef u z z yc o n t r o lt o o l b o xo f m a t l a b s i m u l i n k m a k e sf u z z y p i dc o n t r o l l e ro fr a mp r e s s u r e a n dv e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo fi n t e l l i g e n tc o n t r o l sa p p l i c a t i o no nr a m s p r e s s u r e c o n t r o l s y s t e m t h e r e s u l t s e x p e r i m e n t i n d i c a t e a d j u s t i n g p a r a m e t e r sf u z z y c o n t r o l e ri n c r e a st h ec o n t r o lp r i c i s i o no fp r e s s u r ea n d r e m o v et i n g l i n go f e q u i p m e n t f u r t h e r m o r e ，s e t t l et h o s ep r o b l e m s a ss oa s “b u r n i n gp l a n k , d o f fs o l d e r , a n ds a v e t h ec o s to fc o n t r o ls y s t e m s o ，t h i ss t u d yi s o fg r e a ts i g n i f i c a n c et oe n h a n c et l l e 蝴s h y d r a u l i cs y s t e mp e r f o r m a n c ea n dp r e s s u r e sc o n t r o lp r e c i s i o n 中南大学硕士学位论文 k e y w o r d s i n t e rm i x e r ，r a m ，a m e s i m ， f u z z y p i d ， m a t l a b si m u l i n k ，p l c h l 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名： 醐：斗年上月等日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 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，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名豆猛日期：型年月当日 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 密闭式炼胶机的发展 第一章绪论 混炼是生胶制成半成品或成品不可或缺的一道工艺过程【1 1 。人们首先是利用 开炼机来完成混炼工艺，但是随着对环境保护意识及对提高生产效率欲望的愈加 强烈，一种密闭式炼胶机( 即密炼机) 取而代之，密炼机是橡胶制品进行混炼加 工生产采用的主要设备之一。密炼机主机主要由三大部分组成【2 】：转子、密炼室 与上项栓，其工作时，密炼室是密闭的，混炼过程中物料不会轻易外泄，可避免 混合物中添加剂的飞扬及损失，保证了配方的完整性和混炼胶质量的均匀性【2 1 ， 另外可以加入液态添加剂。密炼室的密闭有效地改善了工作环境，降低了工作场 所的粉尘污染及劳动强度，缩短了生产周期，节约了能源，提高了生产效率，并 为自动化技术应用于橡胶加工创造了条件，因此密炼机已经成为橡胶工业中最关 键的混炼设备【3 】【4 】。 自密炼机问世以来，经过近一个世纪的发展变化，其结构形式和性能在不断 地更新完善，品种也在不断增多。密炼机的发展过程主要经历了以下六个阶段【2 l ： 第一阶段：从1 8 2 0 年至1 8 7 6 年，是密炼机的早期发展阶段。这一阶段主要 代表是英国的t h o m a sh a n c o c k 于1 9 世纪早期设计的“单转子密炼机( t h e s i n g l e r o t o rm a s t i c a t o r ) 和美国麻省的n a t h a n i e lg o o d w i n 公司于1 8 6 5 年发明的 “石英碾磨机 ( t h eq u a r t zm i l l ) 以及俄亥俄州的j a m e sb a r d e n 和c r u d d e n 于l8 7 5 年发明的“旋转搅拌机”( t h er o t a r yc h u m ) 。可以认为“石英碾磨机”是剪切型 转子密炼机的前身，而“旋转搅拌机 则是啮合型转子的前身。 第二阶段：从1 8 7 6 年至1 9 1 0 年，是建立早期密炼机混炼技术的发展阶段。 这一阶段，德国斯图加特的f e r g b u r g e r 、p a u lp f l e i d e r e r 和h a r m a n n w e m e r 等人相 互合作，制造出了多种型式的密炼机，并申请了多项专利。这些类型的密炼机， 其转子的形状已经开始接近于现代的剪切型密炼机转子。 第三阶段：从1 9 1 0 年至1 9 1 5 年，是橡胶工业用密炼机的早期发展阶段。因 为在2 0 世纪的初，橡胶工业得到了迅速发展，从而对密炼机的要求变得十分迫 切。转子的突棱也呈现了螺旋形，德国w e m e rp f l e i d e r e r 的g k 系列密炼机从此 登上了历史舞台。 第四阶段：从1 9 1 6 年至1 9 3 5 年，是f e r n l e yb a n b u r y 密炼机的发展阶段。 有人也把这一阶段称为b a n b u r y 时代，这主要是因为此类橡胶密炼机是由f e m l e y b a n b u r y 发明创造的，申请了题名为“处理橡胶和其他高粘度塑性材料用的机器” 的专利。b a n b u r y 发明了真正意义上的密炼机，它是一种剪切型密炼机，其主要 中南大学硕士学位论文第一章绪论 特点：一是转子具有两条螺旋突棱：二是有了上顶栓，开创了密炼机领域的新纪 元。但是。由于当时液压技术的落后，上顶栓仍然采用的是气动。1 9 2 6 年至1 9 3 0 年左右，坎普特发明了断面为三角形的密炼机，对密炼机的发展做出了很大贡献 成为一种新型密炼机类型。在1 9 3 4 年，英国的弗兰西斯邵公司发明了另一种 类型的密炼机即啮合型密炼机。这一时期是密炼机种类发展最完全的时期，共申 请了1 0 多项专利。在这一阶段，可以说是密炼机种类发展的最快阶段，同时， 也可以说是本伯里创造发明的最旺盛时期，人们对本伯里设计的密炼机的偏爱趋 向己成定论，一直延续至今。现在的发明创造，都是针对现有顾客和用户及满足 材料科学日益发展的需要而己。 第五阶段：从1 9 3 6 至1 9 8 5 年，是 新型密炼机的发展阶段。这一阶段转子 构型和密炼机整体变化较多，各种新型 转子、机台层出不穷，上顶栓的结构与 传动及控制方式都发生了质的改变。比 较突出的有拉区和弗莱的“横向剪切型 密炼机”，伯伦能的“啮合式同向旋转 转子密炼机”，史密斯肯姆士和焦纳 等人的“排气密炼机”，麦克利德的“允 许液体排放出来的改进型密炼机”，福 特的“啮合式转子密炼机”，依奴等研 制的“双螺棱转子密炼机”和开本翻转 式密炼机等十几种新型结。专利申请也 比较多，共有3 0 余项。同时应用于密炼 机的自动控制系统也有了进一步的发 围1 - 1 ；k 2 5 5 型密炼机 展，相继申请了五项专利。但是，由于液压密封技术及电液比例技术的落后，只 能采用噪声较大的气动上顶栓，来弥补液压传动由于泄漏而引起的诸如污染严重 等一等系列问题。 第六阶段：从1 9 8 6 至今，也叫现代阶段，是密炼机技术发展更加完善的阶 段。这一时期，密炼机的新技术、新成果不断涌现，从事密炼机方面研究的单位 和人员亦不断增加，并提出了一系列的混炼理论和新的专利，研究出了许多成果， 发表了许许多多的有关密炼机方面的论文。随着液压传动密封性问题、电液比例 精度及液压油对污染敏感度的降低，气压上项栓逐步被液压上项栓取而代之1 3 1 。 中南大学硕十学位论文第一章绪论 1 2 密炼机液压上顶栓技术现状 21 液压上顶栓的优点 橡胶工业的飞速发展有目共睹。轮胎生产中大量应用了新材料、新配方，轮 胎越来越要求安全、节能、环保， 炼胶质量效率和降耗要求越来 越高，这些目标的实现必须依赖 橡胶机械关键设备一智能化液 压密炼机删例。为了不断提高 g k 型密炼机的技术特性，针对 市场需求和国外的先进技术，组 织科研人员成功研制密炼机液 压上顶栓新装置就显得十分必 要。2 0 0 1 年年底，益阳橡塑机 械集团成功研制出首台g k 型密 图卜2 密炼机液压系统 炼机液压上顶栓，它与气动上顶栓相比口】：一、有效的提高了上顶栓对胶料的压 力与稳定性，提高了炼胶质量：二、运行速度快，炼胶时间短，从而提高了生产 效率：三、不需压缩空气，无噪声，节能环保；四、液压上顶栓设计合理，即使 液压油泄漏也不会摒入喂料斗或密炼室；五、操作与维修十分方便，更换一个或 两个液压缸仅需几分钟还可与气动上顶栓互换；六、便于实现电液比例控制且 控制精度高；七、便于向大功率发展。因此，使用液压上顶栓可以节省大量的能 量，提高密炼机的生产率，可以获得气压式的冲压效果，压力无级可调，同时。系统结 构简单，改造及维修方便。从而降低了生产成本。 122 系统目前存在的问题 液压上顶栓虽然己在密炼机各型号中得到了广泛应用，也逐步取代了气压上 顶栓成为主流产品，随着电液比例技术在上顶栓液压系统中的成功应用，压力精 度也得到了很大的提高，但是，由于缺少对系统动态性能的了解，国产化的系统， 在使用过程中存大不少问题i t 6 1 。 1 开环流量控制存在的问题 ( 1 ) 在引进系统时，在关键液压元件的选型方面做得不合理，出现该用国产 阀时用国外品牌产品，不该用时，却免强用上了。这样造成液压元件匹配性能不 佳，经常出现液压元件的损坏；液压回路设计不合理，上顶栓油缸经常出现振动 及冲击。 ( 2 ) 没有进行实验上的研究，甚至是仿真实验上的研究，因此，对系统的性 中南人学硕士学位论文第一章绪论 能知之甚少； ( 3 ) 在布置各工况的行程开关时，仅凭调试人员的经验进行布置，造成系统 的冲击过大，极易损坏上顶栓结构件与液压元件。 2 闭环压力控制存在的问题 ( 1 ) 仍然采用模拟板控制，故障率极高，不仅给生产过程带来了极大的危害， 也造成了售后成本的提高； ( 2 ) 由于上顶栓负载的特殊性，采用p i d 控制，压力控制精度不够理想， 响应时间不够快，系统抗干扰能力弱等，严重地影响了混炼胶质量及混炼效率。 1 3 电液比例技术及模糊控制技术的发展与现状 1 3 1 电液比例技术的发展与现状 电液比例技术的发展大致可分成三个阶段【2 0 】【2 l l ： 第一阶段( 2 0 世纪6 0 年代到时7 0 年代) 是将比例电磁铁代替普通液压阀 的开关型电磁铁或调节手柄，液压阀部分的结构原理和设计准则几乎没有变化， 大多不含受控参数的反馈闭环。其工作频宽小( 约1 - - - 5 h z ) 稳态滞环在4 - - - 7 之间，多用于开环控制。这个阶段电液比例系统主要采用经典控制理论，且逐渐 走向成熟。对于一些频宽不太高( 1 - 5 h z ) ，参数变化和外干扰不大的电液比例 系统，经典控制理论已经可以满足控制需求。 第二阶段( 1 9 7 5 年到1 9 8 0 年) ，开始采用各种内反馈原理的比例元件，耐 高压比例电磁铁和比例放大器在技术上也日趋成熟。比例阀的工作频宽达5 1 5 h z ，稳态滞环也减少到3 左右。其应用领域也日渐扩大，不仅用于开环控制， 也被应用于闭环控制。随着机械工作精度、响应速度和自动化程度的提高，对液 压控制技术的要求也越来越苛刻，闭环比例阀也因此而面世。 第三阶段( 2 0 世纪8 0 年代以后) ，比例阀的设计原理进一步完善，采用压 力、流量、位移内反馈和动压反馈及电校正手段，使阀的稳态精度、动态响应和 稳定性都有了进一步的提高。而且，计算机控制技术与集成传感器技术为液压技 术与电子技术的结合奠定了很好的基础，计算机控制技术在液压控制系统中的应 用大提高了系统的工作稳定性和控制精度，使得以往很难用模拟控制实现的复杂 控制策略也能够轻易的得到实现。为了便于使微机和电液比例系统进行接口，近 年来除继续采用传统的比例阀作为电液转换与放大元件外，还出现了采用高速开 关阀和步进电机拖动的数字阀的脉宽调制( p 删调制) 型电液控制系统和数字增 量控制( i d c ) 型电液控制系统。控制策略由经典控制方法变成近代控制方法、 智能控制、鲁棒控制方法；控制器也由以模拟控制为主变为以数字控制和微机控 制为主。 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 1 模糊控制技术的发展与现状 模糊控制是1 9 6 5 年查德【1 0 】提出模糊数学以来，在理论和应用上不断发展起 来的一种智能控制理论。在7 0 年代，提出了模糊控制问题，并在这一领域开展 了大量的研究。1 9 7 4 年，e h m 锄d a n i 【l o l 首先用模糊控制语句组成模糊控制器， 对一个试验性的蒸汽机使用了2 4 条“i f a t h e nb t h e nc ”的语言规则实现了控制， 取得了比传统的控制策略好的效果。以后在英国、丹麦、荷兰、日本等国，人们 先后对不同的复杂控制对象进行了不同程度的模糊控制，均取得了较好的效果。 目前模糊控制技术日趋成熟和完善，模糊芯片也己研制成功且功能不断加强。另 外除了简单模糊控制技术不断发展以外，在自适应模糊控制、混合模糊控制以及 神经模糊控制上也取得较大发展。随着其他学科新理论新技术的建立和发展，模 糊理论已经在工业领域得到广泛的应用，尤其是在家用电气和复杂的工业控制领 域【l l 】【1 2 l 【1 3 l 。 1 4 课题来源、研究意义及研究内容 1 4 1 课题来源 本课题来源于湖南省科技计划项目“基于液压上顶栓压力的密炼机混炼机理 及智能控制研究 ，编号：0 7 g k 3 0 4 1 。 1 4 2 课题研究意义 随着液压上顶栓技术的发展，人们对上项栓液压系统的性能要求越来越高。 为了解决开环流量及闭环压力控制系统目前存在的问题，本文主要做了三项 工作：1 、利用a m e s i m 对开环控制系统进行仿真研究，分析其动态特性；2 、 建立机电液耦合模型，通过m a t l a b s i m u l i n k 对其闭环控制系统进行仿真研究， 确定控制方案；3 、制作安全可靠的控制器。 本课题对上顶栓压力控制系统仿真研究的意义有： 1 建立精确的仿真模型，利用计算机强大的计算能力，解放工程技术人员， 降低劳动强度，节约实验成本； 2 仿真分析系统的动态特性，确定各液压回路及液压阀件来完成预期的效 果。 3 仿真分析各控制方案，确定系统的控制策略，提高压力控制精度。 4 制作切实可行的控制器，以推广应用于各种型号密炼机。 1 4 3 研究内容 本文针对g k 型密炼机上顶栓液压系统进行计算机仿真及控制方案的研究。 上顶栓控制系统由开环流量及闭环压力控制系统组成，由于系统在设计上存在的 5 中南大学硕士学位论文第一章绪论 缺陷，本文将通过仿真实验的手段对其进行优化设计；确定系统的控制策略，提 高系统的性能，尤其是系统的控制精度：制作完成基于p l c 的高可靠性控制器， 取代模拟板控制，以避免由于模拟板控制而导致的频繁的故障。 本文主要工作如下： 1 参阅大量国内外文献，深入了解液压技术及自动化控制技术的最新发 展状况。对密炼机上项栓液压系统所涉及的阀件回路进行分析研究， 确定本文的研究内容与方法。 2 以设计制作调试密炼机液压系统的经验及其他条件为基础，现场采集 相关的系统及液压元件参数，为下一步的仿真研究提供真实可靠的数 据。 3 通过a m e s i m 搭建计算机仿真模型，确定各子模型的参数，仿真研 究系统的动态特性。 4 根据液压流体力学及相关知识建立系统的机电液耦合模型，通过 m a t l a b s i m u l i n k 搭建控制系统的传递函数，进行时域分析，比较 各控制方案，最终确定系统的控制方案。 5 制作p l c 控制器，联机调试，以实验的手段验证控制方案的j 下确性。 6 第二章上顶栓液压系统方案设计及仿真优化研究 2 1 现有系统方案介绍 现有系统原理如图2 1 所示：恒压变量泵5 通过吸油过滤器2 吸油，经过精 滤器8 给蓄能器2 3 充油，同时把液压油送入上顶栓部分。电液比例阀1 3 置于左 位、两位四通电磁换向阀的电磁铁2 d t 得电，插装阀1 4 被打开，恒压变量泵与 蓄能器同时向上顶栓压砣油缸无杆腔进油，上顶栓快速上升；反之，只有蓄能器 向上顶栓压砣油缸有杆腔送油，但是由于压砣的自重及一个差动连接，使得上顶 栓仍然可以快速的下降。 上疆检矗跣渣缸 图2 - 1 现有密炼机上顶栓部分液压原理图 1 油箱2 吸油过滤器4 2 8 电机5 6 压力补偿泵8 精过滤器9 单向阀1 0 1 7 插装阀1 2 2 7 单向阀1 3 电液比例阀1 4 1 5 1 6 插装阀及其盖板1 8 1 9 压 力传感器2 0 。压差板2 1 给定板2 2 放大板2 3 蓄能器2 4 2 5 2 6 蓄能器安全阀 主直太堂亟堂僮诠塞筮三童上亟拴邃压珏巫控剑丕统的笾基硒究 两条上顶栓液压缸的活塞杆、横梁、导杆和压砣刚性连接，这样液压缸所需 的压力大小，油液流动方向由比例伺服控制系统实现。比例伺服控制系统主要包 括：比例伺服阀1 3 、三块模拟板( 压差板2 0 、给定板2 1 、放大板2 2 ) 和压力传 感器1 8 、1 9 等组成。下砣、提砣、浮动、浮砣各工况都通过p l c 往给定板2 5 输入电流信号和开、闭环切换信号来实现。开环用于流量控制，实现提砣、下砣， 由液压泵2 7 和蓄能器2 8 共同供油，因系统供油足够大，且又与油缸采用了差动 回路，所以压砣可做到快速升降；闭环用于压砣压力的伺服控制，实现浮动和浮 砣。通过p l c 往给定板2 5 输入电流信号的大小来区别浮动和浮砣，浮动和浮砣 时只由蓄能器2 3 供油，当系统泄漏导致蓄能器2 3 欠压时，恒压变量泵5 补油， 液压锁1 4 控制油缸2 7 的活塞杆停留在任意位置。当比例伺服阀1 3 处于中位， 液压锁1 4 的先导阀电磁铁1 t 失电，则液压缸被锁定，压砣固定，当1 t 得电， 则液压缸油路畅通。 上顶栓液压控制系统包括开环流量控制和闭环压力控制。其工作循环过程为： 原位咄速下炒缓慢下降州压快速上升嘲慢上舻原位。如图 2 3 示。在实际工作中，通常是将快升与缓升、快降与缓降合并成一个工况，因 此上顶栓压砣油缸在上升与下降过程中布置了四个行程开关，具体位置凭借专业 的调试人员进行布置。在上顶栓压砣驶入冲压过程中，系统自动切换到闭环压力 p i d 控制，保证密炼室充满压力。 图2 - 3 上项栓开环速度控制曲线 如图2 - 1 所示，系统为阀控缸系统，阀控系统是主要是指通过伺服方向阀、 比例方向阀以及电液伺服比例换向阀，对系统压力、速度及方向进行控制。 目前常见的伺服方向阀中常用的液压控制元件结构形式有滑阀、射流管、喷 嘴一挡板式几种，其中滑阀式装配精度要求高，对油液污染度敏感，价格昂贵； 射流管式虽然结构简单，元件加工精度要求低，抗污染能力强，无“卡住 现象， 但是其运动部分惯量大，工作性能差，射流能量损失大，零位无功消耗大，效率 低，供油压力高时容易引起振动，一般只用于低压场合；喷嘴一挡板式具有结构 8 虫直太堂亟堂位论塞簋三童土亟拴邃压珏巫控制丕筮的笾真班冠 简单，运动部分惯性小，位移小、反映快，精度和灵敏毒高，加工要求不高，无 “卡住现象，但是无功损失大，喷嘴一挡板间隙小，抗污染能力差。 与伺服阀相比，比例方向阀具有抗污染性强、工作可靠、无零漂、价廉和节 能等优点。随着比例方向阀设计原理的进一步完善，并与比例放大器和数字控制 技术的结合发展，采用位移电反馈和电校正等技术手段，使比例方向阀静、动态 性能都有了相当大的提高。至今，高性能的比例方向阀与流量型电液伺服阀一样， 除控制流量的方向外，在阀压降一定的条件下，也能精确地、线性地控制流量的 大小。在以比例方向阀作为电液转换和功率放大控制元件的闭环控制系统中，比 例方向阀作为系统中的关键元件，其静、动态特性对系统的控制性能有很大的影 响。比例方向阀与伺服阀一样，可以在大多数的工业电液伺服闭环控制系统中得 到广泛的应用。但总的说来，比例方向阀响应慢，而且存在不能双向控制和发热 严重的问题。 比例伺服阀结合了伺服阀和比例阀的特点，与喷嘴挡板伺服阀相比较而言， 由于伺服阀为获得极高的频响( 一般为几十至几百赫兹) 故采用喷嘴挡板结构，由 于其结构较简单，运动惯量小，故可保证快速的频响，但其抗污染能力低，对油 液清洁度要求极高( n a s 6 级) 。而比例伺服阀采用比例电磁铁结构，电流大，大 多为安培级，电磁力也相应增大至几百牛顿，其抗污染能力大为提高，对油液清 洁度的要求也大为下降了。采用比例电磁铁的比例伺服阀因其比例电磁铁结构较 重，运动惯量大，频响有所下降，常在几十至一百赫兹左右，但是已经能达到系 统需求。因此采用电液比例伺服技术进行液压系统的压力流量控制已经在现代液 压技术中对控制要求较高的场合得到比较广泛的应用。 根据以上分析，本系统拟采用比例伺服阀控制上顶栓不对称液压油缸( 阀控 缸系统) ，阀控缸系统虽然效率低，但系统的控制精度高，响应速度也快，相比 泵控系统，成本较低，为了提高阀控缸系统的效率，本系统采用压力补偿变量泵 来提高系统的效率，同时为了延长其使用寿命及减少系统发热，采用蓄能器一起 作为系统的动力源。 2 2 关键液压元件仿真模型的建立 对液压系统进行性能分析，最重要的是建立精确的数学模型，数学模型建立 的正确与否直接关系到系统动态分析的结果。然而，液压系统的数学建模并非易 事，这需要很强的专业理论知识以及非常庞大的计算量。法国i m a g i n e 公司就 在19 9 5 年推出了a m e s i m ，全称为a d v a n c e de n v i r o n m e n tf o rp e r f o r m i n g s i m u l a t i o n sf o re n g i n e e r i n gs y s t e m s ( 高级工程系统仿真建模环境) i l 纠，迄今已发 展到7 0 版本，该软件含i m a g i n e 的专门技术，并为工程设计提供交互能力。 9 生直厶堂亟堂僮论塞簋三重土亟拴邃压珏巫控剑丕缝的笾真硒荭 a m e s i m 为流体动力、机械、热流体和控制系统提供一个完善、优越的仿真环境 及最灵活的解决方案，面向工程应用的定位使得a m e s i m 在航空航天工业、汽 车制造和传统液压行业等领域得n t 广泛的应用【1 4 】1 1 5 】【1 7 1 。 本文将以g k 2 5 5 密炼机为研究对象，利用a m e s i m 对其进行仿真研究。g k 2 5 5 密炼机的主要性能参数如下：系统的额定压力2 5 m p a 、系统最大流量 2 0 8 l m i n 、液压主泵额定排量1 4 0 m l r 、补油泵额定排量6 3 m l r 。 2 2 1 压力补偿轴向柱塞变量泵的建模 1 仿真模型的建立 密炼机上顶栓液压系统选用双变量泵向系统供油。采用p v l 4 0 r l k l t l n f r l 派克压力补偿轴向柱塞变量泵作为主泵，p a v 6 3 r k p l a a 派克变量泵作为辅助 泵，及s b 3 3 0 5 0 a 1 贺德克蓄能器三者共同作为系统的压力源，主泵间断给系统 供油，蓄能器作为系统工作的油源，而辅助泵不间断地向系统补漏，补压。 压力补偿控制系统是通过改变液压泵流量，保持设定的工作压力来满足载荷 工作要求的一种控制方式。如图2 - 4 所示：主泵在电机带动下开始转动，当先导 电磁阀不通电处于弹簧位时，主泵内出油口处压力油通过伺服活塞有杆腔后，由 于先经节流口后的油直接经先导电磁阀常位回油箱了，固压力补偿器仅1 5 m p a 的调定压力，由于主泵流量大，压力油在该节流口前即压力补偿器的左控制油路 中压力远高于1 5 m p a ，压力补偿器处于左边工作位，压力油到达伺服活塞大面积 腔，p a 小p x a 大，伺服活塞推平斜盘泵无油输出，当节流口前油压低1 5 m p a 时，压力补偿器回到右位，油泄回油箱，主泵在该情况下未打压处于卸载状态；当 先导电磁阀通电时，与之并联的溢流阀工作( 溢流压力设定为1 8 m p a ) ，主泵 内出油口处压力油过伺服活塞有杆腔后，未经压力补偿器( 此时其右边控制油压 阻力为1 8 m p a ，再加上1 5 m p 设定压力，主泵出口压力油开始时无法推动其处 于左位) 而直接经节流口，先导电磁阀在电磁工作位时油无法通行从而使之憋压， 一旦当油压到达拐点值时( 该值由于溢流阀溢流压力决定) ，溢流阀瞬态开始溢 流，此时压力补偿器右边控制油压阻力为1 8 m p a 不再上升，而左边即节流口前 主泵出油口油压大流量下持续上升，使压力补偿器处于左边工作位，压力油到达 伺服活塞大面积腔，伺服活塞推动斜盘减小倾角从而主泵输出流量减小以保证输 出油压处于拐点压力，主泵排量- d , ，节流口前的油压力也跟着小，溢流阀跟着 也不再溢流，压力补偿器回到右位，泵又全排量供系统压力油，如此反复，主泵 在拐点处其斜盘在o 到最大倾角间不断摆动调节输出流量以寻找平衡，使泵出口 油压为拐点压力不再上升，同时液压泵仅提供载荷所需要的液压油流量。一般情 况下，主泵的先导电磁阀通断电是由测得系统油压的压力继电器控制的，该压力 继电器可设定上下限压力值，当系统油压在两者之间时压力继电器向先导电磁阀 1 0 虫直太堂亟堂僮! 金塞筮三童土亟拴速匿珏巫控剑丕统的值墓硒荭 发电信号，使主泵打压工作，当主泵大流量输出将系统压力快速达到工作压力并 向蓄能器充压达到上限值( 上限值一般设定比泵的拐点压力值小i m p 左右) 后， 压力断电器断掉主泵先导电磁阀的控制电压信号，先导电磁阀常位，主泵处于卸 载状态，当系统压力低于到压力继电器下限设定值时，压力继电器再向先导电磁 阀输出电信号使主泵恢复打压工作。其原理如图2 2 所示，仿真模型如图2 3 所 示。 图2 - 2 压力补偿轴向柱塞变量泵原理图图2 - 3 压力补偿轴向柱塞变量泵组仿真模型 2 动力学方程 ( 1 ) 根据流量连续性方程，泵的输出流量关系方程为 绯( s ) = 万vi d p + 旯p p ( s ) + q 3 ( s ) + 幺( j ) + 鱿( s ) ( 2 一1 ) 式中：q p 泵的理论输出流量；矿泵高压腔的容积； 以液压油的弹性模量；尸泵的输出压力： 五p 泵的泄漏系数； q 3 一一流过压差控制器的流量； 幺流过节流阀的流量；q 正流入负载的流量； ( 2 ) 泵输出理论流量方程为 绋( s ) = 一k 足n x c ( j ) 式中：k k 泵输出流量比例系数； n 泵的转速； ( 2 - 2 ) x c 伺服活塞的位移； ( 3 ) 伺服活塞平衡方程为 聃) = - 老c ( m c s 2 + 例引卅 浯3 ) 虫直厶堂亟堂位论塞箍二童上亟拴渣压珏巫撞剑丕统的笾真硒宣 式中：只压差控制阀出口压力；a ，伺服活塞的端面积； m f 伺服活塞的质量；丘伺服活塞的粘性阻尼系数； 伺服活塞和斜盘之间的作用力； 4 、当斜盘处于于平衡状态时，由斜盘的力矩平衡关系可得： ( 卜沪k 肿搿m ) ( 2 - 4 ) 式中：厶柱塞中心与缸体中心距离；e 斜盘中心与缸体中心 ：斜盘弹簧与缸体中心距离；k 胛斜盘弹簧的刚度： 2 2 2 插装阀的建模 上顶栓液压系统控制阀组由插装阀、电磁换向阀、单向阀、节流口等元件组 成，而a m e s i m 软件中的h y d r a u l i c 库没有插装阀 这个元件。因此，本系统首先利用h c d 库来设计 插装阀的仿真模型。根据插装阀的结构，利用h c d 库相关元件建立插装阀的基本模型，如图2 4 所 示。 图2 - 4 插装阀的仿真模型 在上顶栓液压系统中利用插装阀基本模型建立的三个大通径插装式单向阀， 其符号和仿真模型如图2 5 所示，插装式单向阀仿真参数设置如表2 2 所示。 图2 - 5 单向阀的符号及其仿真模型 表2 - 2 插装式单向阀的仿真参数值表 名称符号单位参考值 插装阀弹簧腔的内径d 朋 m m2 5 插装阀a 口的直径 阀芯的质量 弹簧的刚度 d ， m m 聊r r k g k s n m m 2 0 0 1 1 0 8 5 0 3 9 1 6 生直太堂硒堂僮j 金塞蓥三童土亟拴液压珏巫控制丕统的笾真班究 插装阀最大流量系数 c 卵 085 弹簧的预压力 忍 n 阀芯的行程 弹簧腔出口节流口的直径 d 脚 衄 1 0 2 8 8 1 2 进油控制节流口的直径d 删 咖i 2 通过a i m e s i m 软件仿真，可以得出在三个插装式单向阀的a 口到b 口通过 主阀芯的压降一流量曲线，如图2 - 6 所示，a 为仿真曲线，b 为台湾久冈液压件 厂提供的插装阀样本曲线。对比两曲线可知，仿真参数的设置是合理的，该仿真 模型与实际插装阀较吻合。 a 仿真曲线 f 哪) c d c d 1 6 ；6 2 0 0 4 0 06 0 0 锄1 0 0 0u r r d r l 0 1 0 02 0 03 0 0u s , g p m f l o w 啦 b 样本曲线 图2 - 6l c v - 2 5 - o s e 的压差一流量曲线 利用插装阀基本模型建立的先导方向控制阀，原理及仿真模型如图2 7 所示： r 一一1 图2 - 7 先导控制方向阀的原理图及其仿真模型 参考相关样本，及实测插装阀结构得出先导方向控制阀的参数设置如表2 3 所列。 1 3 虫直丕堂亟堂位i 金室筮三童土亟拴遗压珏巫控制丕统的佐真班宜 表2 - 3 先导控制方向阀的仿真参数值表 通过a m e s i m 软件仿真，求得先导方向控制阀中插装阀的压差一流量曲线， 如图2 8 ( a ) 所示，图2 8 ( b ) 为样本曲线，对比两曲线可知该仿真模型与实 际插装阀基本完全吻合，仿真参数的设置是合理的。 n o0 2 0 6 0 81 0 1 2 广t 1 _ 山洲 o 1 怨姗枷u s 鲫 a 仿真曲线b 样本曲线 图2 - 8 先导方向控制阀中插装阀的压差一流量曲线 2 2 3 电液比例方向控制阀的建模 1 仿真模型的建立 1 4 生直太堂亟堂焦i 金塞筮三童上亟拴液压珏巫控劐丕统的笾真班塞 电液比例控制液压无件就是标准液压元件加上信号放大电路构成的。上顶栓 液压系统采用r c x r o t h 生产的带位置反馈的先导式比例方向控制阀来实现系统的 方向控制及压力伺服控制。先导式比例方向阀的基本原理：先导式比例方向阀主 要由先导比例电磁阀和主阀两部分组成，输入电压信号( 一般0 至1 0 v ) ，由信 号放大器成比例地转化为电流( 即输出变量如l m v 相当于l m a ) ，比例电磁 铁产生一个与输入变量成比例的力作用于先导阀芯上，与此作用力对应地在先导 阀a b 出油口得到一个压力，该压力作用于主阀芯的端面上，克服弹簧推动主 阀芯位移，直到液压力与弹簧力平衡为此，主阀芯位移的大小，即相应的阀口开 度大小，取决于作用在主阀芯的端面上先导控制油压的高低。这样，主阀成比例 输出的流量对于液压执行机构或机器动作单元而言意味着不仅可进行方向控制 而且可进行速度和压力的无级调控，同时执行机构运行的加速或减速也实现了无 级可调如流量在某一时间段内的连续性变化等。 对于比例方向阀的输入信号调节，一般通过流量与压差放大板进行，本系统 选用的0 8 1 1 4 0 4 0 3 5 型先导电磁阀，输入信号与通流流量及与压力增益比例线性 关系曲线分别如图2 - 9 和图2 1 0 所示： 0 l u v ， o r ： j l j flfr t ：x _ r u o 一 o 一昌一6 一 _= ：_ ：i 么 4 一两誓z i6 jl ! 二了 l 二 aj 翮 i - 1 0 d uu 图2 - 9 先导电磁阀输入信号与通流流图2 - 1 0 先导电磁阀输入信号与阀口压 量线性关系( u ：流量放大板输入电压)差比例曲线( u ：压差放大板输入电压) a m e s i m 软件的h y d r a u l i c 库中没有比例方向控制阀这个元件，故本系统利 用h c d 库并结合h y d r a u l i c 库来设计仿真模型。为降低建模难度，系统中将三 位四通先导比例电磁阀采用三位阀代替，省略了当输出板无使能时的y 型位， 同时对电控部分做了相应的简化。根据先导式比例方向阀的其本结构及基本原 理，结合阀实际工作时的输入信号与流量、压力增益的关系，建立其仿真模型如 图2 1 1 所示。 图2 - 1 1 带位置反馈的先导式比例方向控制阀的仿真模型 系统中其他辅助控制阀如：单向阀、电磁换向阀、溢流阀及蓄能器等，只需 直接从液压元件库中调出加入到系统模型即可，其元件模型已经固定标准化，故 在此处不再对其建模和具体参数设置及检验过程做详细介绍。 2 2 4 执行机构的建模 为建立上顶栓执行机构工作过程的仿真模型，先做如下假设： 1 上顶栓压砣在上下行时忽略与机体摩擦力及外界干扰力； 2 将压砣及横杆看作一整体质量块； 3 压砣慢降结束时，将负载当成一平均载荷； 4 忽略密炼机其它液压系统对其的影响； 上顶栓液压系统执行机构由两个上顶栓液压缸、横杆及压砣组成，液压缸是 一种常用标准液压元件，因此可在a m e s i m 的h y d r a u l i c 库直接调用元件，上顶 栓液压缸装配原理图及带负载仿真模型如图2 1 2 所示。 图2 - 1 2 上顶栓液压缸装配原理图及其带负载仿真模型模型 据国家标准和工况要求，上顶栓液压缸主要仿真参数设置如表2 4 所列： 表2 - 4 上顶栓液压缸的仿真参数值表 名称符号单位参考值 液压缸内径 d 胛 活塞杆直径 d 爿 1 6 m m m m 1 2 5 9 0 卫 虫直太堂亟堂僮j 佥塞簋三童上亟拴遮匿珏珏撞剑丕统的值真班究 活塞杆最大行程 m c 矿 i l