（机械设计及理论专业论文）减振器试验台及其测控系统研究.pdf

摘要 液压减振器是转向架上一个很重要的部件，它与弹簧一起构成弹簧减振装 置。根据减振器在转向架上的不同位置和作用，减振器可分为横向减振器、垂 向减振器和抗蛇行减振器等三种。现有的试验规范以测试示功图为主要目的， 国内试验台多为机械式，都存在许多不合理之处。本文改进的试验方案为闭环 液压控制方式，可测量减振器的阻尼特性和示功图等参数。 三种不同类型的减振器分别用来衰减不同的振动。根掘流量连续性原理， 分别对其拉仲和压缩过程进行数值模拟，分析了减振器的阻尼特性，确定其主 要影响因素。在此基础上，设计一套减振器试验台及其测控系统，将变频、负 载传感等现代节能技术应用于液压系统，并对其进行了动态仿真和结果分析。 最后，对不同类型的减振器进行了试验验证，表明该系统具有较高的可靠性和 实用价值，达到了设计要求。 结合该测控系统，列在w i n 3 2 环境下开发实时测控软件( 如：提高过程控 制软件的实时性、扩展对硬件的访问和操作、o o p 程序设计等，针对变频器等 强干扰源加强数字信号处理和抗干扰措施) 进行了探讨。 关键词 减振器，试验台，阻尼特性，测控 i i a b s t r a c t h y d r a u l i cd a m p e r ， a k e yc o m p o n e n t o ft h e1 0 c o m o t i v e t m c k ， t o g e t h e rw i ms p r i n g ，c o m p o s e st h es p r i n g d a m p e rs y s t e m t h e r e a r e t h r e ek i n d so f d a m p e r sa c c o r d i n gt ot h e i rp o s i t i o n sa n dt h e i re f c t so n t h et r u c k ，n a m e l xh o r i z o n t a ld a m p e r ，v e r t i c a ld a m p e ra n da n t i - h u n t i n g d a m p e r t h ee x i s t i n gt e s tc r i t e r i o ni st od r a wi n d i c a t o rd i a g r a m s m o s to f t h ee x i s t i n gr i g sa r em e c h n i c a lr i g s t h e yh a v eb e e nf o u n di r r a t i o n a l i n t h i sd i s s e r t a t i o n ，山ei m p r o v e dt e s tm e t h o dm e a s u r e sp a r a m e t e r ss u c ha s d a m p i n gc h a r a c t e r i s t i c s a n di n d i c a t o rd i a g r a m s b yu s i n gc 】o s e d 一1 0 0 p h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m t h et h r e ek i n d so f d a m p e r s a r eu s e dt oe l i m i n a t ed i f r e r e n t v i b r a t i o n s b a s e do nt h e p r i n c i p l e o ff l o w c o n t i n u i t y ，t h ep r o c e s s o f t e n s i o na n dc o m p r e s s i o nw a ss i m u l a t e da n dt h ep r o c e s so fv i b r a t i o n a b s o 叩t i o n w a sd i s c u s s e d d a m p i n g c h a r a c t e r i s t i c sa n di t sm a i n d e t e m l i n i n gf a c t o r sw e r ea n a l y z e d 0 nt h eb a s i so f t 1 1 ep r e v i o u ss t u d y ，a t e s t r i ga n di t sm e a s u r i n ga n dc o n t r o i l i n gs y s t e mw e r ed e s i g n e d t h e m o d e m t e c h n o l o g yo fe n e r g ye c o n o m i z i o nw a s 印p l i e dt ot h eh y d r a u l i c s y s t e m t h ed y n a m i cp e r f o n n a n c e so f t h ed a m p e r sw e r es i m u l a t e da 1 1 d a n a l y z e d s e v e r a ld i 娲r e m 心n d so fd a m p e r sw e r et e s t e do nt h er i a n d t h er e s u l t ss h o wt h es y s t e mh a s h i g hr e l i a b i i i 哆a n dp r o f o u n du t i l i 够 v a l u e i nc o m b i n a t i o nw i t hm em c s y s t e m ，t h ed e v e l o p m e n to fr e a l t i m e m cs o r w a r es u c ha sm i s i n gr e a l i t i m ep r o p e r 眵o fs o r w a r ef o rp r o c e s s c o n t r o l ，e x t e n d i n gv i s i t t oh a r d w a r eo fc o m p u t e ra 工l d o p e r a t i n gi t ， p r o g r 猢i n go b j e c t - o r i e mp r o g r 锄m e s a 1 1 d i m p o s i n g d s pa n d a n t i i n t e r f e r e n c eo ns t r o n gi n t e r f h e n c es o u r c eo fd f ci nw i n 3 2w a s d js c u s s e d k e yw o r d s h y d r a u i i cd a m p e r ，t e s tr i g ，d a m p i n gc h a r a c t e 蒯c s ， m c l l 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的致谢的地方外，论文中不 包含其他人已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 已在论文中作了明确的说明。 作者签名：重笪! 至日期：! 竺三年三月生日 关于学位论文使用授权说明 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，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和部或部 分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保留学位论文：学校可以根据国家或 湖南省有关部门规定送交学位论文。 储虢盟跏躲避噍斗年上月丛日 主堕盔堂耍圭堂垡丝塞 翌= 兰堑堡 第一章绪论 1 1 机车车辆液压减振器的原理和作用 1 1 ，1 液压减振器 液压减振器是转向架上一个很重要的部件，它与弹簧一起构成弹簧减振装 置，减振器在机车转向架中的位置如图1 1 1 所示。根据减振器在转向架上的 不同位置和作用，减振器可分为横向减振器、垂向减振器和抗蛇行减振器等三 种。 减振器的作用与弹簧的作用不同，弹簧的作用主要是缓冲，即缓和来自轨 道的冲击和振动干扰。而减振器的作用，顾名思义，就是减少振动，能有效地 减小由钢轨高低不平和周期性冲击引起的自由振动和强迫振动，使乘客有平稳 和舒适感。当机车在轨道接头或转弯等各种情况下产生振动时，减振器就能产 生相反的阻抗力，吸收振动能量，使振动衰减。在下列三种情况下，减振器的 作用最为突出睁j 【”j 。 一种情况是当机车在钢轨上运行，遇到钢轨接头时，由于接头存在缝隙， 甚至因为线路在纵向上存在高低不平，车体在弹簧上就产生大幅度的自由振动。 如果没有减振器，自由振动将持续很长时间，这样不利于车辆的平稳行驶。装 配有减摄器后，减振器就能吸收能量，在较短的时间内衰减振幅，使车体停止 振动。其作用示意图如图1 1 2 所示。 另一种情况是当车辆沿着钢轨运行，受到来自钢轨的周期性作用力，使车 体产生强迫振动。这种振动的强弱随着车辆的运行速度而变化，在一定的范围 内发生共振，使车体的振动越来越大。但车体在共振速度范围内运行时，减振 器可以有效的减少车辆的振动。其作用示意图如图1 1 3 所示。 第三种情况是高速行驶的车辆在转弯时，由于速度高、车辆的离心力和惯 性力很大，如果不采取措施，车辆会发生啃轨、脱轨等安全事故，而抗蛇行减 振器和横向减振器则能很好地抑制这种横向振动，使列车沿轨道行驶而不会产 生很大地的冲击。铁道部科学研究院曾就减振器的作用进行专门的实验，其结 果表明，液压减振器可以改善车辆的运行平稳性、改善车辆车底的受力情况， 延长车辆使用寿命，增加旅客乘坐舒适性。 过去，由于列车运行的速度比较低，减振器的作用不太明显，因此，人们 对其没有给予足够的重视，所应用的减振器性能比较低。如今，“高速重载”是 中南大学硕士学位论文第一章绪论 铁路营运的发展方向，随着列车提速进程的加快，机车、车辆运营中出现了很 多前所未有的问题，有的在更换减振器后，问题得到了解决。这表明，减振器 性能的好坏，直接制约着列车的运行状况。 一| 弹赞鹰：2 一弹簧上越力盏；3 一摊赞：4 弹簧“卜聪盏： 5 橡腔壕；6 一液艉减振嚣：7 一轴辅拉杆。 图1 1 1 机车车辆转向架 t 车体；2 弹簧；3 车轮；4 减擞器。 图l 1 2 车辆自由振动示意图 案卿墅罂 义2 一，厶一。一3 r 时，节流孔的面积才开始变化，在此之前节流孔都为初开 口度，针对不同作用阶段，得到以下数值关系： f = 厂( 矿)( 2 4 9 ) s = 氐( 当置 岛) ( 2 4 一l7 ) o 上腔 以上述减振器为例，为了保证工作区不小于8 c ”z 5 ，心阀弹簧的初压缩力 应为2 2 k g 左右，取弹簧刚度为3 2 培，m m ，则弹簧的初压缩量应在6 5 7 m m 之间。 分别作出上述各种情况下的阻尼特性曲线图，如图2 t 3 2 所示。 通过上述讨论，建立了相关方程。通过改变参数，查看各参数对阻尼特性 的影响，如油液粘度、节流口的尺寸、弹簧预压缩量等，为减振器的设计和结 构改进及其试验提供重要的参考依据。 中南大学硕士学位论文 第二章减振器阻尼特性数值分析 拉伸阻尼特性图 图2 3 2 拉伸过程阻尼特性 2 ，4 2 压缩行程的数学模型 在拉伸行程，可以看出底阀上节流孔的作用可以忽略不计。压缩过程的阻 尼力将同时产生于活塞上的节流孔和底阀上的节流孔，所以与拉伸特性有所不 同。如果活塞上拉伸和压缩时的节流孔相同，则压缩阻力肯定大于拉伸阻力， 且压缩阻力与压缩阻力的不对称率为： 互二墨： 垡 瓦+ 弓 2 d 2 一d 2 加大压力缸的直径。可以减少不对称率。从分析可知，当初始节流孔一定 时，实现拉压阻尼特性基本对称的措施之一是压缩节流阀的弹簧刚度略小于拉 伸节流阀的弹簧刚度。 实现拉压对称的另一措施是取拉伸和压缩节流阀的弹簧刚度相同，但在拉 伸节流阀上设置一个比节流阀略大的弹簧初压缩力，同样可以得到拉伸和压缩 方面基本对称的线性特性。 对于单向循环流动形式减振器，如果活塞秆的面积为缸体面积的半时， 阻力有对称性，几乎所有的单向循环流动形式减振器都具有拉压对称特性。 2 5 减振器的阻尼特性拟合 如上所述，减振器的工作段阻尼特性曲线表达式为： 1 9 ! 童奎堂至主堂垡堡茎 笙三至堡堡墨里星堑堡鉴坌塑 f = c v “ 【2 5 1j 对于大多数减振器来说，阻尼特性指数n 并不等于l ，而是l n 2 ，即减 振器的阻尼特性是非线性的，对上式两边取对数，可得： 1 n f = ”1 n 矿+ 1 n c ( 2 5 2 对于一个己知的减振器，阻尼系数和阻尼特性指数并不随振动速度的变化 而变化。所以，可将其看作一个常数。将试验台测得的一组试验数据，采取均 方差最小的办法来求n 、c 。 令r = l n f 一( n l n y + l n c ) ( 2 5 3 ) m m i n ( 】，) = 1 n f 一l n + i n c ) 】2 ( 2 5 4 ) 1 2 1 式( 2 5 4 ) 分别对n 、l n c 求偏导数，并令其为零，可得： mm n ( i n v ) 2 + l n c l n = l n f l n ( 2 5 5 ) l ir = l ；l n y l n k + m l n c = y i n f ( 2 5 6 ) 蔷百 通过以上两式，可求得减振器的阻尼系数及其阻尼特性指数，从而可以利 用式( 2 5 1 ) 拟合出减振器的外特性，计算出减振器在任意速度下产生的阻 尼力，可以方便的实现减振器的试验曲线拟合。 拟合数据尽可能选取多的数组，拟台完毕后，将拟合后的各点数据与原值 比较，若差异很大，则拟合不成功或有异常点( 去掉) 。 对于试验数据而言，两组测量值均会带有误差，假设个为常数，拟合的 结果会有偏差，为此，可以采用广义最小二乘法原理来进行拟合，可获得较满 意的效果。 2 6 本章小结 本章主要介绍了车辆振动的来源及其表现形式，比较了几种常见的节流形 式，分别归纳出阻尼特性关系。然后，重点讨论了液压减振器阻尼特性产生的 机理及其影响因素，可以看出，不同类型的节流阀，其结构虽然各不相同，但 是最主要的影响因素是初始节流孔、可变节流孔、弹簧的刚度、弹簧的初压缩 力、缸筒等部件的尺寸、密封等，为减振器的设计及其试验改进提供了依据。 中南大学硕士学位论文第三章减振器试验台的结构设计与仿真 第三章减振器试验台的结构设计与仿真 在第二章中，比较了几种常见的节流形式，对减振器及其阻尼特性进行了 数值分析。本章节将对减振器模拟液压试验台硬件部分设计进行详细的探讨。 3 1 测控系统 试验台测控系统组成如图3 1 1 所示： 厂三兰! 一 = = 二二蔓： ，蚓舀圜一耋正 一苣 ，、 自n*in l l = 云主盂司，! ! ! ! 图3 1 1 系统组成 测控系统上端采用p i i i 工控机，通过p c l 采集卡、接口板卡控制变频器、 比例阀，从而实现油缸及其减振器按照规定的速度运动，采集位移及其阻尼力， 并通过二次仪表进行显示，在计算机内部实现数据处理及其显示、打印等功能。 3 - 2 试验台总体设计 试验台总体布局如图3 1 2 所示 图3 1 2 试验台总体布局外观图 2 l 中南大学硕士学位论文 第三章减振器试验台的结掏设计与仿真 32 1 试验台加载方案 试验台加载装置的结构形式有很多种，最常用的有以下几种”1 ： ( 1 )曲柄滑块机构即用滑块机构将旋转运动转化为往复直线运动。当 前在车闻使用的减振器试验台就是这种机构。该机构的优点是价格 便宜，缺点已经作过讨论，而且易磨损，速度难以控制和测量，因 此不适用于自动测量的系统中。 ( 2 )液压缸加载采用液压加载，工作性能可靠，价格适中，可以实现 无级调速，且惯性小、动作反映快、启动迅速，能快速实现制动和 频繁的换向。存在的问题是液压传动对于油温变化非常敏感，如果 用来进行减振器的寿命试验的话，则对油温的监测和控制要求十分 高，同时，液压缸活塞杆的运动为直线运动，线性速度的测量不方 便，特别是需要解决好行程末端的瞬时速度测量问题，针对此问题 将进行专门的研究。 ( 3 )用凸轮机构实现直线往复运动采用凸轮机构可精确的实现预定 的运动规律，因而对速度的测量和控制也较简单。但同时，凸轮机 构不能传递动力。而且，凸轮滚子的磨损较厉害，故凸轮机构一般 只用于受力不大的需要精密传动的场合，多用于精密机械。 ( 4 ) 用液压马达配合螺旋机构实现直线往复运动该方案包括了液压 传动的优点，对于速度的测量和转换也非常容易。螺旋传动存在着 效率低、磨损大等方面的缺点。但通过增加螺纹头数，提高螺纹的 加工精度及选材等途径可改善传动情况。该方案还可根据现场的实 际情况和用户的经济情况来进行匹配调整。螺旋机构在传动运动的 同时，还可以传递很大的轴向力，因而要求机构传递运动要准确， 并且在往复运动时摩擦阻力要小，故可采用梯形螺纹，且不能有自 锁性。采用螺旋机构只能用在水平方向上，不能用于垂直方向，以 防止停机时，螺母下滑而造成碰撞，损坏机械。 ( 5 ) 齿轮齿条机构采用齿轮齿条传动，具有传动效率高，结构紧凑， 工作可靠，寿命长及传动平稳等特点。 综上所述，作为执行结构，采用电液控制是一种有效的方式，随着其智能 化程度的提高，应用会更广泛。结合本试验台的性能要求及经济性条件，全部 采用液压缸加载。 3 2 2 调速方案 采用液压传动，有多种调速方案。如节流调速、容积调速，常见的的调速 中南火学硕士学位论文 第三章减振器试验台的结构设计与仿真 阀有高速开关阀、比例阎和伺服阀等等。经过反复比较，我们采用如下两种调 速方案：其一为比例电磁阀控制负载传感调速系统；其二为变频器控制电机调 速。通过模拟输出和串口通讯控制比例阀和变频器。 3 2 2 1 液压负载传感讽速系统 液压负载传感调速系统这一新技术已经应用于一些先进的机械设备上，其 优点突出，效果显著，我们对其进行消化和掌握，并将其应用于试验台，取得 了良好的效果。 3 2 2 ，1 1 功能特点【5 5 1 ( 1 ) 无节流损失调速 传统的液压系统执行元件的调速是通过改变控制阀阀口开度来实现的，是 一种纯粹的节流调速。这种形式的调速是以损失部分液压油的压能和流量为代 价的。当负载压力愈高，直接流回到油箱的流量愈大时，能量损失就愈大，且 损失的压能变为热能，导致温度升高而发热。负载传感调速系统则是通过改变 换向控制阀阀口的开度，由泵调节器感应控制阀的出口压力( 即负载压力) ，再 与泵的出口压力比较，然后向泵发出指令，使泵的流量自动适应换向控制阀开 口度的大小，供应执行元件所需的流量，从而达到调速的目的。这种调速方法 的先进性就在于泵的流量大小取决于控制阀的开口度。换句话说，执行元件需 要多少流量，泵就供应多少流量，没有多余的流量，换向控制阀处的节流调速 转换成了液压泵的容积调速，因而再换向控制阀处没有节流损失，收到了节省 能源和减小系统温升的良好效果，提高了系统效率，这一点对于耐久性试验特 别有好处。 ( 2 ) 各执行元件自动协调 当液压泵向几个执行元件同时供油时，都是负载小的执行元件先动作，负 载大的后动作。而负载传感调速系统可以使几个执行元件动作协调，避免困负 载不同而使执行元件的动作产生很大的差异。 ( 3 ) 无载自动卸荷 当机械不工作时，泵无外载时，负载传感调速系统能使泵的输出流量自动 减小到零，基本实现无功率输出。避免了不必要的功率损耗，使泵处于无载自 动卸荷状态。 ( 4 ) 无溢流过载保护 一般液压系统的溢流过载保护的能量损失是很大的。而负载传感调速系统 可以在负载压力达到限定值时，打开负载传感管路上的小溢流阀，并通过负载 塑查兰堡主兰垡笙塞 苎三至堡蒸墨鎏壁垒堕苎塑望盐皇堕塞 传感使泵的流量迅速减小到零，使主油路的压力限定在某一定值，从而起到保 护系统的作用，又基本无溢流功率损失，即实现无溢流过载保护。 此外，负载传感调速还有使用寿命长、流量控制特性好等优点。 3 - 22 1 2 结构及其原理 图3 2 1 p a r k e r 公司p v 系列轴向柱塞泵结构如图3 2 一l 所示，可以实现压力和流 量补偿 2 1 。 负载传感功率匹配回路除了在工作状态能按负载要求输出相适应的功率 外，更重要的是限制了待命状态时压力和流量以及保压状态时的流量，从而控 制和降低了功率消耗。功率匹配回路有多种形式，但其基本原理都是由负载传 感阀3 与压力补偿阀4 相组合，对变量泵进行组合控制。当回路工作时，负载 传感阀3 分别对p 和b 进行检测，将压差提供的反馈信号，引入变量泵，实现 泵的输出功率与负载功率相适应。 3 2 2 2 变频调速系统 变频调速技术是九五期间国家重点推广的节能降耗措旋，已经在很多领域 获得应用，在液压领域也越来越受到瞩目。变频调速具有很多优点，缺点是会 产生很大的高频电磁干扰，经过反复调试和软硬件滤波，干扰得以解决干扰。系 统选用s i e m e n sm m 4 2 0 交频器，全新的i g b t 技术、强大的通讯能力、精确 的控制性能和高可靠性，从而加强了试验台的整体性能和控制能力， 3 _ 2 3 电气控制方案 ( 1 ) 用行程开关的信号控制油缸的动作，负载传感液压泵的驱动方式为 中南大学硕士学位论文 第三章减振器试验台的结构设计与仿真 一拖二，即用一台电机驱动两台液压泵， 一台液压泵，电气柜内主要涉及接地排、 安装。 变频器单独带动一台电机，进而驱动 变频器、继电器、接触器等的设计和 ( 2 ) 二次仪表开发2 0 】、 9 数掘进入计算机端的同时，也进入二次仪表，实时显示位移和速度的变化， 三个仪表分布在显示器的上方，便于调试系统和观察方便，该仪表可以完成d 输入、参数修改、数据显示、报警，同时配有r s 4 8 5 串行接口，波特率可调， 可以输入标准电压和电流信号，结构紧凑，c p u 选用8 0 c 5 1 。系统的结构框图 如下图3 2 2 所示： 电流电压转换模块可以完成4 2 0 m a 到o 5 v 的转换，采集卡的接口电 路转换也是采用这种形式，转换电路如图3 2 3 所示 由节点方程可知： 盟：鱼+ 盟 ( 3 2 1 ) 只 r ir 5 r ?r ?r = ( 1 + i + 专。一景巧 2 _ _ ( 1 + 等+ 警( 4 锄删删q 一等彻一。一s ( i ，) d 转换芯片采用美国国半公司的a d c l 2 1 0 芯片，该芯片的特点是低功 耗、中速，具有1 2 位分辨率，a 仍转换可连续进行或在逻辑控制下的启停，其 转换原理为逐次逼近型，a d c l 2 1 0 于8 0 c 5 l 的接口电路如图3 2 4 所示。 r s 一4 8 5 转换接口的设计和数据通讯也是一个关键问题，众所周知，r s 一 4 8 5 是采用差分形式的异步串行输入方式，其成本低，只需一个+ 5 v 电源，采 用高阻接收器，一个r s 一4 8 5 可以连接2 5 6 个节点，具有长距离通讯、速度高 的特点。r s 一4 8 5 接口可连接有半双工和全双工两种通信方式，半双工通信的芯 片有s n 7 5 1 7 6 、s n 7 5 l b c l 8 4 、m a x 4 8 5 、m a x1 4 8 7 等。关于通讯及相关内容 参见4 6 ，接口实现电路如图3 _ 2 5 所示 中南大学硕士学位论文 第三章减振器试验台的结构设计与仿真 3 x 3 键盘唾指示灯 ( 4 十5 ) 捷l e lfj： i 乜 源 c p u ( 8 0 c 5 1 ) 一模 fi “兰 块 旧黑ii ：i 陋刮 l 篮稃转换卜 f f 悼畴侧 i l一 图3 2 2 系统的结构框图 图3 2 3 电流电压转换电路 图3 2 5r s s 一4 8 5 接口电路 中南大学硕士学位论文 第三章减撮器试验台的结构设计与仿真 3 2 4 液压系统 图3 2 480 c 5 l 与a d c l 2 10 接口电路 第一代试验台( 益阳) 我们主要采用变频调速，液压系统采用差动回路， 实现液压缸增速，达到拉压速度要求。如图3 2 6 。第二代( 湘潭) 采用比例 负载传感调速，外接调速阀用于执行元件的调速，方向阀用于执行元件的换向， 即压力补偿方案为阀后补偿，泵的流量取决于控制阀的开度。液压系统如图3 2 7 所示。 崖 乱硅籼g l ” 摩$ i 鞋) 图3 2 6 液压系统原理圈( 一) 主童奎兰堡主堂垡笙苎 箜三童鎏堡墨蔓壁垒塑笙塑丝茎墨堕墨 图3 2 7 液压系统原理图( 二) 3 2 ，4 1 液压缸差动增速控制回路与参数分析 双作用单活塞杆式液压缸的应用较多，但是由于活塞两侧的有效面积不同， 这类液压缸的伸缩速度也不同。在两腔供油量相同的情况下，其活塞杆的缩回 速度均大于伸出速度，若要求活塞杆的伸、缩速度相同，甚至伸出速度大于缩 回速度时，这种液压缸就不能满足要求。虽然采用双作用液压缸或采用两腔不 同供液量的方法，可以使伸缩速度相等，但是其结构与系统相对较为复杂，此 时，若采用差动控制回路，就可以提高双作用单活塞杆式液压缸的伸出速度， 从而满足伸出速度大于或等于缩回速度的要求 1 l i 州。 3 2 4 1 1 液压缸差动控制回路 液压缸的差动控制回路，实质上是使液压缸活塞杆腔排出的液体返回至液 压缸的活塞腔，从而增加进入活塞腔的流量，相应地加大了活塞杆的伸出速度。 实现液压缸差动控制的方法有四种： ( 1 ) 采用两位三通阀构成外差回路，如图3 2 8 ( a ) 所示。在液压腔进 油时，活塞杆腔返回液进入两位三通阀的阀前回路，活塞腔进液量 q = q 。+ q ：，；速度为v 。；阀换向时，进入活塞杆腔流量为q ，速度 为v ，同样形成差动回路。 ( 2 ) 采用“o p ”型三位四通阀构成阀内差动回路，如图3 2 8 ( b ) 所示， 当换向阀左位工作时，进入活塞杆腔的流量为q 。，活塞杆缩回速度 为v ：；当换向阀右位工作时，进入活塞杆腔的流量q = q 。+ q ：( q ：为 中南大学硕士学位论文第三章减振器试验台的结构设计与仿真 活塞杆腔的排液量) ，活塞杆伸出速度将相应增大。 ( 3 ) 在液压缸两腔油路之间增设一个交替单向阀a ，构成阀后差动回路。 如图3 2 8 ( c ) 所示。此时，可以采用普通的o 型机能三位四通阀， 阀处于左位工作时，液流经过交替单向阀a 进入活塞杆腔，流量为 q ，缩回速度为v ，；阀处于右位工作时，进入液压缸活塞强的油液 使阀a 中的钢球或活塞动作，活塞杆腔排液经阀门a 返回到活塞腔 的进油管路，从而使进入液压缸活塞腔的流量为q = q ，+ q ，形成差 动回路，实现v v ，。 ( 4 ) 试验台采用如图3 - 2 8 ( d ) 所示的h 型三位四通阀差动回路，同样 可阻实现差动增速。 3 2 4 11 2 差动控制回路参数分析 上述四种差动回路控制的液压缸，其计算速度的表达式相同。 3 2 3 1 _ 2 1 液压缸的伸缩速度 设供油量相同，容积效率为刁。 ( a ) ( ( c ) ( 曲 图3 2 8 液压缸差动控制回路 3 2 4 1 2 2 液压缸的伸出速度 按照差动回路计算，在活塞杆伸出时，由活塞杆腔排出的液体流量为： q ：2 署( d 2 d 2 ) v 。 ( 3 2 _ 3 ) q ：返回进入活塞腔，使活塞杆伸出时的总流量为 中南大学硕士学位论文第三章减振器试验台的结构设计与仿真 q = q ，+ q ： 则活塞杆伸出速度为： v 。= 警= 嘉( q + q 2 h 将式( 3 2 1 ) 代入式( 3 2 3 ) ，化简可得： v 。= 警 3 2 4 1 2 3 液压缸的缩回速度 液压缸的返回速度： v ：= 羔 其中：q ，一泵或系统供液量； d 、d 一活塞、活塞杆的直径： 由以上公式可知，只要合理选择d 、d 的值，就可以使得液压缸的运动速 度满足v i v 2 。 3 2 4 1 _ 2 4 液压缸的输出力 设供油压力p 相同，被压为p 0 ，不计机械效率。 a ，= 三d 2 4 a ，= 至d 2 4 推力f 1 ： f 1 2 ( p a - 一p o a z ) 2 三 ( p p 0 ) d 2 + p 0 d 2 】 拉力f 2 ： f 2 2 ( p a 2 一p o a t ) 2 三 ( p p o ) d 2 + p d 2 】 3 2 4 1 2 5 按速比要求确定液压缸的尺寸关系 采用差动控制回路，液压缸的伸出速度v 。有所增加，但是推力f i 有所下降。 液压鼍紫速比是指活塞杆的缩回速度与伸出速度之比，即矽= 将油泵一阀一油缸一减振器环节进行封装，组成子系统如图3 3 1 l 所示： 0 u 【1 i n lo u f 2 o u f 3 “泵一阀一油缸一减振器”子系统 图3 3 1 l 油泵一阀一油缸一减振器子系统仿真模型 ( 3 ) 将整个系统所有环节合成可得仿真系统结构图如图3 3 一1 2 所示： s c o b e 3 图3 3 12 系统仿真结构仿真模型 ( 3 ) 仿真结果与实际运行结果比较 在初始电压为1 0 v ，1 5 秒后添加负载，减振器压力仿真曲线与实际曲线如 图3 3 1 4 、1 5 所示，仿真结果与实际情况基本相符，电机转速仿真曲线如图 3 3 一1 3 所示： 图3 3 13 电机运行速度仿真 中南大学硕士学位论文第三章减振器试验台的结构设计与仿真 图3 3 1 4 系统仿真压力变化图( f = 0 9 8 m p a ) 图3 3 一1 5 系统实际运行压力变化图( f = 0 6 m p a ) 对于速度的仿真如图3 3 1 7 所示，图3 3 一1 6 所示速度曲线取自未进行滤 波的原始数据，实际中限于试验条件有限，未能测出其细微变化，或者说速度 的变化比较缓慢。虽然不能看出其速度的阶跃峰值，但是从时间段1 0 0 一2 0 0 与 o 1 0 0 的曲线变化率对比可以看出，加速运行阶段，速度存在很大的抖动和变 化率，一定程度上反映了实际运行的变化情况。 图3 3 1 6 速度实际变化曲线 图3 3 一l 7 速度仿真变化曲线 4 l 中南大学硕士学位论文 第三章减振器试验台的结构设计与仿真 3 3 2 8 仿真结论 从仿真过程及其结果，可以看出各参数对动态性能的影响： ( 1 ) 利用m a t l a b 可以构建不同的输入信号，如本文的干扰信号； ( 2 ) 利用m a t l a b 进行仿真，直观、逼真，简单可靠； ( 3 ) 油液体积弹性模量( 如管道长度) 不影响系统的稳态输出，只影响 系统的初始响应； ( 4 ) 速度对于干扰的影响比较敏感，实际中，再加上位移信号的采集采 用电压输出型传感器，所以要重点加强滤波； ( 5 ) 增大运动部件质量一定程度上，可以吸收负载干扰和冲击，但是会 使启动性能变差； ( 6 ) 在油泵前面环节，变频器的加减速时间主要影晌系统的响应速度， 在变频器的控制中，在输出控制指令后，需要软件延时，再进行速 度采集和控制： ( 7 ) 系统阻尼对于系统的速度稳态输出影响较大； ( 8 ) 在设计真实的系统之前进行仿真，通过调整不同的参数以观察曲线 的变化，可以观察诸参数对系统性能的影响，有利于优化参数，以 设计出合理的系统； ( 9 ) 如果试图对速度的闭环控制提供详细的理论依据，需要建立详细的 数学模型，可视化仿真模型只能为系统的闭环控制提供参考，这方 面的工作有待进一步深入： ( 1 0 ) 系统输出压力的仿真与实际情况基本相符，速度信号限于条件有限， 未能采集到精细的变化，表明该仿真模型的建立，在一定程度上是 正确的。 3 4 本章小结 结合部分试验规范，讨论了试验台的功能设计和二次仪表开发。将负载传 感、变频等现代节能技术应用于液压领域，取得了良好的效果，分析了液压系 统设计中的主要问题，如差动增速回路、负载传感技术等。运用s i m u l i n k 对整 个变频调速系统进行了仿真和结果分析，为系统设计、维护提供了重要参考， 有利于优化参数、深入对系统的理解，以便设计出更优良的系统，同时，为测 控系统开发中，速度的闭环控制提供了参考依据。 中南大学硕士学位论文 第四章减振器试验台测控系统设计 4 1 引言 第四章减振器试验台测控系统设计 高要求实时测控软件的开发需要基于专用实时操作系统，如通讯行业的 p s o s 、消费电子行业的、矾n d o w s c e 、工控行业的q n x 等。对于实时性要求不 是非常高的系统，可以在通用操作系统下实现，如d o s ，w n d o w s 等。在d o s 操作系统下，一般是应用汇编语言开发，直接从系统的底层编程。汇编语言的 特点是难调试，界面设计工作量大，内存有限，高级语言具有良好的可读性及 方便的调试手段。随着，i n d o w s 操作系统的普及应用，尤其是可视化开发软件 v i s u a ls t u d i o 家族的出现，w i n d o w s 系列软件以其友好的图形用户界面、强大 的功能、便捷的操作和广泛的应用前景受到普遍的欢迎l 。 基于消息的事件驱动机制的w n d o w s 为软件的开发提供了丰富的应用程序 接口函数，节省了程序的开发时间。对于用户而言，w i n d o 哪的标准界面使得 用户在学习一个应用程序之后，也熟悉了其他程序的应用，经过少量的学习就 可以使用一个软件。然而、聃n d o w s 并非是一个实时操作系统，它主要面向文件 处理、多媒体、n e m e t 等非实时任务。由于w i n d o 粥操作系统具有事件驱动 特性和多任务抢先式调度机制，一旦计算机的c p u 被某个进程占用或系统资源 紧张时，发送在消息队列中的消息就暂时被挂起，得不到实时处理，这会给计 算机控制系统带来潜在的实时性问题。因此在w i n d o w s 环境下解决好实时响应 问题，显得尤其重要，是在w i n d o w s 环境下开发实时应用程序的关键。 在w i n 3 2 环境下，测控软件的开发通常有两种方式：一种是利用通用的可 视化编程语言如v c + + 、v b 、d e p l l i 等进行开发；另一种是利用第三方提供的 工控组态软件进行系统开发，如研华公司的g e n i e 等，我们采用第一种开发方 式，有更大的软件开发空间。 本章节，我们将不再讨论如何利用w i i l 3 2a p i 、v c + + 开发程序界面，而是 将重点放在如何满足实时性的要求上，其实，友好的界面开发也是一个较大的 工作量。下面是我们在系统软件开发中遇到的的技术要点和难点，而且在两套 试验台系统上，都已经成功实现和解决，总结起来，主要有以下几点。 中南大学硕士学位论文 第四章减振器试验台测控系统设计 4 2 提高w i n 3 2 环境过程控制软件的可靠性技术 4 2 1 过程控制软件的定时技术f 1 3 】 4 1 】【5 3 l 众所周知，定时技术是计算机控制的基础，也是提高可靠性的关键。在实 时控制系统中，时间显然是最宝贵的资源，要完成实时控制任务，首先就要能 够获得精确的时间。 高精度定时功能通常都是使用专门的计数卡来实现的。硬件方法产生的定 时信号精度高，工作可靠，但使用不方便，在w i i l 3 2 下的编程也较复杂。一块 工控计数器卡的价格一般都在r m b l o o o 左右，而且还要额外占用“o 端口资源， 而软件定时器具有较高的性价比和实用性，软件方法一般是调用系统定时功能 产生定时信号，容易实现。但需要采取适当措施以保证精度和可靠性。 4 2 1 1 循环延时 在软件开发中，滞后延时操作时常用到，比如d m a 中，d m a 传输要滞后 采样一段时间：在端口通讯中，数据段之间通常要延时片刻( 串口通讯) 。在c 环境下，实现延时有两种办法，一种是采用s l e 印( ) 函数，精度大约5 5 m s ：另 外一种常用的办法是采用空循环。循环次数确定依据w 试a p i 函数 t i i n e g e t t i m e ( ) ，其延时精度为1 m s ，它表示自从开机以来经历的时间。 要实现同样的延时，不同配置的计算机，循环次数不同，我在自己的c e l e m n 1 g h z 下测试，1 ，o o o ，0 0 0 次空循环需要1 0 m s ，延时o 5 m s 需要5 0 0 0 个空循环。 控制台源程序如下： # p r a g m ac o i m e n “l i b ，”衍m n m 1 i b ”) v o i dm a i n 0 l o n gk ，t = t 面e g “n m e ( ) ； f b r = l ；k l e 6 ；k + + ) ； t = t i m e g e t t i m e ( ) 一t ； p r i n t 坟”1 0 0 0 0 0 0 次2 d m s ；t o 5 m s = l o 0 f 次i l ”，t ，1 e 6 4 0 5 t ) ； ) 4 2 1 ，2w i n d o w s 的常规定时器 常规定时器是建立在i b mp c 机硬件和r o m b 1 0 s 中系统定时器的简单扩 充基础上的，它通过周期地向应用程序发送w h t t i m e r 消息，使应用程序周 期地获得c p u 的使用权。在p c 中有一个8 2 5 3 的定时芯片，r o mb i o s 将其 中南大学硕士学位论文 第四章减振器试验台测控系统设计 设为每5 4 9 2 m s 产生一次编号为o x 0 8 的硬件中断。该中断每秒发生1 8 2 次， 因此其最小精度不得小于5 5 m s 。另外，当发生时钟中断时，对于应用程序而言， 这个中断是不可感知的，而是首先发送到应用程序的消息队列中，并与其他的 消息一起排队。应用程序只有通过消息循环主动地检索到该消息，才能有机会 处理它。如果另一个应用程序进行了长时间的工作，就会使使用了计时器的应 用程序不能及时处理w mt i m e r 消息；而且该消息是一种优先级很低的消息， 它只有在应用程序消息队列中的其他消息处理完之后才能得到处理。此外，如 果该定时器向某一个应用程序发送两条以上的w mt i m e r 消息，w i n d o w s 在 应用程序消息队列中只为一个定时器保留一条w mt i m e r 消息。因此，这种 办法只能应用于定时器要求不是很高的场合，如温度监控等大惯性系统。 而且，定时间隔的实际精度也不会超过1 1 8 秒( 约5 5 毫秒) ，也就是每次 产生定时器事件间隔的最大误差可达到5 5 毫秒。如果将之累积，随着时间的推 移，其产生的误差将会急剧加大。通过反复调试发现，可以利用软件进行校正， 即利用软件实时检测系统时钟，并以此为依据，对普通定时器的定时间隔进行 校正，从而得到比较精确的定时间隔，可以有效地防止误差累积过大。我们采 取了如下修正办法：在启动定时器的同时( 普通定时器的初始时间间隔设定为 2 0 0 毫秒) ，读取系统时钟作为起始值，而在每次产生5 次定时器事件后读取一 次系统时钟作为当前值，用当前值减去起始值得到实际计数值；同时，累加计 数单元加l 作为普通定时器的计数值。若普通定时器的计数值小于实际计数值， 则表明普通定时器慢了，这是需要重新启动定时器，将其时间间隔设定个下 限值( 如l o o m s ) ，否则将定时间隔重置为上限值2 0 0 m s ，可以用来减少其精度 的累积影响。 4 2 1 3w i n d o w s 多媒体定时器 m n d o w s 系统的3 2 位应用程序编程接口( a p i ) 提供了多媒体定时服务， 使应用程序可以得到周期性的时间中断。每个多媒体定时器都有自己的执行线 程，又w i n d o w s 系统是抢先式的操作系统，所以无论应用程序在进行什么工作， 操作系统都能在多媒体定时器事件到来时中断该程序，而先去调用多媒体的回 调函数。 w i n d o w s 下有一套多媒体编程接口，这套接口函数包含于m m s y s t e m d l l 动 态链接库中。s u a ic + + 提供了相应的头文件m m s y s t e m h 。在这个编程接口中， 有一套定时器操作函数，可用来实现高精度的定时器，其计时精度可达l m s 。 这套函数主要包括：t i m e b e g i i l p e r i o d 、t i m e s e t e v e n t 、t i m e 瞄l l e v c n t 、 t i m e s e t e v e n t ：血n e g e t d e v c 印s 。 这几个函数可以帮助我们获得精确的定时器服务，其中最重要的是 中南大学硕士学位论文第四章减振器试验台钡5 控系统设计 t i m e s e t e v e n t ( ) 和t i m e 鼬l l e v e n t ( ) ，这两个函数允许我们安装异步计时器的回调 函数( c a l l b a c k ) ，有些类似于在d o s 环境中截取i n t8 中断处理程序。这个 回调是真正异步的，完全避开了w 协d o w s 的消息工具，因而具有重要意义。下 面给出使用多媒体定时器的关键代码段： 撑i n c l u d e 1 启动定时器代码 i f ( t i m e g e t d e v c a p s ( & t c ，s i z e o f ( t i m e c a p s ) ) 一t i