（机械设计及理论专业论文）新型液压冲击机械设计理论与控制策略研究.pdf

中南大学博士学位论文 新型液压冲击机械设计理论与控制策略研究 内容提要 论文在分析了目前国内外液压冲击机械工作原理与控制技术现状的基础上，通过对传统 的行程反馈调节原理液压冲击器的辨证否定，创新提出了基于变行程无级调节原理的新型液 压冲击机械系统，全面、深入地研究了它的设计理论、工作参数调节原理和电液控制策略， 从本质上揭示了这种新型液压冲击机械系统的工作机理。以液压冲击器活塞行程无级控制为 目标，设计了一种全新的液压冲击机械变行程调节机构，并对其进行了计算机动态仿真和结 构优化设计，为实现新型液压冲击机械输出工作参数的电液数字控制提供了理论依据；在分 析了新型液压冲击机械系统运动规律和结构模型的基础上，建立了该系统的非线性数学模型， 并进行了数字动态仿真，系统的研究了新型液压冲击机械系统各参数对其工作性能的影响， 从中获得了有关新型液压冲击机械运动的规律性认识。针对新型液压冲击机械系统根据工作 对象的不同可无级变频调能的技术特点，以高速开关电磁阀技术为核心，首次提出了新型液 压冲击机械电液数字控制系统及控制方法，并对液压动力源一一泵的新型变量伺服系统和推 进力伺服系统进行了深入研究，为实现新型液压冲击机械系统的机电液一体化无级调节控制 奠定了理论基础。为准确评价液压冲击机械设备工作性能的优劣，论文率先明确的建立了以 “软件即仪器”为本质的液压冲击计算机辅助测试( 控) 系统，实现了对液压冲击机械设备 整体性能的正确评估。根据上述研究，研制了一台变行程无级调节的新型液压冲击机械设备 b x c 3 5 0 型液压凿岩机，并对其进行了实验研究，通过实验测试( 控) 表明，实验结果 与设计及仿真结果吻合良好，达到了预期的理论研究效果。 综合上述研究成果，本文基本形成了比较完整的新型液压冲击机械系统设计理论、控制 方法及测试评估体系，将现代机械技术、电液控制技术、计算机技术与测试测控技术融为一 体，为实现液压冲击机械系统的信息化和产业化提供了理论基础与技术指导，具有重要的理 论价值和现实意义。 【关键词】液压冲击机械：变行程调节机构；工作参数；高速开关电磁阀：电液控制；计算机 动态仿真 中南大学博士学位论文 t h er e s e a r c ho fd e s i g nt h e o r ya n dc o n t r o l s t r a t e g yo nt h en e wh y d r a u l i ci m p a c tm a c h i n e a b s t r a c t a f t e ra n a l y z i n gt h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dt h ec o n t r o lt e c h n o l o g yo fh y d r a u l i c i m p a c tm a c h i n ea th o m ea n da b r o a d ，w i t ht h eh e l po ft h et r a d i t i o n a lh y d r a u l i ci m p a c t o r w i t ht h ed i s t a n c ef e e d b a c kw o r k i n gp r i n c i p l e st h ed i s s e r t a t i o np u t sf o r w a r da n i n n o v a t i o nh y d r a u l i ci m p a c tm a c h i n es y s t e mb a s e do nt h ev a r i a t i o nd i s t a n c e ss h i f t e d s t e p l e s s l yp r i n c i p l e s ，s t u d i e ss y s t e m a t i c a l l y t h ed e s i g na n dt h ew o r k i n gp a r a m e t e r a d j u s t m e n tp r i n c i p l e sa n de l e c t r o h y d r a u l i cc o n t r o ls t r a t e g y , r e v e a l i n ge s s e n t i a l l yt h e w o r k i n g1 a wo ft h en e wh y d r a u l i ci m p a c t m a c h i n es y s t e m i no r d e rt oc o n t r o l s t e p l e s s l yt h eh y d r a u l i ci m p a c tp i s t o nd i s t a n c e ，i td e s i g n sb r a n d n e wa d j u s tm e c h a n i s m f o rv a r i a b l ed i s t a n c e sh y d r a u l i ci m p a c tm a c h i n e a n dp e r f o r m sac o m p u t e rd y n a m i c d i g i t a l s i m u l a t i o na n ds t r u c t u r ed e v i c e s a n dp r o v i d e st h e o r e t i c a lb a s i sf o r t h e e l e c t r o h y d r a u l i cc o n t r o lo fh y d r a u l i ci m p a c tm a c h i n eb a s i n g o nt h es t u d yo ft h e m o t i o n1 a wa n ds t r u c t u r em o d e lo ft h en e wh y d r a u l i ci m p a c tm a c h i n es y s t e m ，i t p e r f o r m sac o m p u t e rd i g i t a ls i m u l a t i o nw i t ht h eh e l po fi t sn o n l i n e rm a t h e m a t i c a l m o d e l ，a n ds t u d i e ss y s t e m a t i c a l l yt h ei n f l u e n c eo fh y d r a u l i ci m p a c tm a c h i n es y s t e m p a r a m e t e r st oi t sw o r k i n gc a p a b i l i t y ii,ands u m m a r i z e st h em m a n e n ta wo ft h en e w h y d r a u l i ci m p a c tm a c h i n es y s t e m i nt h el i g h to fi t st e c h n o l o g yp e c u l i a r i t yw h a tc a nb e a d j u s t e da u t o m a t i c a l l yt h ei m p a c te n e r g ya n df r e q u e n c yt ot h ep h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c s o fw o r k i n gm e d i u m ，t h ed i s s e r t a t i o ne x p o u n d sf i r s tt h ee l e c t r o - h y d r a u l i cc o n t r 0 1 s y s t e ma n dc o n t r o lm e t h o d sb a s e do nh i g h s p e e do n - o f fv a l v e a n ds t u d i e st h e h y d r a u l i cd y n a m i c a lf o u n t a i n t h en e wv a r i a b l ec a p a c i t ys e r v o s y s t e ma n dt h e p r o p u l s i o ns e r v o s y s t e mo ft h eh y d r a u l i cp u m p 、e s t a b l i s h e st h em e c h a t r o n i cc o n t r o l t h e o r yo ft h en e wh y d r a u l i ci m p a c tm a c h i n es y s t e m t oe v a l u a t e a c c u r a t e l yt h e w o r k i n gc a p a b i l i t yo ft h eh y d r a u l i ci m p a c te q u i p m e n t ，t h ed i s s e r t a t i o ne x p o u n d sa t h i n k i n gt h a ts o f t w a r ei si n s t r u m e n t e s t a b l i s h e sf i r s tt h eh y d r a u l i ci m p a c tc o m p u t e r a i d e dt e s t c o n t r o ls y s t e ma n dc a r r i e so u te v a l u a t i n gt h ei n t e g r a t i o nc a p a b i l i t yo ft h e h y d r a u l i ci m p a c te q u i p m e n ti nt h el i g h to ft h er e s e a r c h e sm e n t i o n e da b o v e ，i tm a k e s a n e w h y d r a u l i ci m p a c te q u i p m e n t w i t hv a r i a b l ed i s t a n c e c o n t r o l s t e p l e s s l v 一一b x c 一3 5 0h y d r a u l i cr o c k d r i l l a c c o r d i n gt o t h e e x p e r i m e n t ，t h e s i m u l a t i o nr e s u l t sa r ei ng o o da g r e e m e n te x p e r i m e n to n e ss ot h ee x p e c t e dt h e o r y s t u d yp u r p o s eh a sb e e na c h i e v e d w i t ha l lt h ea c h i e v e m e n t sm e n t i o n e da b o v e t h ed e s i g nt h e o r y , c o n t r 0 1m e t h o d s 堕奎兰堕主兰焦笙苎 a n dt e s te v a l u a t i o nt h e o r e t i c a ls y s t e mo ft h en e wh y d r a u l i ci m p a c tm a c h i n es y s t e mi s e s t a b l i s h e d ，a n dm o d e r nm a c h i n e t e c h n i q u e ，e l e c t r o h y d r a u l i c c o n t r o l t e c h n i q u e ， c o m p u t e rt e c h n i q u ea n da i d e dt e s t & c o n t r o lt e c h n i q u ei sc o n n e c t w h i c hp r o v i d e st h e t h e o r e t i c a lb a s i sa n dt e c h n i c a lg u i d a n c ef o rt h ed e v e l o p m e n to ft h eh y d r a u l i ci m p a c t m a c h i n e k e yw o r d s h y d r a u l i ci m p a c tm a c h i n e ；v a r i a b l ed i s t a n c e sa d j u s tm e c h a n i s m ； w o r k i n gp a r a m e t e r ；h i g h - s p e e do n o f fv a l v e ；e l e c t r o h y d r a u l i cc o n t r o l ；c o m p u t e r d y n a m i c a ls i m u l a t i o n v 中南大学博士学位论文 第一章、文献综述 1 1 液压冲击机械的发展研究综述 1 1 1 液压冲击机械发展筒史 冲击是自然界一种常见的物理现象，古代人类在伐木、制造工具、狩猎等最早的生产劳 动中就学会了利用冲击方式进行破碎和加工，运用冲击作用即利用物体的动能捕获猎物、制 造工具、破碎物体等活动，在人类发展史上具有划时代的意义。我们的祖先在古代就制造了 绳钻钻凿水井，到了战国时代又根据冲击原理发明了弩机，在火药发明之后，又相继出现了 火箭、火炮等。但利用连续冲击实现钻进，是最近一、二百年的事情，冲击机械是伴随着人 类文明的进步而产生发展起来的。意大利人在开挖塞尼峰隧道时发明了气动凿岩机，给爆破 孔的开凿带来了历史性的大变革。经过长期的研究和应用，气动冲击机械无论是在理论研究、 结构设计还是在制造工艺等方面均已臻于完善。2 0 世纪以来，在采矿工业、铁道工程、煤炭 工业、军事工程中，传统的气动冲击机械因为能耗高、生产效率低、环境污染严重等原因， 己越来越不适应现代化大生产的需要。由于压缩液体作为传动介质比压缩气体能量密度大得 多，而且能量利用率很高，因此，人们把目光投向了液压冲击机械的研制与开发。早在1 9 2 0 年，英国人多尔曼就制成了液压凿岩机，又过了四十年，英国人萨特利夫研制成了另一种液 压凿岩机，此后不久，美国g a r d e r - - d e n v e r 公司根据尤布科斯专利，制造了m p u i 型液压 凿岩机，以上几种液压凿岩机都园当时技术条件的限制，未能在生产中得到应用。随着液压 传动与控制技术的发展和机械加工技术的进步，2 0 世纪6 0 、7 0 年代诞生了利用高压液体作 为传动介质的实用型液压冲击机械，它们的基本内核是液压冲击器，其主要由冲击活塞、配流 控制阀和蓄能器三个主要部件组成，是以液压力驱动活塞往复高速运动，对外输出冲击能来 进行工作的。其典型代表有液压凿岩机、液压碎石机、液压打桩机和液压锻锤等，它们广泛 应用于冶金矿山、工程建筑、机械加工等领域，极大地提高了生产效率，因而得到了迅速发 展“2 “。 2 0 世纪6 0 年代初期，德国k r u p p 公司研制出了实用的液压碎石机，它首先用于城市建 筑施工工程，1 9 7 0 年，法国m o n t a b e r t 公司首先研制成功了世界上第一台实用的液压凿岩机， 并很快投入成批生产、推广使用“3 2 “。随后，瑞典、德国、美国、芬兰、日本等国陆续研制 出了各种型号的液压凿岩机或液压碎石机投放市场。与传统的气动冲击机械相比，液压冲击 机械具有能耗低、效率高、环境污染小、操作方便、易于实现自动化等优点，它们经生产 实践就显示了巨大的优越性和广阔的发展前景，因而引起了工程界和矿业界的高度重视。在 短短的3 0 年里，世界上先后出现了包括瑞典的a t l a s - - c o p c o 、l i n d e n - - a l i m a r k 公司，法国 的m o n t a b e r 、e m i c o - - s e c o m a 公司，芬兰t a m r o c k 公司，日本的古河f u r u k a r a 矿业株式会社， 美国的g a r d e r - - d e n v e r 、i n g e r s o l - - r a n d 公司和德国的k r u p p 公司等著名公司在内的3 0 多家 液压冲击机械专业生产厂家，在世界范围内形成了一个新兴的工业产业。目前，已有数百种 第一章文献综述 液压凿岩机和液压碎石机的系列产品问世，一些先进的产品至今已历经了几代更新 1 3 - 1 8 , 2 4 , 2 5 - 2 8 】。 我国开展液压冲击机械的研究工作起步于7 0 年代初期，基本与国际研究水平同步，但由 于当时我国液压技术发展较慢，液压凿岩机与液压碎石机未能在我国普遍推广应用。直到8 0 年代，我国科研人员走技术引进和自行开发相结合的道路，在突破了试验研究的许多关键技 术之后，取得了迅速的发展。1 9 8 0 年长沙矿冶研究院研制成功了我国第一台液压凿岩机一 y y g s o 型导轨式液压凿岩机，不久以后，由中南工业大学研制的y y g 9 0 型液压凿岩机、北京 科技大学研制的y s 一5 0 0 0 型液压碎石机和长沙矿山研究院研制的s y d 一4 0 0 型液垫式液压碎 石冲击器也相继通过了国家有关部门组织的技术鉴定。近年来，随着我国对外开放政策的深 入和科学技术的长足进步，液压冲击机械这个新兴的技术产业也得到了迅猛发展，目前国内 已经有十几家单位研制生产了数十种型号的液压凿岩机和液压碎石机的系列产品，在我国的 能源开发、城市建筑、隧道工程建设中获得了较好的应用【2 - 1 0 2 9 。”。 1 1 2 液压冲击机械的研究现状及发展动向 1 研究现状 ( i ) 液压冲击器的研究 液压冲击器是液压冲击机械( 如液压凿岩机、液压碎石机等) 的关键部件，长期以来， 液压冲击器系统运动规律的研究与探索一直是人们关注的焦点。按照人们研究时所采用的数 学模型的不同，可分为线性模型和非线性模型两种研究方法。 线性研究方法 线性研究法抓住液压冲击器运动的主要因素，忽略某些次要因素，并对冲击器作一些必 要的假设，冲击器运动规律可用明确的线性数学模型表示，可方便的求得解析解。线性研究 的前提是以“液压油压力恒定不变”为基本假设并忽略某些影响因素，以此前提，人们对液 压冲击器进行了大量的研究与探索。 首先提出“在保证冲击末速度为给定值的条件下，油压完全相等的压力控制是效率最高 的最佳控制”观点的是前苏联学者0 n a m o b 和c a 6a c o b 等人，并提出了峰值推力最 小的最佳设计方案”。在冲击器的早期研究中，许多国内学者也提出过相似的观点。人们 将冲击器的工作过程分为三个阶段：即回程加速、回程制动和冲程，并认为在整个过程中油 压恒定不变。北京科技大学李大诒教授提出了最优行程的设计思想”“、陈定远教授对液压冲 击器进行了无量纲分析”“，中南工业大学杨襄璧教授提出了著名的抽象设计变量理论。“， 该理论的核心是以冲程时间比：a = 冲程时间( t 。) 周期时间( t ) 作为抽象设计变量，由 此推导出了液压冲击器结构与性能参数的整套设计公式，并对液压冲击器进行了一系列的优 化研究：何清华教授以冲击器结构特征系数一一活塞前后腔有效面积比作为无量纲设计变量， 对冲击器进行了优化设计；此外，北京科技大学王政教授、中南工业大学胡均平教授、朱建 新研究员也以不同的优化目标对液压冲击器进行了综合分析研究”7 ”3 。 非线性研究方法 采用线性研究方法可揭示液压冲击器结构的本质关系，有确切的数学表达式，求解方便， 但它忽略了许多影响因素，需用经验系数修正。液压冲击器是一个由活塞、配流控制阀和蓄 能器等部件组成的相互制约的运动系统，为了较精确的揭示其运动规律和物理特性，非线性 研究方法越来越受到人们的重视。早在2 0 世纪7 0 年代，国外就有人将计算机数字仿真技术 中南大学博士学位论文 应用于风动凿岩机的研究，并指出这种研究方法能够获得较为精确的结果。1 9 7 6 年，日本学 者槌口正雄提出了一种液压冲击装置的非线性数学模型”“：1 9 8 0 年，北京科技大学发表了液 压凿岩机的电子计算机模拟研究的论文，提出了一个咀蓄能器压力为工作压力的非线性数 学模型，并求得了稳定的仿真数字解“；1 9 8 3 年，中南工业大学何清华教授在其论文液压 凿岩机冲击器数字仿真研究中，使用状态切换法建立了全面的数学模型，提出了“准匀加速 计算法”( p u a 法) ，并对各状态切换间的误差进行了修正，提高了仿真精度：1 9 8 7 年，北京 科技大学陈孝忠、陈定远教授发表了液压碎石冲击机构计算机仿真研究的论文，建立了 冲击机构非线性数学模型，并用b a s i c 语言编写了仿真程序，取得了与实测结果较为一致的 仿真数据。此外，刘少军教授、丁建中教授等老师也都采用各自的方法对液压冲击器建模并 进行了计算机数字仿真研究”“。 ( 2 ) 蓄能器的研究 液压冲击器的所有运动体工作时始终处于剧烈的变速运动状态，其配流控制阀的换向频 率高达5 0 、6 0 h z ，要求在极短的时间内完成大开口量的油路切换动作，压力、流量变化都非 常剧烈，系统不可避免的存在压力脉动和液压冲击。因此，液压冲击器系统中设置蓄能器的 目的就是为了吸收这种压力脉动和液压冲击，同时，在正常工作时吸收供过于求的能量，当 系统短时间内需要大量压力油时，蓄能器可补充供不应求的能量，这样可减小液压泵的容量， 从而减少电机功率消耗和系统发热。冲击活塞、配流控制润和蓄能器三者耦台运动完成液压 冲击器正常丽有效的工作，蓄能器是液压冲击器的重要组成部件，它的设计好坏直接影响液 压冲击器的整机性能。因此人们对蓄能器进行了大量的研究工作。中南工业大学何清华教授 对回油蓄能器进行了研究，在他的论文液压冲击机构的回油与回油蓄能器中提出了回油 蓄能器的参数设计方法”“。北京科技大学的段晓宏等老师以集中参数为基础，建立了高压隔 膜式蓄能器的动态模型，分析了蓄能器系统的频率特性，在此基础上，进一步分析了蓄能器 与液压冲击器的耦合特性，得出了最优工作参数比“”。中南大学朱建新教授在液压碎石机 的蓄能器动态性能实验研究一文中，通过实验测定液压碎石机的蓄能器工况，研究了蓄能 器充气腔容积和充气压力的变化对液压碎石机性能的影响”。 ( 3 ) 钎尾反弹能量吸收装置及防空打装置的研究 液压冲击器工作时不可避免地会出现钎尾冲击反弹现象和空打现象，因此，钎尾反弹能 量吸收装置与防空打装置的工作性能对液压冲击器的使用寿命起着很大的影响。孟遂民老师 在液压凿岩机反弹速度分析论文中，系统分析了钎尾反弹的因素，探讨了钎尾反弹能量 吸收的方法”；中南工业大学廖义德在其硕士论文液压凿岩机防空打缓冲装置的理论与实 验研究中，建立了防空打缓冲过程的数学模型并进行了仿真研究“；廖建勇在其博士论文 多档液压凿岩机的设计理论与计算机铺助设计中，进行了钎尾反弹能量吸收装置及防空打 装置的计算机仿真研究和优化设计”“；中南工业大学刘德顺在其冲击机械的波动力学研究 的博士论文中，应用波动力学理论，导出了冲击器各部件的回弹速度计算公式，并指出回弹 的能量可通过冲击器各部件的合理设计而加以利用”2 1 ；中南工业大学液压工程机械研究所研 制了二级防空打缓冲装置，该装置充分利用了钎尾反弹能量吸收装置的能力，是一种刨新研 究。 ( 4 ) 液压冲击器输出参数调节的研究 冲击凿岩破碎理论与实践表明：对于某种确定的工作对象( 如岩石、路基等) ，均存在一 个特定单位最优冲击能与之相匹配，只有在这一最优的单位冲击能作用下，破碎工作对象过 第一章文献综述 程所消耗的能量才晟少。因此，在凿岩破碎作业过程中，当工作对象的物理性质( 如硬度) 或具体工作状况( 如凿岩爆破工艺的平巷中深孔掘进) 发生变化时，为了降低凿岩破碎成本 和提高生产效率，出现了输出工作参数可以调节的液压冲击器”3 ”1 。 事实上，液压冲击器能够变参数输出的特点也正是其之所以取代气动冲击器的一个重要 原因，因为气动冲击器只有一个恒定的活塞行程，是不可调节的。目前，世界上许多液压冲 击机械制造商纷纷推出了一些行程可调的液压冲击器系列产品，如瑞典a t l a s - - c o p e o 公司于 8 0 年代率先推出了c o p l 2 3 8 系列的三档液压凿岩机；美国g a r d n e r d e n v e r 公司的h p r 一1 型 自动调节行程的液压凿岩机；法国e m i c o - - s e c o m a 公司的r p h 2 0 0 型三档液压凿岩机以及日 本三菱商事株式会社生产的m k b l 3 0 0 型液压碎石机。中南工业大学也于8 0 年代首先进行了 这方面的研究工作，取得了一系列的成果，成功研制了y y g 系列自动换档液压凿岩机，并 已开始用于生产实践中，填补丁国内空白。上述液压冲击器都是基于行程反馈原理设计的， 这些液压冲击器输出工作参数的调节主要是通过改变系统的输入压力( 流量) ，或增设多个回 程反馈信号孔，通过控制各信号孔的开关来调节活塞行程，以改变液压冲击器的冲击能和冲 击频率。由于受到结构的限制( 缸体上不可能设置太多回程反馈信号孔) ，这种原理只能实现 液压冲击器工作参数的有级调节，在使用过程中冲击能与冲击频率调节不方便，并且冲击能 和冲击频率同步增减引起主机功率变化很大，这就限制了液压冲击器工作范围的扩大和工作 效率的提高。因此，在主机功率变化不大的情况下，开发能无级调节工作参数的液压冲击器 就成了人们的研究热点”3 “1 。中南工业大学液压工程机械研究所提出了基于压力反馈原理独 立无级调节工作参数的液压冲击器的构想，赵宏强博士在其论文独立无级调节控制的新型 液压碎石机研究一文中，推出了这种新型液压冲击器，它主要是通过控制活塞回程压力大 小来无级调节冲击器的单次冲击能：同时，通过控制变量泵的流量，无级调节冲击器的频率。 这样可使冲击能与冲击频率在较大的范围内各自独立无级调节，而主机功率变化不大”“。 对于液压冲击器工作参数调节理论的研究，国内外的许多学者作了大量的工作。为适应 在不同工况下工作，如工作对象的硬度、冲击阻力和工艺需要的不同，要求液压冲击器能够 自动的、连续的、无级的调节工作参数以满足不同工况的要求，这就是所谓的变行程无级调 节的液压冲击器。关于这种新型液压冲击机械的理论研究、结构设计与控制方法目前尚属空 白。因此，开发研制这类性能更为先进的设各便成为促进液压冲击机械技术产业进步的重要 课题。 ( 5 ) 液压冲击器计算机辅助( c a d ) 设计的研究 随着计算机技术和信息技术的飞速发展计算机辅助设计己广泛应用于机械、电子、建 筑等工程设计领域，极大的提高了设计人员的工作效率。1 9 8 8 年，北京科技大学的陈定远、 刘庭楷、高澜庆等教授发表了题为液压凿岩机冲击机构计算机辅助设计( c a d ) 的论文， 以设计工作程式为线索，将参数优化、结构尺寸计算和仿真验算统一起来，形成了液压冲击 机构c a d 软件”“。该软件的参数优化是以液压冲击机构的理想线性模型为基础，而仿真验算 是以冲击机构的非线性模型为基础。1 9 9 4 年，中南工业大学廖建勇在其博士论文多档液压 凿岩机设计理论与计算机辅助设计中，系统的研究了多档液压冲击器的设计理论，编写了 y y g 系列液压凿岩机设计的仿真通用软件，实现了该系列液压凿岩机的计算机自动绘图”“。 计算机辅助设计应用于液压冲击机械的设计中，极大的提高了设计质量，为这种机械产品的 理论设计研究和产业化提供了坚实的技术保证。 2 发展动向 中南大学博士学位论文 液压冲击机械在过去的3 0 多年里得到了迅速发展和广泛应用。随着全球经济的巨大发 展，资源开发和基础设施的建设显得尤为重要，世界市场，特别是中国市场对液压冲击设各 的需求量日益扩大，对其性能的要求也越来越高，故新产品不断涌现。就目前来看，液压冲 击机械大致有以下发展动向：产品更新换代周期短，新产品不断涌现。瑞典a t l a s - - c o p c o 公司推出了c o p l 8 3 8 、c o p l 4 4 0 系列液压凿岩机取代了c o p l 2 3 8 系列机型；国内中南工业大学 先后研制了y y g 9 0 、y y g 9 0 a 、y y g 9 0 b 、y y g l4 5 等系列液压凿岩机：产品性能向大冲击能、 高频率、大扭矩方向发展。瑞典a t l a s - - c o p c o 公司的c o p l 2 3 8 h f 型液压凿岩机冲击频率可达 1 0 0 1 0 5 h z ，冲击能达4 4 0 j ，扭矩为5 0 0 7 0 0 n m ；中南工业大学研制的y y g l 4 5 型多档液压凿 岩机输出最大冲击能也达到3 3 0 j ，冲击频率达5 5 b z ，扭矩为4 5 0 n m ；产品结构设计和钎具 质量不断改进，钻凿破碎经济性和精确性大幅提高。瑞典a t l a s - - c o p c o 公司的c o p l 8 3 8 液压 凿岩机的钻孔速度比c o p l 2 3 8 型提高8 0 ，钎具寿命延长8 0 ；采用智能化控制。这里指 凿岩破碎过程的计算机化，它包括两个方面：一是采用电液控制技术，对液压冲击器的工作 参数进行控制，使其可根据工作对象的不同物理性质自动的无级调节活塞行程，从而改变其 输出的冲击能和冲击频率，以保证在最佳工况下工作；二是对液压钻车钻臂定位系统进行控 制，使其能迅速而准确可靠的移动到指定的位置，目前中南大学何清华教授正在进行的国家 8 6 3 项目一隧道凿岩机器人的研究就是这个发展方向。液压冲击机械性能参数测试测控的 计算机化，以计算机为核心，采用各种可视化软件( v b 、v c 等) ，实现测试技术与手段的虚 拟化。液压冲击机械系统设计与控制技术的信息化。任何一种机械产品从构思、设计、制 造到投入使用，离不开各种信息( 包括结构参数、控制参数、价格因子及市场需求等) 的集 中、分析、储存、加工和处理，使用计算机网络技术可以实现咀智能、动力、结构和传感组 成的有序信息流的在线分析与处理，完成对液压冲击机械系统的信息化设计与控制“4 “”“。 1 2 电液控制技术的形成与发展 1 2 1 概述 流体传动与控制是实现现代传动与控制的关键技术之，在冶金矿山、工程机械、机床 工业、汽车工业、航天航空以及国防等领域，获得了广泛的应用与普及。近年来，微电子和 计算机技术的飞跃发展给液压技术带来了新的挑战与机遇，由于液压系统及元件难以实现小 功率信号的数字运算、检测、放大、贮存和记忆，不宜进行小功率的特别复杂的控制，所以 只有和微电子及计算机技术密切结合才能实现比较完美的控制，这样流体控制机电一体化技 术一一电液控制技术便应运而生了。电液控制技术是一门比较年轻的技术，它的发展和普遍 应用还不n s o 年，然而凭借它豹优点却形成了流体传动与控制领域的一个重要分支，并成为 现代控制工程的基本技术之一”“。 1 7 世纪帕斯卡提出了著名的帕斯卡定理，奠定了液压传动的理论基础。流体传动与控制 经历了很长的历史时期，但作为现代电液控制技术的发展却只需追溯到第二次世界大战，由 于工业和军事工程的需要，对液压控制系统的快速性、动态精度、功率一重量比提出了很高 的要求，随着数学、工程控制理论、电子技术、计算机技术和液压基础理论的研究与发展， 电液控制技术也得到了很大的发展。1 9 4 0 年底飞机上首先出现了电液伺服系统；5 0 年代，维 第一章文献综述 克斯公司生产了电磁换向阀：1 9 5 8 年，美国麻省理工学院研制了世界上第一台电液伺服阀， 使电液伺服控制技术日趋成熟。6 0 年代末以来，电液比例技术又得到了迅速发展，随着电子 与计算机工业的发展，现今己进入了电液数字控制技术阶段，出现了模拟流体控制与脉冲流 体控制技术，脉冲流体控制是将电信号转换成可直接控制的流体脉冲，从而使流体( 液压) 控 制数字化。众所周知，电子技术在信号检测、放大、处理和传输方面具有明显的优势，而液 压系统及元件在功率转换放大单元和执行部件等方面也有无可比拟的优越性。随着计算机控 制技术的日益完善和广泛应用，利用微机对电液系统进行数字控制己成为机械行业实现机电 一体化的一种重要手段，数字控制是实现液压系统高精度、高速控制的最理想的方法之一。 电液控制技术架起了电子、计算机与液压系统的桥梁，以计算机控制为中心的电液控制技术 兼备了电子与液压的双重优势，大大提高了液压控制系统的控制精度和自动控制水平，具有 强大的生命力和广阔的应用前景”1 。 1 2 2 电液控制技术的数字化 随着流体控制技术与电子技术的发展和相互融合，出现了各种各样的流体机电一体化元 件，如电磁换向阀、电液伺服阀、电液比例阀、高速开关电磁阀等，根据用途的不同，由它 们和其他执行元件及检测元件可以组成各种各样的电液控制系统”1 。 计算机的飞速发展和广泛应用给电液控制技术带来了深刻的影响，数字信号只有“开”、 “关一两种形式，既简单又可靠。负载及其它干扰不影响开关状态，系统及元件中的摩擦、非 线性、滞后等因素对电液数字控制系统的影响小，电液数字控制元件可以由可编程序控制器 或计算机直接控制，而无需数一模转换。电液数字控制系统一般有二种控制方式：种是由 计算机发出脉冲序列，经驱动电源功率放大后，直接控制带步进电机的液压阀( 数字阀) 动作， 从而控制执行元件工作，如图11 所示。另一种是提通过计算机控制脉宽调制放大器，驱动高 速开关电磁阀动作，从而控制执行元件工作，如图卜2 所示。 图卜l 增量式电液控制系统 图卜2 脉宽调制式电液控制系统 ( i ) 增量式数字电液系统 步进电机是以增量的形式对液压系统进行控制的，如图卜i 所示。步进电机在一定的电信 号作用下，转子输出相应的步距角，从而带动液压元件动作，即步进电机转子的转角完全由 相应的运行步数来描述，这种量化法很适合微机这样的数字控制器件，因而在数字式液压控 制系统中采用微机控制步进电机驱动的系统应用广泛。采用步进电机驱动的液压控制阀我们 中南大学博士学位论文 称之为增量式数字阀。这种控制系统的主要特点是采用开环控制便能满足精度要求，具有较 高的可重复性和可靠性。 ( 2 ) 开关式数字电液系统 直接受控于计算机的二进制“开”、“关”量的高速开关电磁阀，采用脉冲调制原理，可实现 对流体动力参数的控制，最典型的一个例子是脉冲宽度调制数字控制系统。高速开关电磁阀 控制系统不仅能靠开关阀进行电液电气转换和信号放大，从而控制系统的压力、流量和方向， 而且也能实现对液压执行元件运动的连续反馈控制。这是一种很有发展前途的控制系统，作 者在液压冲击机械的电液控制系统中运用高速开关电磁阀技术，构造丁高速开关电磁阀压力 控制系统，实现对恒压变量泵与推进液压缸的数字控制。 1 3 基于高速开关电磁阀技术的电液控制应用研究现状 1 3 1 液压脉冲宽度调制( p w m ) 的研究 脉冲宽度调制的概念来自于通信工程中的信号处理技术，电波信号的发送和接收采用调 制解调技术，而脉宽调制是电波调制的重要手段之一。后来在电机的无级变速控制中pw m 技术得到了成功的应用和迅速发展。脉冲宽度调制( p w m ) 信号是具有恒功率、恒幅值及不同通 断时间比例的方波信号。脉冲周期内的脉宽时间与脉冲周期的比值称之为脉宽占空比( 也称调 制率) 。 在液压控制系统领域，最早引入p w m 技术的是美国l o g nh o p k i i i s 大学的应用物理实验室， 19 5 9 年出现了第一个液压pw m 控制的开关电液伺服系统，1 9 7 0 年t a f t 等人发现了pw m 控 制对伺服阀的静特性具有线性改良作用，这促使了人们后来应用p w m 技术于伺服阀实现了比例 流量控制。在电液伺服系统pw m 控制发展的同时，电磁开关阀也得到了迅速发展，人们开 始考虑用廉价的高速开关电磁阀代替昂贵的伺服阀进行p w m 控制，从而实现对执行机构的反馈 控制。g o l d s t e i l 3 ( 1 9 6 8 年) 、h e s s ( 1 9 7 2 年) 、m a n s f i e l d ( 1 9 8 1 年) 、p a r k e r ( 1 9 8 1 年) 等人的研 究开发，获得了一些有关电液开关pw m 控制的研究成果。近年来，由高速开关阀构成的各 种电液p w m 数字压力、流量、位置及速度控制系统有了较大的发展。如液压泵排量的p w m 控制、 汽车主动悬架的p w m 控制、液压缸位置的p w m 最优控制、开关定压网络油马达的p w m 控制以及内 燃机全电子燃油喷射系统的p i t m 控制等”1 。 在机电液一体化的应用和发展中，电液控制阀及其数字控制技术起着越来越重要的作用。 电液控制阀大体可分为电液伺服阀、电液比例阀和高速开关电磁阀三类，其中高速开关阀由 于具有极高的响应速度、结构紧凑、重复性好、工作耐久可靠、抗污染能力强以及价格便宜 等诸多优点，因而引起了人们的关注。1 9 9 0 年初，我国贵州红林机械集团公司与美国b k m 公司 联合，成功研制了工作频率可达2 0 0 h z 的t t s v 系列高速开关电磁阀”“。随着高速开关电磁阀的 出现，各种基于高速开关阀的电液控制系统也日益成为人们研究的热点。在液压p w m 控制系统 中，由计算机输出p w m 信号经过放大器直接控制高速开关阀，通过改变阀的开启和关闭时间， 实现对液压系统流量和压力的控制。这种液压控制系统要求高速开关阀具有极高的响应速度 和良好的可靠性而目前工程中常用的液压阀均不能满足上述要求。 第一章文献综述 液压脉冲宽度控制所用的阀类元件及电气回路比其它控制方式简单，而且与计算机( 单片 机) 的适应性较好。基于高速开关阀的液压控制系统，运用脉冲宽度调制的( p w m ) 技术，实现 微机电液数字控制。p w m ( p u s ew i d t hm o d u l a r i o i l ) 技术是电脉冲调制的方法之一，它可对 应于输入信号，对具有固定周期的电脉冲信号进行脉冲宽度调制，故称之为脉宽调制。调制 信号可以由微机( 或单片机) 产生，也可由振荡电路产生。由高速开关阀构成的液压控制系统， 与伺服阀及比例阀的连续控制方式不同，而采用脉冲流量控制方式。阀直接根据一系列脉冲 电信号进行开关动作，在出口输出一系列相应的脉r f “ 冲流，这一系列脉冲的时间平均被视为控制流量。 其工作原理如图卜3 所示”3 。 图1 - 3 ( a ) 的r ( t ) 为计算机产生控制信号( 由程0 序指令产生) ，将该信号与载波信号z ( t ) 进行比较， v ( t ) 如果在某时刻r ( t ) 的值大于载波信号z ( t ) 的值，则 使阀开启，否则使阀关闭。从而得到如图卜3 ( b ) 中 所示的系列控制指令，将这一系列控制指令施加 。 到高速开关阀的电磁铁线圈上，于是在一个循环时 间t ：内，有t 。的时间阀通路打开，有流量q 通过，有 t 一的时间阀关闭无流量通过。其中时间t 。与t 。之 比，脉冲宽度调制率( 也称占空比) ，记为d = t 。t 。0 由于高速开关阀工作时的载波周期t ：非常小( 常取 t 。= 0 0 l 0 1 5 s ) 。因此，可用平均流量0 来表示这 一时间内的阀的输出流量，表示为： q ：c 。4 d j 丝 vp 图卜3 液压p w m 控制原理 式中： q 一通过高速开关阀的平均流量；c 。一流量系数：a 。一阀最大开口面积 p 一油液的压差：d 一脉冲宽度信号( p w m ) 调制率：p 一油液的密度 ( a ) ( b ) ( c ) 1 3 2 高速开关电磁阀技术的应用现状 在液压控制系统中，常常需要对液压泵或液压缸等元件进行调节，来满足工程实际应用 的要求，传统的调节方式是人工操作的，如手动变量泵的手动调节方式等。随着电液控制技 术的发展，大量数字液压元件和电子元件的广泛 运用，使得电液控制系统实现数字化控制极为方 便。如前所述，高速开关电磁阀是8 0 年代发展起 来的新型数字阀，国内外学者对高速开关阀及由 其构成的电液控制系统进行了深入的研究，取得 了令人鼓舞的成果”“1 。 美国威斯康星一麦迪逊大学b e a c h le y 教授研 制的液压泵高速开关阀排量调节位置控制系统， 通过对液压泵变量机构的电液控制，很好的实现 图1 4 高速开关阀位置控制变量机构 了对液压泵液压马达的排量控制。其工作原理如图1 4 n 示。 中南大学博士学位论文 在国内，上海工业大学黄谊教授针对一台c y l 4 1 8 型双柱塞泵用高速开关阀位置控制系统 进行排量控制，通过仿真分析和实验研究，得到了较好的控制效果：稳态误差为0 2 5 ，调整 时间为0 7 5 s 8 7 1 。此外，广西大学的周显文老师也对高速开关阀作为先导阀的位置控制液压 泵液压马达变量机构进行了研究，并得出结论：由高速开关阀作先导阀与逻辑锥阀配合构 成的系统可实现大流量的比例控制 s 8 1 。清华大学卢启龙等人应用高速开关电磁阀技术，实现 了柴油机电控燃油喷射的定时、定量控制”。中南大学刘少军教授提出的基于高速开关阀控 制的汽车主动悬架系统，通过计算机控制高速开关阀的输出油压，由此控制油气缸内的油压 以控制车体的振动1 。 在汽车防抱制动装置中( 简称a b s ) ，液压调节器主要由一个二位三通高速开关电磁阀、 油泵、电机、单向阀和蓄