（机械设计及理论专业论文）混凝土泵车臂架液压系统动态建模与仿真.pdf

a b s t r a c t w i t ht h er e s e a r c ho b j e c to ft h eh y d r a u li cs y s t e mo fas p e c i a lc o n c r e t e p u m pt r u c ka r m ，t h et h e s i sh a sc h i e f l yc a r r i e do nt h er e s e a r c ho ff o l l o w i n g s e v e r a la s p e c t s ： ( 1 ) t h ep o w e rb o n dg r a p hm o d e l so fh y d r a u l i cc o m p o n e n t so ft h es y s t e m a r ec o n s t i t u t e d a n dt h ec o r r e s p o n d i n gm a t h e m a t i cs i m u l a t i o nm o d e l sa r e e s t a b lis h e d ( 2 ) t h es t r u c t u i ? ef e a t u r eo ft h eh y d r a u l i cs y s t e mo ft h ec o n c r e t ep u m p t r u c k sa r m si sa n a l y z e d ，a n dt h ep o w e rb o n dg r a p hm o d e l so ft h ef i r s ta r m s h y d r a u l i cs y s t e mu n d e rt w oc o n d i t i o n s ( d r a w i n gb a c ka n ds p r e a d i n go u t ) a r e e s t a b lis h e d ( 3 ) t h ed y n a m i cm o d e l sa r e s i m u l a t e dw i t ht h em a t l a bs o f t w a r e s o m e m e a s u r e sa n da l g o r i t h m sa r ea d o p t e dt os o l v et h e s t i f fp r o b l e mi nt h e s i m u l a t i o n f r o ms i m u l a t i o nr e s u l t ，t h ec o r r e s p o n d i n gf a c t o r s t h a tc a n i m p r o v et h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co ft h ec o n c r e t ep u m pt r u c k sa r ms y s t e m a r eo b t a in e d ( 4 ) ap r a c t i c a lm e t h o do fm o d e l i n gt h el o n gp i p eb yd i s c r e t i z a t i n gh a s b e e nc o n s t i t u t e d t h ei n f l u e n c et ot h eh y d r a u l i cs y s t e mh a sb e e na n a l y z e d ( 5 ) t h es i m u l a t i o nr e s u l t s h o w s ：t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h e h y d r a u l i cs y s t e mo f t h ec o n c r e t e p u m p t r u c k sa r m sc a nb e i m p r o v e db y o p t i m i z i n g t h e p a r a m e t e r s o ft h e d a m p i n gr a t i o ，f l o w c o e f f i c i e n t ， f l o w - p r e s s u r ec o e f f i c i e n t a n dm a g n i f y i n gc o e f f i c i e n t t h e r e s u l t sa l s o p r o v i d et h en e c e s s a r yt h e o r e t i c a lb a s i st ot h ed e s i g no ft h ec o n c r e t ep u m p t r u c k ss a f ev a 】v e k e y w o r d s ：c o n c r e t ep u m pt r u c k ；d y n a m i cs i m u l a t i o n ；p o w e rb o n dg r a p h ； b a l a n c eh y d r a u l i cc i r c u i t ；l o n gp i p e s l l 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 日期：，一尹年j 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密日。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：3 和， 日期：n 一律，月，* 日 导师签名，曼名p 日期：7 一年，月。日 第一章绪论 从1 9 0 7 年德国第一次提出了混凝土泵的概念到1 9 2 0 年美国制造出第 一台机械式混凝土泵，混凝土泵的发展至今已有9 0 多年的历史，从早期的 机械驱动阶段，液压驱动阶段到现在的车载式混凝土泵车【1 】【2 1 【3 】，混凝土泵 的制造技术得到长足的发展，同时其在工程领域内的应用也越来趣广泛。 8 0 年代初，我国已开始引进国外先进技术批量生产混凝土泵，混凝土 泵车在我国的使用也进入一个新阶段。近年来，随着我国对公路、铁路、水 利等基础建设投资规模的不断扩大和高层建筑的不断发展，对混凝土施工质 量要求和施工工艺要求也越来越高，混凝土泵车的需求量也越来越大，混凝 土泵车也进入了另一个快速发展的时期。 目前，我国的泵车生产企业在引进国外先进技术的基础上，对其进行认 真消化，已完全掌握了混凝土泵车的制造技术，并具备了开发设计具有自己 的知识产权泵车的能力，同时也掌握了研制臂架的核心技术。如三一重工生 产的4 8 m 、5 6 m 泵车，其臂架的质量和性能均已达到国际先进水平。 虽然我国的混凝土泵技术目前已有一个长足的进步。但技术方面和国外 许多知名公司( 如p u t z m e is t e r 、s c h w i n g 、l i e b h e r r 、k o y 0 、r o s e 等) 的新产品相比仍存在不小的差距。如国产的3 7 5 6 m 泵车，在泵车臂架的收 缩和伸展过程中以及混凝土布料过程中，均存在比较大的抖动，从而导致臂 架相关零件过早疲劳，布料过程不能精确控制进行等。造成混混凝土泵车臂 架抖动的因素很多，目前的研究主要有以下两个方面： ( 1 ) 臂架结构影响 早期的3 7 m 水泥混凝土泵在正常工作时臂架部分振动过大，臂架末端 最大振幅甚至达2 m 左右，引起浇注定位因难，严重影响作业质量。文献 4 5 对某型泵车进行模态分析及试验研究得出，其一阶固有频率与工作 频率部分重合引起了较大抖动，因此对其进行了结构优化，改进后的结构使 两种频率最大限度的避开，从而使臂架振动问题得到缓解。 ( 2 ) 平衡回路的影响 在混凝土泵车臂架的伸展和收缩过程中，液压回路多采用的是平衡限速 回路。在此类型的回路中，当相关液压元件参数选择不合理时，就会发生液 压平衡回路常见的失稳现象，反映到臂架上就是低频抖动1 6 j 【7 】【8 】( 俗称的点 头现象) ，如何解决在设计中合理配置参数是一个非常重要的问题。 液压系统动态特性是其在失去原来的平衡状态到达新的平衡状态这一过 程中，所表现出来的特性。影响此动态过程的原因归纳起来原因主要有两 个：一是由传动与控制系统的过程变化引起的；另一个是由外界干扰引起 的。在这一动态过程中，统中各参变量都在随时间变化，这种变化过程性能 的好坏，就决定系统动态特性的优劣l 9 】。研究液压系统动态性能的主要问题 有两方面：一方面是稳定性问题，即高压系统( 管道或容腔) 中压力瞬时峰 值与波动情况，主要分析液压系统是否会因为压力峰值过高而产生压力冲 击，或系统经过动态过程后，是很快达到新的平衡状态，还是形成较持续的 振荡：另一方面是过渡过程品质问题，即执行机构和控制机构( 如负载和液 压元件) 的响应品质和响应速度，主要研究系统达到新的稳定状态所经历的 过渡时间，达到压力峰值的时间以及速度、位移等参数随时间的交化等。 研究液压系统动态特性的方法很多，如：传递函数法，模拟仿真法，实 验研究法，数字仿真法等【9 】。 传递函数分析法是基于经典的控制理论一种研究方法，主要基于传递函 数对系统进行分析，结构简洁易懂。但其局限性也很明显：对非线性常常进 行忽略或线性化，多局限于单输入单输出系统，对于多输入多输出的系统常 无能为力。模拟仿真法是一种连续计算方法，它把实际系统物理量用电压表 示，通过连续运算，求解描述系统动态特性的微分方程，该方法具有接近实 际情况，系统具有调试简单和运算速度快等优点，但最大的缺点是运算精度 低。实验研究法通过实验研究可以直观地真实地了解液压系统动态特性和参 数变换。但是这种方法周期长费用大且不具有通用性。数字仿真法是利用计 算机技术研究液压系统动态特性的一种新方法。此方法先是建立液压系统动 态特性数字模型一一状态方程，然后在计算机上求出系统中各种主要变量在 动态过程中的时域解。这种设计方法适用于各种线性和非线性系统，可以模 拟出任何输入函数下系统中各参变量的变化情况，从而获得对系统动态过程 直接的全面的了解，使得设计人员在设计阶段就可以预测液压系统动态性 能。与其他方法相比，这种方法具有精确可靠，适应性强，周期短和费用低 等优点。 液压系统的动态特性仿真的关键是模型的建立。在2 0 世纪6 0 年代发 展起来的功率键合图法是一种非常有效的建模方法 1 o l 1 1 h 1 2 】 13 1 f 14 】【15 1 。用 2 功率键合图法建立系统模型时可以直接考虑非线性因素，也可以处理多输入 多输出系统。根据键合图模型与基于现代控制理论的状态变量模型间存在严 密的内在逻辑关系，还可以直接推出适合仿真的状态方程。从能量关系来 看，功率键合图可以反映系统中功率的传送，贮存，转化，耗散及系统中各 能量间的关系，建立的数学模型与实际情况相似，它以发生在元件间的动态 功率交换为研究对象，把包含于其中的力变量和流变量纳入到系统的设计当 中来。当功率键合图理论用于研究液压系统中的动态特性时，表示该系统在 动态过程中的功率流向，即反映系统在各种因素作用下，动态过程中的功率 流向，汇集分配和能量转换等情况【9 j 。 液压系统的动仿特性可以通过数字仿真进行模拟。仿真过程中，液压仿 真软件的选择同样重要。 从早期的直接面向液压技术领域的专用液压仿真软件h y d s i m 程序研制 成功，到由计算机来完成液压系统动态仿真模型的自动建模的d s h 和h a s p 软件包，再到直接面向键合图的通用建模与仿真程序e n p o r t ，液压仿真软 件取得了长足的发展【1 5 】【1 6 】【17 1 。与专用液压仿真软件相比，一些通用的仿 真软件在液压仿真领域内也取得出色的成绩，如在8 0 年代中后期，m a t h w o r k s 公司推出的面向矩阵或向量运算的m a t l a b 仿真软件就是其中的杰出 代表。众所周知，虽然液压系统是一种应用广泛的动力驱动方式，同电动气 动相比，液压驱动具有输出作用力、质量比大的特点。但是液压系统是一个 封闭系统，系统内压力流量等参数的测量比较因难。因此设计更多的是靠经 验，调试也比较因难。针对这一问题，m a t l a b 仿真软件提供了许多数学模 型解算工具，提供了较好的仿真结果后处理功能，它已成为目前国际上最流 行的控制系统的计算机辅助设计的软件工具。9 0 年代初，该公司又推出了 以交互式模型输入与仿真环境的s i m u l i n k 工具箱，其友好的界面和灵活的 模型描述方法给广大工程技术人员带来了极大的方便。 基于改善泵车臂架液压系统的动态特性为出发点，本文以某型号泵车的 臂架液压系统为依托，采用功率键合图理论作为建模方法，建立了此型号泵 车的第一节臂收缩与展开两种工况下的键合图模型。再根据键合图模型与数 学仿真模型间的对应关系，在m a t l a b s i m u l i n k 仿真环境下，建立了其仿 真框图并进行了仿真。论文最后讨论了相关参数对整个系统动特性的影响， 并根据仿真结论对某型号泵车的安全阀组件进行了合理的优化。 3 第二章建模理论基础 2 1 功率键合图理论简介 键合图基本理论是美国麻省理工学院的h p a y n te r 教授在5 0 年 代末提出的。用以研究各个工程领域的系统动态性能。后来由加利福 尼亚大学的d k a m o p p 教授【1 7 】等人多方面应用，并进一步加以发展， 到了7 0 年代中期日渐趋于完善，使这种方法得到较全面系统的应用 并结合液压专业特点的是澳大利亚的德兰期菲尔德( p d r a n d f ie l d ) 教授。 功率键合图( p o w e rb o n dg r a p h ) 是建立动力学系统数学模型即 简便又简明的方法。键合图是用图形方式来描述系统中各元件的相互 之间的关系。它能反映元件间的负载效应以及系统中的功率流动情 况，还可以表示出与系统动态特性有关的信息。利用有关变量间的因 果关系，就可以很方便地由键合图直接写出适合仿真的动态方程。由 于键合图是一种方义的网络符号，因此可以用它们来模拟许多类型的 物理系统，如机械和电气系统等。特别是在液压系统领域内的动态仿 真分析研究中得到广泛的应用。 2 2 基本键合图元1 1 8 l 【1 9 l 【2 0 2 2 1 功率键 功率键是用一根直线表示，其上的半箭头表示功率的流向。每一 个功率键上有两个基本变量：力变量e ( e f f o r t ) 和流量f ( f 1o w ) ， 如图2 1 所示在具体的机械液压和电气系统中可以分别代表：作用 力f 和速度v ；扭矩m 和角速度( i ) ；电压e 和电流i 。在液压系统中， 常用来表示液体压力p 和液体流量q 。 e f 图2 1 功率键 4 第二章建模理论基础 2 1 功率键合图理论简介 键合图基本理论是美国麻省理工学院的h p a y n te r 教授在5 0 年 代末提出的。用以研究各个工程领域的系统动态性能。后来由加利福 尼亚大学的d k a m o p p 教授【1 7 】等人多方面应用，并进一步加以发展， 到了7 0 年代中期日渐趋于完善，使这种方法得到较全面系统的应用 并结合液压专业特点的是澳大利亚的德兰期菲尔德( p d r a n d f ie l d ) 教授。 功率键合图( p o w e rb o n dg r a p h ) 是建立动力学系统数学模型即 简便又简明的方法。键合图是用图形方式来描述系统中各元件的相互 之间的关系。它能反映元件间的负载效应以及系统中的功率流动情 况，还可以表示出与系统动态特性有关的信息。利用有关变量间的因 果关系，就可以很方便地由键合图直接写出适合仿真的动态方程。由 于键合图是一种方义的网络符号，因此可以用它们来模拟许多类型的 物理系统，如机械和电气系统等。特别是在液压系统领域内的动态仿 真分析研究中得到广泛的应用。 2 2 基本键合图元1 1 8 l 【1 9 l 【2 0 2 2 1 功率键 功率键是用一根直线表示，其上的半箭头表示功率的流向。每一 个功率键上有两个基本变量：力变量e ( e f f o r t ) 和流量f ( f 1o w ) ， 如图2 1 所示在具体的机械液压和电气系统中可以分别代表：作用 力f 和速度v ；扭矩m 和角速度( i ) ；电压e 和电流i 。在液压系统中， 常用来表示液体压力p 和液体流量q 。 e f 图2 1 功率键 4 2 2 2 键间关系 对于多通口元件，相连接的功率键常多于三根，各间之间的联系 用节点来表示 a 结点0 ( j u l 3 c t i o n0 ) 在液压系统中，0 结点相当于一个定量的液压容腔，该容腔中液 体的压力相等。但进出容腔的流量的代数和为0 如图2 2 ( e 1 ) 所示某 三通液压管路中，其压力( 力变量) 相等，即有p 。= p 2 = p 3 ，而流变量 代数和为零，即吼= q ：+ 吼。此环节在键合图中用0 结点表示则如图 2 2 ( b ) 。 p 3 ，q 3 p 1 ，q 1 二p = 一p 2 ，q 2 | p 3 iq 3 l 一o 净 a 实际三通管路 b 用o 结点表示的三通管路 图2 2三通管路及其0 结点图 b 结点1 ( j u r c t i o i l1 ) 在液压回路中，结点相当于带有液阻r 的管路，如图2 3 a 所示， 图中流过管路的流量q 为定值。而压力a = 儿+ p ：( 卸) 。用1 结点表示 如图2 3 所示，图中p 1 = p 2 + 见，珂l = 珂2 = q 3 ，其中w = p 2 9 2 相当于消耗 在液阻r 上的功率。 r p l 、p 3 q 食 q 1 q 2 p 3 ：一 q 3 a 带用液阻的管路b 用1 节点表示的液阻管路 图2 3液阻管路及其1 结点图 2 2 3 变换器t f ( tr a n s f o r m e r ) 及旋转器g y ( g y r a t 0r ) 变换器t f 和旋转器g y 都是能量变换器，应用它们可以用来表示 p一 不同类型能量间的转换。在功率键合图中一般表示如图2 4 所示。 ! ! 墨 ! 兰 f 1f 2 at f 转换器 ! ! 譬 ! 兰 f 1f 2 bg y 转换器 图2 4t f 变换器和g y 转换器 变换器t f 和旋转器g y 不同的地方是： 对于t f 变换器，力变量和势变量遵循的转换关系是 r 以f l ；e 2 f 2 j e l a ；e 2( 2 1 ) i f l a ，1 2 而对于g y 旋转器，力变量和势变量遵循的转换关系是 f e l ，1 = e 2 ，2 j p l - m = f 2 ( 2 2 ) 【f l m = e 2 g y 旋转器在液压系统中用得很少，而t f 变换器就用的较多了。 例如，在混凝土泵车的臂架展开时，臂架油缸中的活塞就可以看作是 一个以液压有效面积作为变换比的变换器，它将液压领域内的力变量 ( 压力p ) 和流变量( 流量q ) 转换成机械领域内的力变量( 活塞所受 作用力) 和流变量( 活塞运动速度) 。变换器前后的力变量和流变量 的性质都发生了变化。 2 2 4 作用元( e f f e c t ) 1 ) 阻性元件( r e s is t i v ee f f e c t ) 阻性元件简称r 元，它常用来描述系统的功率损耗。机械系统中 机械摩擦，电路中的电阻等，液压回路中的阻尼小孔等都可以用阻尼 元件来模拟。 2 ) 容性元件( c a p a c i t i v ee f f e c t ) 容性元简称c 元，它常用来描述元件的储能作用。如机械系统中 的弹簧，液压回路中的储能器和电路中的电容等都可以用容性元件来 表示。 3 ) 感性元件( i n d u c t i v ee f f e c t ) 感性元也称惯性元，简称i 元。它也是一种储能元件。当惯性元 件的力变量和流变量的积为正时其为储能状态，当积为负时其为释能 状态。如机械系统中的固体质量，电路中的电感等都可以用感性元件 来模拟。 阻性元件，容性元件和感性元件符号都可以用图2 5 所示的单通 口元件来表示： ! ! 二r f l ! ! 、c f l ! ! i f l 25 作用兀符号 在流体流动的过程中流体有力图改变液体运动状态的粘性和压 缩性以及维持现在状态的惯性等。液压建模过程中常用液阻，液容和 液感三个典型的物量效应来描述。再根据键合图理论关于阻性元件， 容性元件合感性元件的定义，就很容易把键合图理论引入液压系统的 建模仿真领域内。在电液比拟的基础上，可以定义标准元件典型的三 个物理效应：液阻效应，液容效应和液感效应 ”1 【“1 【2 2 】f 2 ”。 液阻效应 电荷在流动过程中会受到电阻的作用而消耗电能，同样流体在流 动过程中同样会受到各种形式的摩擦和局部压力损失造成能量损失。 这种过程是不可逆的，其流量一压力特性与流道的几何形状，通流面 积以及液体自身参数关系都比较密切。 r ：丝 ( 2 3 ) d q 在式2 3 中r 就表示这种液阻尼。在层流状态，r 是一个常系数：而 在紊流状态下，r 是一个函数式。 液容效应 液压系统中用以传递能量的液体在压力作用下体积要缩小，液体 的这种效应叫做液容效应，在一般情况下，压力p 和体积压缩量v 的关系是 7 p ；，( y )( 2 4 ) 在线性或线性化的情况下，上式可以表示为 v p 。石 2 5 式中： c 0 线性液容 由于液体的可压缩性所形成的液容与受压液体的初始体积和液 体的体积模量有关。当液体受压缩而体积减小a v 时，压力增高量幻为 肇= 鲁 e ， 式中： 芦一一液体体积弹性模量 一受压体积的初始体积 由式可得液体的线性体积液容c 。为 c 。= 鲁 t ， 式中： 芦液压油等效弹性模量 液感效应 流道中的液体由于具有质量而具有的保持其运动状态不变的性 质，这一物理效应称为液压效应。液感效应关联着压力动量 和流量 q 两个变量，以线性情况下，压力动量和流量之间的关系可以表示成 a i o q( 2 8 ) 式中：，。一线性液感 根据基本键合图元的定义，液阻效应，液容效应和液感效应可用 图2 6 所示的相应键合图元件来表示。图中的r ，c ，1 分别为液压系 统中相应的液阻元件，液容元件和液感元件。 p = 、r q ( a ) 液阻效应键舍图表示 d 、c q ( b ) 液容效应键舍图表示 p = 、i q ( c ) 液感效应键台图表示 图2 6 液容液阻液感键台图表不 2 2 5 外界输入功率( s o ur c e ) 外界输入功率主要有力源( e f f o r ts o u r ce ) 和流源( f l o ws o u r c e ) 两种在输入功率中，如果力是已知的，则称为力源，用s e 来表示； 如果流是已知的，则称为流源。力源和流源的大小既可以是恒定的， 也可以是按一定规律变化的。在液压系统中的定量泵，供油流量可以 简化成一个恒定的流源，而恒压泵的流量输出则常常简化成一个恒定 的力源。力源和流源的符号如图2 7 所示。 s e! ! ： f l s f! ! 、 f l 图2 7 力源和流源符号 2 2 6 因果关系和因果关系规则 如前所述，外界输入到系统的功率，其中力变量和流变量往往有 一个是以特定值输入到系统中去，而另一个变量则由系统中各因素和 共同作用决定其量值。同理，对于系统中任一元件来说，其功率键中 的力变量和流变量f 中，也只有一个是以自变量的形式输入到系统中 去，而另一个变量则是因该元件的作用以因变量的形式反馈到系统。 因此在一个元件的功率键上的两个变量之间一定存在因果关系。 功率键上两个变量间的因果关系用垂直画在功率键一端的因果线 来表示，如图2 8 所示 a ! = ：，jba f ( a ) 图2 8 键合图因果关系 对于流变量f 无因果线的一端为输入方向，对于力变量e 有因果 线的一端为输入方向因此在图2 8 a 中，a 端流变量f 为自变量，而 力流量e 为因变量，b 端反之。对于图2 8 h ，a 端力变量e 为自变量， 而流变量f 为因变量，b 端反之 在液压系统中，通常把因变量写成自变量的积分函数形式，实际 上这种积分关系也是和大多数元件的实际物理意义相一致的。因此在 标注因果关系线可参照以下规则： 1 ) c 元功率键上的因果线 对于c 元端，流变量是因，力变量是果，因此因果线画法如图2 9 1 二二一i c f 。 图2 9c 元因果线 2 ) i 元功率键上的因果线 对于i 元端，力变量是因流变量是果，因此因果线画法如图2 1 0 e 卜一一一一一二二、i f 图2 1 0i 元因果线 3 ) r 元功率键上的因果线 r 元上因果线一般没有什么限制，这是因为r 元上的力变量和流 变量之间没有积分和微分关系。 4 ) 力源s e 功率键上的因果线 在力源输给系统的功率中，力是已知的，而输入功率中的流变量 是由系统中各影响因素决定的。力变量是因，流变量是果，因此因果 线画法如图2 1 1 所示 s e 3 图2 11 力源因果线 0 5 ) 流源s f 功率键上的因果线 与力源同理，在流源的功率键上，流变量是因，力变量是果，因 果线如图2 1 2 示 s f i 竺二二= = = 。 f 幽2 1 2流源因果线 6 ) 0 结点周围功率键上的因果线 因0 结点周围的各键上的力变量相等，因此在o 只应用一根键且 必须只有一根键上的因果线画在0 结点旁边，而其它键的因果线画在 功率键的另一端。如o 结点周围有c 元，则0 结点周围的因果线是固 定的。因果线如图2 13 所示 图2 1 30 结点因果线 7 ) l 结点周围功率键上的因果线 与o 结点类似，其周围各键上的流变量相等，因此1 结点周围各 键上，只应用一根键且必须只有一根键上的因果线不画在1 结点旁 边。如1 结点周围有i 元，则1 结点周围的因果线是固定的。因果线 如图2 1 4 所示。 i 7 r 2 2 叫1 l 。= = 一 图2 1 41 结点因果线 8 ) 变换器t f 周围功率键上的因果线 变换器是一种能量变换器，客观存在只使变换器前后的功率键上 的力变换。而不改变功率键上两个变间的因果关系，因此其有如图 2 15 所示的两种关系 一 c卫。 一 卜。一t f l _ 二 图2 15变换器t f 因果线 9 ) 旋转器g y 周围功率键上的因果线 旋转器g y 作用是使前后两端功率键上的力变量和流变量互按一 定的比值进行变换，因此前后两根键上的变量间的关系也变了，其因 果线可如图2 1 6 选择 二= 叫g y 乙 l _ 二g y 一 蚓2 1 6旋转器g y 因果线 2 2 7 功率键合图中的控制关系 功率键合图中往往有一些参数比如作用元是受另一些变量控制 的，即它们是时变的，是另一些参数的函数。例如在本论文中讨论的 平衡阀排出的流量与平衡阀的开口液阻有关，因此表示流量与开口处 阻性元r 有关，但平衡阀的开口液阻又与阀芯的位移量直接相关，是 阀芯位移x 的函数，x 可由1 结点处的变量速度v 经积分后引出。这 种r 受控于x 的关系在键合图中则用全箭头来表示，详细如图2 1 7 所示 r q 1 shf ，v ( x ) 1 一v 图217键台图中的控制关系 2 3 由键合图建立状态方程的方法【1 7 1 对于一个系统的物理模型来说，首先建立其原始功率键合图模型 1 2 卜。一t f l _ 二 图2 15变换器t f 因果线 9 ) 旋转器g y 周围功率键上的因果线 旋转器g y 作用是使前后两端功率键上的力变量和流变量互按一 定的比值进行变换，因此前后两根键上的变量间的关系也变了，其因 果线可如图2 1 6 选择 二= 叫g y 乙 l _ 二g y 一 蚓2 1 6旋转器g y 因果线 2 2 7 功率键合图中的控制关系 功率键合图中往往有一些参数比如作用元是受另一些变量控制 的，即它们是时变的，是另一些参数的函数。例如在本论文中讨论的 平衡阀排出的流量与平衡阀的开口液阻有关，因此表示流量与开口处 阻性元r 有关，但平衡阀的开口液阻又与阀芯的位移量直接相关，是 阀芯位移x 的函数，x 可由1 结点处的变量速度v 经积分后引出。这 种r 受控于x 的关系在键合图中则用全箭头来表示，详细如图2 1 7 所示 r q 1 shf ，v ( x ) 1 一v 图217键台图中的控制关系 2 3 由键合图建立状态方程的方法【1 7 1 对于一个系统的物理模型来说，首先建立其原始功率键合图模型 1 2 确定系统内功率流动方向及键合图元所关联的两个功率变量的因果 关系后，就可以列出系统初步方程，其基本步骤如下： ( 1 ) 选定输入、能量变量及共能量变量。功率键合图中每个源元 件对应系统的输入变量，称之为u ；将图中各储能元件的能量变量即 每一惯性元件i 的广义动量变量p ( t ) 和每一容性元件c 的广义位移变 量q ( f ) 作为系统状态变量，称之为x 。除此之外还存在另一组变量， 这就是由每个惯性元件i 上的流变量f q ) 和每个容性元件c 上的势变 量e “) 所组成的共能量组。这些变量将出现在最初列出的方程式里。 ( 2 ) 列出初步的方程组。首先以适当形式写出各储能元件的键合 图组成关系式：然后列出作为键变量的各能量变量导数的方程式。并 力求用系统输入和能量变量来表示它们，这些关系式表示该系统结构 的约束以及能量的耗散；最后列写出0 结点和1 结点关系式，这将 得出一个初步方程组。在键合图诸元中，只有惯性元件i 和容性元件 c 的两功率变量间具有微积分关系，可取其中的自变量的积分作为状 态变量，即c 元件取v ；r 触，i 元件取p = f e a t 为状态变量。这样，这 些键上自变量与因变量间的微积分关系就成为状态变量与因变量间 的代数关系。状态方程的输入变量为系统的流源s f 和势源s o 。 在键合图元中，用元件系数r ( 阻性元件) 、i ( 容性元件) 、c ( 惯 性元件) 来概括系统变量间的各种关系而成为简单的比例关系，所以 可用矩阵法来代数表达非线性系统并对它进行分析建模。把系统中的 储能元件( 包括惯性元件和容性元件) 与阻性元件分开，由各元件性 质分别列写出元件矩阵关系式( 下标s 表示储能元件，下标d 表示耗 散元件) 。 储能元件 e ；g ，z ， ( 2 9 ) 阻性元件 l g d z d ( 2 1o ) 式( 2 9 ) 、式( 2 10 ) 分别表示储能元件的状态变量z 。与因变量 k 、阻性元件的自变量z 。与因变量k 间的代数关系。其中z ，由系统各 c 元件的v = f l a t 变量和各i 元件的p = 脚变量组成，k ，k ，z 。均由 各元件的e 变量和，变量组成，它们均为y t j 向量：g ，g a 为对角阵， 对角线元素为表示各对应元件自变量( 或状态变量) 与因变量间关系 的元件系数。由键合图中键问联结情况及各结点关系，可组合为系统 结构关系式( 2 1 1 ) 、( 2 12 ) 。 z d ，e y , + f k + b d u( 2 1 1 ) z s ；c y , 七d 哩a + b v ( 2 1 2 ) 其中z ，为z ，的导数，u 为系统输入列向量，由系统各输入流源研 和势源组成。 把式2 9 ，2 1 0 代入式2 1l 可得 z d k ( e g ，z ；+ 岛u ) ( 2 13 ) 其中 k ；( i f g a ) 一1 ，i 为单位阵。 把式2 9 ，2 1 0 代入式2 1 2 可得 z s ；c g , z 。+ d g d zd + b p 把式2 1 3 代入式2 1 4 可得 z s = c o , z ，+ d g d k ( e g ，z ，+ 口d u ) + 曰。u 成为状态方程 ( 2 - ( 2 1 4 ) l5 ) z ，2 a z ，+ b u ( 2 16 ) 其中 a = c g ，+ d g a k e g ， b = d g a k b d + 坟 求解方程2 1 6 ，解出状态变量z ，由式2 13 求得乙，分别代入 式2 9 中和式2 1 0e p 得出系统变量匕，巧。由状态变量和系统输入变 量可以组合成为输出方程，进一步求出其它所关心的系统变量。 1 4 第三章泵车臂架液压系统元件建模 本章内容的重点是基于第二章的键合图相关理论，针对某型混凝 土泵车臂架液压系统的工作原理和结构特点，建立其液压子元件的功 率键合图模型。 3 1 泵车臂架液压系统工作原理 某型混凝土输送泵车，采用v 0 1 v o 底盘和四节臂臂架结构形式， 其外形如图3 1 所示。在混凝土的输送过程中，混凝土被主泵送系统 从输送缸中泵出，并沿着臂架( 安装在泵车底盘上的转塔上面) 上的 输料钢管泵送到指定施工地点。施工目标位置的改变靠臂架的交幅过 程来实现，整个系统则靠臂架的收缩和旋转来达到变幅动作的完成。 图3 1泵车外形图 泵车臂架的伸展和收缩是靠臂架液压系统来完成。泵车臂架液压 系统一般还包括了整车的支腿伸展与收缩，转塔旋转液压回路等液压 回路， 本文主要研究混凝土泵车臂架展开这一过程的动态过程，液压原 理简图如图3 2 所示。此液压系统的液压元件由臂架泵，多路阀，安 全阀组以及臂架油缸，不同的油钢管和油胶管等组成。 如同其它类型的变幅机构一样，臂架液压系统的设计必须保证在 混凝土的施工过程中，当臂架的展开或收缩时，整个臂架系统不能发 生过大的振动，不出现所谓的低频抖动或很大的尖叫声。因此通过对 其液压系统的动态建模与仿真分析，找到影响其动态特性的因素是很 有必要的。 第三章泵车臂架液压系统元件建模 本章内容的重点是基于第二章的键合图相关理论，针对某型混凝 土泵车臂架液压系统的工作原理和结构特点，建立其液压子元件的功 率键合图模型。 3 1 泵车臂架液压系统工作原理 某型混凝土输送泵车，采用v 0 1 v o 底盘和四节臂臂架结构形式， 其外形如图3 1 所示。在混凝土的输送过程中，混凝土被主泵送系统 从输送缸中泵出，并沿着臂架( 安装在泵车底盘上的转塔上面) 上的 输料钢管泵送到指定施工地点。施工目标位置的改变靠臂架的交幅过 程来实现，整个系统则靠臂架的收缩和旋转来达到变幅动作的完成。 图3 1泵车外形图 泵车臂架的伸展和收缩是靠臂架液压系统来完成。泵车臂架液压 系统一般还包括了整车的支腿伸展与收缩，转塔旋转液压回路等液压 回路， 本文主要研究混凝土泵车臂架展开这一过程的动态过程，液压原 理简图如图3 2 所示。此液压系统的液压元件由臂架泵，多路阀，安 全阀组以及臂架油缸，不同的油钢管和油胶管等组成。 如同其它类型的变幅机构一样，臂架液压系统的设计必须保证在 混凝土的施工过程中，当臂架的展开或收缩时，整个臂架系统不能发 生过大的振动，不出现所谓的低频抖动或很大的尖叫声。因此通过对 其液压系统的动态建模与仿真分析，找到影响其动态特性的因素是很 有必要的。 婆鑫。斧鼍魏豫 雾濂嘎蠹嚣爨囊器5 蠢叁舁。 ，| j 辇馨矬气。器裴岔，臻端羹漓蕞替譬释；b 1 8 堆杆( 6 ) 1 9 臂架“) 3 2 液压原理简图 现以第一节臂的运动为例说明其三种典型的工况： ( i ) 臂架收缩工况 当换向阀上位工作时，液压泵压力油经过换向阀到达安全阀5 1 ， 再通过安全阀5 1 的两个单向阀口直接到达臂架油缸的上腔( 无杆 腔) ，同时一部分压力油通过安全阀5 2 的控制油口到达其中的插装 平衡阀的控制腔，再克服平衡阀的弹簧力和液压力，使插装平衡阀阀 芯开启。此时油缸下腔的压力油可经过主阀节流口流回油箱1 。当回 油流量过大时，泵车整个臂架下降速度过快，此时，进油路供油量不 足，使安全阀的5 1 的控制腔压力下降，控阀芯在弹簧力的作用下回 移，使平衡阀的回油节流面积减小，从而限制第一节臂超速下降，从 而达到一种动态平衡。 ( 2 ) 承载静止工况 当换向阀处于中位时，安全阀5 1 和5 2 的控制油压均降低，此 时安全阀中的插装平衡阀的控制阀芯在弹簧力的作用下关闭，主阀芯 与阀体的可靠性锥面密封使得第一节臂架可以停靠在任何一个可靠 的位置上。泵车在旖工浇注情况下属于此种工况。 ( 3 ) 臂架展开工况 当换向阀下位工作时，液压泵的出口压力油经过安全阀5 1 到达 臂架油缸的下腔，使得l # 臂架展开。同时一部分压力油克服安全阀 5 2 插装平衡阀弹簧力和液动力，使平衡阀处于开口状态，臂架上腔 油液由此阀口回油到油箱。 图3 3 所示展示了整个臂架系统展开的全过程示意图 ( a ) 展开第一节臂 ( b ) 展开第二节臂 ( c ) 展开第三节臂 ( d ) 展开第四节臂 图3 3臂架展开过程 整个臂架液压系统有以下几个特点： ( 1 ) 整个液压系统的核心元件为臂架安全阀组，其主体结构由 一个自制阀体配装一个插装平衡阀和一个插装单向阀组成。其外形和 内部结构分别如图3 4 和图3 5 所示。 其中主阀体主要是采用自制件， 为了防止臂架在工作状态下因液压油 的堵塞或者平衡阎的失效而发生事 故，在通常的平衡阀基础上增加了一 个限速阻尼孔( 见图3 ”，主阀体上 的阻尼孔孔径和长度的大小设计对安 全性影响重大。而两个插装阀则主要 采用外购件。 、 墨“i 。，j 一一一 羔基。二= 一一一一。 图3 4安全阀外形圈 插裟阀型单向阀采用的是 v ic k e rs 公司的c v 3 型单向阀，它是一种直动座阀式单向阀，技术参 数见表3 1 。 插装型平衡阀采用的是v ic k e rs 公司的c b v l 0 型螺纹式插装阀， 它是一种3 油口，外控式螺纹插装型平衡阀，其工作状况为：c b v 平 衡阀允许从油口2 ( 进口) 到油口l ( 负载) 的自由流动，从油口1 到油口2 的流动则被截止，直到达到预定的压力值或油口3 ( 控制) 的压力足够大。其功能符号图如图3 6 ，技术参数如表3 2 。 插装型单向阀 插装型平衡阀 图3 5 安全阀结构示意图 表3 ic v 3 8 - p 一0 1 0 型单向阀技术参数 参数项参数值单位 型号c v 3 8 一p 一01o 典型工作压力 3 5 0b a r 额定流量3 0l m i n 自由开启压力 o 7b a r 表3 2c b v l l o - c 一0 一a 一5 0 型平衡阀技术参数 参数项参数值单位 型号 c b v l 一1 0 一c 一0 一a 一5 0 控制比 4 ： 1 规格 l o 阀体材料 铝 开启压力 1 4b a r 开启压力 1 8 6 3 5 0b a r 额定流量 6 0 l m i n 温度范围 一4 0 一1 2 0 重量0 2 3 k g 阀体安装完毕后在各工艺孔处加油堵密封。安装到臂架油缸上形 1 9 丌i 成如图3 7 所示的结构。 一二：二。1 。1 1 。一 3 图3 6 平衡阀功能符号图 图3 7 安全阀安装结构 ( 2 ) 各臂架油缸随臂架的不同距离换向阀的距离也不同，其中远离 底盘的四号臂架的进油管道甚至长达3 4 米，是一种典型的阀控长管 道液压系统，其管道对液压系统动态响应的影响非常明显。 3 2 液压元件键合图模型 3 2 1 液压泵 液压油泵是液压系统中将机械能转化成液压能的能量转换元件， 通常液压油是连续运转的，在动态分析中被驱动负载的响应是主要的 研究目标，研究时可以假定泵的旋转速度是恒定的f 9 l ，对于容积液压 泵具有如下关系： 丁q ；= 即k r o ( 3 1 ) 1 丁；即 l 3 1 式中： q 一液压泵的理论流量 尸一液压泵的工作压力 一液压泵和驱动角速度 r 一作用在泵轴上的转速 足一液压泵的排量 液压泵的这一输入输出关系可用图3 1 0 ( a ) 所示的转换器来表示。 成如图3 7 所示的结构。 一二：二。1 。1 1 。一 3 图3 6 平衡阀功能符号图 图3 7 安全阀安装结构 ( 2 ) 各臂架油缸随臂架的不同距离换向阀的距离也不同，其中远离 底盘的四号臂架的进油管道甚至长达3 4 米，是一种典型的阀控长管 道液压系统，其管道对液压系统动态响应的影响非常明显。 3 2 液压元件键合图模型 3 2 1 液压泵 液压油泵是液压系统中将机械能转化成液压能的能量转换元件， 通常液压油是连续运转的，在动态分析中被驱动负载的响应是主要的 研究目标，研究时可以假定泵的旋转速度是恒定的f 9 l ，对于容积液压 泵具有如下关系： 丁q ；= 即k r o ( 3 1 ) 1 丁；即 l 3 1 式中： q 一液压泵的理论流量 尸一液压泵的工作压力 一液压泵和驱动角速度 r 一作用在泵轴上的转速 足一液压泵的排量 液压泵的这一输入输出关