（机械设计及理论专业论文）液压往复泵系统仿真分析及试验研究.pdf

石油大学( 华东) 硕士论文中英文摘要及目录 中文摘要 本文针对液压往复泵的液压系统进行了分析、仿真，并编制一套数据采 集软件供数据采集使用，经过试验测试、数据处理分析，验证了仿真结果 的f 确性和仿真方法的可行性。 首先，从液压元件的动态分析入手，分析了影响各液压元件性能的参数。 为仿真模型的建立提供依据。并在作适当简化的基础上，对整个液压系统 进行了初步的分析。 其次，基于以上分析，建立各液压元件的数学模型和仿真模型，利用 m a r a l a b s i m u l i n k 软件，对部分液压元件和液压系统进行了仿真分析。 充分利用s i m u l l n k 的模块化、集成化等优点，探索出了一套液压元件和 液压系统仿真分析的方法。为液压系统的分析、设计提供了有力的工具。 然后，利用图形化数据采集编程软件l a b v i e w 编制出了一套完整的数 据采集系统。本系统基于“g ”语言编程思想，具有编程简单，操作容易， 界面友好等特点。程序的开放性使今后程序的进一步完善和发展非常方便。 最后，对现有的液压往复泵进行试验研究。测试采集出了活塞加速度、 液力端、动力端和回程压力等。还编制了一套基于小波变换的数据处理软 件，可以方便的读取、处理、存储数据。在对采集数据和仿真数据进行对 比分析的基础上验证了仿真方法的正确性和可行性。为液压系统仿真分析 提供了一套有效的研究方法。 关键词液压往复泵液压系统 仿真分析 s i m u l i n kl a b v i e w 小波变换 鱼垫盔堂! 堂变! 雯主笙奎 主萎塞堕垩墨旦茎 t h es i m u l a t i o na n dt e s t s t u d y o ft h eh y d r a u l i c r e c i p r o c a t i n gp u m p a h s t r a c tt h i sp a p e ra i m e da tt h ea n a l y s i sa n ds i m u l a t i o no ft h eh y d r a u l i c r e c i p r o c a t i n gp u m p ，a n d as e to fd a t aa c q u i r e ds o f t w a r ew a s p r o g r a m m e d a f t e r t h ee x p e r i m e n t ，t h ec o l l e c t e dd a t aw a sp r o c e s s e da n da n a l y z e d ，t h ec o r r e c t n e s s o f t h er e s u l ta n dt h ef e a s i b i l i t yo f t h em e t h o do f t h es i m u l a t i o nw e r ev a l i d a t e d f i r s t l y , b e g a nw i t ht h ed y n a m i ca n a l y s i s t h ep a r a m e t e r sw h i c hi n f l u e n c et h e p e r f o r m a n c eo ft h eh y d r a u l i cu n i t sw e r ea n a l y z e d ，w h i c hp r o v i d e df o u n d a t i o n f o rt h ec o n s t r u c t i o no fs i m u l a t i o nm o d e l o nt h eb a s i so fs u i t a b l es i m p l i f i c a t i o n t h ea n a l y s i so f t h ew h o l eh y d r a u l i cs y s t e mw a s p r i m a r i l yd o n e s e c o n d l y a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i s f i n es i m u l a t i o na n dm a t h e m a t i cm o d e l s o fe a c hh y d r a u l i cu n i tw e r ec o n s t r u c t e d b yu s i n gt h et o o lo fm a t l a bw i t h s n 4 u l i n k t h es i m u l a t i o no fs o m eh y d r a u l i cu n i t sa n dt h ew h o l eh y d r a u l i c s y s t e m w e r ed o n e b a s e do nt h e a d v a n t a g e o fs i m u l i n ks u c ha st h e m o d u l a r i z i n ga n di n t e g r a t i o n ， am e t h o do fs i n m l a t i o no f h y d r a u l i cu n i t sa n d h y d r a u l i cs y s t e mw a sd e v e l o p e d t h i sp r o v i d e d t h e d e s i g n a n da n a l y s i so f h y d r a u l i cs y s t e l l 3w i t hap o w e r f u lt 0 0 1 t h i r d l y , u s i n gg r a p h i cd a t aa c q u i r e dp r o g r a m m i n gs o f d , v a r e ，l a b v i e v ；a w h o l es y s t e mo fd a t aa c q u i r e dw a se s t a b l i s h e d b a s e do nt h ei d e ao f g l a n g u a g e ，t h es y s t e m h a v es u c hc h a r a c t e r i s t i c sa s s i m p l ep r o g r a m e ，f r i e n d l y i n t e r f a c ea n de a s yo p e r a t i o n t h eo p e n i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h ep r o g r a m m e m a k e si tp o s s i b l et od e v e l o pa n dc o n s u m m a t ei nf u t u r e l a s t l y , t h ee x p e “m e n t a t i o n r e s e a t c 1 1o fe x i s t i n g h y d r a u l i cr e c i p r o c a t i n g p u m pw a sd o n e a n ds u c hd a t aa sp i s t o na c c e l e r a t i o n ，t h ep r e s s u r e s o ft h e h y d r a u l i ce n d s d y n a m i c a le n d sa n db a c k h a u l sw e r ea c q u i r e ds t i l lm o r e ，as e t o fd a t ap r o c e s s i n gs o f t w a r eb a s e d o nw a v e l e tt r a n s f o i t nt h e o r yw a sd e v e l o p e d ，i t c a nb eu s e dc o n v e n i e n t l yt or e a d ，w r i ta n dp r o c e s sd a t a o nt h eb a s i so fa n a l y s i s m a d eb yc o m p a r i n ge x p e r i m e n t a ld a t aa n ds i m u l a t i o nd a t a ，t h ec o r r e c t n e s sa n d t h ef e a s i b i l i t yo ft h em e t h o do fs i m u l a t i o nw a sv a l i d a t e d ，t h i sf u r n i s h e s t h e s i m u l a t i o na n a l y s i so fh v d r a u l i cs 3 7 s t e mw i t ha ne f f e c t i v et o o k e yw o r d sh y d r a u l i cr e c i p r o c a t i n gp u m p ；h y d r a u l i cs y s t e m ；s i m u l a t i o n a n a l y s i s ；s i m u l i n k ：l a b v i e w ； w a v e l e tt r a n s f o r m 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导卜进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文叫；_ 】特别加以标注和致谢的地 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 含为获得石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 签名 沙。了年5 月2 尹同 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被套蒯和借 阅；学校町以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 纱) 年厂月冲日 伽?年 j 7 月矿厂日 石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章液压泵及液压系统仿真研究现状 第1 章液压泵及液压系统仿真研究现状 1 1 引言 液压往复泵是适应现场需要的新型泵种，在油田中可以适用于多种场 合。可以用来作为常规注水用泵、注聚合物用的堵剂泵、单井增压用的增 压泵，也可以用来作为钻井泵。 目前，注水泵有多级离心泵和往复式高压柱塞泵两大类。 离心式注水泵存在的问题是泵效太低，平均只有6 5 7 0 ，耗电严重， 增压较小，多级离心泵泵压只有1 6 m p a 左右，目前油田注水压力普遍要求 达到2 0 2 5 m p a 以上，离心泵难以满足工程要求“。? 1 ”。 往复式注水泵有三种形式，一种采用曲柄连杆机构驱动高压柱塞泵， 使用中压力波动大，相对( 离心泵) 排量小，采蠲高冲次( 3 0 0 4 0 0 冲，分) ，因 而泵阀及柱塞泵寿命极短，密封不可靠：第二种采用“凸轮+ 滑块+ 导向 槊”传动机构传动，它的缺点是运动副润滑条件恶化，摩擦副较多，影恻 泵的使用寿命；第三种采用摆杆绳传动机构，它的问题是，绳式铰链寿命 较短，摆杆结构应力集中点多，不适于较大功率往复泵，没有合适减振机 构，噪声大。 液压驱动往复泵存在着其他各类泵无法比拟的优点( 后文进行叙述) ， 尤其更适用于堵剂泵所需要的流量、压力稳定等工作要求。因此大力发展 推动液压往复泵的研究有着深远的意义。 1 2 液压往复泵研究现状及进展 1 2 1 机械驱动、电驱动和液压驱动往复泵 在机械驱动钻机中，往复泵是由柴油机组并车后，再通过三角胶带驱动 的。在电驱动钻机中，往复泵是由一台或两台电动机通过链条驱动的。往 复泵结构有两种形式：双缸双作用往复泵和三缸单作用往复泵。由于三缸 石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章液压泵及液压系统仿真研究现状 泵具有排量相对均匀优点，目前在石油钻机中得到广泛应用。我国目前已 经全部使用三缸泵，只有原苏联还生产和使用一定数量的双缸泵。 近几年，国内外研制了液压往复泵。它利用液压驱动，在结构上打破 了往复泵的传统结构，不用齿轮、连杆曲柄滑块机构，利用工作缸带动钻 并液缸，直接吸入和排出钻并液。液压往复泵具有较好的钻井性能和社会 经济效益。 1 2 2 液压驱动往复泵的优越性 与曲柄连杆机构的往复泵相比，液压驱动往复泵有很大的优越性1 4 1 f 1 1 输出压力稳定，无压力波动，不需要安装空气包a r 2 1 吸、排阀可以在近似于无冲击工况下工作，冲次低，寿命长。 f 3 、液力端活塞采用液压平衡，油润滑，可以延长活塞与缸套的寿命， 提高效率。 f 4 1 长冲程，低冲次，缸内无水击现象，液缸充满度高，上水容积效率 高。 ( 5 ) 总工作效率可达8 5 ，高于现在的机械往复泵。 ( 6 1 无级调节排量，能实现自动调节( 恒功率、恒压力、恒排量) ，实 现微机控制与管理。 f 7 1 空载启动、缓慢地启动工作，启动无振动，启动力矩小，开停泵方 便。 ( 8 、结构简单、质量轻，质量只有相同功率枫械泵的1 3 一u 2 。 ( 9 ) 制造容易，相对成本低。 f 1 0 、液压控制系统几乎无磨损，长期可靠适用，并具有各种自动保护， 如事故断电保护、超载保护及人工误操作保护等。 1 2 3 国内外液压驱动往复泵研究现状及进展 1 2 3 1 瑞典与挪威的液压双缸单作用往复泵h 1 石油大学( 华东) 硕士论文第l 章液压泵及液压系统仿真研究现状 瑞典h k 工程公司与挪威n o r c e m 海洋研究所共同研制了一种立式液压 往复泵，属于由变容量液压泵驱动的双缸单作用活塞泵，无齿轮、曲柄连 杆滑块机构，其结构先进、新颖。 1 9 9 1 年挪威m h ( m a r i t i m e h y d r a u l i c s ) 公司推出了m u d m a s t e r 液压往 复泵，输入功率为1 5 8 8 k w ，以双缸单作用泵为基本单元，组成四缸和六缸 液压往复泵，其工作原理如图l l 。 1 一动力机：2 一液压泵：3 一油箱： 4 一控制系统；5 一管道：6 一液压缸： 7 一活塞杆：8 一联轴器：9 一钻井泵； l o 一钻井液池：11 一测( 吸入羊排出) i 刳1 一i 液压舣缸单作刚往复泵 ：作原理图 1 ) 结构特点与原理 往复泵活塞的直径较大，顶部的小液压缸活塞用于吸入行程。每一个 单元泵包括两个泵缸活塞组，装有常规往复泵阀。活塞在下行程时，排出 钻井液压力达3 4 5 m p a 。活塞大部分作用于环形容积，将经单流阀供给的 清洗液( 清水或油水混合物) 通过活塞的下部，清沈活塞与缸套。活塞在 上行程时完成吸入功能，钻井液通过单流阀充满环形空间。利用液压控制 系统，保持往复泵两个单元进行协调运动。 2 ) 优点 ( 1 ) 由于活塞上下部分压差较小，所以活塞的密封性能好、漏失少，使 用寿命长。 ( 2 1 采用清水或油水混合物作为清洗液，可以防止固相颗粒进入环形 区，确保液压油与钻井液分开，即使钻井液密封失效时，仍可以保 证活塞的密封具有较高的使用可靠性。 f 3 、密封结构简单，质量轻，占地面积小，使用方便。 ( 4 1 冲次较低，有利于吸入性能，减少易损件的磨损，提高使用寿命。 3 ) 缺点 冲洗液对钻井液有稀释作用，会影响钻井液的性能，例如某井钻井1 2 h ， 石油大学( 华东) 硕士论文第1 章液压泵及液压系统仿真研究现状 加入清水0 3 ，钻井液的密度从1 3 9 8 9 c m 3 下降到1 3 5 8 9 c m 3 。 4 ) 应用 h k 公司为海洋钻机设计的单元泵，排量为1 5 1 4 l s ，泵压为3 4 4 m p a 。 每台钻机配备4 台单元泵，经常开动3 台泵，另一台备用或检修。液压往 复泵的总重量只有1 2 5 t 。 1 2 3 2 美国液压三缸单作用往复泵“ 尽管三缸泵的结构、性能、体积和重量都优于双作用泵，但是还感到 其性能不够理想，结构复杂，体积和重量较大。近j l 年来，美国研制与应 用了液压三缸单作用往复泵，其技术经济指标优于常规三缸泵。 i ) 结构特点 美国液压往复泵功率为3 6 7 7 5 k w ，没有齿轮、曲柄滑块机构，液压驱 动。由台柴油机或电动机带动一台变量泵，用于驱动3 个工作缸。3 个工 作缸分别通过活塞杆带动3 个钻并液缸。与常规三缸泵一样的工作。 2 ) 性能特点 ( 1 ) 冲程较长，排量可变。美国液压三缸泵冲程为6 0 9 6 r a m ，排量为 3 1 5 l s 。由于变量液压泵的排量是可变的，可以无级改变冲程。3 个工作缸 相差1 2 0 度角供工作油，3 个钻井液液缸也相差1 2 0 度角吸入和排出钻井液， 就像三缸泵一样地工作。 ( 2 ) 钻井液压力和排量波动较小。液压三缸泵的活塞运动油半以上 的冲程处于恒速运动，所以压力、排量波动较小。在试验中，从排量示波 器上看出，排量近似一条水平直线，只是在接近死点时，排量有个微小 的尖峰变化，这是目前所有往复泵不能达到的。为此，有人提出取消排出 空气包的建议。 ( 3 ) 振动和磨损较小。因为取消了曲柄连卡t 滑块机构，消除了常规往 复泵的摆动力作用，减轻了往复泵振动和晃动现象。由于活塞在大部分行 程中恒速运动，可以防止汽蚀和水击作用改善了三缸泵的工作性能。液 压往复泵经过3 0 0 h 载荷运转试验，所有零件均无明显磨损，仅在密封填料 上有轻微划痕。 ( 4 ) 可制成高压往复泵。目前，液压往复泵的工作压力达1 0 4 6 2 m p a ， 石油大学( 华东) 硕士论文第l 章液压泵及液压系统仿真研究现状 如果加强阀的结构设计，工作压力可达3 5 1 5 5 m p a 。可制成高压往复泵。 ( 5 ) 采用立式结构。早期的液压往复泵采用卧式结构。新型液压往复 泵采用立式结构，安装方便，使用可靠。与卧式结构相比，立式结构占地 面积较小，机械磨损较小，没有偏磨现象，使用寿命比较长。 ( 6 ) 便于组合应用。液压往复泵不仅使用可靠，而且还可灵活组合使 用，非常方便。例如，两台三缸泵可以串联使用，以提高泵压。两台三缸 泵还可以并联使用，以提高排量。 1 2 3 3 我国液压单缸双作用钻进展1 天津工学院与石油物探机械厂合作，在3 0 0 2 5 型往复泵的基础上，最 近又开发了一种y n b - - 2 0 型液压单缸双作用液压往复泵，传动功率为1 5 k w ， 与w t 一5 0 型轻便钻机配套。y n b - - 2 0 型液压往复泵工作原理见图l 一2 ， 左端是液压缸，右端是单缸双作用泵，有两个吸入阀和两个排出阀。液压 动力驱动液压缸，使活塞往复运动，通过联接件驱动泵活塞运动，吸入和 排出钻井液。液缸由液控自动往复系统进行控制，用过的油回到油箱。 i 动力机2 一液压泵3 - 油箱4 控制系统5 管道6 一液压缸 7 活塞杆8 一联轴器9 - 钻井泵1 0 - 钻井液池11 一阀 图1 - - 2y n b - - 2 0 型往复泵工作原理 天津理工学院刘晓军教授在研究国内外液压往复泵的基础上，又提出 了研制y n b 一5 0 0 型液压往复泵的方案，输入功率为3 6 8 k w t 最大压力 石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章液压泵及液压系统仿真研究现状 2 5 m p a ，排量1 5 l s ，四缸，冲次5 5 - - 6 0 r a i n ，缸套直径1 2 0 一1 2 5 r a m 。不 久将要投入设计和研制。 根据样机性能试验，液压单缸双作用往复泵具有以下性能特点： 1 ) 排量均匀 常规双缸双作用往复泵排量不均度为o3 1 4 常规三缸单作用往复泵排 量不均度为o 1 4 1 。液压单缸双作用往复泵，由于液压活塞运动恒速平稳， 采用了特殊的流量平衡装置，再加上液压系统的高响应功能，使得往复泵 排量相当平稳，只是在换向时压力稍有波动。实际测得3 0 0 2 5 型往复泵在 换向瞬问的压力波动值为1 9 2 。o m p a ，其波动量只有5 。相应低流量波 动比较小，为o 2 2 5 。实测结果表明，往复泵排量几乎是一条水平直线， 排量的不均匀度近于零，是非常理想的钻井供液系统。 2 ) 可不用空气包 液压往复泵由于压力和排量较均匀，可以取消空气包，使泵结构更加 简化。挪威m h 公司，在1 9 9 1 年推出的单缸单作用液压往复泵，已无空气 包。 3 ) 结构设计可不考虑相位差 由于单台泵排量均匀，如果增大排量，只是简单地并联组合，不需要 仔细考虑相位差。 4 ) 传动效率高 由于液压往复泵结构比较简单，传动链短，摩擦副较少，所以传动效 率高。实测结果表明，当输出工作压力为1 7 m p a 时。总效率高达7 0 以 上。所以液压往复泵还具有节约能耗等优点。 5 ) 启动功率较小 液压往复泵，启动功率在1 k w 以下，而常规往复泵要6 k w 以上爿能 启动。 6 ) 体积小，重量轻，成本低 液压往复泵结构简单、紧凑、体积小、重量轻，其重量只有常规往复 泵的1 3 2 5 。此外，零件数量也较小，只有常规往复泵的1 4 1 3 。所以液 压往复泵的成本比常规往复泵低。在钻井性能和产品价格方面，具有更好 的竞争能力和社会经济效益。 石油大学( 华东) 硕士论文第1 章液压泵及液压系统仿真研究现状 1 2 4 液压往复泵的技术发展 1 ) 采用液压自动往复油缸系统 液压往复泵采用了液压自动往复油缸系统，解决了工作缸往复运动换 向问题。实践证明，液压自动往复油缸系统能长期可靠地工作。 2 ) 大功率液压往复泵 迈几年来，液压往复泵朝着大功率方向发展。美国在1 9 9 1 年推出了传 动功率为1 4 7 1 k w 的液压往复泵。用于深井钻井或井下动力钻具钻井。 1 2 5 液压往复泵发展前景预测 实践证明，液压往复泵具有良好的钻井性能，传动效率高，节约能耗， 结构简单，零部件少，成本低，重量轻，体积小，易损件少等特点，是一 种较好的新型往复泵。经过技术发展预测，液压往复泵是技术发展方向， 今后有可能代替三缸往复泵用于钻井作业。为此，要大力发展我国的液压 往复泵。天津理工学院为发展我国液压往复泵作了有益探索，打下了良好 的基础。经过不断努力，液压往复泵技术将会更加完善，推广使用是很有 可能的。所以，液压往复泵发展前景是美好的，市场是广阔的。 在不久的将来，在油田生产中将使用液压往复泵进行钻井作业，它将 会显示出可观的社会效益和经济效益，并进一步提高我国的钻井技术经济 指标。 1 2 6 自行研制的液压驱动往复泵四1 1 2 6 1 橇述 石油大学机电工程系自行开发研制了一种新型液压驱动往复泵。该泵 开发研制的目的是，为中国石油集团公司“井下增压器可行性研究”项目 所建立地面整机试验的实验台，为“井下增压器”提供动力液。 该泵也是油田现场用泵的新产品，可以替代油田用的旧式往复泵、注 水泵、堵剂泵、单井注水增压泵等，有f - i n 的发展前景a 至蔓蝗! 兰奎! 翌主堡茎 篁! 兰鎏垦丕墨堕墨墨篓堕塞堕壅望鉴 目前我国油田普遍使用的注水泵有两种型式：多级离心泵( 占多数) 和往 复式高压柱塞泵( 占少数) 。多级离一心泵使用中存在的问题是泵效太低。平均 效率只有6 5 7 0 。而油田3 5 4 0 的电网电能用于注水工程。因而大量 浪费电能。其次，多级离一心泵最高输出压力只能达到1 6 m p a 左右。而目前 油n 注水压力普遍要求达到2 0 2 5 m p a 以上。因此这种泵不能满足目前注 水要求。往复式注水泵泵效可达8 5 左右。输出压力也能满足注水要求f 达 3 0 m p a 左右) 。存在的问题是，这种泵一般都是采用曲柄连杆传动的高压柱 塞结构。使用中压力波动大，相对( 离心泵) 排量小。采用高冲次( 3 0 0 4 0 0 冲分) ，因而泵阀及柱塞泵寿命极短，密封不可靠。造价高，使用中易损件 换修频繁，影响正常工作，使用成本高。 因此目前油田注水工程中极需丌发一种高效节能，满足工艺要求，工 作可靠的新泵种。 1 2 6 2 液压往复泵的特点和性能 液压驱动往复泵主要结构特点是，革掉了一般往复泵的曲柄连杆机构 驱动，采用油缸驱动，液压控制。大泵径( 中1 4 0 以上) ，长冲程( 6 0 0 m m l ， 低冲次( 2 0 4 0 冲m i n ) ，由此带来了一系列性能上的优点。其优点如第二节 所述。 1 2 6 3 该泵的结构组成与工作参数 液压往复泵结构示意图如图1 3 所示，工作缸和阀箱实现吸排液体；动 力油缸，用于驱动工作缸的活塞往复运 动；液压控制系统，由动力控制系统、 回程系统、编程器自动控制系统组成， 驱动和控制动力油缸活塞。整泵结构为 双缸单作用卧式泵，依靠液压驱动，电 磁控制。 幽1 3 液压往复泵工作原理图 液压往复泵的工作参数是，持续工作压力为2 5 m p a ；最大工作压力 3 2 m p a ；最大工作排量为1 7 9 升秒；工作冲程为6 0 0 r a m ；工作冲数为4 0 冲m i n ：装机功率为4 5 2 k w 。 1 2 6 4 动力和回程控制系统 兰型! ! ! 兰! 兰丕! 堡圭堡兰 塑! 至垫垦至垄鎏垦墨竺堕壅婴壅堡鉴 液压控制系统是液压往复泵的核心，也是液压往复泵研制成功的技术 关键。液压控制系统分为两大系统，其一是动力驱动与控制系统，其二是 回程驱动与控制系统。 动力驱动与控制系统，其动力驱动由3 台电机驱动3 台液压油泵，通 过液压油泵给动力油缸提供动力液。3 台动力油泵采用2 5 0 s c y l 4 - l 轴向柱 塞泵。 动力控制系统，由于工作流量大，动力油缸的主换向阀、调压阀均采 用二二通插装阀组件，整体组装成集成阀块。一个动力油缸的活塞前进与回 程，需要两个二通插装阀控制。两个二通插装阀必然要实现一丌一关，在 换向的瞬间要求两个二通插装阀同时动作。为了使换向瞬间系统稳定，两 个二通插装阀采取“侠关”和“馒7 r 技术措施。 该液压往复泵采用两缸单作用工作方式，两动力油缸有杆腔相互连通， 一个油缸活塞前进必然推动另一个油缸活塞回程。另外两油缸有杆腔与回 程系统连通，其目的是推动回程动力油缸的活塞加速回程。当一个动力油 缸的活塞完成前进行程时，回程动力油缸的活塞已经提前回位，有利于控 制动力油缸的活塞实现行程的搭接。回程控制系统由补油泵、控制阀块、 蓄能器组成。 i 2 6 s 系统工作原理 一个动力油缸的活塞前进另一个动力油缸的活塞回程时，由补油泵和 蓄能器补油，加速活塞回程，并使前进动力油缸的活塞产生背压。当回程 动力油缸的活塞回到极限位置，此时前进油缸的活塞仍要前进，有杆腔的 一部分油充于蓄能器中储存能量，有杆腔的另一部分油将顶开回程调压阀 而回油箱。由于工作性能要求，当两动力油缸的活塞同时前进时，两动力 油缸有杆腔的油充入蓄能器中和经回程调压阀回油箱。 工作要求在保证回程缸的活塞提前回程的前提下，回程压力越低越好， 有利于提高整泵的效率。回程压力不管高低都是活塞前进的阻力，尽可能 降低回程压力能够大大提高液压往复泵的效率。 1 2 6 6 可编程控制器自动控制 该液压往复泵是典型的机电体化产品。该泵动力油缸活塞的换向采 用可编程控制自动控制。可编程控制器是近年来迅速发展并得到广泛应用 石油大学( 华东) 硕士论文第l 章液压泵及液压系统仿真研究现状 的新一代工业自动化控制装置。它不仅具有逻辑控制功能，而且具有运算 功能和对模拟量的控制功能。 该泵采用行程和时间双重控制。以满足系统的工作原理要求。行程控 制由接近开关感应作为编程器输入信息，时间控制由内部时间继电器完成。 液压往复泵的突出特点是，能够实现长冲程，活塞匀速运动，输送液 流稳定。该泵的工作行程是可调的，通过接近开关的感应位置来实现。只 要动力液压油泵供给均匀流量，活塞运动一定是匀速的。为了避免两令动 力油缸的活塞换向时的断流，采取行程搭接办法解决，即个缸的活塞临 近换向终点时，由程序控制另令缸的活瑟前进。 1 3 液压系统仿真研究现状与进展 1 3 。1 液压仿真技术 1 ，3 1 1 液压仿真概述 在对液压系统进行设计、分析和改进时，计算机动态仿真具有重要的价 值。在许多液压技术应用场合，如果设计人员在设计阶段就考虑到液压系 统动静态特性，则可以大大地绵减液压系统或元件的设计周期，避免因重 复试验及加工所带来的昂贵费用，且可及早地认识到该系统在动静态特性 方面所存在的薄弱环节并加以消除，这可通过对系统的动静态特性进行预 测来实现，计算机仿真不仅可以在设计过程中预测系统性能，缩减系统的 调整时间，避免返工：还可以通过仿真对所设计的系统有更深入的了解， 了解负载系统中负载之间的相互作用，或了解多作用件之间的相互影响， 或认识单个元件在整体系统中的作用等等，从而达到优化系统，优化元件， 优化参数的目的。 1 3 1 z 国内乡 液压仿真技术的发展” 上个世纪五十年代，h a n p u n ( 1 9 5 3 年) 和n i g h t i n g a l e ( 1 9 5 7 年) 就分 别作了液压伺服系统动态性能分析，那时采用的是传递函数法，一般只分 析系统的稳定性及频率响应，这是一种理论成熟、简单实用的方法，直到 0 砸堕盗兰( 华东) 堡士论文第1 章液压泵及液压系统仿真研究现状 现在，仍被广泛采用，但是这种方法只能用在单输入一单输出的线性定常 系统中，不足以描述系统内部的各变量的特征，也不易处理液压系统中普 遍存在的非线性问题。 在7 0 年代初期，国外开始进行液压系统和元件的计算机数字仿真研究， 但仅能进行动态特性的数字仿真计算，而且数据输入复杂。后期，随着液 压流体力学、控制理论、优化设计、仿真、计算机等学科的发展，特别是 计算机的广泛应用，已经能够通过理论或试验方法建立液压系统的分析数 学模型，借助计算机的仿真，进行有关数据的优化和预测系统的性能，从 而给液压系统的设计提供一个有力的工具。 7 0 年代末期以来，国外开发了许多精度高、速度快、功能方便的各类 液压系统静动态特性通用仿真软件，依据建模方法的不同，这些软件主要 可分为两种，即用状态方程建模的仿真软件和用键合图方法建模的仿真软 件。 在1 9 7 3 年，第一个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，它是由美固俄克拉何马州立大学推出的，该软件 首次采用了液压元件功率口模型方式进行建模，并且所建模型可重复使用。 绝大多数液压仿真软件采用状态方程方法建模，如美国麦道飞机公司 ( mc d o n n e lid o u g l a sa i r c r a f tc o m p a n y ) 率先开发的用以预测液压元件和 系统工作性能的a f f s s ( a d v a n c e df l u i ds y s t e ms i m u l a t i o n ) 仿真软件包。 使液压设计从经验估计提高到定量分析的水平。该软件包内容： 稳态流量分析程序s s f a n ( s t e a d y s t a t ef l o w a n a l y s i s ) ： 液压瞬态分析程序h y t r a n ( h y d r a u l i ct r a n s i e n t a n a l y s i s ) ； 液压系统的频率向应程序h s f r ( h y d r a u l i cs y s t e m f r e q u e n c y r e s p o n s e ) ： 液压瞬时热分析程序h y t t h a ( h y d r a u l i c t r a n s i e n tt i m eh e a l a n a l y s i s ) ； 隐函数积分程序。 这些程序经过c d c 公司( c o n t r o ld a t ac o r p o r a t i o n ) 和明尼苏达大学 ( u n i v e r s i t vo f m i n n e s o t a ) 的修改，补充交互绘图功能，并将它归并到强大 的c d c i c e m 软件包中，构成一个通用的液压c a d 软件。 石油大学( 华东) 硕士论文第1 章液压泵及液压系统仿真研究现状 1 9 7 4 年德国亚琛( a r c h e n ) 2 e 业大学开始研制液压系统仿真软件包d s h ( d i g i t a ls i m u l a t i o no f h y d r a u l i cs y s t e m ) 。该软件建模上具有面向原理图建 模( 模型直观和物理意义强) ，模型包含非线性等的特点。但有模型库靠人 工管理，新软件描述烦琐，并且任一容腔都取状态变量加剧了状态方程刚 性( 建模的化简环节被略去了) ，系统阶次不容易降低，以及系统描述文件 需人工编辑等不足。 1 9 8 1 年我国浙江大学流体传动及控制研究室引进了该软件，对之进行 了消化、移植和改进，并在国内进行了推广。进入9 0 年代以后，该研究所 在原有d s h 软件的基础上，利用w i n d o w s 环境，进一步玎发了更易于用户 操作的d s h p l u s 仿真软件包，使其元件模型库更容易扩充，并增加了图形 输入功能。 英国巴斯大学( u n i v e r s i t yo f b a t h ) 研制了具有广泛功能的液压系统 自动仿真程序h a s p ( h ) ，d r a u l i cs y s t e ma u t o m a t i cs i m u l a t i o np r o g r a m ) ，它 由两个主要程序组成，即生成程序和仿真程序，用户的主要工作是用简单 的、专用的仿真语言向计算机描述液压回路的方框图。在这项工作的基础 上，程序生成器自动构成仿真程序，该程序可以充分考虑液压系统中复杂 交互作用的静态和动态效应问题。在算法上，实现了自动选择算法的积分 器，基于w i n d o w s u n i x 环境的良好的用户界面。 瑞典林平大学为液压系统和元件的仿真开发了通用程序h o p s a n ，这 个程序可以对包括以非线性微分方程表达的数学模型进行静态和动态仿 真，也能进行频率分析。程序员用f o r t r a n 语言写出所要描述的仿真系 统子程序，每种分析方法一个子程序。附属在模块上的参数( 质量、面积 等等) 为所有子程序共有，因此很容易检验参数变化对系统所有特性的影 h 向。 美国h y d r a s o f t 公司开发的h y s a n 动态仿真软件可以预示液压系统和 元件的时间响应、稳定性和其它特睦，输出包括瞬态响应图、压力、流量、 速度和加速度等参数的图表，软件可以仿真多达5 0 0 个元素、4 8 种输入曲 线和2 5 0 0 个曲线点。 此外，还有美国o k l a h o m a 州立大学开发的c a a s 软件( c o m p u t e r a i d e da n a l v s i sa n ds i m u l a t i o np a c k a g e ) ，并在此基础上改迸成基于节点法的 石油人学( 华东) 硕士论文 第1 章液压泵及液压系统仿真研究现状 分析仿真程序n m s a s ( n o d e lm e t h o df o rs y s t e m a r l a l y s i sa n ds i m u l a t i o n ) ： 德国斯图特大学的r e k o n a 液压控制系统分析软件；芬兰t a m p e r e 工业 大学的c a t s i m 液压系统静态仿真软件包等等。 键合图是由美国的h m p a y n t e r 于六十年代初发明的，它以图形方式来 表达系统中各元件间的相互关系，能反映元件间的负载效应及系统中的功 率流动情况，可用来描述液压回路的动态特性，如美围在8 0 年代末开发的 面向键合图的动力系统通用仿真程序e n p o r t ，已在一定的范田获得应用， 但该程序需要在大容量、大型计算机上运行，并且对于非线性系统的解析 存在着若干限制，从而影响了该软件的推广，为了使众多的、并不具备熟 练的计算机知识的普遍液压技术人员能够在小型计算机上较为顺利地进行 动力系统的仿真，日本油空压学会从1 9 8 3 年到1 9 9 2 年8 月开发、研究并 完善了动力系统仿真软件b g s p ( b o n dg r a p h ss i m u l a t i o np r o g r a m ) ，b g s p 可以对机、电液综合流体动力系统的解析，但是用户在使用b g s p 时，需 要先将流体动力系统转换成键合图，并且在制作动力系统仿真输入程序时， 需要严格遵循b g s p 的程序书写格式。上述缺点妨碍了b g s p 的使用和推 广。 自7 0 年代后期开始，液压系统与元件的仿真研究在我国蓬勃兴起，这 为计算机技术引入液压行业，为我国液压技术的进步发展起到了积极作 用，许多高校和研究机构都进行了这方面的研究，并取得了定进展，如 北京航空学院研制的f p s 通用仿真程序，上海交通大学研制开发的针对液 压原理图的仿真软件包h y c a d ，浙江大学流体传动及控制研究所与国营 1 8 3 厂合作开发的液压系统及元件仿真软件系统d l y s i m ，另外，华中理工 大学等单位也作了不少工作。 仿真技术的三个主要组成部分是数学模型、模型解算和仿真结果分析。 液压仿真一般采用这样- - e e 方法： 对于系统比较简单，而仿真者具有较好的建模能力和一定编程能力，则 自行编程进行仿真，这种方法在研究机构中的研究人员和研究生中用得较 多。 数学模型由用户自己自行建立，选用些通用的算法库系统进行仿真， 如常用的m a t l a b ，它提供了许多数学模型解算工具，更值得一提的是这 互迪盔堂! 些壅! 砸堡文第1 章液压泵及液压系统仿真研究现状 类软件还提供较好的仿真结果后处理功能，该方法越来越多地为研究人员 所使用。 选用专用的液压仿真软件进行仿真，这类专用软件一般提供建模工具， 用户只要根据要求用原理图等方式输入仿真用数据，专用软件可自动建立 数学模型，并作仿真计算输出仿真结果，这种方法对用户最为友好，因此 应用面最为广泛。 液压仿真主要有这样几个关键问题”“”： 继续开展液压专用仿真软件包的研制，旨在为业界提供使用方便的 仿真工具。 加强液压元件及系统建模理论研究，深入探索液压系统的机理； 提高业界设计人员的仿真素质，在高校中将仿真技术作为一门必修 课进行教授； 提高仿真结果的精度，使仿真真f 实用； 开发液压仿真专用软件时应用计算机图形等技术对仿真模型的描 述方式和仿真结果的输出方式进行改进。 1 3 1 3 液压仿真的发展方向 以基本模型理论为基础，液压系统数字仿真软件的研制工作是紧紧围绕 着自动建模、仿真计算和输入输出三大问题的研究而发展的，从仿真的发 展来看，自动建模追求的是系统原始模型( 指用户用来描述系统的工具) 的物理性，或者说用户只管描述系统的物理特性，在库的支持下由程序自 动地建立状态方程；仿真计算研究的是算法的“自适应”性，即计算过程 的稳定性、精度和运算速度三者的权衡；输入输出界面讲究的是软件的友 善性，软件的运行效率等。 在条件允许下，精度可以说是仿真技术的永恒追求，仿真精度的不理 想使仿真软件的应用受到了限制，数字仿真结果的误差是由基本模型的原 理性误差，自动建模过程造成的误差和数值积分过程产生的误差的共同作 用所造成的。第一类误差主要是指如弹性模型、节流系数、阻尼系数、小 液感，刚性艰位等非线性因素以及紊流、容腔的几何形状等非线性效应的 忽略所造成的误差。在许多情况下，此类误差往往是仿真结果误差的最主 要原因，仿真结果的精度提高要想取得突破进展，必需在建模研究上有所 石油大学( 华东) 硕十论文第l 章液压泵及液压系统仿真研究现状 突破。 9 0 年代以来，仿真技术呈现以下几个特点 3 4 1 随着对系统动态响应要求的提高，仿真的重要性日益提高； 仿真技术既可对连续系统仿真，又可以对离散系统进行仿真： 强调计算机图形技术、面向对象技术和仿真技术的结合； 分布式仿真技术在广泛应用，在某些场合，数学模型由于各种原因 是分布在不同的计算机巾，模型分布放置在不通计算机中仿真，称 之为分布式仿真： 仿真不仅研究系统的动力学特性，同时也可研究系统的运动学等特 性。 专用仿真软件与通用的仿真算法库并行： 多媒体仿真、虚拟现实使仿真内容大大提高。 纵观仿真技术的最新进展，结合液压领域的发展，液压仿真技术有这样 几个新的发展方向： ( 1 ) 液压系统的建模不断地深入 新的原理、新的机构的不断出现， 新的建模问题就随之而束，还有许多长期来悬而未解的问题t 如流体在复 杂阀道中的流动情况，阀口流量系数等软参数的e 确确定等等，这些工怍 有待于业界人士的不断努力。 ( 2 ) 动画技术和仿真技术的结合 ( 3 ) 实时仿真技术一是仿真结果的表达采用动画技术，二是在计算 机屏幕上能实时地看到系统的动作，实时仿真剥数据处理提出较高的要求， 并通常需要一个三维实体造型器的支持。 ( 4 ) 并行仿真技术由于数学模型因考虑多种因素而变得越来越复杂， 而仿真结果的输出则希望越来越快，因此仿真方法对数据处理速度提出很 高的要求，多计算机或多c p u 同时对同一问题进行仿真计算是解决这个问 题的有效途径。 c 5 ) 多媒体技术在仿真技术中的应用 多媒体技术使仿真结果的表示 方式更加多样化。 ( 6 ) 半物理仿真 特 _ | e 是仿真模型中包含物理模型，那个一些系统部 件和现象难于建模，或在某些特性要求下，系统的某些部