（材料加工工程专业论文）微能耗压边系统数值模拟及实验研究.pdf

摘要 摘要 当前，液压技术在实现高压、高速、大功率、低噪声j 高可靠性、 高度集成化等方面都取得了重大进展，在完善发展比例控制、伺服控制、 开发数字控制技术以及机电液一体化方面也有许多新成就。同时，随着 科学技术的进步，以及对液压机性能和产品竞争力要求的提高，高效率、 低能耗、高控制性能等正成为液压技术的主要发展动向。 液压机微能耗压边节能原理的提出紧密结合了当今液压技术的发展 动向，顺应了液压机的节能趋势。在查阅国内外相关资料基础上，针对 板料拉深成形的压力机提出了以能量回收为主要实现途径的节能技术方 案。本研究课题主要是研究如何将顶出缸( 或压边缸) 排出液体的压力能 借助补偿缸，转化为主滑块的工作能而加以利用，以及压边压力伺服控 制的实现及其性能。 。 本文首先运用能量法推导了单动拉深液压机的两种压边方式即传统 液压垫压边方式和液压垫一补偿缸压边方式的能量损失表达式，通过比 较，得出后者在压边节能方面存在优势、+ 。 。 运用m a t l a b s i m u l i n k 对微能耗压边系统的两种简化物理模 型，即阀控封闭容腔模型和阀控单出杆缸控封闭容腔模型进行数字建模、 仿真，其结果表明该系统的快速性、稳定性等性能指标理想，且便于工 程实现，有很好的应用前景 最后，开发l a b v l e w 系统控制程序并利用实验室现有设备，进行 软、硬件结合，完成了微能耗压边系统的实验研究。通过对实验、仿真 数据的分析和比较，证明微能耗压边系统具有较好的稳定性，符合控制 性能要求。 关键词微能耗压边；节能；伺服控制；仿真；快速性；稳定性 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t p r e s e n t l y ，t h eh y d r a u l i ct e c h n o l o g yh a sa l lm a d et h es i g n i f i c a n tp r o g r e s si n t h er e a l i z a t i o no fh i g hp r e s s u r e ，h i g hs p e e d ，h i g he f f i c i e n c y ，l o wn o i s e ， r e d u n d a n tr e l i a b i l i t y ，h i 曲i n t e g r a t i o na n ds oo n ，a l s oh a sm a n yn e w a c h i e v e m e n t so nc o n s u m m a t i n gt h ep r o p o r t i o n a lc o n t r o l ，t h es e r v oc o n t r o l ，t h e n u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n o l o g ya sw e l la se l e c t r o - h y d r a u l i ci n t e g r a t i o n a l o n g w i t ht h ep r o g r e s so fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya sw e l la si no r d e rt oa d a p tt h e o p e r a t i o nr e q u i r e m e n t so fh y d r a u l i cp r e s sa n ds t r e n g t h e n si t s e l fc o m p e t i t i v e a b i l i t y ，t h eh i g he f f i c i e n c y ，l o w - e n e r g yc o n s u m p t i o n , h i g h c o n t r o l l e d p e r f o r m a n c ea n ds o o na r eb e c o m i n gt h em a i nd e v e l o p m e n tt r e n do ft h e h y d r a u l i ct e c h n o l o g y t h ep r i n c i p l eo ft h el o w - e n e r g yc o n s u m p t i o nb l a n kh o l d i n gn o wc l o s e l y a c c o r d sw i t ht h eh y d r a u l i cd e v e l o p m e n tt r e n da n dc o m p l i e dw i t l lt h ee n e r g y c o n s e r v a t i o nt e n d e n c yf o rt h eh y d r a u l i cp r e s sd e s i g n s a f t e ri n v e s t i g a t i n gs o m e r e l a t e dm a t e r i a la b o u td o m e s t i ca n do v e r s e a s ee n e r g yc o n s e r v a t i o n , p r o p o s e st h e p l a nt h a tt a k et h ee n e r g yr e c y c l i n ga st h em a i nr e a l i z a t i o nq u e s t i o no ns h e e t d r a w i n gf o r m i n gp r e s s t h em a i np u r p o s eo ft h i sr e s e a r c ht o p i ci sh o w t om a k e t h ef l u i dp r e s s u r ee n e r g ya c q u i t t e db yt h eb l a n kh o l d i n gc y l i n d e rc h a n g ei n t ot h e w o r ke n e r g yo ft h em a i ng l i d i n gb l o c ku n d e rt h es e r v o - c o n t r 0 1 s ot h a tt o a c h i e v et h eg o a lo f s a v i n ge n e r g y t h i sp a p e rf i r s t l yp r e s e n t st h ee x p r e s s i o n so fe n e r g yc o n s u m p t i o ni nt w o t y p e s o fb l a n k h o l d i n g ，t h e c o n v e n t i o n a l h y d r a u l i c c u s h i o na n d c u s h i o n c o m p e n s a t i n gc y l i n d e r , i ns i n g l e - a c t i o nd e e p - d r a w i n gh y d r a u l i cp r e s s ， a n ds h o w st h r o u g hc o m p a r i s o nt h a tt h ec o n s u m p t i o ni nl a t e ri sf a rl e s st h a ni n t l l ef o r m e r u s i n gm a t l a b s i m u l i n kt o m o d ea n ds i m u l a t et h et w ok i n do f s i m p l i f i c a t i o nm o d e lo ft h em i c r o e n e r g yc o n s u m p t i o n ，t h er e s u l ti n d i c a t e st h a t t h es y s t e mr a p i d i t y ，s t a b i l i t ya r ee x t r e m e l yi d e a la n dh a sv e r yg o o da p p l i c a t i o n i i p r o s p e c t f i n a l l y d e v e l o p s t h el a b v i e wc o n t r o l p r o c e d u r ea n du s i n gt h e e q u i p m e n t st h a tt h el a b o r a t o r ya l r e a d yh a v et oc o m p o s et h em i c r o - e n e r g y c o n s u m p t i o nb l a n kh o l d i n gt e s ts y s t e m b yc o m p a r i n gt h ee x p e r i m e n t a ld a t aa n d t h es i m u l a t i o nd a t a , w ek n o wt h es t a b i l i t yo ft h es y s t e mc o n f o r mt ol l l ed e s i g n r e q u i r e m e n t k e y w o r d sl o w - e n e r g yc o n s u m p t i o nb l a n kh o l d i n g ；s a v i n ge n e r g y ；s e r v o - c o n t r o l ； s i m u l a t i o n ；r a p i d i t y ；s t a b i l i t y 1 1 1 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文微能耗压边系统数值模 拟及实验研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独 立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包 含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人 承担。 祷辩怖畸 日川狮，7 日 i i 燕山大学硕士学位论文使用授权书 微能耗压边系统数值模拟及实验研究系本人在燕山大学攻读硕士 学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山大 学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员。本人 完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有 关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权 燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文 的全部或部分内容。 保密口，在 本学位论文属于 不保密口 ( 请在以上相应方框内打“” 作者签名： 导师签名： 年解密后适用本授权书。 ) 日期：叼年r 月，7 0 隰唧啪，7 日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 自从上世纪7 0 年代末的世界性能源危机爆发以来，节能问题越来越 引起人们的重视尤其进入2 1 世纪后，世界性的能源紧张已经导致了越来 越多的国际争端和社会问题，节能问题也已经不仅仅是部分科学技术人员 应该考虑的事了，它已经深入到每个人的日常生活当中。液压机的节能就 是要提高液压机的能量利用率，即提高液压系统的效率。通常人们在设计 和使用液压机时，往往都只侧重于考虑液压机的功能要求和成本，而忽视 了其效率的合理充分利用。一般液压机压边系统的实际工作效率大多只有 6 0 左右，造成极大的能量损耗。所以，加强液压机压边系统的节能研究 具有重要的现实意义。一 1 2 液压技术的发展方向及节能技术运用 1 2 1 液压技术的发展动向 l 当前，液压技术在实现高压、快速、大功率，低噪声、高可靠性、高 度集成化等要求方面都取得重大进展，在完善发展比例控制、伺服控制【l 圳、 开发数字控制技术【5 】以及机电液一体化方面也有许多新成就。随着科学技术 的进步以及为了适应液压机的使用要求和增强本身的竞争能力，液压技术 仍在不断发展，其目前的主要发展动向有如下几个方面【6 】： ( 1 ) 提高效率，降低能耗节能问题随着世界能源的日益紧缺已引起了 设计者们的关注，并逐渐成为液压机设计者们着力解决的热点问题。由此， 一系列的节能方法应运而生，例如通过减少摩擦和内漏，能量回收，蓄能 器应用，二次调节，负载压力、流量和功率匹配以及用微型计算机对液压 系统进行自适应控$ ! l t 7 , s j 等都起到了很好的节能效果。 ( 2 ) 提高控制性能9 。1 2 1 ，适应机电液_ 体化液压机发展的需要各种电液 比例阀，适应各种工况的电液伺服阀，低成本的比例阀以及不需要a m , d a 转换，可以直接和计算机接口，易于数字显示的数字阀等相继问世并广泛 l 燕山大学工学硕士学位论文 应用，极大的提高了系统的性能。 ( 3 ) 发展集成、复合、小型化、轻量化元件，使液压元件具有高可靠性、 减少配管、减少压力损失、提高效率、节省安装空间、易维修等特点。继 集成块式、叠加阀式，插装式之后，近几年又出现了将液压控制元件附加 在液压执行元件或液压泵之上的一体化复合式液压装置。 ( 4 ) 加强以提高安全性和保护环境为目标的研究开发包括水基难燃介 质、无污染的纯水液压技术 1 3 , 1 4 的研究、开发和应用，降低噪声，提高密 封性能、减少泄漏等。 ( 5 ) 提高液压元件和系统的可靠性开展液压失效机理分析，系统状态 监测、故障诊断及可靠性预测，降低元件污染敏感度等方面的研究，加强 污染控制与新型工程材料的应用等对提高可靠性都有重要意义。 ( 6 ) 标准化和多样化由于技术革新，液压元件的品种越来越多。品种 的多样化不利于专业化，也就不利于采用传统的大批量生产方式，为此， 须广泛采用数控c ) 、加工中心( m c ) 和柔性制造单元( f m c ) 组成的生产线， 实现成批生产自动化，提高效率，保证产品质量和一致性。 1 2 2 液压系统的能量损失 液压系统在工作中要进行两次能量转换，即由电机和泵把电能转化为 流体势能，再通过液压执行元件把流体势能转化为机械能。液压系统的能 量损失全部以热能的形式释放，具体表现在以下几个方面 i 孓1 8 】 ( 1 ) 泵和马达【”】的发热在液压传动中，旋转式流体元件都在低于效率 百分之百的情况下运转，这就意味着输入到系统的能量比输出的多，其损 失的能量主要是泵和马达的内部磨损形成温升转化成的热能。 ( 2 ) 节流引起的能量损失所有的流体动力控制阀本质上都是利用节流 进行控制，存在着压降( 压力损失) ，这种压降同样转化成热能( 发热) ，流体 在管路中流动发生泄漏也是产生压降的原因之一。在实际生产中，溢流阀 产生热量或造成能量损失是最为常见的现象。 ( 3 ) 系统设计引起的能量损失在液压系统设计中，如果泵的流量比系 统的流量高得多，会导致泵在保证执行元件工作的前提下多余的流量通过 2 第l 章绪论 溢流阀卸掉，从而产生能量损失。因此，设计者要在考虑系统压力、执行 元件工作周期的条件下设计主泵的流量，泵的工作总流量同蓄能器相结合 的条件下可以实现系统流量低于泵的总流量，这样既能保证执行元件的正 常工作又能使能量损失最小。另外，在液压系统设计中，中开式四通阀中 的压降不得超过5 0 m p a ，阀的流通面积至少是相应管路流通面积的7 5 ， 如果可能，管路尺寸的选取应使得流体为层流状态。 。 ( 4 ) t i e 常能量损失由于调试、维护和操作不当导致的液压系统油温 升高，出现能量损失和元件损坏的现象是普遍存在的问题。最为常见的如恒 压变量泵的溢流阀同系统的安全阀调整不匹配导致泵始终存在流量输出， 安全阀( 或溢流阀、平衡阀) 出现故障或压力调整过低，压力继电器出现故障 或调整不当等。 1 2 3 液压节能技术的应用 在液压系统的设计中，设计者往往把着眼点放在系统的功能、可靠性 等指标上，对能耗方面考虑得不够多，由此存在各种不必要的损失而造成 系统发热，为了维持理想的油温，又不得不采取降温的措施，从而进一步 加剧了能量的无功消耗因此，将节能意识融于液压系统设计过程中，其 降低功率损耗的节能效果会更优于使用中的节能措施。 。 1 2 3 1 合理选用低能耗、效率高的液压元件， ( 1 ) 动力元件泵作为能量转换装置对液压系统的总效率影响很大。表 1 1 是常用液压泵的效率，可以看出，从节能的目标出发，应依次选择柱塞 泵、螺杆泵、叶片泵、齿轮泵，但泵的成本和其他性能也是需要考虑的。 变量泵的机械效率，容积效率都没有定量泵的高，但能按负载压力自动调 节流量，在功率利用上比较合理。 对于要求压力接近或相同，流量变化较大的液压系统，一般应采用恒 压变量泵作为动力源，其特点是在系统压力达到泵的设定压力前为定量泵 特性；达到设定压力时，泵的流量随负载自动调整；无负载时，泵的流量 自动降为零，但其输出压力维持恒定，没有多余的流量损耗。尽量避免采 用定量泵溢流阀系统和旁路节流调速系统，以降低溢流或旁路流量损失 3 燕山大学工学硕士学位论文 表1 - 1 常用液压泵的效率 t a b l e1 - 1 m a j o rh y d r a u l i cp u m pe f f i c i e n c y 类别柱塞泵 螺杆泵叶片泵齿轮泵 容积效率08 5 0 9 808 5 - 09 508 0 - - 0 9 5 0 7 0 , - 0 9 0 机械效率0 7 5 加9 0o7 0 - - 0 8 5 o 7 5 枷8 50 6 0 - - o8 0 总效率0 7 5 o8 50 7 5 o8 007 5 - - 08 0 06 0 - 0 7 5 对于功率较大、负载缓慢增大且有较长保压时间要求的系统，如泵保 压系统、蓄能器系统等也可以采用恒压恒功率变量泵。恒压变量泵和恒压 恒功率变量泵的压力流量输出特性见图1 1 。 q 图1 - 1 压力流量输出特性曲线 f i g 1 一l p r e s s u r e f l u xo u t p u tc h a r a c t e r i s t i cc a l v e 对于要求分别具有不同压力、不同流量的多执行元件系统，可采用双 压、双流量恒压变量泵或负载传感变量泵。双压双流量恒压变量泵相当于 两台不同压力、不同流量的恒压变量泵，利用电磁阀来转换工作状态，适 用于双执行元件的系统。负载传感变量泵的实际输出压力和流量能同时随 负载需要自动调整；无负载时，泵的流量自动降为零，且输出压力也很低， 适用于多执行器系统。上述这两种泵能同时降低压力和流量损耗，节能效 果很好【2 1 0 2 1 。 ( 2 ) 执行器选取马达时，注意不要将大容量马达降低规格，同时注意 其合适的转速，一般在1 0 0 0 - - 1 8 0 0 r m i n ，如果马达转速较低，压差较大， 容积效率就会下降，其总效率也会下降。选取液压缸时，注意改善其密封 条件。自行设计的液压缸，应选择低阻力材质( 如橡塑混合材料) 的密封件。 4 第1 章绪论 对于时常要求快慢速交替工作的液压缸，可考虑设计复合缸目前将复合 缸用于压力机上，比同类型的普通缸节能7 5 左右，将其用于其他工程机 械也有不同程度的节能效果。 ( 3 ) 执行元件执行元件虽不属于能量转换装置，但若根据系统实际功 能要求合理选择控制元件，也可减少系统压力损失，提高回路效率各类 控制元件应根据其在系统中相应位置和可能出现的最高压力和最大流量来 确定其规格，不宜过大或过小。例如，连续控制的比例阀通常采用1 m p a 以下的阀口压降，而伺服阀阀口压降则为7 m p a 。在相等的负载条件下，选 取比例阀可以采用较低的供油压力，从而减少了功率损耗。新型的二位插 装阀是集成元件，其内部通道连接使阀体本身无泄漏，插装阀锥口节流损 失小，元件集成式连接也起到良好的节能作用。 ( 4 ) 管路、确定系统管路时，应合理选择管路的规格，注意优化管路系 统，力求在满足功能的情况下，系统简单可靠，不出现多余的油路，尽量 减少弯头，软管转弯处半径要大于9 倍软管半径，弯曲处到管接头距离至 少等于6 倍软管外径。硬管转弯处半径应大于油管外径的3 5 倍在减少 能量损失的同时降低其制造成本，有效节省能源 1 2 3 2 合理选择液压油的黏度由于液压系统的能量消耗主要是压力损 失，因此降低液压油的黏度，减小流动阻力是关键因素之一。 。 ( 1 ) 黏度对液压泵效率的影响液压泵的效率为：液压泵的总效率在液 压油的某一黏度时可达到最高值，图1 - 2 是叶片泵的总效率与液压油黏度之 8 0 莲7 0 辟 棂6 0 5 0 3451 02 04 01 0 03 0 0 + 黏度，m m 2 s 1 图1 2 叶片泵总效率与液压油黏度关系 ， f i g 1 2 t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eg e n e r a le f f i c i e n c yo f v a n ep u m pa n dt h ev i s c o s i t yo f t h eh y d r a u l i cl i q u i d 5 燕山大学工学硕士学位论文 间的关系。效率曲线因泵结构、形式及使用压力不同而不同，为达到运行 效率最高，可以根据泵效率曲线的最高点来选用最合适黏度的液压油。 ( 2 ) 黏度对压力损失的影响管路系统的沿程压力损失与液压油黏度成 正比例增加，因此，降低液压油黏度，减小流动阻力，可减小管路压力损 失。当液压油一定时，应根据管道类型合理选择油液流速和管长。 1 2 3 3 液压回路的节能设计设计节能液压系统时不但要保证系统的输 出功率要求，还要保证尽可能经济、有效地利用能量，达到高效、可靠运 行的目的。 ( 1 ) 常用的几种高效回路差动回路：利用换向阀的中位机能p 型或一 端机能是r 型，都具有差动功能。 蓄能器回路：用蓄能实现辅助动力源或快速运动动力源及系统保压要 求等目的，减少功率损耗。 双泵双速回路；当执行元件快速工进时，双泵低压大流量供油：当执 行元件慢速工进时，单泵高压小流量供油，大泵卸载，系统几乎没有溢流 损失，效率高。 流量适应回路：变量泵的输出流量按执行器的速度要求调节，与负载 流量相适应，没有溢流损失，效率高。 ， 此外，还有压力适应回路、多泵比例系数调速回路等，这些常用的经 典回路具有一定的代表性，可以参考借鉴，但不能照搬随着应用场合、 功能要求、技术参数的不同，也就使得设计方案各有侧重【2 3 l 。 ( 2 ) 采用现代液压技术节能采用现代液压技术是提高系统效率、降低 能耗的重要手段【1 7 】。如采用定量泵+ 比例阀的压力匹配系统，系统效率可提 高3 0 ；变量泵+ 比例节流阀、变量泵+ 比例换向阀、多联泵+ 比例节流溢流 阀系统，效率可提高2 8 - , - 4 5 。节能效果更好一些的有负载信号传感液压 泵、负载信号传感液压控制阀、功率匹配式液压系统等。 功率匹配式是既无压力过剩又无流量过剩的的功率自适应系统。以数 控轴向柱塞泵的功率匹配液压系统为例说明( 见图1 3 ) 。把执行器的速度转 换成脉冲信号，通过微机控制步进电机的旋转运动转换成直线运动，控制 滑阀式数字阀的开度及方向，从而控制进入变量缸的油液的压力和方向， 6 第1 章绪论 以实现对斜盘倾角的控制，获得所需流量，泵的压力自动随负载变化，因 此节能效果最好，但价格昂贵，工况复杂，适用于压力流量较高且变化大、 自动化程度较高的系统。 图l - 3 功率匹配式液压系统 f i g 1 - 3 p o w e rm a t c h i n gh y d r a u l i cs y s t e m 1 2 3 4 采用能量回收措施节能对运动负载的机械能加以回收、存储与重 新利用，可为液压系统实现高效节能提供新思路执行元件不同，实现能 量回收的油路也不同。 2 l 一定量泵马达2 一液压缸3 一蓄能器4 变量泵冯达 图1 - 4 液压缸能量回收回路 f i g 1 - 4h y d r a u l i cc y l i n d e rr e g e n e r a t i v el o o p 图l - 4 采用液压缸实现对负载机械能的回收定量泵，马达具有正转、 反转、泵、马达4 个象限功能，蓄能器为储能元件。当变量泵，马达处于马 达工况时，液压缸驱动外负载做功；而当变量泵，马达处于泵工况时，可将负 载的机械能转化为液体的压力能回收能量，系统多余的压力油液由蓄能器 储存。为满足不同的负载要求，变量泵马达应有足够大的变量范围。 7 燕山大学工学硕士学位论文 1 3 新型微能耗压边系统的应用 传统上，单动拉深液压机的压边力是由液压垫以排油背压的方式提供 的，见图1 5 ，在这种系统中，滑块带动凹模下行，通过板料的凸缘部分和 压边圈推动液压垫活塞，将缸内液体按照预先设定的压力一行程曲线经由 溢流阀排回油箱。在这个过程中，排回的液体通过溢流阀产生了能量损失： 最终这部分能量还要转变成热能，因此需要冷却装置对油液进行冷却，这 也要耗费一定的能量，液压系统的制造成本也相应增加。 图1 5 单动液压机液压垫压边原理 f i g 1 5 t h e p r i n c i p l eo f h y d r a u l i cc u s h i o nb l a n kh o l d i n go f s i n g l e - a c t i o nd e e p - d r a w i n g h y d r a u l i cp r e s s 一种新的单动拉深液压机压边力系统【2 5 l 如图1 - 6 所示，称之为微能耗 压边系统。在这种系统中，每一个液压垫缸都有一个与之对应的，和主液 压缸一样作用在活动横梁上的补偿缸，补偿缸与主液压缸平行配置，并且 液压垫缸与补偿缸的缸径相等。在拉深过程中，对应的一对液压垫缸和补 偿缸的无杆腔通过管路相连，形成一个在工作过程中容积不变的液压容腔， 见图1 - 6 ，该容腔的液体压力由一个伺服阀控制：当需要提高压边压力时， 蓄能器在伺服阀的控制下向液压容腔输入液压油；反之，液压容腔放出液 压油。因为该液压容腔容积不变，压力的改变只需很少液体就能实现，由 此能量损失远低于传统的液压垫系统。本文用能量法推导了单动拉深液压 机的两种压边方式即传统液压垫压边方式和液压垫一补偿缸压边方式的能 量损耗表达式，以此为基础对两种压边方式产生的能量损失进行比较，结 果表明后者远小于前者。 8 第l 章绪论 龉 佃 席 自 卜 图1 - 6 微能耗液压机压边原理 f i g 1 - 6 t h ep r i n c i p l eo f m i c r o - e n e r g yc o n s u m i n gb l a n kh o l d i n g 1 4 本课题选题的意义及论文结构安排 用于板料拉深成形的压力机( 液压机或机械压力机) 是通过机座下面的 项出缸( 或主滑块上面的压边缸) 所排出液体的背压来提供压边力的。这些液 体的压力能经过压力控制阀后完全转化为热量而成为能量损耗；同时为了 消除这些热能对系统产生的不利影响，维持系统理想的油温，又不得不为 此设计专门的冷却装置，从而进一步加剧了能量的无功消耗，单位时间内 损耗的这两部分能量之和大约相当于机器总装机功率的4 0 ，造成相当大 的能源浪费。 本研究课题的主要目的是研究如何将顶出缸( 或压边缸) 排出液体的压 力能在压力伺服控制装置的控制下，转化为主滑块的工作能而加以利用， 以达到节约能源的目的。 国外近年来已经开始了这方面的研究，但国内尚属空白。本课题提出 的微能耗压边技术不仅表现在节能方面可以大幅度减少机器动力系统和冷 却系统的能量消耗，减小装机容量，还可以利用伺服控制装置与计算机相 结合实现液压系统的高精度和较快的响应速度，提高系统的控制性能结 9 燕山大学工学硕士学位论文 合功能强大的m a t l a b s l m u l i n k 软件对系统进行仿真，调整系统影响 参数，优化系统的静态特性，使压力机具有更大的灵活性和更广泛的适应 性，对于提高我国加工工业的能量利用率，降低生产成本和节约能源，提 高产品在国际市场上的竞争力都具有普遍意义。 据此确定本课题的主要内容如下： ( 1 ) 单动压边液压机压边能量损耗分析。分别推导出传统液压垫和液压 垫一补偿缸两种压边系统的能量损失表达式，将二者进行比较分析，得出 后者在节能方面的优势所在。 ( 2 ) 封闭容腔液体压力伺服控制理论分析及数值模拟。 ( 3 ) 微能耗压边系统实验研究。 1 0 第2 章单动拉深液压机压边能量损耗分析 第2 章单动拉深液压机压边能量损耗分析 运用能量法对单动拉深液压机的两种压边方式即传统液压垫压边方式 和液压垫一补偿缸压边方式的能量损耗进行公式推导，更加明确后者在压 边节能方面的优势所在，也为改良后的微能耗压边装置投入实际应用提供 理论依据。 2 1 传统液压垫压边系统的能量损失 传统单动液压机液压垫压边原理如图2 - 1 所示 图2 1 单动液压机液压垫压边原理 f i g 2 - 1 t h ep r i n c i p l eo f h y d r a u l i cc u s h i o nb l a n kh o l d i n go f s i n g l e a c t i o nd e e p - d r a w i n g h y d r a u l i cp r e s s 由图2 1 所示的单动液压机液压垫压边原理可知，在一个拉深行程疗 中，液压垫压边的能量损耗等于消耗在溢流阀上的能量损耗： 孵= a 【p ( h ) d h ( 2 1 ) 式中形一能量损失( d 、 p 一液压垫缸压边腔液体压力( p a ) ，一般是活动横梁行程h 的函数 4 液压垫缸无杆腔的工作面积( m 2 ) 卜液压垫油缸行程( m ) 、 式( 2 1 ) 表明，能量损耗正比于压力一行程曲线包围的面积。 以筒形件为例，用直线近似描述压边压力p 与行程h 的关系 燕山大学工学硕士学位论文 p 。“一“百 式中 p 。一最大压边压力( p a ) 踣一拉深行程 由式( 2 - 1 ) 、式( 2 2 ) 得到筒形件拉深压边能量损耗为 砟：丢饥。日：去。 式中厂_ 液压垫缸压边腔( 无杆腔) 容积，v h c _ a h 2 2 液压垫一补偿缸压边系统能量损失 液压垫一补偿缸压边原理如图2 2 所示 蜡 佃 赢 甲 i 一 ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) 图2 2 液压垫一补偿缸压边原理 f i g 2 - 2 t h e p r i n c i p l eo f c u s h i o n - c o m p e n s a t i n gc y l i n d e rb l a n kh o l d i n g 从能量的角度分析，每一个拉深工作循环都是一个能量传输转换过程。 这一过程可以分解成一个或几个压力上升、下降阶段。在压力上升阶段， 由液压垫缸和补偿缸相连形成的封闭液压容腔从压力源，即蓄能器吸收能 量，这些能量以弹性能的形式存储于该液压容腔中。在这一阶段，蓄能器 输出的能量要大予液压容腔增加的弹性能，因为输送到液压容腔的液体在 1 2 第2 章单动拉深液压机压边能量损耗分析 阀口产生的压降要损失能量在压力下降阶段，液压容腔放出液体，弹性 能降低，所释放的能量经由控制阀油口转换成热能，进入回油管道和油箱。 所有这些能量都是最初由蓄能器提供的。 - 2 2 1 液压垫一补偿缸封闭液压容腔的能量变化 。 液体体积随其所受压力变化的性质，称为压缩性它用体积压缩系数 量度。压强增大一个单位值时，流体体积的相对减小值，称为体积压缩系 数，记以口，即。 ：_ d v i v ( 2 - 4 ) 印 式中d v v 液体体积的相对变化量 咖压强变化量 愈小越不易压缩，工程上常用的倒数e 来表示液体的压缩性 e ：_ 旦l ( 2 5 ) d y | v e 称为液体体积弹性模量，单位为p a ，即与压应力单位相同的单 位为m 2 n 。由此可知，当液压垫一补偿缸液体压力从零提高到“。，则封 闭液压容腔液体体积增量为 a v = v h o 鼍 ( 2 6 ) l 式中卜封闭液压容腔液体体积增量 圪厂一封闭液压容腔初始体积( m 3 ) ，包括液压垫缸、补偿缸的无杆腔 和相连管道，可以近似认为圪o = 2 卜液体等效体积弹性模量( p a ) 因液体具有可压缩性，所以液压容腔类似于弹簧，具有相同的特性。 将容腔压力p 对应弹簧力f ，液体体积增量a v 对应弹簧位移x ，根据弹簧 力公式f = b 和封闭容腔液体压力公式p = ( 可吆o ) 矿，可知液压弹簧刚度 屯为 f t = 手 ( 2 7 ) r 加 封闭液压容腔液体得到的弹性能为 1 3 燕山大学工学硕士学位论文 肾l 脚= 等= 扣睥鲁 ( 2 - s ) 2 2 2 蓄能器的能量输出 蓄能器是将压力液体的也压能转换为势能贮存起来，当系统需要时再 由势能转换为液压能而做功的容器。因此，蓄能器可以作为辅助的或应急 的动力源；可以补充系统的泄漏，稳定系统的工作压力，以及吸收泵的脉 动和回路上的液压冲击等。本系统采用蓄能器提供拉深所需压边压力。 设蓄能器容积为，充气压力风，充液压力为p 。，充液气体体积为圪， 气体指数为疗。根据气体多变状态方程 p o 昭= 岛曙( 2 - 9 ) 可得 ( 2 - 1 0 ) 以及蓄能器中液体的充液体积 一圪= l 一( 卺丁i q 。- ， 对于微能耗压边来说，封闭容腔液体体积增量a v 由蓄能器提供，只要蓄能 器容积选择合理，拉深过程中蓄能器可以工作在非充液状态下，即蓄能器 的补压泵泄荷。蓄能器输出液体体积a v 后，压力降至 一商铴 1 1 + 监垃 圪 e 肚p 川o v o p f ，_ 1 4 ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) 蓄能器输出能 一 、 助一岛 ，。 = 圪 第2 章单动拉深液压机压边能量损耗分析 量为 = i 1 一l 陋t “c i jlj ( 2 - 1 4 ) 能量包括两部分：一部分是液压垫缸内液体的弹性能l ，用以提供压 边力，这部分能量将在压边压力下降阶段经由伺服阀转换成热量耗散掉； n - n ；i 能! k 一l 在压边压力上升阶段通过伺服阀口直接转换成热能 因为封闭液压容腔液体不对外做功，因此最终都将变成热能被消耗掉。 ，i 2 3 能量损失比较分析 由式( 2 3 ) 和式( 2 1 4 ) n f f j 得微能耗压边系统与传统压边系统两种方式的 能量损耗比， l 七：墅： 形 2 岛( 前 p m 。( n - i ) 陋每( 计 ( 2 - 1 5 ) 如果蓄能器体积足够大，为了便于比较能量损失，可认为它在向封闭容腔 输出液体时自身的压力不降，。即看成一个恒压源，这样气体指数疗可近似为 0 ，蓄能器输出的能量表达式简化为 嘭= v h o p m 。a x p a ( 2 1 6 ) 显然形 。作为伺服阀的压力源，通常蓄能器压力保持在液压缸最大压 力的3 ，2 倍，因此上式可写成 嘭= 吾吆。串 ( 2 1 7 ) 考虑到圪。2 ，得微能耗压边系统与传统压边系统两种方式的能量损耗 比 后：譬：6 p m 。a x ( 2 - 1 8 ) 肌e 1 5 燕山大学工学硕士学位论文 可见，比值k 与p 。和e 有关。例如e 取7 0 0 m p a ，蓄能器压力取3 0 m p a ， 对应。等于2 0 m p a ，此时k = 1 6 。 对于压边力来说，并不需要特别快的压力响应，因此蓄能器的压力可 以降低，能量损耗可以进一步降低。显然，带有补偿缸的伺服控制压边系 统的能量损耗远低于传统的液压垫压边系统。 2 4 本章小结 本章用能量法推导了单动拉深液压机的两种压边方式即传统液压垫压 边方式和液压垫一补偿缸压边方式的能量损耗表达式，以此为基础对两种 压边方式产生的能量损失进行比较，结果表明后者远小于前者。 1 6 第3 章封闭容腔液体压力伺服控制理论分析及其数值模拟 第3 章封闭容腔液体压力伺服控制理论分析及 数值模拟 微能耗压边系统为减少所排油液经压力控制阀转化成的热能损耗，与 液压拉深垫同轴配对地安放活塞直径相同的补偿工作缸，如图1 - 6 。每个补 偿工作缸通过液压管路与之配对的液压拉深垫相连，容腔液体压力，即压 边压力由伺服阀控制。此系统可简化成由液压拉深垫与补偿工作缸无杆端 作为一个封闭容腔，蓄能器作为恒压源，由伺服阀直接控制封闭容腔压力 的模型，如图3 1 。也可以用伺服阀控单出杆缸来实现对封闭容腔压力的控 制，如图3 2 。由于伺服阀对油液清洁度的要求高，将伺服阀控单出杆缸部 分作为前置级，使伺服阀与作为封闭容腔的工作部分相隔离，以降低伺服 阀的故障率。 图3 1阀控封闭容腔模型i 图3 2 单出杆缸控制封闭容腔模型i i f i g 3 - l t h em o d e lo f c l o s e dc a v i t y f i g 3 - 2t h em o d e lo f c l o s e dc a v i t yc o n t r o l l e d c o n t r o l l e db ys e l v os a l v e b ys i n g l er o dc y l i n d e r 3 1 封闭容腔液体压力伺服控制的数学模型与l q r 最优控 制 伺服阀控制的封闭容腔动态特性在很大程度上决定着整个系统的性 能。下面分别推导真传递函数。 1 7 燕山大学工学硕士学位论文 3 1 1阀控封闭容腔模型i 的基本方程、系统框图及传递函数 针对图3 - 1 模型，作如下规定： ( 1 ) 伺服阀为零开口四边滑阀，四个节流窗口匹配且对称； ( 2 ) 伺服阀与封闭容腔直接连同； ( 3 ) 液压能源是理想的恒压源，供油压力p 。为常数； ( 4 ) 阀与缸的连接管道对称且短而粗，忽略管道和阀腔内的压力损失和 管道动态及泄漏，封闭容腔内各处压力相等，油温及体积弹性模量均为常 数。 滑阀的流量方程为 铲q 严产( 3 - 1 ) 式中 q ，供油经阀流入封闭容腔的流量 e 流量系数 阀口面积梯度 毛阀心位移 以供油压力 a 封闭容腔压力，定义负载压力p l = p 。 流量增益 巧= 鼍= c d w - 2 ( v , f f p l ) ，( 3 - 2 ) 是流量特性曲线在某一点的切线斜率。它表示负载压降一定时，阀单位输 入位移所引起的负载流量变化的大小。其值越大，阀对负载流量的控制就 越灵敏。 流量压力系数 k 一卺= 巳嘿焉 ( 3 - 3 ) 是压力流量曲线的切线斜率冠以负号，对任何结构形式的阀来说，a 吼现 都是负的，冠以负号使其总值为正值。流量压力系数表示阀开度一定时， 负载压降变化所引起的负载流量变化大小。疋值小，阀抵抗负载变化的能 1 8 第3 章封闭容腔液体压力伺服控制理论分析及其数值模拟 力大，即阀的刚度大。 ， 利用线性化理论【2 6 1 对系统进行动态分析时，必须将流量方程线性化。 把工作范围限制在某一特定的工作点a 附近，则式( 3 一1 ) 可写成 吼一g “= g t = 剖。缸，+ 剥。印c 2 巧血，一疋c ；( 3 4 ) 流入封闭容腔的流量连续性方程 铲差丝d t ( 3 - 5 ) 吼2 方一 u 。 式中 k _ 封闭容腔的容积( 包括阀和连接管道) 屈有效体积弹性模量( 包括油液、连接管道和缸体的机械柔度) 对式( 3 - 4 ) 及式( 3 5 ) 进行拉式变换 鱿= k q x ，一k 。兄 。 ( 3 - 6 ) q = 号啦 ( 3 - 7 ) p e 由以上两方程画出阀控封闭容腔的系统框图，如图3 3 所示 图3 - 3 阀控封闭容腔系统框图 f i g 3 3 s t r u c t u r eo f c l o s e dc a v i t yc o n t r o l l e db y $ e 1 - 0v a l v e 由式( 3 - 6 ) 及式( 3 7 ) 可知对于指令输入丘，系统的传递函数为 蚝 旦：堡：丝：l 互甚s + 疋壶+ - 云 巧 1 9 燕山大学工学硕士学位论文 式中巧压力增益，巧2 孑 q 惯性环节的转折频率，q ：刍箬 此传递函数由比例和惯性环节组成。压力增益也称为压力灵敏度，它定义 为巧= 魂a 瓦，是压力特性曲线的切线斜率。通常，压力增益是指吼- - 0 时阀单位输入位移所引起的负载压力变化的大小。此值大，阀对负载压力 控制的灵敏度高。 作为表示阀静态特性的三个性能参数，k 、疋、k ，在确定系统的稳 定性响应特性和稳态误差时是非常重要的【2 】。流量增益e 直接影响系统的 开环增益，因而对系统的稳定性、响应特性和稳态误差有直接影响。流量 压力系数k 直接影响阀控执行元件的阻尼比和速度剐度压力增益k 。表示 阀控执行元件组合启动大惯量或大摩擦力负载的能力由于这三个系数本 身的定义方法决定了它们将随着工作点的改变而发生变化，而压力流量特 性的原点对系统的稳定性来说是最关键的一点，因为此处阀的流量增益最 大，系统