（机械设计及理论专业论文）速闭闸液压控制系统的设计与仿真.pdf

攘要 摄据企业髓求，结合现状，本文设计了速阅闸液压控制系统以满足水处 理厂远程控制闸门及在断电时快速切断进厂水源的迫切需要，肖利f 谦让水 处理厂的安全、正常运行；利用m a t l a b 提供的s i m u l i n k 软件包对速闭闸控 制系统的动态特性进行仿真，米达至优化参数、元件、系统的瞄的。 在介绍闸门的概况，分析液压传动控制的特点以及液压系统动态特性研 究现状后，本文首先根据企业箍出的技术要求，设计了个采糟答能器作为 储备能源的双阐门液厦控制系统，实现正常与停电工况下的功能要求。其次， 在充分考虑液聪系统的动态西索( 液容稻液惑) ，并对番液压元器侔建模分桥 的基础上，分别建立了速闭闸液压控制系统在泶或蓄能器作用f 丌启、天l 训 闸门过程酶数学模墅。再次，运用s i m u l i n k 动；器仿真工莫，采鬻模块讫分层 建模的方法，根据各予系统的数学模型建立各自的仿真模型，并将它们封装 成模块，按照实际耱璃系统蕊信号流关系在模麓的最上层遂鼋亍连接，缀成蘩 个系统的仿真模型。最盾，通过对仿真结果的分析，考察了系统的动态忭能： 透过谲整模鍪参数，藩考察各参数静交纯对系统往麓静影稳，并箍是鞠瘴静 改进措施。 关键词：遵闭阐，数学建模，s i m u t i n k ，仿真 a b s t ra c r a c c o r d i n gt ot h ed e m a n d so ft h ee n t e r p r i s e s ，c o m b i n i n gw i t ht h ea c t u a l i t y , t h i sd i s s e r t a t i o nh a sd e s i g n e dah y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mf o ri n l e th a t c h ，i no r d e r t om e e tt h ew a t e r w o r k s r e q u i r e m e n t s - - c u t t i n go f ft h ei n l e ti nt i m ew h e na n e l e c t r i c a lf a i l u r es h o u l do c c h lt h i ss y s t e mb e n e f i t st h es a f e t ya n dw e l l r u n n i n g o fw a t e r w o r k s 。b e s i d e s ，w i t ht h es i m u l i n ki nm a t l a b ，i th a ss i m u l a t e dt h e d y n a m i c ，c h a r a c t e r so ft h es y s t e mt oo p t i m i z et h ep a r a m e t e r s ，c o m p o n e n t sa n d s y s t e r n a f t e ri n t r o d u c i n gt h eg e n e r a ls i t u a t i o no ft h eh a t c h ，t h et r a i ta n dr e s e a r c h s t a t u so fh y d r a u l i cc o n t r o l ，c o m p l y i n gw i t ht h et e c h n i c a lr e q u e s to ft h e e n t e r p r i s e s ，t h i sd i s s e r t a t i o n f i r s th a v ed e s i g n e dad o u b l e + h a t c h e dh y d r a u l i c c o n t r o ls y s t e mw i t ha l la c c u m u l a t o ra sas t o r a b l ee n e r g y s e c o n d l y ，b a s e do nt h e a c c o u n to fh y d r a u l i cd y n a m i cf a c t o r ( h y d r o c a p a c i t a n c ea n dh y d r o i n d u c t a n c e ) a n dt h ea n a l y s i so fe a c hc o m p o n e n t sm a t hm o d e l ，t h es y s t e m sm a t hm o d e l so f t h r e es i t u a t i o n sa r ee s t a b l i s h e d t h i r d l y , t h ed y n a m i cs i m u l a t i o nt o o l ，s i m u l i n k ，i s e m p l o y e dt ob u i l dr e s p e c t i v e l yt h es i m u l a t i o nm o d e lo f e a c hc o m p o n e n t ，a l s o , t o m a s ki ta n dc o m b i n et h e mo nt l l et o pl a y e r a sar e s u l t ，t h el a y e r - b u i l ts i m u l a t i o n m o d e l so ft h ew h o l es y s t e ma r eb u i l tu p ，a tl a s t ，b yt h em e a n so fa n a l y z i n gt h e s i m u l a t i o nr e s u l t ，t h ed y n a m i cc h a r a c t e r so ft h es y s t e ma r ee x a m i n e d m e a n w h i l e ， b ya d j u s t i n gt h ep a r a m e t e ro ft h em o d e la n do b s e r v i n gt h eo u t p u tr e s p o n s e , t h e p a r a m e t e r so ft h es y s t e ma r eo p t i m i z e d k e y w o r d s ：i n l e th a t c h ； m a t hm o d e l ：s i m u l i n k ；s i m u l a t i o n 珏 武 擞理工大学撷士学位论文 第一章绪论 l 。l 阐 摄述 闸门普遍成用于防洪、灌溉、蓄水、通航以及水电工程中，按用途可分 蔻透拳瓣、节翻闻、瀵求阕、藉 漂溺；按稳逶霹分为弧形鬻门、平蔽瓣门、 充气闸门：按开启方式可分为随升式、升卧式、倾倒溅 3 2 。 麓门豹寝溺爱冬凝撵錾门瓣类型、工终瞧蒺分剩袋耀不嚣熬设冬，螽霾 定式卷扬启闭机，液臁启闭机成门式起重机【3 3 1 。 卷扬庙嚣l 橇爨菇感是：结秘麓单，蒺求懿瘸门力较枣f 鲡莱锅丝缴连在 闸门的上游面) ，易于提供可靠的机械式位置指示器，没有闸门偏移和漏油的 溺嚣。卷瑟囊 嚣穗逶过减速齿鲶客暴粼鸯可靠浆掇辕臻示系绞。 液压启闭机的优点是：设计简单、成本低，可以满足荷载和速度的变化 终，还荔于提供嚣程终浸豹缓冲，可以搜趣一个动力浚墨操终凡个阕门，不 要动力可以容易地徒手放下闸门，机械效率高，运动部件很少，维护成本低。 1 2 液压传动的特点介绍 麸1 8 世纪建立了完整熬泼匿转动遴论以求，液压技术就逐濒广泛应用 于民用机械以及汽车、航空、军事工渡。经过三个世纪的发展，液压技术已 藏为驱动理代羞韭运动的“腿凑”，这是因为液压传动控制系统具有如下特 点c 7 l ： ( 1 ) 易予控制且控制糙确。只要篱尊地操搀手糖按镪，操捧入员即w 实现 对液膳系统执行机构的动作控制。此步卜由于几乎不受执行机构和机械系统运 动惯燃数影确，液压系统具鸯较高的控制糖发。 ( 2 ) 理想的增力系统。液压系统是一个简单而且高散的增力系统，它无需 蠖助笨重豹枫械传动就可实现增力或增大扭艇。 ( 3 ) 可以输出恒定的力和扭矩。与葜他传动方式相院液压传渤系统矮有一 个显蔫特点，就是不赞负载速度如何变，它都可以为负载提供连续稳定的力 和力矩。 ( 4 ) 具有负载敏感特性。与其他传动方式不同，液聪系统中工作压力与油 武汉理王夫学硬士学位论文 系的输出艇力取决于受载的交诧，在流量不变酶清况下，消耗豹韵力也淹负 载变化，减少了能源浪费，提高了传动的经济性。 ( 5 ) 可强实现复合传动与控翻。在液莲传动与控稍系统中，使精一个动力 源可以实现负载的直线运动和旋转运动。另外，通过串联戏并联等方式可驱 动多个受载；豫了传递动力，还胃激控裁器挟孳亍税辛奄静运渤方商稳速度班及 驱动力。 ( 6 ) 液篷系统工佟平稳、冲击小。由手液筮渣其蠢一定静缓；串帮辍尾律溺， 在一定程度上可以缓和机械系统刚性碰撞产生的冲击与震动。 1 3 液疆系统动态特性研究概况 随着液基技拳懿不瑟箴熬窝戏震矮壤豹不鼗扩大，液援传动与控潮系统 本身越来黻复杂，疆求的传递动力与控制精度越来越高，采用传统的以完成 魏行寝。褥羧定动侉程满足系绞静态洼l 要求魏系绞设诗基不逶斑要求。嚣 此，对液压传动与控制系统进行动态特性研究，提高其响应特性，是非常必 要戆。 研究动态特性的主要方法有传递函数法、模拟仿真法、实验研究法和数 字绩寞法簿f j 。 在十九世纪纛十年代，h a n p t m 和n i g h t i n g a l e 分别采用传递濒数法就液 滋镧l 受系绞动态瞧能送行了分爨。传递函数法一般只是予分撰系绞缒稳定性 和频率响成。这鼹一种基于经典控制理论的成熟、简单、实用的方法，直到 琰在，仍被广泛鬈鼹。但法秘方法只能用予单输入一单竣如的线性定常系统 的分析，不足以描述系统内部的务变量的特征，也不易处理液压系统中普遍 存在的j 线性闻越，不可避免会熬现误蓑。 在计算机还束发展到如今这样普及的时候，用模拟计算机或摸拟电路来 进行液压系统动态特性的模拟分糖，也是一种实用的研究平段。它把实隧物 瑷量用电压量表示，通过涟续运算，求解描述系统动态特性的微分方程。该 方法接近实际情况，系统参数调整简单，运算快，但最大的缺点怒运算糟度 低。 用实验研究法分析液压系统的动态特性，在过去还没有数字仿真等实用 的理论研究方法时，也是种行之有效的研究手敬。通过实验研究可娃鬣蕊 2 武汉理王夫学磋士学位论文 真实建了解液蓬系统动态特毪。傻这种方法分析系统掏裁长，费精太，邋用 憔差。如今，该方法常作为对数字仿真和理论研究结果进行验证的手段。 近年来，控奄l 理论骚究的遂多及诗算飘技术静发展蠢液压系统动态褥性 研究开辟了新的途径，诞嫩了数字仿真法。此方法是通过建立液压系统的动 态遘程豹数字模羹获态方程，然后在计算辊上求密系统鹣主鼗变量静露 域解。它对线性与非线性系统均通用，可以模拟出任何输入函数作用下系统 备参量戆变毒乏情况。与其它方法稳寇，数字傍冀技术其鸯精确、霹靠、逡痉 性强、周期短和赞用低等优点。 垂获数字莹粪技拳阂瞧莠应羯予实跤器，怼滚匿系绕动态穗槛送行数字 仿真便成了一项方便可行且必要的工作。有关液艉系统建模理论与方法、仿 冀较辞、魂态洼黎改送等方瑟瓣磷究论文篷鑫不穷。在建模理论与方法上形 成了传递函数法、状态空间法和功率键合图法等。人们也在不断寻求应用计 繁凌实瑗窭动建摸霸秀发逶曩豹傍寞软终。第一个毫接瑟淘滚垂羧本领域夔 专用液压仿真软件h y d s i m 于1 9 7 3 年在俄克拉荷马卅i 立大学研制成功；8 0 年钱，德耀耍琛工避大学秘英国懿巴黪大学分剽敬褥了d s h 窝h a s p 软传 包的研制成功。这些软件均采用了预建模型库，预先建立了液压系统各种常 爝典型元 譬麴动悉模型。 自七十年代威期开始，液压系统与元件的仿舆研究在我国蓬勃兴起，这 必诗算援技术弓l 入液压露业，灸浅莺液羼技术鲍进一步发展起到了积极 乍 用。许多高校和研究机构都开展了这方面的研究，并取得了一些进展，如北 塞兢空学陵研制盼f p s 邋愿仿真程序：上海交透大学研制开发的针对液联原 理图的仿真软件戗h y c a d ：浙江大学流体传动及控制研究所于1 9 8 1 年引进 了德国的d s h 软馋进行二次开发，取缮了多项成果，搀燃了s l m u l t z d 液 聪仿真软件。另外，华中理工大学也开发出复杂液压系统智能仿真软件包 c h i s p ；大连理工大学等单位也进 亍了不少研究工 乍【m 。 1 4 开发速闭闸液压控制系统的目的及意义 在污水处理厂和自来水厂，水源均采自外部，经处域后再输遴出去，厂 璧的动力源为电力。在实际工作中，因外部或内部的偶发故障，不可避免地 会发生断电现象。此时，厂里的承处理设备将不能正常工作，着不能及对切 戴汉理工大学硕士学位论文 断迸厂永滚，将会发生水淹厂痨豹恶性事敬，导数覆大鑫句经济谈失。这点 对于污水处理厂来说更为严重，污水一旦进入设镛，尤冀是电器设备，将会 产生不可掺复的酸坏。 国内的进厂水源闸门距离水处理厂一般较远，在断电故障发生时，采用 手动控镧潜门往 荛不戆及时甥鼗滋厂东潦，尤其楚在夜浚，穰窖爨因工俸夫 员的疲倦而发生水淹厂房现象。目前，国内水处理厂所安装的及时切断进厂 窳源赘浚备，都楚弓l 进莺辨豹产菇。嚣魏，磅变开发永楚毽厂及辩诱旗遂厂 水源的设备，将有利于保证水处瑷厂的安全、正常运行，避免不必要的损必， 翼育实器侩篷帮意义。弱辩，该矮蓦独立誊耋建开发其鸯狻立翘谖产投懿承 处理设备，赶上豳际先进水平，为打破国外对我国知识垄断起到了一定的作 鼷。男终，该顼瓣针对湾水楚理厂送行磷究秀发，这无疑对我匿环摄_ i 程其 肖现实和长远意义。 1 5 液压系统的动态仿真的意义 。从工程蛇角魔来看，仿真就跫在建立了系统模型的鍪醚上，通过对模型 的实验去研究一个已有的或设计中的系统。分析复杂的动态对象，仿真怒一 穗亳效的方法，w 以减少风险，缩短设g t 郛制造的周期，荠节约投资。计算 机仿真就是借助计算机，利用系统模型对实际系统进行实验研究的过程。它 夔羲计算机技术盼发展聪迅速发鼹，在仿囊中占蠢越来越重要的地位。在对 遮闭闸系统进行设计、分析和改进时，计算机动态仿真舆有重要的价值。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，则可大大地缩短液压系统咸元件的设许周期，避免困重复试验加工所 带来的昂贵费用；且可及早认识到系统农动静态特性方面所存在的薄弱! = f = 讧 并加以消除。这可通过对系统的动静态特性遥行仿真预测来实现捧j 。 液压系统的幼态仿真对于改进液压系统的设计和撮高液压累统可熬性 都具有熏耍的意义。随着液压系统逐渐麓予复杂和对液聪系统仿真精度甏求 的不断提高，传统的仿真技术已不能满熙需要。m a n a b 语言集科举计算、自 动控铺、信号处瑷等功髓予一体，具有极高麓编程效率。翻瑁m a t l a b 提供的 s i m u l i n k 软件包可以方便的对液压系统的动态特性进行仿真；还可以通过仿 冀对衙设计静系统有更深入静了解，了解多负载系统中受载之阑静辐甄 乍 4 武汉理王夫学硬士学谴论文 麓，或了解多作弼俘系统中作蔼箨之闻瀚相互影稍，或认识单个元 孛在熬个 系统中的作用等n t 3 j 。 本文羧设诗一个双麓门滚毯控割系统，并建立了不霜工作过程的数学 模型，利用m a n a b 提供的s i m u l i n k 软件包对其动态特性进行仿真。这样不 仅可 冀奁设计过程中颈灏系统瞧耱，续戆系统豹漏整时闽，避免逛 ：，l 可以达到优化参数、元件、系统的目的。 1 6 本课题的来源及主要研究内容 谖蘧寒潦： 青岛利普自动化系统工程公闭委托溅汉理工大学承担的“速闭闸丌发”。 辑究内容； ( 1 ) 遮闭闸液压控制系统的设计。 液压系统不l 跫工佟过程数学模型鹣建立。 ( 3 ) 利用m a t l a b 软件中的s i m u l i n k 工舆箱建立不同工作过程的仿真模型， 势针对系统的不阉工况遴行动态傍寞，主要有溜缎赞启动压力与流量，阐门 扁闭的速度响应、位移响应，停电时蓄能器的工况等。 ( 4 ) 分蛎系统器参数鲍变化对系统动态特性的影响。 1 7 研究方法和技术路线 液臌系统设计中的突出难点在于其所涉及的研究对象( 如气体、液体等 器罩申流场) 的物理特性戗含诸多非线性影响因素，这给其数学建模和仿爨分 析带来了较大的丽难。按照以往的液压系统设计方法，设计者不仅要具备丰 富的液臌系统控制的设计经验，而且必须具备相洳的数学建模及求解的理论 功底，并蘩耗费相当大的精力避行纯数学的解析推导工作。m a t l a b 软件作为 髓前国际控制界最为流行的计算枫辅助设计及数学工具软件，提供了强大的 矩阵处邀和二、三维图形绘制功能，具旃较高的可信度靼灵活酾使用力法， 非常合邋现代控制理论的计算机辅助设计。s i m u l i n k 是集成在m a t l a b 叶1 f 内动 态系统建模、仿襄工吴，其特点在于：一方面，它是m a t l a b 静扩震，强霸了 所有m a t l a b 的函数和特性；另一方面，它又有图形化编程和可视化仿真的特 患，扶瑟使控翻系统建横与仿真撰脱了繁琰豹徽分方程求解帮关联矩薄求敬 武汉理工大学硕士学位论文 和输入，可以将更多的精力集中在系统的设计和矫正上，使得控制系统的计 算机辅助设计向可视化的方向迈进了一大步。因此s i m u l i n k 软件包是对液压 系统的动态特性进行仿真的强有力的工到8 l 。 本文首先应用机械、液压系统的物理定律来推导出速闭闸液压控制系统 的动态模型( 微分方程) ；其次，采用模块化分层建模的方法建立系统的仿 真模型。从物理系统的各个环节出发建立各个环节的仿真模型即方块图模 型，然后把每个环节的仿真模型按照实际物理系统在模型的最上层进行连接 联系起来，组成整个系统的仿真模型。这种建模方法最大程度的接近实际物 理结构和作用机理，物理概念清晰明了，模型描述方式具有普遍的通j _ 】r ， 其建模标准将有利于促进建模仿真工作步入系统工程时代【2 j 。 1 8 本章小结 本章着重分析了液压传动控制的特点以及液压系统动态特性的研究慨 现状；阐明了开发速闭闸液压控制系统的目的及进行液压系统动态特性仿真 的意义，确定了本论文的研究内容、方法和技术路线。 武汉理工大学硕士学位论文 第二章速闭闸液压控制系统的开发 2 1 速闭闸的功能及主要技术要求 速闭闸除了应具有在正常工作或检修设备等需要切断进厂水源时能n 二 常关闭或开启闸门的功能外，还应具有在断电时迅速关闭闸门的功能。所以， 它需要两个动力源：电力源和非电力的储备能源。根据速闭闸的功能需求， 构建速闭闸系统如图2 一l 所示。在正常情况下，通过电力源利用液压泵驱动 液压控制系统保证闸门开启并锁止在开启位置或在必要的情况下关闭进， 水源；采用储能器作为储备能源，此时，蓄能器处于待工作状态。一旦发生 断电故障，蓄能器通过释放能量及时工作，通过液压控制系统驱动闸门关闭 实现快速切断进厂水源。 图2 1 速闭闸系统示意图 速闭闸液压控制系统的主要技术要求如下： ( 1 ) 正常情况下，通过电力源利用液压泵驱动实现闸门的开启和关闭； ( 2 ) 停电利用非电力能源驱动，实现闸门紧急关闭，动作日, t l h j 不超过25 秒： ( 3 ) 当闸门处于开启状态时，不得产生下滑现象； ( 4 ) 两个同尺寸的闸门应基本同时动作； ( 5 ) 液压控制系统结构应紧凑，并具有良好的防泄漏性能： 2 2 研究开发的总体方案 按照新产品研究开发的一般原则，本文研究开发的速闭闸液压控制系统 以中等处理规模的污水处理厂为主要对象。在开发过程中，充分考虑自来水 处理厂和不同规模水处理的需求，以保证研究开发结果的可拓展惟能快述 7 武汉理工大学硕士学位论文 适应各类不同用户的需求，在较短时间内实现系列化产品开发能力。 在调查研究的基础上，瞄准国际先进水平，充分参考国外最新产6 扎川 时，也要注重知识产权，以使得所研究开发的产品，达到国际先进水平并具 有自主知识产权。 在研究开发过程中，尽量使用当前国内外先进的技术和手段；采用拟实 设计技术进行产品开发，以保证产品开发的先进性和提高产品市场的快速反 应能力。 在产品元器件选择和加工能力要求( c 。) 设计中，充分考虑国内的儿体 情况，在保证产品性能和可靠性前提下，尽量降低产品成本，以保证产品的 市场竞争力。 在产品的技术研究中，尽量采用目前成熟技术：在产品元器件的选择中， 尽量选用成熟厂家的成熟产品和集成化模块，以保证设计技术和繁体产。讯n 勺 良好性价比。 2 3 速闭闸控制系统的静态设计与计算 在闸门系统中，闸门的操作通常采用机电方式继电器逻辑控制方式 和可编程逻辑控制器( p l c ) 式的电子控制方式。p l c 具有可靠，抗干扰能 力强和编程简单灵活的优点，可实现闸门的自动化和智能化控制。业刈 门按单一轨迹动作这样的简单控制形式，则常常优先考虑机电控制系统，凶 为它能长期可靠地运行，而且故障查找简单。 目前，在我国大中型水厂的进水源闸门中，已越来越广泛地使用液压启 闭机。液压控制系统有着显著的特点：结构轻巧、简单、出力大，有较高的 功率重量比；工作可靠安全，维护方便，工作寿命较长；控制性能优异，能 方便地对闸门的启闭速度进行调节，有稳定可靠的持门能力。因此，本课题 采用了液压系统来控制闸门的开启和关闭1 3 。1 。 按照常规的静态设计规范，可以进行初步设计以确定：系统主溢流阀的 调定压力、液压缸的缸径、行程、活塞杆直径、控制阀的主要参数等。系统 设计在完成这一步后，就需要对其动态响应进行合理的评价，确定其是否满 足对系统响应的要求。 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 1 液压控制系统原理图的设计 设计速闭闸液压控制系统的工作流程如下： 正常工作情况：闸门开启( 关闭) 按钮一电磁换向阀动作一提升( 降落) 闸门一至全开( 闭) 位置一油缸限位开关触发一电磁换向阀归中位一闸门被 锁止在最高位置( 最低位置) 一完成闸门开启( 关闭) 。 停电情况：继电器控制电磁换向阀动作，油路导通，蓄能器开始向液压 控制回路供油，闸门迅速关闭。 1 液压控制系统动力源基本类型 依据使用特点，为使系统结构简单，采用开式液压传动系统，其动力源 为单个定量泵。在停电时，为能迅速关闭闸门，选用蓄能器作为备用能源驱 动执行元件关闭闸门。 2 执行元件 闸门的开肩、关闭为直线运动，故此选择液压缸作为执行元件。目前液 压缸已是标准系列化产品，因此在设计时选用符合国家标准的液压缸。 g b 7 9 3 3 8 7 对液压缸的内径d 与活塞杆的直径d 作了科学的组合。本文依据 实际工况选取d d _ 1 0 0 7 0 ( m m ) 规格的液压缸，其自由行程等j 水源删| l 直径1 2 m 。关于活塞杆强度的校核详见本章3 6 节。闸门是依靠与液压缸活 塞杆联接的驱动杆驱动。为保证闸门开启和关闭时处于所需的位置，在液压 缸外体上下分别安置有探头各一个。并在驱动杆上固联有一个长杆，在随同 驱动杆和活塞的上下运动中，通过其上的位移限位扳与探头问的关系实现控 制活塞运动的停止定位。 3 调速方案 该速闭闸系统对启闭闸门速度稳定性有一定要求，而且工作过程中所受 的负载( 摩擦力) 是变化的。回油节流调速方法具有结构简单、工作可靠等 优点，再加上回油路有背压，所以运动平稳性好，能承受较大变化的负载和 负负载( 与活塞运动方向相同的负载) 。因而采用回油节流调速能满足系统 对调速性能方面的要求。在泵作用下油缸有伸出和缩回两种工作状态，所以 在泵驱动回路中进回油路都需安装单向节流阀。而蓄能器作用下油缸只有伸 出这一种工作状态，所以在蓄能器驱动回路中只需在回油路安装单向节流 阀。 武汉瓒工大学硕圭学位论文 4 ，浚珏基零凝路 ( i ) 液压泵驱动回路 爻了傈谨阐门开寤慧在空中绦持禁凌不囊，瓷荬甏魏中选鬻液压镄形减 锁止平衡回路。弱外，液压锁还可切断油路，减小两个油缸之门均0 棚7 f ：咒驳 瞧，臻谖整令系绞内部不产生槎涯于扰，各个洼疑麓实现严格定位。在裘驱 动下，闸门有静止、上升、下降三种运动状态，用三位蹦通换向阀来控制闸 门韵终，采曩￥黧规髭阑，使系统不憋爱，挟爨挣击小。当它焚予中 立时， 液压缸被液控单向阀锁定，闸门处于静止状态。阐路中溢流阀有两种工况； 姿滚压泵襄动疆瓣江蜇瞬不终运凌穗，滚莲泵熬滚量逶造它鳃赘，起保护滚 臌泵和节省能耗自钉目的。当闸门启闭时，溢流阀处于溢流工况，通过调压手 蜒露戥方矮逮设定滚压裂的工铭愿力。 c 2 ) 鬻能器驱动回路 在豢魃器驱动殛路中，为了保证蓍2 爨具鸯姆定最，l 、豹启动压力，安嚣 商压力继电器，以保证当蓄能器压力低于某一设定值时，液压泵向蓄能器供 滋达到瓢霈压力傻。为了避免蓄能嚣过充压，还嚣要一个滋流阀僚拶t 蓄能嚣。 在蓄能器驱动下，闸门只有静止和下降两种运动状态，所以用一：位四通换向 阕来控制。 5 两个油缸运动的瀚步问题 由予硬个浊娃是分别控制两个阕门，所以不会发生按制日一个闸门时由 于不精确同步而导致的卡滞问题。所以采用简单的分支浦路再配以试验调试 节流阀就能达到系统要求的基本同步。 6 辅助元件 考虑到管路使用寿命和布置，液压系统中尽燕采用无缝钢管连接。在液 压系统醚路中安装精滤浦器，瘸子过滤觏油中的杂质；为防止滤x 穗器阻熊引 起回油不畅，在网油路上与滤油器并联蓉县有一定压力的单向阀以保证系统 的安全像；考虑副本液压系统工作频率( 次数) 极小，不考滢油液的散热琏 需求，油箱尺寸可适当减小；油箱采用非封闭式，利用空气过滤装置与大气 籀连。液压系统6 0 8 0 翡敖簿来滚予滚滚鹣不清法。本液压系统在设计 中选用的空气滤清器具宥防潮功能。选用的回油滤油器精度在1 0pm 以上。 考虑虱_ 工翟秘耋黉往，浦耱及管道鸯聚掰不锈镄拳孝瓣，辍然一次投资较犬， 武汉理工大学硕士学位论文 但减少了油液污染的隐患，为设备的可靠运行提供了保证。所有这砦都为油 液的清洁度提供了保证。 根据上述分析，设计出双闸门的液压控制系统功能图和双闸门的液压控 制系统原理图，分别如图2 3 、图2 - 4 所示。 图2 - 3 双闸门的液压控制系统功能图 武汉理工大学硕士学织论文 图2 4 双闸门液压控制系统原理图 2 3 2 液压控制阀的选型和液压油的选择 经过相关调查、分析得知，榆次漓研液压有限公司静产晶鲶质量较好。 榆次浊研是我豳液压件骨干生产厂家榆次液压件厂于9 0 年代初与只本油研 公司会资组建的，主嚣稍造敬“漓磺”为产菇名称的肖隈公司。其“溜 ” 系列产品严格按照日本油研标准生产、检验，接受日本油研的定期质璧检查， 代表饕我国在液压伟翻造监中的最高承平。戮魏，速瓣闻滚匿控割系统翡控 制阀选用榆次油研的产品。液压控制系统中各液压元件的选型见表2 1 ，表 中静序号栏参觅图2 4 。 控制阀中的电磁阀属精密元件，对系统用油质量鼹求较高。若电磁阀动 箨次数太少，会由予溺芯太强、产生挺餐褒象， 建议对电磁溺 孛狳遴暂匿 常维护外，在停机间隙，每月成至少试验动作几次，以确保电阀磁可靠动作。 液蘧漶懿选择，一般寒毯瓣震毫鹣凄灌，低压薅怒惩糖凌涵。本系统为 武汉理工大学硕士学位论文 高压工作系统，所以采用9 0 号机械油。 表2 1 速闭闸液压控制系统元件明细表 序号名称规格备注序号名称规格薪沣 i油箱1 0 0 0 x 8 0 0 x 5 0 0定制1 6 电磁换向阀 d s g ，0 l 一3 c 2榆次汕f l j f 2空气滤清器 q u q 2 - 10 温州黎明1 7快换接头m 3 6 x 2江苏中宁 3滤油器p z 、厶2 5 0 x 1 0 f s温卅l 黎明 1 8 蓄能器 h x q a i6 d 榆次披肚 4滤油指示器t o w - 2 5上海机床1 9配油扳f m d c 0 3 a - 1 0榆次油研 5 电机 y 1 6 0 m - 4 山西电机 2 0 电磁换向润 d s g - 0 3 - 2 b d 2 4 n 一5 0榆次油研 6 油泵 6 3 s c y l 4 1 b 启东高压 2 1 液控单向阀 m p b 0 3 4 3 0榆次油硎 7外壳h g 4 - 6 6江苏阜宁2 2单向节流阀m s b 0 3 x 3 0榆次油研 8联轴器s r y 2江苏阜宁2 3溢流阀b g - 0 3 3 2榆次油删 9 联接法兰 d 8 9 x l o 江苏阜宁 2 4 电磁换向阀 d s g - 0 3 - 3 0 d 2 4 n 5 0榆次油料 1 0液位计y w z 1 5 0 t温州黎明 2 5 液控单向阀 m p w 0 3 4 3 0 榆，虬自1 u f 1 1截止同 q 4 1 f 1 6 c p 江苏阜宁2 6单向节流阀m s w 0 3 x 3 0榆次油 1 2单向阀c r g - 0 6 - 0 4 - 5 0榆次油研 2 7 压力袁 y _ l o o l i 丌泉仪表 1 3节流阀 s r g 0 6 5 0 榆次油研 2 8 快换接头 m 3 6 x 2l l 讲、卒r 榆次油 1 4溢流阀 b g 0 3 3 22 9 快换接头 m 3 6 x 2江南阜宁 研 1 5压力继电器s g 0 2榆次油研 3 0 高压气瓶活塞式 启东高压 2 3 3 泵的选择 柱塞泵结构紧凑，寿命长，噪音小，单位重量功率大，易于实现流量的 调节及油流方向的改变。与齿轮泵、叶片泵相比，柱塞泵效率最高。尤其是 轴向柱塞泵可以得到高压( 达4 0 0 k g c m 2 或更大) ，大流量( 达4 0 0 l m i n 或更 大) ，因而当要求压力高，流量大及需要调节时，往往采用轴向柱塞泵。 2 3 4 蓄能器的选择 蓄能器是用于贮存液体压力能并在需要时把它释放出来的能量贮存装 置。本液压系统中的蓄能器是作为备用能源使用的。其主要性能指标是：满 足使用压力要求，长时间处于贮能状态，寿命长，可靠性好。在机械产品中， 蓄能器主要应用充气式中的气囊式和活塞式两种【1 。 活塞式蓄能器类似于没有活塞杆的液压缸。活塞在液体与压缩气体中浮 武汉理工大学硕士学位论文 动，起到隔离液压油和压缩气体的作用，并利用气体的膨胀或压缩实现平衡 液体压力。其特点为：结构简单，尺寸小，易安装维护，寿命长；缸体与活 塞间的密封性能要求较高。 气囊式蓄能器是依靠气囊装入具有一定压力的气体，并使气体与液压油 隔离。气囊内的气体体积随蓄能器内油压力的高低而压缩或膨胀。其特点是： 漏气损失小，反应灵敏，重量轻和体积小，是目前应用最广的种萏能器。 但气囊橡胶对使用温度有要求，其范围为一2 0 7 0 c 。 本系统采用的是活塞式蓄能器，国家标准中最大容量为3 9 l ，定制可达 到6 0 l ，但仍不能满足本系统的要求。所以考虑添用两个气瓶，在降低成本 而又不影响使用的前提下，可用类型活塞式的钢瓶代用。蓄能器的制造按照 所提出的技术参数由专业制造厂家实施。出厂前必须进行检验，并冲气。 2 3 5 系统工作压力的确定 本系统工作压力( 溢流阀的调定压力) 应从两个方面予以考虑。方面 是液压泵驱动闸门工作时所需的压力；另一方面是液压泵给蓄能器充压，使 其具有的压力足以驱使闸门关闭。另外，还要考虑油路的压力损失。 1 液压泵驱动闸门工作时所需的压力 本系统的控制目标是开启、关闭闸门，在不同动作过程中闸门受力不同， 因此，要分别从两个方向计算各自的最大载荷来作为确定系统工作压力的依 据。在进行最大载荷计算之前，首先从闸门( 见图2 6 ) 资料中获取闸门及 其固联运动部件( 活塞、活塞杆、驱动杆) ，以及油缸的一些几何，物理参 数。如表2 - 2 所示： 表2 2 系统的几何物理参数列表 闸门体积v ： 2 6 1 e 3m 3 闸门关闭后顶端到水 2m 闸门及其固联部件体积v 4 9 1 6 e 3n l 。 面距离1 1 0 闸门及其固联部件质量m 3 8 3 4 5k g 重力加速度g9 ，8 n k g 闸门与导轨动摩擦系数“ 0 2 水的密度p 。 10 e 3k e j m 进水源洞口直径d o 1 2m活塞直径d0l m 大气压力l 1 0 1 e 5p a活塞杆直径d 0 0 7 m 油液密度d9 0 0 k g m 油管直释d l 00 2 m 油披迈明枯厦v 0 9 3 e 4m 2 s 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 闸门在运动过程中承受的力有： ( 1 ) 重力g ：g = m g = 3 7 5 7 8 ( n ) ( 2 ) 摩擦力f f ：分为两部分，一部分是在相对运动且相互接触存在萨 压力运动副间的( 闸门与导轨间) 摩擦力f n ，这部分摩擦力在闸门运动过 程中是变化的，与压力成正比，取闸门关闭到位时的f n 值来计算，此时值 最大，记为 f n d = p a t + p 。g ( h o + d o 2 ) d 0 2 p = 3 6 4 2 6 2 4 ( n ) 另一部分是使闸门紧贴入口的“楔紧”摩擦力f f 2 = 9 8 0 ( n ) 所以摩擦力f f = f f l + 如= 3 7 4 0 6 ，2 4 ( n ) ( 3 ) 浮力f ：由于闸门驱动杆的体积很小，所以不考虑驱动卡r 所受的浮 力。那么在整个运动过程中，闸门始终未脱离水面，其所受的浮力为常数， 有 f = p 。g v z = 2 5 5 8 ( n ) ( 4 ) 惯性力f g ：f g = m a v a t = 3 8 3 ( n ) 式中：a v = 0 0 5 m s ，a t = 0 5 s 闸门开启过程：阻力为g 、f f 、f 。，动力为f ，最大工作载荷 f m a x = g + f f + f g f = 4 1 9 4 5 4 ( n ) 考虑到回油腔有背压，油缸进油腔最小工作压力 p = f m a x ( a z o 8 5 ) = 1 2 3 4 ( m p a ) 式中：油缸有杆腔活塞面积a 2 = n ( d 2 - d 2 ) 4 = 0 0 0 4m 2 闸门关闭过程：阻力为f 、f f 、f 。，动力为g ，最大工作载荷 f m a x = f 4 - - f f + f g - - 0 = 3 3 9 4 1 4 f n ) 考虑到回油腔有背压，油缸进油腔最小工作压力 p = f m a x ( a i 0 8 5 ) = 5 0 ( m p a ) 式中：油缸无杆腔活塞面积a 1 邗d 2 4 = 0 0 0 8m 2 比较p 和p ，取p 为液压泵驱动时所需的最小工作压力。 2 液压泵给蓄能器充压所需的压力 蓄能器有三种状态l l 6 】。 ( 1 ) 充气状态：充油前蓄能器的充气压力为p o ，气体体秘为v o 。 ( 2 ) 充油状态：蓄能器的气体压力升至最高值p 】，气体体积为v l ，储 武汉理工大学硕士学位论文 存能量。 ( 3 ) 供油状态：蓄能器的气体压力下降至最低值p 2 ，7i 件怍f j ：为二， 释放能量。 理论上p o p 2 ，由于系统中有泄漏，为保证蓄能器压力为p 2 时还可能补 偿泄漏，取p 2 _ p 0 o 8 5 。根据玻意尔气体定律，有如下关系式： p o v o “= p l v l “_ - p 2 v 2 n = r ( 气体常数) ( 2 - 1 ) 式中：n 为气体多变指数。 当蓄能器用于保持系统压力、补偿泄漏时，它释放能量的速度缓慢，有 足够的时间散热，可认为气体在等温下工作，取n = l ；当蓄能器用于大量供 油时，气体膨胀很快，与外界无热交换，可认为气体在绝热下工作，取n = 1 4 。 本系统的蓄能器属于第二种情况。 取v o = 1 6 0 l ，p o = 9 5 m p a ，则r = p o v 0 14 = 7 3 0 2 8 3 6 5 6 ( p a m 3 1 ， p 2 = p o 0 8 5 = 11 1 8 m p a ，v 2 2 1 4 2 4 l 当蓄能器的压力从p l 降到p 2 时，气体的容积变化v = v 2 一v l ，在数值上 等于蓄能器向系统释放的油量，也即两个油缸活塞从上极限位行走到下极限 位所需的进油量，所以a v = 2 a 1 d o = 1 9 l ，则： v l = v 2 一v = 1 2 3 4 lp i = 1 3 6 7 m p a 3 系统压力损失的计算 实践表明，液体在流动时必受到阻力，这是由于实际液体具有粘性和in r 压缩性。液体流动的状态不同，则阻力大小的影响因数不同。层流与紊流是 两种不同性质的流动状态，层流时粘性力起主导作用，液体质点受粘性力的 约束，不能随意运动：紊流时惯性力起主导作用，液体质点在高速流动时粘 性不再能约束它。液体流动时究竟是层流还是紊流，须用雷诺数r e 来判别。 r e = v ，d v 式中：v 管道中液体的平均流速：y 液体的运动粘度： d 液体的水力直径，对圆管即为管径。 在工程上常用临界雷诺数r e 。来判断液流的状态 ”。当雷诺数r e r e 。时为紊流。实验指出，对光滑金属圆管， r e c = 2 3 0 0 ；对 橡胶软管r e 。= 2 0 0 0 。 液体流动中的压力损失包括沿程压力损失和局部压力损失”。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 沿程压力损失的计算公式为 a p = 3 , 上竺v 2 2 d 式中： 沿程阻力系数，p 油液密度，管道长度， 矾管道直径，v 管道中的液体流速 当液流为层流时，a 的理论值为= - 6 4 ，而实际由于各种因数的影响对 k e 于光滑金属管取五= 乏，对橡胶管取兄= _ 8 0 ；当液流为紊流且3 x 1 03rke e 1 。j k e 时，贝4 旯= o 3 1 6 4 r e - 0 2 5 。 f 2 ) 局部压力损失 流动液体除了通过直管产生沿程压力损失外，还要通过阀门、弯头、突 然扩散或缩小的管道等局部障碍，产生撞击、旋涡等而产生一定的能量损失， 称为局部损失。由于在这些局部障碍处流动复杂，影响因素较多，不易从理 论上进行分析计算。因此，局部压力损失系数一般都依靠实验来确定。局部 压力损失的计算公式可写成如下形式： p = f 旦v 2 。2 式中： 局部阻力系数( 一般由实验求得，具体数值可查阅手册) 其余参数意义同前。 本系统存在两个执行元件，从流量变化看可将管路系统分为两部分，即 液压泵压油上到油路板一段的总路段和油路板后的分路段。油路板前的是金 属管，进油管长度l l ，回油管长度l 3 ，油路板后的是橡胶管，进油管长度 l 2 ，回油管长度l 4 ，其中l l = l 3 = 1 _ 5 m ，l 2 = l 4 = 2 5 m 。金属管与橡胶管的管径 均为2 0 m m 。因为泵的最小工作压力是由闸门开启的工况决定的，所以取j 1 。 启闸门为对象来进行压力损失计算。根据实际要求，假定闸门在t = 5 秒内丌 启，则活塞的平均运动速度为 v = d n t = 1 2 5 2 0 2 4 ( r r d s ) 进油路 分路进油管的平均流量：q 。= a 2 v = 0 9 6 x1 0 。( m 3 s ) 平均流速：v 旷孕= 3 2 ( n v s ) ( 其中管道截面积4 ，= 等= 0 0 0 0 3 m e ) 武汉理工大学硕士学位论文 雷诺系数：r e ：堕：三三兰! 粤：5 3 8 2 3 0 0 ( 层流) y0 9 3 1 0 4 。7 压力损失：p 5 = r e 8 0 2 p d ，v 2 = 0 8 6 m p a ( 式中，= 2 5 ) 总路进油管的平均流速：v z j = 2 v o = 6 4 ( r n s 1 雷诺系数：r e = 堕= 1 0 7 6 回油路 分路回油管的平均流量：o 。= a j v = 1 9 2 1 0 。3 ( m 3 s ) 平均流速：v f h = 兰生= 6 4 ( m s ) a t 式中：管道截面积4 = 型l = m2a 0 0 0 0 3 雷诺撒肛了v d = 等等= 1 0 7 6 2 3 0 。( 鼢 压力损失：p s = 面8 0 - 爱- 1 v 2 = 1 7 1 m p a 总路回油管的平均流速：v z f l = 2 v t h = 1 2 8 ( m s ) 雷诺系数：r e = 一v d = 2 1 5 2 6 ，故驱动杆纵向稳定无问题。 2 3 7 速闭闸液压控制系统的三维模型 三维实体设计可以将设计者的思维与动作有机地结合起来，所思即所 做，所做即所见；可以建立统一的数据资源，利用三维设计软件设计出的零 部件，其零件图、装配图和工程图之间的数据是全关联的，三者任何一处变 动，其余两者都将自动作相应更改。这节约了大量的修改图纸时俐避免了 不必要的错误。 本文利用三维设计软件s o l i d w o r k s 对速闭闸液压控制系统进行面向制造 的三维造型设计，将元器件外形及其连接布嚣关系在三维空削中得到反映， 在设计过程中考虑制造、装配对零件设计的要求。通过2 i 维实体造鸭设m 可及时发现在制造和装配过程中可能出现的问题。这不但保证r 设计的质 量，也为以后的投产奠定了基础，节约了时间，提供了方便。速刚俐液脏控 制系统的三维模型如图2 - 7 所示。 2 4 本章小结 根据企业在正常工况下对闸门启闭与锁止的控制要求剧停f l ll 0 卜队 速关闭闸门的特殊要求，设计了一个采用蓄能器作为储备驱动能源的双闸门 液压控制系统；并在分析了各元器件特点的基础上，选择合适的液i i 设备。j 元件。通过液压静态设计计算，确定了系统的工作