（机械电子工程专业论文）锻造操作机夹错升降液压系统建模与仿真.pdf

at h e s i si nm e c h a n i c a l & e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g t h e m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no fc l a m p ，s l i f t i n gh y d r a u l i cs y s t e mo nf o r g i n g m a n i p u l a t i o n b yl i uz h i y u s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rz h o ue n t a o n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文 中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经 发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：列冶守 日期：刀詹、7 、弓 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用 学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口 差竺论銮作者签名：司谄得 签字日期：泐铲、7 、弓 埒多 熙 知 刚川 两 氨肌 !一签日 师字 导整 ， 东北大学硕士学位论文摘要 锻造操作机夹钳升降液压系统建模与仿真 摘要 随着制造业的不断发展，对锻造机械和锻造附属设备提出了越来越高的要求。锻 造操作机性能的好坏将直接影响锻造效率与锻件的生产质量。本文对锻造操作机夹钳 升降液压系统进行了计算、分析与研究。 为了提高液压系统的快速性、准确性与稳定性，夹钳升降液压系统采用了伺服阀 控制非对称液压缸，符合现场的工况要求。本论文采用负载最佳匹配原则确定液压动 力元件的参数，对部分液压元件进行了选型，采用传递函数的方法建立了夹钳升降液 压系统的模型。然后，应用m a t l a b s i m u l i n k 软件对夹钳前升降液压系统模型和夹 钳后升降液压系统模型分别进行了动态分析与仿真，给出了系统的相关评价参数。 本文在详细了解控制理论相关知识的基础上，对系统采取了模拟p i d 控制器校正 和模糊自适应整定p i d 控制器校正，改进了系统的动态特性，取得了较好的控制效果， 达到了工程上的使用要求。通过两种控制器的对比，可以看出模糊自适应整定p i d 控 制具有控制灵活，自适应性强，控制精度高，稳定性好等特点，其控制效果优于模拟 p i d 控制器，进一步实现了系统的优化。 关键词：夹钳升降液压系统；建模；仿真；模拟p i d ；模糊自适应整定p i d i i 东北大学硕士学位论文hbstract t h e m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no fc l a m p ，sl i f t i n g h y d r a u l i cs y s t e mo nf o r g i n gm a n i p u l a t i o n a bs t r a c t a st h ed e v e l o p i n go ft h em a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y , m o r ea n dm o r er e q u e s t sa r es e tt o t h ef o r g i n gm a c h i n e sa n dt h e i ra c c e s s o r ye q u i p m e n t s t h i sp a p e rd o e sc a l c u l a t i o n ，a n a l y s i s a n dr e s e a r c ha b o u tt h ef o r g i n gm a n i p u l a t i o n i no r d e rt oi m p r o v et h er a p i d i t y , t h ea c c u r a c ya n dt h es t a b i l i t yo ft h eh y d r a u l i c s y s t e m ，t h ea s y m m e t r i c a lc y l i n d e r sc o n t r o l l e db ys e v o v a l v e sa r ea p p l i e dt o l i f t i n g h y d r a u l i cs y s t e mo ft h ec l a m p t h i sp r o j e c tc o n f o r m st ot h er e q u e s to fa c t u a lo p e r a t i n g m o d e t h i sp a p e rc a l c u l a t e st h eh y d r a u l i cp r e s s u r ep o w e rp a r t s p a r a m e t e r sa c c o r d i n gt ot h e l o a do p t i m u m m a t c h i n g ，s e l e c t st h eh y d r a u l i ce l e m e n t s m o d e l sa n db u i l d st h em o d e l so ft h e c l a m p sl i t f i n gh y d r a u l i cs y s t e mb yu s i n gt h et r a n s f e rf u n c t i o n s t h e nt h ep a p e rd o e st h e d y n a m i ca n a l y s i sa n ds i m u l a t i o na b o u tt h el i f t i n gh y d r a u l i cs y s t e ma n dg i v e st h er e l a t e d e v a l u a t i o np a r a m e t e r s o nt h eb a s i so f k n o w i n gt h ec o n t r o lt h e o r ys e r i o u s l y , t h i sp a p e ra p p l yt h ec o r r e c t i o no f a n a l o gp i dc o n t r o l l e ra n df u z z ys e l fa d a p t i v ep i dc o n t r o l l e r t h i sp r o je c ti m p r o v e ss y s t e m s d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c ，o b t a i n s b e t t e re f f e c t sa n d a c h i e v e sb e t t e r r e q u e s t i n e n g i n e e r c o m p a r e dt oa n a l o gp i dc o n t r o l l e rt h ef u z z ys e l fa d a p t i v ep i dc o n t r o l l e rh a st h e c h a r a c t e r i s t i c so ff l e x i b l ec o n t r o l ，s t r o n gs e l fa d a p t i o n ，h i g hc o n t r o lp r e c i s i o na n dg o o d s t a b i l i t y t h ec o n t r o le f f e c t so ff u z z ys e l fa d a p t i v ep i dc o n g t r o l l e ra r eb e t t e rt h a na n a l o g p i d s s ot h ef u z z ys e l fa d a p t i v ep i dc o n t r e l l e ro p t i m i z e st h es y s t e mf u r t h e r p i d k e yw o r d s ：c l a m p sl i f t i n gh y d r a u l i cs y s t e m ，m o d e l i n g ，a n a l o gp i d ，f u z z ys e l fa d a p t i v e i i i 一 东北大学硕士学位论文 目录 目录 声明一i 中文摘要i i a bs t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2 锻造操作机国内外发展历史与现状概述1 1 3 锻造操作机机构概述2 1 4 课题研究内容3 第2 章夹钳升降液压系统的设计与计算4 2 1 系统技术性能及要求4 2 2 夹钳升降倾斜机构设计4 2 3 夹钳升降机构液压系统原理图5 2 4 前提升液压伺服系统元件选择与参数计算5 2 4 1 前提升液压缸的控制模式5 2 4 2 前提升液压系统动力元件参数的确定与计算5 2 5 后提升液压伺服系统元件选择与参数计算8 2 5 1 后提升液压缸的控制模式8 2 5 2 后提升液压系统动力元件参数的确定与计算9 2 6 泵的选择与计算1 l 2 6 1 确定液压泵的最大工作压力1 l 2 6 2 确定液压泵的流量1 2 2 6 3 选择液压泵的规格1 2 2 6 4 确定液压泵的驱动功率1 2 2 7 管件的选择与计算1 2 2 7 1 管件的材料1 2 2 7 2 油管内径和管壁厚1 2 2 8 蓄能器的选择1 3 2 9 过滤器的选择1 4 东北大学硕士学位论文 目录 第3 章夹钳升降液压系统的建模与分析1 5 3 1 数学模型的建立方法1 5 3 1 1 微分方程法1 5 3 1 2 传递函数法1 5 3 1 3 状态空间法1 6 3 1 4 功率键合图法1 6 3 2 液压伺服系统模型的建立1 6 3 3 液压伺服系统数学模型的建立1 7 3 3 1 液压缸活塞杆外伸情况。1 7 3 3 2 液压缸活塞杆内缩情况2 3 3 4 其他环节模型的建立。2 6 3 4 1 控制系统方框图2 6 3 4 2 伺服放大器的传递函数2 6 3 4 3 位移传感器的传递函数2 6 3 4 4 伺服阀传递函数的确定2 6 3 5 夹钳前升降液压系统数学模型2 7 3 6 夹钳后升降液压系统数学模型2 8 第4 章夹钳前升降液压系统的计算机仿真3 0 4 1 液压仿真概述3 0 4 2 计算机仿真软件介绍3 0 4 2 1 m a t l a b 语言的介绍3 0 4 2 2 仿真工具包s i m u l i n k 的简介3 0 4 3 夹钳前升降系统模型仿真参数的确定3 1 4 3 1 伺服放大器的增益3 1 4 3 2 位移传感器的增益31 4 3 3 液压油液参数的确定3 1 4 3 4 伺服阀参数的确定3 2 4 3 5 液压缸参数的确定3 2 4 4 前升降液压系统的动态特性分析3 5 4 4 1 伺服放大器增益确定。3 5 4 4 2 伺服动力机构的特性分析3 7 4 4 3 夹钳前升降系统的动态仿真。4 2 - v 东北大学硕士学位论文目录 第5 章夹钳后升降液压系统的计算机仿真4 4 5 1 夹钳后升降系统模型仿真参数的确定4 4 5 1 1 伺服放大器的增益4 4 5 1 2 位移传感器的增益4 4 5 1 3 伺服阀参数的确定4 4 5 1 4 液压缸参数的确定4 5 5 2 后升降液压系统的动态特性分析4 8 5 2 1 伺服放大器增益确定4 8 5 2 2 伺服动力机构的特性分析5 0 5 2 3 夹钳后升降系统的动态仿真5 4 第6 章夹钳升降液压系统控制策略与仿真5 6 6 1 模拟p i d 控制仿真分析5 6 6 1 1p i d 控制原理5 6 6 1 2 基于临界比例度法的p i d 整定5 7 6 1 3 前升降液压系统模拟p i d 仿真5 7 6 1 4 后升降液压系统模拟p i d 仿真5 8 6 2 模糊p i d 控制仿真分析6 0 6 2 1 模糊控制的基本原理6 0 6 2 2 模糊自整定p i d 参数控制策略与整定原则6 1 6 2 3 前升降液压系统模糊自适应整定p i d 仿真6 5 6 2 4 后升降液压系统模糊自适应整定p i d 仿真6 7 第7 章结论与展望7 0 参考文献7 1 致谢7 3 v i 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 锻压机械包括锻锤、机械压力机、液压机、螺旋压力机和平锻机等成形设备，以 及开卷机、矫正机、剪切机、锻造操作机等辅助设备。锻压机械广泛应用于电力、船 舶、汽车、航空、电子、家电等工业领域。其中，作为衡量一个国家工业水平标志之 一的汽车工业，被当今世界主要工业发达国家和新兴工业国家列为国民经济支柱产 业，其发展促进了锻压技术及设备的发展，锻压技术的发展和进步与汽车工业的发展 密切相关。激烈的市场竞争促使汽车更新换代的速度明显加快，传统的加工单一品种 的刚性生产线显然己不适应市场形势发展的要求，其升级换代产品已具有高柔性和高 效率的自动化锻压生产线，已成为世界锻压技术及装备发展的主要潮流。【l 】 大型锻件的生产，是制造业的重要基础产业。由于锻造成形工艺能够改善零件的 微观组织结构，提高其机械性能，因此在许多行业中获得了广泛的应用。近年来，国 内外在电力工业、造船工业、航空工业、重型机械制造业等各个行业中，对大型自由 锻件以及大型模锻件的需求日益增多。现代重型锻造液压机的制造能力和水平是一个 国家国力的象征。随着科学技术的进步，对航空、航天和国防技术水平也提出了更高 的要求。在这些行业中，对大型精密锻件的需求量很大。在国内外，锻造工艺所以获 得如此广泛应用，是与其独特的优越性分不开的。如在生产率、金属材料利用率、产 品的机械性能等重要经济指标方面，均比机械加工，铸造和焊接工艺占有优势。一个 钢产量以千万吨计的国家，各类锻件总重量则以百万吨计。如德国，自1 9 7 0 年以来， 仅模锻件就达到年产量万吨。正因为如此，锻造虽经上于年的发展，但至今其生命力 仍与日俱增。目前，计算机科学日新月异，人工智能理论逐步完善，这些新理论和新 技术直接或间接地促进了锻造技术的发展。随着锻机的不断发展与提高，对其附属设 备比如锻造操作机也都提出了越来越高的要求，同时也促进了锻造操作机的发展。 1 2 锻造操作机国内外发展历史与现状概述 锻锤操作机械化，主要是指使用能适应锤上操作时的强烈震动，全部或部分代替 手工操作的机械手或操作机。 锻造操作机6 0 年代前就已经问世，近二、三十年发展起来。最早是在美国、原 苏联，而后在日本、英国、奥地利等国家发展起来，并成为系列化产品进入工业性生 产。最初的操作机多为全机械传动，随着科学技术的发展，到6 0 、7 0 年代出现了混 合传动和全液压传动、结构紧凑、操作灵活的锻造操作机。它与水压机、卧式径向锻 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 造机和自由锻锤配用，使主机大大地提高了生产效率，提高了锻件质量。到了8 0 年 代，各国对锻造操作机的设计、制造、技术改造方面又有了更高的要求，不断改进结 构、生产工艺，促进了锻压技术的发展，特别是锻造操作机的需求量不断增加，引起 了国内大、中型工厂重视锻造操作机对生产的作用。 我国锻造操作机起步于6 0 年代，开始只能由某些工厂自己制造有轨操作机，这 些操作机结构简单，钳子的张合夹紧靠与吊钳分离开的电动方头扳手来完成，因而夹 紧锻件不方便，用与钢锭开坯、拔料还是可以的。随着国民经济的发展，7 0 年代开始 研制出全机械传动和一些液压传动有轨操作机，载重量可达l o t ，夹紧力矩2 5 k n m 。 随后，小型液压传动有轨操作机得到发展，并出现了液压传动无轨操作机。 1 9 7 4 年我国首次制定了自己的锻造操作机系列标准，大力推广液压传动操作机。 到了8 0 年代全液压有轨锻造操作机在全国相继出现，当时主要用于7 5 0 k g 锤和水压 机上。9 0 年代初期我国自行设计制造的1 0 0 k n 锻造操作机主要技术性能已达到世界 8 0 年代水平，能替代国内进口同类产品。该台锻造操作机于1 9 9 2 年5 月在太原试制 成功。它的试制成功和采用，对发挥大型自由锻造水压机的能力，提高劳动生产率， 减轻锻造工人的繁重体力劳动，提高锻件的质量等方面都将起到显著的作用，并为我 国大型快锻油压机的开发奠定了基础。【z j 目前，国外大型快锻油压机与操作机联动技术已经成熟。国外操作机的载重力矩 已发展到3 0 0 0 k n m ，大型操作机与3 0 0 0 0 k n 自由锻造水压机联动操作，不断地提高 了水压机生产能力。国外操作机大多数为液压马达驱动，由油缸活塞实现升降等运动， 其液压系统由油压泵站，电控操作阀站和管路等部件组成。该系统安装在大车架上， 随机行走，系统容易实现多种运动，功率大；系统结构紧凑，零部件易于实现标准化、 系列化；系统批量制造成本低。国外操作机的传动机构已多样化。 目前，国内大型快锻油压机与操作机联动技术已经实现，与国外同产品的差距不 断的减小，亦朝着系列化、先进化、标准化、并将许多先进的技术应用到操作机上的 方向上发展。 1 3 锻造操作机机构概述 锻造操作机的机构主要由以下几个部分组成： ( 1 ) 夹紧机构。夹紧机构主要由钳头和拉紧装置两部分组成。其中钳头又分为 长杆式钳头、短杆式钳头和滑块斜槽式钳头。拉紧装置按照拉紧方式的不同，可以分 为机械式、气动式和液压式三种。 ( 2 ) 夹钳旋转机构。钳杆旋转机构根据驱动方式不同，可以分为电动机驱动和 液压马达驱动。 ( 3 ) 钳杆升降倾斜机构。为使工件按照锻造工艺要求以一定的速度平行升降或 东北大学硕士学位论文笫1 章绪论 上下倾斜摆动。其结构形式按驱动方式分为机械式、液压式两种。液压式传动结构又 可以分为平行四连杆式和摆动杠杆式等。平行四连杆式结构简单，可实现钳杆的平行 升降，广泛应用于中小型操作机。按具体结构又可以分为上四连杆悬吊式、下托式、 下四连杆悬吊式、倒四连杆悬吊式和双四连杆式等。 ( 4 ) 台架回转机构。 ( 5 ) 大车行走机构。大车行走机构分为有轨和无轨两种。 ( 6 ) 缓冲装置。操作机钳杆与车架之间一般均装有垂直和水平缓冲器。特别是 前提升和水平位置的前后方向必须有缓冲器，用以吸收锻造变形的位移和大车运行时 产生的冲击震动。弹簧缓冲器和液压缓冲器应用较多。【3 1 锻造操作机如图1 1 所示： 图1 1 锻造操作机 f i g 1 1t h ef o r g i n go p e r a t i o nm a c h i n e 1 4 课题研究内容 本课题主要是针对锻造操作机夹钳升降倾斜机构液压系统为研究对象，主要研究 的内容如下： ( 1 ) 提出夹钳升降机构方案，并相应的设计了升降倾斜液压缸的电液伺服系统。 ( 2 ) 重点研究电液伺服系统阀控非对称液压缸动力机构的动态特性。分别针对 前后提升液压缸系统，建立其物理、数学和仿真模型，并运用m a y l a b s i m u l i n k 仿 真软件分析所设计系统的动态性能。 ( 3 ) 根据仿真结果，提出相应的控制策略，以满足设计任务要求，实现电液伺 服系统的良好控制效果。 东北大学硕士学位论文第2 章夹钳升降液压系统的设计与计算 第2 章夹钳升降液压系统的设计与计算 2 1 系统技术性能及要求 夹钳升降倾斜机构能够夹持棒料以一定的速度平行升降或者上下倾斜摆动，同时 还应具有一定的缓冲余量，以满足锻造工艺的需要。根据厂家的要求和相关的资料， 该锻造操作机夹钳升降液压系统的主要参数见表2 1 。 表2 1 液压缸主要参数 ! 璺! ! 丝：! ! 坐p 丝呈巴! 堡! 12 1 z ! i 翌坐竖 行程( m m )提升力( t )提升速度( m m i n ) 2 2 夹钳升降倾斜机构设计 由于该操作机的夹持重量较大，故夹钳升降倾斜机构采用摆动杠杆式。其升降和 调平分别操作，具有整机高度小，刚性好，稳定性较好，适用于大吨位的操作机。该 夹钳升降倾斜机构如图2 1 所示。【3 】 图2 1 夹钳升降及倾斜机构 f i 9 2 1t h el i f t i n ga n di n c l i n e dm e c h a n i s mo fc l a m p 1 一调平缸2 一摆轴3 、4 、5 、6 一杠杆7 一升降缸8 一垂直缓冲弹簧 对于提升系统的四个液压缸，考虑到节省整机高度和充分利用液压能源，采用单 个伺服阀控制单个非对称液压缸。因为系统的对称性，所以前两个提升液压缸和后两 个提升液压缸的参数分别相同。同时，为了区分前后提升液压缸参数，本论文以下用 下标1 表示前提升缸的参数，用下标2 表示后提升缸的参数，若没有1 、2 下标标识， _ 4 东北大学硕士学位论文第2 章夹钳升降液压系统的设计与计算 表示前后液压缸共用参数，以后不再特别说明。 2 3 夹钳升降机构液压系统原理图 夹钳升降机构液压系统原理图如图2 2 所示。1 4 由酊 唧唧 咖匿亘d 蜒匦由蓬亘由岖亘 图2 2 升降机构液压原理图 f i g 2 2t h eh y d r a u l i cp r i n c i p l ed i a g r a mo fe l e v a t i n gm e c h a n i s m 2 4 前提升液压伺服系统元件选择与参数计算 2 4 1 前提升液压缸的控制模式 实际使用过程中，按照控制目的的不同，液压缸的控制模式主要有位移控制，力 控制，速度控制，加速度控制等。 夹钳升降系统的功能是夹持棒料到达相应的位置，对棒料进行锻造，因此夹钳升 降系统采用位置控制模式，工作过程中，进行力的监控。f 5 】 2 4 2 前提升液压系统动力元件参数的确定与计算 2 4 2 1 供油压力的选择 本套设备属于冶金工业的伺服系统，系统负载非常大，为避免阀流量和供油系统 参数与尺寸过大，考虑到液压元件及伺服阀的额定压力系列，并综合考虑到可靠性和 维护水平，本系统取工作压力见= 2 1 m p a 。【6 】 2 4 2 2 伺服缸参数的确定与计算 ( 1 ) 负载压力的确定【7 】 s 东北大学硕士学位论文第2 章夹钳升降液压系统的设计与计算 按照负载最佳匹配原则，取负载压力p c i = 詈见，即p l l = 詈2 1 m p a = 1 4 m p a 一， ( 2 ) 活塞直径d l 与活塞杆直径4 的确定8 1 按照设计要求，前提升液压缸的最大提升力为： 吒1 = 3 0 x 1 0 3x 9 8 = 2 9 4 x 1 0 5 n 液压缸无杆腔的面积为： 4 l _ 卺= 等观o 2 m 2 液压缸活塞直径尺寸为： q = 浮_ j 丝竽娟3 兜m 取液压缸活塞杆直径反= 0 5d f 碣= 0 5 0 l = 0 5 x 1 6 3 5 2 = 8 1 7 6 m m 根据g b t7 9 3 8 1 9 8 7 选定液压缸额定压力为2 5 m p a ； 根据g b t2 3 4 8 1 9 9 3 将液压缸内径圆整为n = 1 8 0 m m ； 根据g b t2 3 4 8 1 9 9 3 将活塞杆直径圆整为反= 8 0 m m 。 无杆腔的面积4 为： 和三研= 三0 1 8 2 = 2 5 4 5 1 0 一m 有杆腔的面积4 ：为： 4 z = 三( q 2 4 2 ) = 三( o 1 8 2 一o 0 8 2 ) = 2 0 4 2 1 0 2 m 2 ( 3 ) 液压缸行程s 的确定 根据设计要求与液压缸行程系列，取伺服缸的行程8 1 = 8 0 0 m m 。 2 4 2 3 液压固有频率的校验 对于四通阀控非对称液压缸，液压固有频率为： 魄l = 式中：成一液压有效体积弹性模量，此取成= 7 0 0 m p a ； 4 。一液压缸活塞有效面积，m 2 ； k l 一总压缩容积，m 3 ； 。一折算到活塞上总质量，蚝。 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 东北大学硕士学位论文第2 章夹钳升降液压系统的设计与计算 系统动力机构有杆腔受控，所以活塞的有效面积4 。= 4 ：= 2 0 4 2 x 1 0 - 2 m 2 总压缩容积考虑为缸的总容积v t l = 4 l & = 2 5 4 5 x 1 0 - 2 x o 8 - - 2 0 3 6 x 1 0 2 m 3 保守估计取m t l = 7 0 x1 0 3 k g 根据式( 2 6 ) 计算得液压固有频率 饥。：，4 x 7 0 0 x 1 0 6 x ( 2 0 4 2 x 1 0 - 2 ) z 一9 0 5 2 r a d s魄l2 n 厶u j o l u 一，l u 一 一 zs 转化为频率五l ：粤：i 9 0 5 2 ：1 4 4 1 h z 由于工作中，夹钳升降系统主要实现位置的变化，一般情况下位移按照斜波运动， 故系统可以正常工作。 2 4 2 4 伺服阀参数的确定 ( 1 ) 负载流量的确定 当伺服缸以最大速度k 。运动，考虑最大流量，按照无杆腔受控，需要泵提供的 流量g 一，即伺服阀的最大负载流量为： q m , 1 = 4 l v 蚴l ( 2 7 ) 把v m 戡。和4 。带入式( 2 7 ) 得： 9 一l = 2 5 4 5 x 1 0 x 4 5 x 1 0 3 = 1 1 4 5 3 l r a i n ( 2 ) 伺服阀的选择及其参数 本系统在计算额定流量时，考虑到泄漏等影响，设余量为负载所需流量的2 0 ， 则取负载流量为： q l l = q m 缸l ( 1 + 0 2 ) = 11 4 5 3 x 1 2 = 1 3 7 4 4 l m i n 此时伺服阀压降为： p v l = 凤一p l l = 2 1 1 4 = 7 m p a 根据g l 。和p v 。，由选择伺服阀规格时使用的列线图查得额定流量( 阀的压降为 7 0 x 1 0 5 p a 时的输出流量) 为1 4 0 l m i n 的阀可以满足系统要求。 本系统采用双喷嘴挡板力反馈式电液伺服阀v i c k e r s 公司的s m 4 4 0 型号的伺服阀。 伺服阀的主要参数如表2 2 所示。【1 0 l 东北大学硕士学位论文第2 章夹钳升降液压系统的设计与计算 表2 2 伺服阀参数表 ! 垒! ! 呈；：! 垒呈p 兰翌翌宝! 曼12 11 垒旦! 宝竖2 垒! 呈 参数名称 参数符号( 单位)参数数值 备注：1 = 2 z r 厶= 2 x 7 r 3 0 = 1 8 8 5 r a d s 在系统工作过程中，阀的实际压降为： i p l = 鼠一锄。一仇l ( 2 8 ) 式中：见一系统供油压力，鼠= 2 1 m p a ； 凡l 一额定负载压力，肌l = 1 4 m p a ； 魏一液压站至伺服阀的管路总压降，本文取吼0 5 m p a 。 将上述参数带入式( 2 8 ) 得： 卸l = 6 5 m p a 于是伺服阀的工作流量为： 钆孤t 雁旬5 k 属= 1 4 5 5 1 叫商n 1 3 7 4 4 v 幽 住” 满足设计要求。 2 4 2 5 实际振动速度校验 通过伺服阀的实际工作流量校验其实际产生的速度是否满足控制系统的最大速 度。 由q l l = 1 4 5 5 1 l m i n 及4 l = 2 5 4 5 1 0 。2 m 2 ，可得实际最大上升速度为： k 。，：纽：! 塑! 兰婴：5 7 2 m m i n 4 5 m m i n ( 2 1 0 ) l2 茗2 砑丽旬 n“ 满足设计要求。 2 5 后提升液压伺服系统元件选择与参数计算 2 5 1 后提升液压缸的控制模式 实际使用过程中，按照控制目的的不同，液压缸的控制模式主要有位移控制，力 东北大学硕士学位论文第2 章夹钳升降液压系统的设计与计算 控制，速度控制，加速度控制等。本系统实际工作过程中，需要控制液压缸的位移， 因此，采用位置控制模式，工作过程中，进行力的监控。 2 5 2 后提升液压系统动力元件参数的确定与计算 2 5 2 1 供油压力的选择 同上，系统取工作压力凤= 2 1 m p a 。 2 5 2 2 伺服缸参数的确定与计算 ( 1 ) 负载压力的确定 一， 按照负载最佳匹配原则，取负载压力p l 2 = 风，即几= 2 1 m p a = 1 4 m p a jj ( 2 ) 活塞直径b 与活塞杆直径以的确定 按照设计要求，后提升液压缸的最大下降力为： f l 2 = 9 x 1 0 3 x 9 8 = 8 8 2 x 1 0 4 n 液压缸无杆腔的面积为： 以：f l _ _ l ：8 8 2 x 1 - 0 4 ：6 3 1 0 q m 2 “也 1 4 x 1 0 。 液压缸活塞直径尺寸为： d 2 = 烨= 、 4 x 6 3 x 1 0 - 3 8 9 5 6 m 取液压缸活塞杆直径以= 0 5 d 畋= 0 5 砬= 0 5 8 9 5 6 = 4 4 7 8 m m 根据g b t7 9 3 8 1 9 8 7 选定液压缸额定压力为2 5 m p a ； 根据g b t2 3 4 8 1 9 9 3 将液压缸内径圆整为d ，= 9 0 m m ； 根据g b t2 3 4 8 1 9 9 3 将活塞杆直径圆整为d 2 = 4 5 m m 。 无杆腔的面积4 ，为： a 2 l ：三d 2 ：一1 7 0 0 9 2 ：6 3 6 2 1 0 3 m 2 44 有杆腔面积4 ，为： x 蕾2 2 - 署( 岛2 一吐2 ) = 三( 0 0 9 2 - 0 0 4 5 2 ) _ 4 7 7 l 1 0 一m ( 3 ) 液压缸行程s ，的确定 根据设计要求与液压缸行程系列，取伺服缸的行程岛= 8 0 0 m m 。 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 东北大学硕士学位论文第2 章夹钳升降液压系统的设计与 2 5 2 3 液压固有频率的校验 对于四通阀控非对称液压缸，液压固有频率为： 2 式中：成一液压有效体积弹性模量，此取尾= 7 0 0 m p a ； 如一液压缸活塞有效面积，m 2 ； 一总压缩容积，m 3 ； 折算到活塞上总质量，k g 。 系统动力机构有杆腔受控，所以活塞的有效面积a 2 = 4 ：= 4 7 7 1 x 1 0 3 m 2 总压缩容积考虑为缸的总容积= 4 】如= 6 3 6 2 x 1 0 一x o 8 = 5 0 9 x 1 0 q m 3 保守估计取m r 2 = 3 0 x 1 0 3 k g 根据式( 2 1 6 ) 计算得液压固有频率 2 = ，4 x 7 0 0 x 1 0 6 x ( ，4 7 7 1 x 1 ，0 - 3 ) 2 ：6 4 6 1 r a d s = y5 0 9 1 0 一3 3 1 0 3 一丙1r 甜s 转化为频率允：鲁：i 6 4 6 1 ：1 0 2 8 h z 同理，满足要求。 2 5 2 4 伺服阀参数的确定 ( 1 ) 负载流量的确定 当振动伺服缸以最大速度：运动，考虑最大流量，按照无杆腔受控，需要 供的流量g 一2 ，即伺服阀的最大负载流量为： g m 戤2 = 4 l 2 ( 2 把v 玉2 和d 2 带入式( 2 1 7 ) 得： g 一2 = 6 3 6 2 x 1 0 qx 4 5 x 1 0 3 = 2 8 6 3 l m i n ( 2 ) 伺服阀的选择及其参数 同上，设余量为负载所需流量的2 0 ，则取负载流量为： g l 2 = g 一2 ( 1 + o 2 ) = 2 8 6 3 1 2 = 3 4 3 5 l m i n 此时伺服阀压降为： p v 2 = 见一p l 2 = 2 1 1 4 = 7 m p a 根据g u 和，由选择伺服阀规格时使用的列线图查得额定流量( 阀的压降为 7 0 x 1 0 5 p a 时的输出流量) 为4 0 l m i n 的阀可以满足系统要求。 本系统采用双喷嘴挡板力反馈式电液伺服阀m o o g 的6 3 1 3 0 0 4 型号的伺服阀。 1 0 东北大学硕士学位论文第2 章夹钳升降液压系统的设计与计算 伺服阀的主要参数如表2 3 所示： 表2 3 伺服阀参数表 t a b l e2 3t h ep a r a m e t e ro ft h es e r v ov a l v e 参数名称参数符号( 单位)参数数值 备注：= 2 z r 厂3 = 2 x 丌x 4 0 = 2 5 1 3 3 r a d s 在系统工作过程中，阀的实际压降为： 锄= 见一锄一p l 2 ( 2 18 ) 式中：风一系统供油压力，热= 2 1 m p a ； 几一额定负载压力，几= 1 4 m p a ； 卸：一液压站至伺服阀的管路总压降，本文取卸：0 5 m p a 。 将上述参数带入式( 2 1 8 ) 得： a 0 2 = 6 5 m p a 于是伺服阀的工作流量为： q l 22g n 2 = 4 。6 7 属0 5 = 3 8 5 4 l 商n 3 4 3 5 l 缸n ( 2 t 9 ) 满足设计要求。 2 5 2 5 实际振动速度校验 同理，由q l 2 = 3 8 5 4 l r a i n 及4 1 = 6 3 6 2 x 1 0 - 3 m 2 ，可得实际最大下降速度为： k 。，：q l _ _ l ：3 8 5 4 x1 0 - 3 ：6 0 6 洲i l 4 5 删n ( 2 2 0 ) v 矗2 。以2 6 3 6 2 x10 - 3 26 u 6 i n 衄驴4 5 i i l 皿n 。2 满足设计要求。 2 6 泵的选择与计算 2 6 1 确定液压泵的最大工作压力 岛见+ 卸 ( 2 2 1 ) 式中：卸一从液压泵出口至液压缸入口处的总管路损失，此取0 5 m p a 。 1 1 东北大学硕士学位论文第2 章夹钳升降液压系统的设计与计算 则岛 - - p , + a p = 2 1 5 m p a 2 6 2 确定液压泵的流量 多液压缸同时工作时，液压泵的输出流量应为 q v p 七( q 。一) ( 2 2 2 ) 式中：k 一系统泄漏系数，一般取k = 1 1 1 3 ； 七( q ，。) 一同时动作的液压缸的最大总流量，l r a i n 。 因此g v 衄= 2 x ( 1 3 7 4 4 + 3 4 3 5 ) = 3 4 3 5 8 l m i n q v p 七( q ，。) = 1 1 x 3 4 3 5 8 = 3 7 8 l m i n 2 6 3 选择液压泵的规格 为使液压泵有一定的压力储备，所选泵的额定压力一般要比最大工作压力大2 5 6 0 【4 1 ，即p c = ( 1 + 2 5 ) 风( 1 + 6 0 ) p v = ( 2 6 8 7 5 3 4 4 ) m p a 根据以上求得的鼠和g 。值，选择4 0 0 p c y l 4 1 b 柱塞泵。 2 6 4 确定液压泵的驱动功率 在工作循环中，若液压泵的压力和流量比较恒定，则驱动功率为 n ：( p s q p ) m a x ( 2 2 3 ) 叩p 式中：( 凤郇) m 缸一泵的压力和流量最大值的乘积( p a m 3 s ) ； 琊一泵的总效率，对柱塞泵取0 8 o 8 5 ，此取0 8 。 则：( p s q p ) m a x ：兰! ：! 兰! 旦! 兰! q q 兰! q ：1 7 9 1 7 k w r 。0 8 6 0 实际使用中，选用2 0 0 k w 的电机进行驱动。 2 7 管件的选择与计算 2 7 1 管件的材料 本系统压力为2 1 m p a ，选用无缝钢管。在升降缸附近采用高压软管，以便于运动。 2 7 2 油管内径和管壁厚 油管内径主要由油液的流速确定，油管内径选得过小，管内流速过大，会使功率 1 2 东北大学硕士学位论文 第2 章夹钳升降液压系统的设计与计算 损失增加，油温上升，并容易产生气穴现象，引起振动和噪声。管径选得过大，会造 成设备重量和成本的增加，因此要合理选择油管内径，一般内径d 可由下式确定：【1 0 】 d ；盟 ( 2 2 4 ) v 万1 ， 式中：d 一管道内径( m m ) ； 吼一通过管道内的流量( l r a i n ) ； 1 ，一管内允许流速( i n s ) 。 其中v 的值在液压泵吸油管路中可取v = o 5 1 5 m s