（机械电子工程专业论文）离合器式螺旋压力机的实时控制研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 离合器式螺旋压力机由于其诸多优点，自7 0 年代后得到广泛的应用。性能 可靠的离合器是该种设备正常工作的基础，离合器脱开控制是该种压力机的最 关键技术，也是正在研究的焦点，其中离合器脱开时间是最主要的参数。 国内外的研究主要专注于控制离合器脱开的机械结构，并有了许多理论和 实践成果。目前主流的机械控制方式是通过离合器打滑来触发离合器脱开，限 于其结构原理，采用此方式的离合器会在很高的压紧力下持续打滑相当一段时 间，既使摩擦材料严重磨损，又损耗大量能量，还使最终打击力远大于开始打 滑时的打击力。而且这种控制方式实质是打击力控制，不能直接用于位置控制。 为进一步提高离合器脱开的响应能力，消除上述不足，本文研究了另一种 控制方式，即控制系统直接对电磁阀发讯使卸荷阀泄压，并作了相应的数控化 和实时性研究。研究该种方式的控制精度，要结合具体的打击工艺。 为此，胖文详细分析和仿真了离合器脱开的瞬态过程，明晰了主要参数对 离合器脱开时间的影响程度，为系统优化设计提供了参考。根据仿真结果，提 出了提高油压以减少打滑时间和磨损的设想。 为避免离合器意外打滑，本文详细讨论了可能出现的离合器打滑现象，并 提出了解决措施。 本文还通过修改微机系统时钟周期，并接管d o s 操作系统的1 c h 软中断， 实现了周期中断的实时控制技术。 根据对泄压过程的分析和挤压变形的力学特性，本文研究了离合器式螺旋 压力机挤压成形工艺中的力能关系，给出了成形过程中各参数的相互关系及其 变化，提出了一种挤压成形工艺位置控制的算法以及可用于挤压和锻压工艺的 位置控制的简化方法，并说明了该控制方法的要点。 本文对离合器式螺旋压力机非机械装置的控制方式进行了深入研究，对提 高离合器式螺旋压力机的控制性能有着重要意义。 关键词：螺旋压力机离合器 白真控蒂液压 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t b a s e do nt h e i rh i g h l yr e l i a b l ec l u t c h e s ，t h ec l u t c hs c r e wp r e s s e sh a v eb e e nw i d e l y e m p l o y e ds i n c e 19 7 0 so w i n gt ot h e i re x c e l l e n tv i r t u e s t h es t u d yf o c u sa n dt h ek e y t e c h n o l o g yo f s u c hp r e s s e si sh o wt oc o n t r o lt h ed i s e n g a g i n go ft h ec l u t c h e s h o w e v e r ， t h et r a n s i e n tt i m eo ft h ed i s e n g a g e m e n ti st h ep i v o t a l p a r a m e t e r t h e p r e d o m i n a n t a t t e n t i o nh a sb e e n b e i n gp a i d t om e c h a n i c a ls t r u c t u r e c o n t r o l l i n g t h e d i s e n g a g e m e n to ft h e c l u t c ha th o m ea n da b r o a da n dl o t so ft h e t h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lr e s u l t sw e r eg a i n e d t h ed o m i n a n tc o n t r o lf a s h i o nt ot r i g g e r d i s e n g a g e m e n ts of a ri sb ym e a n s o ft h es k i d d i n go ft h ec l u t c h t h el i m i t a t i o no f s u c h m e c h a n i s mc a u s e st h el o n g t i m es k i d d i n go ft h ec l u t c hu n d e rah i g hp r e s s u r ea n d b r i n g s s e v e r ea b r a d eo ft h ef r i c t i o ne l e m e n t sa n dag r e a td e a lo fe n e r g yw a s t e i n a d d i t i o n ，t h ef i n a lp r e s sf o r c em u s tb em u c hl a r g e rt h a nt h ef o r c eu n d e rw h i c ht h e c l u t c hj u s tb e g i n st os k i d h o w e v e r ，s u c hac o n t r o lm e t h o di sf o r c ec o n t r 0 1a c t u a l l y ， w h i c hi sn o tp r a c t i c a lt oc o n t r o lt h ep o s i t i o nd i r e c t l y t oe n h a n c et h er e s p o n s ea b i l i t yo ft h ec l u t c hd i s e n g a g e m e n ta n de l i m i n a t et h e s h o r t a g e ，a n o t h e rm e t h o dt h a t c o n t r o l s y s t e ms i g n a l st h ep i l o ts o l e n o i d c o n t r o l l e d v a l v e d i r e c t l y t ou n l o a dt h eo i l p r e s s u r e f r o mt h e d i s c h a r g i n g v a l v eh a sb e e n r e s e a r c h e da n dt h es t u d yo nt h er e l e v a n tr e a l t i m ea n dn u m e r i c a l c o n t r o lh a sb e e n c a r r i e do u t t oi m p r o v ec o n t r o lp r e c i s i o n b y t h i sm e a n s ，t h es p e c i f i cp r e s sp r o c e s sh a s t ob ec o r r e l a t e dw i t h t h e r e f o r ，t h et r a n s i e n tp r o c e s so fc l u t c hd i s e n g a g i n gw a sa n a l y z e di nd e t a i la n d s i m u l a t e d t h ec o n c l u s i o no ft h es i m u l a t i o nc l e a r st h ee f f e c to ft h e c o n c e r n f u l p a r a m e t e r so nt h ed i s e n g a g i n gp r o c e s sa n dp r o v i d e sr e f e r e n c et o o p t i m i z e a tt h e s a m et i m e ，ap r o p o s a lo fi n c r e a s i n go i lp r e s s u r et os h o r t e ns k i d d i n gt i m ea n dl e s s e n a b r a s i o ni sp r e s e n t t oa v o i da c c i d e n ts k i do ft h ec l u t c h ，a n yk i n d so f s u p p o s e ds k i dw e r ec o n s i d e r e d a n dt h e p e r t i n e n t s o l u t i o n sw e r e o f f e r e d a l s o ，c y c l e di n t e r r u p ti s a c h i e v e df o r r e a l t i m ea n dn u m e r i c a lc o n t r o l b ya l t e r i n gt h ec l o c kp e r i o do ft h ec o m p u t e ra n d t a k i n go v e r1c h s o f t w a r ei n t e r r u p to fd o s s y s t e m f r o mt h eu n d e r s t a n d i n go ft h ed i s c h a r g i n gp r o c e s sa n dt h em e c h a n i c a ls p e c i a l i t y o ft h ee x t r u s i o nf o r m i n g ，t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nf o r c ea n de n e r g yd u r i n gf o r m i n gi n e x t r u s i o nc r a f tb yu s i n gt h ec l u t c hs c r e wp r e s sw a ss t u d i e da n dt h er e l a t i o n so ft h e 华中科技大学硕士学位论文 = ；= = = ；= = = 高举；= 宅= = = 昌= = 昌昌= = = 昌昌罱；罱昌昌= = = 暑：= = = p a r a m e t e r sa n d t h e i rv a r i a t i o nd u r i n gf o r m i n ga r eg a i n e d ，b yw h i c h t h ec o m p u t a t i o ni n s u c hc r a ra n dt h e s i m p l i f i e d o n e si ne x t r u s i o na n dp r e s s p r o c e s st oc o n t r o lt h e p o s i t i o no ft h er a i d _ a r eg i v e n a tt h es a n l et i m e ，t h e g i s t o fs u c hc o m p u t a t i o n si s s t r e s s e d t h i sp a p e ri s al u c u b r a t i o no nt h en o n m e c h a n i cd e v i c ec o n t r o lm o d eo ft h e c l u t c hs c r e wp r e s sa n di t i s s i g n i f i c a n tt oa d v a n c et h ec o n t r o lp e r f o r m a n c eo fs u c h p r e s s e s k e y w o r d s ：s c r e wp r e s sc l u t c h c o n t r o l s i m u l a t i o n h y d r a u l i c 华中科技大学硕士学位论文 1 绪言 1 1 离合器式螺旋压力机的关键控制技术 1 1 1 控制要点1 1 1 2 3 】 离合器式螺旋压力机，又叫高能螺旋压力机，还称为飞轮单向旋转的螺旋压力机。 该种设备具有打击能量大、效率高、工艺用途广、模具寿命长等优点，由德国 s i m p e l k a m p 公司于7 0 年代率先研制成功后得到了广泛的应用。经过2 0 多年的应用、 分析和研究，证明其具有热模锻压机和传统螺旋压力机的主要优点并克服了它们的主 要缺点，同时还具备锤和液压机的优点。 离合器式螺旋压力机的众多优点，都依赖其性能可靠的离合器来保证。当滑块以 约5 0 0 m m s 速度打击工件时，一旦达到设定值，离合器必须准确迅速可靠地脱开。脱 开过早则打击能量与打击力不足；脱开过迟则摩擦元件磨损加剧，无端消耗能量，并 造成打击力过大，缩短设备和模具的使用寿命，甚至带来重大超载事故。因此离合器 脱开控制是该种压力机的最关键技术，也是正在研究的焦点，其中离合器脱开时间是 最主要的参数。 1 1 2 离合器脱开的控制机构及其工作原理 出于设备的过载保护和控制结构的特点，这种设备一般采用摩擦式离合器，离合 器结合缸固接在离合器一端，控制系统通过控制离合器结合缸内的油( 气) 压，来控 制离合器摩擦块的结合与分离。这里只考虑控制介质是液压油的情况。 所有高能螺旋压力机，都是通过控制卸荷阀，使离合器结合缸泄压来实现离合器 的脱开。通常，该种设备都装有两种触发卸荷阀泄压的装置。一种是通过机械装置顶 开离合器结合缸的卸荷阀阀芯或卸荷阀先导阀阀芯：另一种是直接对卸荷( 先导) 电 磁阀发讯，使卸荷阈泄压。 使用机械装置的控制方式主要是利用运动部件( 飞轮、螺杆) 的转速变化。离合 器的主动盘和从动盘分别与飞轮和螺杆固联，当打击力造成的阻力矩大于离合器的最 大摩擦力矩时，离合器打滑，飞轮和螺杆间产生转速差。 华中科技大学硕士学位论文 国内仿制较多的n p s 型压力机是将惯性盘放在与螺杆固联的v 型槽中的钢球上， v 型槽呈螺旋上升状。打滑时，螺杆快速减速，惯性盘相对螺杆急速向上运动，以较 大力量顶开装在飞轮上的液压阀，使液压缸泄压。【2 】【4 1 德国h a s e n c l e v e r 公司生产的s p k a l l 2 0 0 型压力机，将拨杆用柱销固接在飞轮上， 拨杆可以绕柱销摆动。离合器完全啮合时，拨杆一端以摩擦靴压住离合器从动盘。当 从动盘相对飞轮转动时，拨杆在摩擦力的作用下发生摆动而打开液压阀。【2 】【5 】( 6 1 这两种压力机是在离合器打滑后开始泄压，德国e u m u c o 公司的p f 系列压力机 则不同。其在飞轮上有个可相对飞轮超前旋转的惯性环，当飞轮在打击力作用下减速 时，惯性环减速的作用力由装在飞轮上的卸荷阀的阀芯运动阻力提供。惯性环的惯性 力足够大时，即能开启卸荷阀。由于惯性环减速的惯性力在离合器打滑前达到最大值， 因此卸荷阀打开时，离合器尚未打滑。1 2 1 7 1 这些采用机械装置来触发离合器脱开的方式，实质上都是通过打击力控制卸荷阀 泄压，属于定力控制，适用于变形过程中打击力不断增大的工艺( 如锻压) 。对于控 制滑块行程的定程控制( 如挤压工艺) 和限制飞轮速降的定能控制，一般用电气电子 元件检测滑块位置或飞轮转速，一旦达到设定值即对卸荷( 先导) 电磁阀发讯，使卸 荷阀f f 启泄压。由于普通电磁换向阀的换向时间大于1 5 毫秒，加上离合器液压缸的 泄压时间和电气反应时间，离合器脱开时间就更长。因此，这种非机械触发方式目前 不作为较高精度的主要控制方式。 1 1 3 离合器式螺旋压力机的工作原理 2 1 如图l i ，压力机的飞轮被支承在机身顶部的滚动轴承上，由电动机通过带传动 带动飞轮始终单向旋转。螺杆在机身中 作旋转运动，螺杆下部通过螺母与滑块 相连，上部与离合器从动盘相连。飞轮 顶部活动接头的旋转端与装在飞轮上 的卸荷阀相接，接头的固定端连接控制 离合器液压缸进出油的控制阀块。液压 缸装在飞轮上，为弹簧复位的单出缸， 其活塞杆伸出端固联离合器主动盘。高 压油进入液压缸则活塞杆伸出，离合器 结合：液压缸泄压后，液压缸的复位弹 活动接头 液压缸与 回程弹簧一 摩擦块 主动盘 从动盘 图卜1结构原理图 2 华中科技大学硕士学位论文 簧将活塞杆推回，离合器脱开。触发离合器脱开的装置因方式不同而有不同的结构。 向下行程时，高压油进入离合器液压缸，推动活塞杆将飞轮和螺杆上的摩擦盘压 紧，离合器结合，飞轮与螺杆迅速结为一体，共同旋转，滑块快速下行，打击锻件。 当预定参数达到设定值时，离合器打滑，螺杆急剧减速，触发装置以前述方式开启泄 压阀，令离合器液压缸卸压，复位弹簧使离合器脱开。同时两个与滑块固联的回程缸 回程进油，或用液压马达令螺杆反转，使滑块返回初始位置，完成一个工作循环。 1 2 应用、研究现状和本课题的提出 1 2 1 离合器式螺旋压力机的制造和应用【2 】【8 1 离合器式螺旋压力机最早由德国s i m p e l k a m p 公司于1 9 7 7 年推出，1 9 7 9 年该公 司向德国h a s e n s c h e i d t 公司提供了一台额定压力4 0 0 0 k n 的n p s 型离合器式螺旋压力 机。德国的h a s e n c l e v e r 、e u m u c o 、b e c h e 和l a s c o 等公司不久也都研制出各具特色 的离合器式螺旋压力机，现这些德国公司已能向用户提供4 m n 1 1 2 m n 全系列的该种 压力机。 1 9 8 5 年与1 9 9 0 年前后，我国大连锻造厂、大连机车厂、包头第一机械厂分别从 s i m p e l k a m p 公司进口一台n p s 型离合器式螺旋压力机。1 9 9 5 年无锡叶片厂从 h a s e n c l e v e r 公司进口了一台世界上公称打击力最大的1 1 2 m n 、s p k a 型的此种压力机。 我国在第一台离合器式螺旋压力机引进后不久即开始研发，经过l o 多年的不懈 努力，至今已设计制造了十多台仿n p s 型的压力机。如青岛锻压机械厂与北京机电研 究所合作生产的j 5 5 系列液压、气动式高能螺旋压力机，正被青海锻造厂、谷城车桥 厂等多家用户使用；沈阳重型机械研究所也为沈阳风动工具厂制造了一台仿n p s 型的 压力机。 目前，我国已基本掌握了该种压力机的设计方法和制造技术，具有设计4 m n 一4 0 m n 全系列压力机的技术能力。经历了多年的生产实践和研究，国产设备的性能得到大大 的提高，与德国制造的相应设备的性能己基本接近，但价格上却有很大优势，仅为其 l 4 1 3 。 1 2 2 研究现状与评述 离合器脱开时间是指设备运行到预设值时刻至离合器压紧力为0 这段时间。离合 j 华中科技大学硕士学位论文 器完全脱开时刻，离合器结合缸中的油( 气) 压力等于复位弹簧的作用力。 德国对离合器的脱开结构作了深入研究，其结果形成了多项专利，同时对生产 实践中发现的问题作了改进。对于采用机械装鼍作为触发的方式，国内许多科研单位 进行了细致的研究，作了大量的理论分析和试验。华中科技大学的蒋希贤【9 j ，北京机 电研究所的楼捷、齐恬等【1 0 l 、大连铁道学院的李明典【1 1 1 ，燕山大学和沈阳重型机器厂 的杨育林、谭文锋等【1 3 】【1 4 l ，南昌大学的杨雪春2 】等等专家学者深入分析了n p s 型 压力机脱开机构的动力学特性，有的还作了仿真和试验。山东工业大学的夏天赳、李 培武、郝滨海，济南铸锻所的姬高索，青岛锻压机械集团的宋明正、姜同秀等专家也 对离合器式螺旋压力机有广泛深入的研究。其中夏天赳提出了一种新的控制机构，并 获得了发明专利【1 5 】。这种结构的压力机尚未生产，但已有一台实验样机。 杨雪春博士综合考虑机身的影响，以s p k a l l 2 0 型压力机的主机结构参数为基 础，分别对n p s 、s p k a 、p f 型的离合器脱开结构进行了仿真( 表1 。1 ) ，并对结果作 了分析比较，认为s p k a 型综合性能最优，p f 型最差，n p s 型经调整参数后性能可 接近s p k a 型。同时还仿真分析了夏天赳的快卸压式脱开结构，认为这种结构反应迅 速( 脱开时间不到l m s ) ，打击力控制准确，打滑摩擦损失很小，极具研究和开发价 值。1 2 1 表1 13 种脱开机构的性能比较 压力机型号 s p k an p sp f 离合器脱开时间( m s ) 3 0 摩擦损耗功( k j ) 1 6 03 0 0 1 6 0 08 0 0 3 5 0 0 国内诸多专家学者和工程技术人员的努力使我国对n p s 型压力机的研究达到了 国际领先水平【1 6 】。 1 2 3当前离合器式螺旋压力机脱开机构的不足与本课题的提出 国内研究单位对n p s 型离合器式螺旋压力机的脱开机构作了许多测试，其中对 青岛锻压机械集团公可生产的1 6 0 0 0 k n 的压力机的实测较为典型。结果表明：镦粗 铜柱式样的离合器完全卸压时间为2 5 3 0 m s ，冷击状态的卸压时间为1 0 b 1 8 m s ，与 仿真结果基本吻合【2 1 【1 0 l 。 对于采用打滑触发方式的s p k a 和n p s 型螺旋压力机，其结构原理决定了：在 华中科技大学硕士学位论文 打击力达到设定值时，摩擦盘将在很高的压紧力下持续打滑1 0 2 0 多毫秒。一方面， 这将导致摩擦元件急剧发热，严重磨损，其使用寿命一般只有几个月【1 7 1 , 而且大量损 耗能量( 表1 - 1 ) ，降低了整机效率；另一方面，打滑时，摩擦盘仍对螺杆大量做功，致 使最终打击力远大于开始打滑时的打击力，并使得打击力设定值与最终打击力的关系 不易确定，难以调定打击力的设定值，尤其是小变形工艺。而在模锻工艺中，锻件的最 终成形精度一般通过模具打靠来保证，过大的最终打击力将降低模具和设备的使用寿 命；若打击力不足，则锻件质量又达不到要求。相对而言，p f 型压力机的性能还要 差些【2 1 。 经过多年的研究发展，目前使用的离合器式螺旋压力机，其触发机构虽设计巧妙、 极具智慧，但限于其机构原理，难于消除上述不足。快卸压式的脱开机构还有待生产 实践的考验。而且这些实质上打击力的控制方式，仅适用于变形过程中打击力增大的 生产工艺，对于镦粗、拉拔、挤压等变形过程中打击力变化不大或减小的生产工艺， 却不能直接适用。 为消除上述不足，简化设备控制的机械结构，进一步提高离合器脱开的响应能力， 顺应锻造成形过程数字化、可控化的世界性发展趋势，本课题考虑采用另一种控制方 式，即控制系统直接对电磁阀发讯，使卸荷阀泄压的方式，并作了相应的数控化和实 时性研究。 这时，工作时的离合器打滑应尽量避免，不再作为正常工作情况下的控制方式， 而是通过用传感器检测打击力或滑块位置来控制离合器脱开。这样，就能够消除卸荷 阀开始泄压之前的离合器打滑，减少磨损，降低能耗。 显然，离合器脱开过程中，打滑是不可避免。但理论和实践都证明，卸荷阀泄压 时间的前l 3 ，压力下降不足1 l o t 9 1 【1 0 1 【1 8 】，而适当范围的油压变化，对泄压时间却影 响很少( 参见2 4 2 和图2 5 ) 。因此，采用本课题的控制方式，适当提高油压，极有 利于减少高压时的打滑时间。 目前，此种触发方式仅用于控制精度要求不高的场合，国内外尚未深入研究过用 此方式提高控制精度的方法，也没有进行过离合器式螺旋压力机系统性的数控化和实 时性的研究。随着电子技术日新月异的发展，对此进一步的研究已成必然。 1 3 课题来源及主要研究工作 在生产发动机气f q i 艺中，原先是采用电热镦粗头部、利用模具打击成型的工 华中科技大学硕士学位论文 艺。这需要有分别完成电热镦粗和打击成型的两套设备，同时电热镦粗工艺时间较长， 影响生产率。为降低成本、简化工艺、提高生产率，现考虑采用离合器式螺旋压力机 进行先挤压，再打击成型的生产工艺。 本课题来源于鄂州锻压机床厂和华中科技大学材料学院快速成形中心的横向合 作项目：“4 0 0 0 k n 离合器式螺旋压力机的研制”，本文的具体工作为： 1 ) 为评价液压系统的性能和选优，建立了离合器液压缸泄压过程的数学模型， 并精选算法，应用m a t l a b 6 1 进行了仿真分析，同时评估了一些主要参数对性能的 影响，提出了提高油压来减少打滑时间和磨损的新方法。最后分析e e 较了几种液压系 统方案的响应性能。 2 ) 设计控制工艺，详细分析可能出现的离合器打滑现象，提出了解决措施与控 制方案。 3 ) 通过修改微机系统时钟周期，并接管d o s 操作系统的1 c h 软中断，说明了 实现周期中断( 0 5 m s ) 的实时控制技术。 4 ) 根据对泄压过程的分析和挤压变形的力学特性，研究了离合器式螺旋压力机 挤压成形工艺中的力能关系，给出了成形过程中各参数的相互关系及其变化，提出了 一种挤压成形工艺位置控制的算法以及可用于挤压和锻压工艺的简化方法，并指出了 该简化方法的要点。 1 4 小结 本章主要内容是： 1 ) 简述了离合器式螺旋压力机的优点、结构和工作原理及其工艺过程，说明了 该种压力机的关键控制技术是离合器脱开控制和控制要点是离合器的脱开时间。 2 ) 简要比较了几种离合器脱开的触发机构和国内外的制造研究情况，分析了当 前控制机构的不足之处并提出了非机械装置的解决方案。 3 ) 介绍了本课题的来源，概述了本文的主要研究工作。 华中科技大学硕士学位论文 2 离合器液压缸泄压过程的仿真分析 2 1 离合器液压系统工作原理 图2 1 为离合器液压控制原 理图，系统油压经过减压阀后由 蓄能器给离合器液压缸提供高压 油。y 5 控制进油，y 6 控制出油。 y 5 得电，进油阀打开，液压缸进 高压油；y 5 失电，则进油阀关闭。 y 6 得电，卸荷阀关闭；y 6 失电， 则卸荷阀打开，离合器脱开。表 2 1 说明了离合器的动作信号。 表2 - 1离合器状态与信号 离合器状态 y 5y 6 进油阀卸荷阀 脱开关开 脱开或结合 + 关关 上 + 开关 图2 - i 离合器液压控制原理图 先导阀 进油阀一 华中科技大学硕士学位论文 当液压缸油压对活塞杆的作用力小于回程弹簧力时，离合器脱开，飞轮对螺杆不再作 用。滑块在回程液压马达或液压缸作用下返回，完成一个行程周期。 图中的先导阀和进油阀均由电气信号控制其开关。 2 2 泄压过程的分析与建模 整个泄压过程包括以下3 个方面( 参见图2 - 2 ) 2 2 1 先导阀打开直至开口到最大 设先导阀完全打开后的过流面积以，打开时间“，阀口流量系数c 。，液压油密 度p ，卸荷阀控制腔油压见，则先导阀完全打开后的流量： q = q 。a h 4 2 p j p = q 风 ( 2 1 ) 式中c 。是便于查表计算的比例系数。 在先导阀完全打开之前( f s t h ) 的流量与阀口开口方式有关，若阀1 5 1 过流面积与 时间的k 次方成正比( k 0 ) ，则流量： q 。= ) c h 厄 ( f 屯) ( 2 2 ) 2 2 2 卸衙阀控制腔开始泄压直至卸衙阀阀芯动作 设卸荷阀阀芯在控制腔和主油路的面积分别为a c 和a p ，则阀芯运动条件为： a c p c + ， a 。p o ( 2 3 ) 式中f 是控制腔弹簧力与摩擦阻力的合力，可以忽略不计。p o 是设定油压。解之 可得： 段 a 。，所以在卸荷阀阀芯运动之前，控制腔先要降压。降压过程的流量 连续陛方程为： q = 一i d p 。 ( 2 5 ) 式中是液压油压缩系数，是卸荷阀控制腔的起始容积。 华中科技大学硕士学位论文 ：= = ：= = ；= ；= ；= 自= ；# = = # = ；= ；= ；= ；= ；= = = = 将式( 2 2 ) 代入式( 2 s ) ，分离积分变量有： 艄t h 印= 一嚣眠象 可以解得卸荷阀阀芯开始运动前需要的时间 f 1 = 再丽雨 2 2 3 卸荷阀阀芯开始运动，直到离合器液压缸泄压完毕 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 1 ) 卸荷阀阀芯的动力掌万栏 忽略油液的粘性阻尼和阀芯受到的摩擦力与弹簧力及锥阀阀座倒角上的压力，设 阀芯质量m ，阀芯位移x ，则有： p a 。一p c a c = r e x + c + c ( 2 8 ) 式中，p 为主油路油压，c 和乃分别为阀芯受到的稳态液动力和瞬套液动力。 2 ) 卸荷阀控制腔流量连续性方程 包一4 ；= 丢【p 。( 一4 z ) 考虑到屹o 4 x ，见1 ，方程可化为： q = a 。x 一芦砭o p 。 ( 2 _ 9 ) 3 ) 主油路流量 主油路流量连续性方程为：q = 一a 。x 一p ( 2 1 0 ) 式中是从离合器缸到卸荷阀液压油路的总容积，q 是卸荷阀的流量a 设卸荷阀的流量系数为c 。，锥阀阀口出流面积4 ，有： q = c 4 历 ( 2 1 1 ) 华中科技大学硕士学位论文 设锥阀半锥角为0 ，考虑到z 见，有1 9 1 ： a 。= 冗d 。x s i n 0 流量系数q 与雷诺数r e 有关，其关系为 e = 0 0 8 x r e( r e 2 0 0 ) 设y 为液压油的运动粘度，则锥阀雷诺数2 0 】： r 。：二殳 v e r d p ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 一l7 ) 为便于表达和计算，将流量q 和雷诺数r e 表示成阀芯位移z 和油压p 的形式 综合式( 2 1 1 ) 、( 2 1 3 ) 、( 2 1 4 ) 、( 2 1 5 ) 、( 2 1 6 ) 、( 2 1 7 ) ，有： a r e 2 0 0 时： q = o 8 l 石b s i 慨属万= 屹，x 石 r e = 2 k 0 3 x 6 酝v d p ) = k 心6 4 ) 稳态液动力【1 9 ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 公式为：只= p 0 2 c o s o i a ， ( 2 2 4 ) 华中科技大学硕士学位论文 结合式( 2 1 3 ) ，分别将式( 2 1 8 ) 、( 2 2 0 ) 、( 2 2 2 ) 代入式( 2 2 4 ) ，得： 只= o 1 6 4 刀q s i n 3 0 c o s o p 2 ，i ( p v 2 ) = 1 p 2 ( r e 2 0 0 ) ( 2 2 7 ) ) ) 瞬态、披动力 设l 为与阀直接相连管腔内垂直锥阀截面的液柱长度，则瞬态液动力 1 9 ： 乃= p 哮 ( 2 _ 2 8 ) 结合式( 2 1 0 ) ，分别将式( 2 1 8 ) 、( 2 2 0 ) 、( 2 2 2 ) 代入式( 2 2 8 ) 得： f d = p l ( 2 皿。半2 ) = 。；一杨，：肼4 一。，最2 ( r e 2 0 0 ) ( 2 3 1 ) 显然，应用上述方程很难求出油压p 或阀芯位移x 的解析解，下面应用计算机仿 真求解。 2 3 仿真算法 整个液压系统的卸荷时间分为两部分，其中卸荷阀阀芯开始运动之前的时间r 1 可 由式( 2 7 ) 直接计算，因此仿真从卸荷阀阀芯启动时开始。 华中科技大学硕士学位论文 卸荷阀阀芯开始运动直到先导阀完全打开，即t l 到 时刻之间，由式( 2 2 ) 和式 ( 2 9 ) 有： 0 ) c h 成= 4x 一p 。( ) ( 2 3 2 ) 设仿真的步长为丁，从t l 时刻开始仿真，第九步时，式( 2 3 2 ) 可离散化为： ( 1 1 + “n t ) c 瓜7 z c 。h 争( p c n - p c i n - | ) ( n t f 一时，只需将上式中的b e 。j 换成g 即可。 同样将公式( 2 1 0 ) 离散化，有： 个 p n + l 】2 p 瓦1 ( 爿p 嘞+ ( 2 - 3 5 ) 而q | 州= q ( l ，l 。1 ) ( 2 3 6 ) 在卸荷阀阀芯刚开始运动疗= 0 时，有： x o l 、x o l 、1 0 】、f 【0 1 、乃【0 r o t 叩r e 【0 】皆为0 ，p l o 】= p 0 ，p 。【0 | = p 0 a p a 。 在两步之间，当步长r 足够小时，可使q q c ，4x 基本不变。 由式( 2 9 ) 可知，以与时间r 成线形关系。刚开始时，p z p 0 ，液动力接近0 ， 再由式( 2 8 ) 可知，阀芯的加速度与时间成正比。 先应用式( 2 3 4 ) 计算出p c ，再计算 1 l l = ( 研o l a p p c 【1 1 4 ) m 相应有：i l = t i 】，t l j = 古t 2 乇j 】 华中科技大学硕士学位论文 由式( 2 3 5 ) 、( 2 1 8 ) 、( 2 1 9 ) 、( 2 2 5 ) 、( 2 2 9 ) ，有： p t l l = p ( p t 0 1 ，x t 0 1 ，q 【0 1 ) = p o ，q t l l = q ( p t l l ，气1 1 ) ，r e t l l = r e ( x t t l ，p i l l ) 矗i 】= f + ( p t l 】，m ) ，历 1 】2f d ( p r o ，x m ，x 1 1 ) 为计算下步的参数，先由式( 2 3 5 ) 计算1 ，再假定l = x i l ，计算： t 。l = t 。1 l + ( x t 。1 + t 。- 1 1 ) ( 2 - 3 7 ) q | 州= q ( 】，p c 。1 ) 式( 2 1 8 ) 、式( 2 2 0 ) 或式( 2 2 2 ) ) 舶谁1 】。瓦t ( 半岛+ 学) 只【。j = f ( p c 。】， 叫) 式( 2 2 5 ) 、式( 2 2 6 ) 或式( 2 2 7 ) ) 局【川= f d ( p 。1 ，叶。l ，1 ) 式( 2 - 2 9 ) 、式( 2 3 0 ) 或式( 2 3 1 ) ) 再由公式( 2 3 4 ) 计算出p c 。，最后计算： 州= x ( p c p t 。】，只乃一 式( 2 8 ) 一。i = 鼍。i 】+ ( _ 。】+ 1 。叫) r 2 ( 2 3 8 ) 得到新的l ，将本次得到的。1 和q 【。l 与上次的比较，若差值过大则从式( 2 - 3 8 ) 开始用新的1 。】计算1 川，再返回( 3 7 ) 式计算】、乌矿p c 州、p c 、历、f 、l ， 再比较，反复迭代，直到差值均达到允许范围。保留本次参数后，根据r e ，选择计 算q 【。1 、【。l 、c l 】、r e m 。j 的方程式。”加1 后，进入下一步计算。当液压缸油 压等于复位弹簧力时，停止迭代计算。可以适当设置初值，使迭代过程至少进行两次。 本文未判定迭代算法的收敛性，而且泄压过程中阀芯的加速度x 变化还是较快 的，但考虑到物理过程的连续性，只要步长足够小，就能保证迭代的收敛。事实上， 仿真时发现，每步的迭代过程一般不会超过5 次。当设定步长0 0 1 m s ，i 和q 。】的 相对误差限1 0 “时，合理地安排算法，应用m a t l a b 6 1 ，整个仿真过程在赛扬7 3 3 ，1 2 8 m 内存的计算机上的运行时间不超过2 秒钟。 华中科技大学硕士学位论文 下图2 3 是整个算法的大致的流程图。 图2 - 3 华中科技大学硕士学位论文 2 4仿真结果与分析 2411 方真参数 现参照华中科技大学和鄂州锻压机床厂合作研制的4 0 0 0 k n 的离合器式螺旋压力 机，具体参数如下：【2 1 1 f ，：o 8 8 k g m3 ，= 1 0 9 p a ，p = 4 6 m m2 s ，m = o 8 4 k g ，4 = 6 3 2 m m 2 ， ! 一i 。= 4 6 8 m m 2 ，k = 1 ，t h = 1 0 m s ，q = 5 8 2 m m 3 ( s p a2 ) ，p 。= 8 5 m p a ， n l = 6 2 9 m p a ，臼= 1 4 ，k 。= 1 5 c m 3 ，= 3 9 d m 3 ，工= o 3 m 。 复位弹簧力所对应的油压为o 9 m p a ，液压缸油压达到此值时停止仿真。 图2 - 4 是基于这些参数的仿真曲线，图中泄压时间为1 2 m s ，t l = 2 1 m s 。 图2 4 泄压过程仿真曲线图2 5 不同油压初值的泄压曲线 2 4 2 初始油压的影响 图2 5 显示了油压初值分别为9 5 m p a 、8 5 m p a 、7 5 m p a 时的泄压曲线，应用式 ( 2 7 ) 可求得阀芯开始运动前的时间t l 基本相同( 差别不到0 1 m s ) ，液压缸泄压的 时间电差不多( 1 1 7 2 1 2 0 2 m s ) ，但从图上可以明显看出，刚开始泄压时，油压下降 较慢原因很显然：液压阀开启有个过程，开始时的阀口开度小，阀芯运动速度慢。 因此，对于采用传感器检测油压，控制系统直接发讯触发离合器脱开的控制方式，提 高系统油压能够有效减少离合器打滑时间。如开始打滑时的油压为7 5 m p a ，则将系 统油压从7 5 m p a 分别提高到8 5 m p a 和9 5 m p a 时，打滑时间可减少约4 m s 和5 m s ， 华中科技大学硕士学位论文 这与n p s 型商能螺旋压力机的触发方式相比有明显优势。 当然，提高系统油压不利于生产安全，出现意外会造成更大损失。但如果加强系 统的实时监控，做好预防措施，适当提高油压就不会有不良影响。后面章节将会研究 实时控制和分析意外情况。 2 4 3 阀芯质量的影响 注意到图2 - 4 中，卸荷阀先导控制腔的油压以起始段有所波动。分析后可知，当 油压以下降至卸荷阀阀芯开始运动时，以继续下降，而液压缸内的油压p 起先下降 很慢，于是阀芯被迅速加速，阀芯以越来越快的速度挤压先导控制腔矿的液压油。由 于先导阀阀口的开度还很小，排油有限，当阀芯速度达到定值后，液压油被压缩， 只上升，使阀芯减速。当先导阀的排油超过阀芯对油液的挤压，阀芯再次加速。如此 反复过程的时幛j 是很短的( 图2 - 6 ) ，很快，先导阀和卸荷阀的阀口玎度达到足够大， 油压p 。和p 迅速下降，阀芯的加速度波动变缓( 图2 7 ) 。 x 00 1 m s 幽2 - 6 不同阀芯质量时的卫 图2 - 8 ( a ) 阀芯运动速度 x00 1 m s 图2 7 阀芯运动加速度 x00 1 m ， 1 璺| 2 - 8 ( b ) 闽芯运动速度放大图 可以想象，阀芯质量的大小对油压的波动有着重要影响。较大的质量使得阀芯的 1 6 华中科技大学硕士学位论文 运动速度变化较慢，导致油压p 。必须上升或下降更多，才能使先导阀的排油和阀芯对 油液的挤压保持一致。图2 - 6 比较了阀芯质量不同时，卸荷阀控制腔油压展的泄压仿 真蓝线。图中可见，若阀芯质量大，则油压波动大，波动时间长。相应地，阀芯质量 越小，惯量越小，则阀芯的加速度和速度的振荡越剧烈，但振荡时间却短，在图2 7 和图2 - 8 中比较了不同惯量时阀芯的运动情况。 图中还可以看出，各曲线振荡时间很短，短暂波动后，不同阀芯质量的仿真曲线 基本上都熏合在一起。实际上，液压缸的泄压曲线和阀芯的位移曲线，跟阀芯的质量 几乎没有关系( 因曲线几乎完全重合，没有另外画出) ，这表明阀芯的质量和泄压时 间是无关的。 观察图2 7 和图2 - 8 0 ) ，在约8 m s 时间，曲线出现明显的转折，这是由于此时先 导阀完全打歼的缘故( 阀芯开始运动前的时问t l = 2 1 m s ) 。 2 4 4 其他些参数及其影响 1 ) 先导阀阀口的开口模式i 的影响 式( 2 2 ) 实际先导阀阀口的歼启状况是很复杂的，取决于具体电磁阀的结构和参数。表 2 2 仅就几种简单的情况做了比较。表中可见，k 值越小，从先导阀丌始泄压到阀芯 运动的时间t l 越短。根据式( 2 2 ) ，值小，则( t t h ) 起始阶段的值上升快，而致先导 阀的排油流量增加。仿真结果还显示：k 值对液压缸泄压时剜( m a x n ) 的影响却不 大。表中m a x 以是停止仿真时的计算步数 液压缸的泄压时间。下同。 袁2 - 2 开口模式七的影i 响 七0 sl23 f l ( m s ) l2 145 4 m a x n1 1 2 01 1 8 81 1 7 6j 1 2 6 其值的百分之一是以毫秒为单位的离合器 表2 - 3 油液压缩系数口的影响 口( 10 “j d d “) 0 6l1 52 t l ( m s ) 1 62 12 52 9 m a x 疗9 9 51 1 8 81 3 8 ii 5 4 8 2 ) 液压油压缩系数口的影响 离合器液压缸的泄压过程实际上是管路中被压缩油液的释放过程，液压油的压缩 系数口越大，意味着同样压强下，被压缩的油液越多，自然泄压时i a j 就越长。易算得： 按照节1 的参数，管路中被压缩的油液容积为3 3 毫升。表2 3 比较了不同压缩系数时 华中科