（机械电子工程专业论文）长江三峡永久船闸输水阀门启闭机液压系统动态仿真及研究.pdf

摘要 数字仿真技术由于精度高、速度快、仿真系统简单，在液压领域的工程实践 中得到广泛的应用，成为研究液压元件和系统动态特性的有力手段。由二通插装 阀组成的液压系统对油路方向切换的控制与传统的方向阀控制方式不同。传统方 向阀a 、b 工作油口的“开”与“关”之间由机械同步控制，而插装阀组中“开” 与“关”的控制由管道和插装阀组的动特性所左右。如何通过先导电磁阀通断时 间异步以及插装阀阻尼器调节，使二通插装阀“开”与“关”相匹配是液压系统 设计和调试中十分重要的问题。通过动态仿真来揭示二通插装阀“开”与“关” 的失配将给系统带来什么不利的影响，以及应采取的措施是解决这类问题十分有 效的方法。 本文通过对长江三峡水利枢纽永久船闸启闭机液压系统的动态仿真和研究， 得到如下成果： 1 对二通插装阀动态仿真模型进行了二次开发，建立了便于参数修改，可 重复使用的元件仿真模型库。为今后液压系统仿真打下良好的基础。 2 运用节点法建立液压系统仿真模型，通过实验验证了模型的可行性，证 明用节点法建模进行系统动态仿真是一种很有效的方法。 3 针对由二通插装阀组成的液压系统，研究了二通插装阀“开”与“关” 的失配给系统带来的不利影响。提出了解决措施并通过动态仿真证明了 方法的有效性。 4 运用集中参数模型和离散分布式模型相结合的方法对长管道给系统动态 特性带来的影响进行了初步的研究。说明长管道对系统的动态特性有一 定的影响，在调试过程中应引起注意。 本课题通过仿真和实验验证了所用仿真方法的可行性，针对液压系统在设计 和调试阶段可能出现的问题进行了仿真，提出改进措施并通过仿真进行验证，对 实际的工程应用具有重要的意义。 关键词：二通插装阀，动态特性，建模，仿真 a b s t r a c t d i g i t a ls i m u l a t i o nt e c h n o l o g y i sw i d e l yu s e di nh y d r a u l i ce n g i n e e r i n gf o ri t sh i g h p r e c i s i o n ，c e l e r i t y a n du n c o m p l i c a t e ds i m u l a t i o ns y s t e m i th a sb e e na ne f f e c t i v e m e a n st o s t u d yt h ed y n a m i cr e s p o n s eo fh y d r a u l i cc o m p o n e n t sa n ds y s t e m t h e c o n t r o lo ff l o wp a t hi nh y d r a u l i cs y s t e mc o m p o s e do ft h r e a d e dc a r t r i d g ev a l v e si s d i f f e r e n tf r o mt h a ti nh y d r a u l i cs y s t e mc o n s i s t e do ft r a d i t i o n a ls l i d i n gs p o o lv a l v e s t h e “o n a n d “o f f o ft h eaa n dbp o r t si nt r a d i t i o n a ld i r e c t i o n a lc o n t r o lv a l v ei s c o n t r o l l e db ym e c h a n i c a ls y n c h r o n i z a t i o n w h i l et h ec o n t r o lo f “o na n d o f f i s i n f l u e n c e db yd y n a m i cr e s p o n s eo fp i p ea n dt h r e a d e dc a r t r i d g ev a l v eg r o u pi nt h e t h r e a d e dc a r t r i d g es y s t e m i t sa ni m p o r t a n tp r o b l e mt h a th o w t om a t c ht h e “o n a n d o f f t h r o u g h t h e w a yo fs e t t i n g t h e w o r k i n gs e q u e n c eo ft h ep i l o t v a l v e sa n d a d j u s t i n gt h ed a m p so ft h e t h r e a d e dc a r t r i d g ev a l v eg r o u p t h es i m u l a t i o no ft h e s y s t e m i sa ne f f e c t i v em e a n st os o l v et h i s p r o b l e m ，b e c a u s e i tc a ns h o wu s d i s a d v a n t a g e sc a u s e db y t h em i s m a t c ho f “o n ”a n d “o f f i nt h es y s t e ma n d h e l pu st o t e s t i f y t h e v a l i d i t yo f t h ea d j u s t i n g m e a s u r e s t h r o u g ht h es i m u l a t i o no f t h eh y d r a u l i cs y s t e mo fo p e n - c l o s em a c h i n eo ft h e f l o o d g a t e ，w e h a v eg o tt h ef o l l o w i n gr e s u l t s 1 t h es i m u l a t i o nm o d e lb o xo f t h r e a d e dc a r t r i d g ev a l v e sw a so b t a i n e df r o mt h e s e c o n dd e v e l o p m e n t t h em o d e l sw h i c ha r ec o n v e n i e n tt oa d j u s ts i m u l a t i o n p a r a m e t e r sa r e t h eb a s eo f s i m u l a t i o no f h y d r a u l i c s y s t e m 2 t h es i m u l a t i o nm o d e lo fs y s t e mw a sg o t 谢t l lt h e “n o d e ”m e t h o d t h e v a l i d i t yo f t h em o d e l w a st e s t i f i e db y e x p e r i m e n t s 3 t h ed i s a d v a n t a g e sc a u s e db yt h em i s m a t c ho f “o n ”a n d “o f f o f t h et h r e a d e d c a r t r i d g ev a l v eg r o u p i nt h es y s t e mw e r es t u d i e d t h em e a s u r et os o l v ei tw a s p r o p o s e d a n di t sv a l i d i t yw a st e s t i f i e db ys i m u l a t i o n 。 4 t h ei n f l u e n c et ot h ed y n a m i c r e s p o n s eo f t h es y s t e mc a u s e d b y t h el o n gp i p e w a ss t u d i e dw i mt h em o d e lo fs y s t e mw h i c hw a so b t a i n e df r o ml i n k i n gt h e c o n v e r g e n tp a r a m e t e rm o d e l sa n dt h ed i s t r i b u t i n gp a r a m e t e rm o d e l s w e s h o u l d p a y a t t e n t i o nt ot h ei n f l u e n c ei nt h e d e b u g g i n gh y d r a u l i cs y s t e m t h i sp a p e rh a sah i g hv a l u ei nt h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c ef o rt h er e s u l t sa b o v e k e y w o r d s ：t h r e a d e d c a r t r i d g ev a l v e ，d y n a m i cr e s p o n s e ， s i m u l a t i o n ， m o d e l i n g i i 上海大学硕士学位论文第一章绪论 第一章序论 1 1 引言 液压系统的动态特性是衡量一套液压系统设计及调试水平的重要指标。早期 研究一个液压系统，通常凭借设计者的经验和知识用真实的元部件构成一个真实 系统，然后在这个系统上进行大量的试验，研究控制方式和结构参数对系统动态 性能的影响，通过反复实验和不断修改，确定应用于生产实际的系统。但建造一 个实验系统要花费大量人力，物力和时间，而且一次性成功的把握性小，变更参 数，改变控制方案又很困难。对于现场工作环境复杂，负载变化大的液压系统， 进行实验尤为困难，且费时费力。随着计算机技术的发展，利用以计算机为工具， 把实际液压系统变为模型，在计算机上进行实验研究系统的各种工作状况，确定 最好的控制方案和最佳参数匹配的计算机仿真技术，可使我们的工作更高效，提 高分析结果的可靠性，降低工程造价，缩短研究周期。计算机数字仿真技术的发 展尤为分析和预测液压系统的动态特性提供了有力的手段。 1 2 计算机仿真技术在液压领域的应用 利用计算机作为研究工具，将实际系统“模化”在计算机上运转的过程称为 仿真，用于对系统进行仿真的一整套软硬件称为仿真系统，而研究可在计算机上 运行的“模型”建立和实验方法称为仿真技术。 仿真技术在液压领域的应用有一个发展的过程。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。该软件首次采用 液压元件功率口模型方式进行建模，且所建模型可重复使用。1 9 7 4 年德国亚琛 工业大学开始研制液压系统仿真软件包d s h ，其建模上具有面向原理图建模， 模型包括非线性等优点。但有模型库靠人工管理，系统阶次不易降低，以及系统 描述文件需人工编辑等不足。不久，英国巴斯大学也开始研制液压系统仿真软件 包h a s p ，它使用功率键合图的建模方法，面向键合图物理机理清楚，但键合图 不如原理图直观，还需学键合图方法。8 0 年代西欧和美国在液压仿真方面初显 成效，一批液压软件包相继问世。首先是德国的d s h 和英国的h a s p ，其后美 国又推出了p e r s i m ，芬兰又推出c a t s i m 。它们虽各有特点，但程序结构和功 能上均未超出d s h 和h a s p 的基本模式。进入9 0 年代液压系统仿真软件又有了 新发展。1 9 9 2 年巴斯大学以全新面貌推出了b a t h f p ，在算法上，实现了自动 选择算法的积分器，但仍未解决模型化简问题，算法的自适应不够。9 0 年代以 来，随着对系统动态响应要求的提高，仿真的重要性日益提高，专用的仿真软件 第1 页共6 6 页 上海太学硕士学位论文第一章绪论 和通用的仿真算法库并存，可根据工程实际的需要选择仿真软件对液压元件和系 统进行动态仿真。 仿真技术在液压控制系统与液压控制元件上的应用大致有以下方面： ( 1 ) 对已有的液压元件或系统在数学模型建立的基础上，进行仿真研究。 将仿真结果与实验结果进行比较，验证理论的正确程度。通过改进数 学模型和改变仿真参数，使仿真更接近于实物实验结果，这样得到的 数学模型作为改进和设计类似元件或系统的理论依据。 ( 2 ) 对于新设计的元件，通过仿真研究元件各部分参数对其动态特性的影 响，从而确定满足元件性能要求的结构参数，为元件的设计提供需要 的数据。 ( 3 ) 对于新设计的系统，对系统的动态特性进行仿真研究，通过仿真验证 系统控制方案的可行性，研究系统中的结构参数对其动态特性的影 响，找到最优的系统结构参数，并获得最佳的控制方案。 ( 4 ) 对于已经设计好的系统，通过仿真实验，确定其调整参数。仿真结果 作为系统调试的理论依据，从而缩短调试周期和避免损坏设备。 1 3 系统仿真的分类 根据仿真时所用的计算机种类不同，仿真可分为模拟仿真、数字仿真和数字 一模拟混合仿真三种。 模拟仿真是利用模拟计算机作为仿真工具。模拟计算机是一种连续计算装 置，它把实际物理量用电压量表示，通过各连续运算部件求解描述系统动态特性 的微分方程，它的输入输出均为连续的电压量，“连续”是模拟仿真的突出特点。 利用模拟仿真的优点有a ) 模拟仿真更接近于实际。它用正负极电压幅值表示实 际系统物理量的正负与数值大小，而实际物理量的变化过程是连续的，因此用模 拟机对物理系统动态过程的仿真形象逼真。b ) 调试和系统参数的调整比较简单 c ) 运算速度快。由于模拟计算机各运算部件并联运行，因而运算速度特别快， 很适用于系统的在线实时仿真。但它的最大缺点是运算精度低，这是由于模拟计 算机的运算部件由高增益直流放大器和电器元件构成，这些元器件本身精度不 高，给模拟机带来较大误差。鉴于模拟计算机具有上述特点，作为仿真工具仍具 有一定应用价值，特别是运算速度快，变更系统控制方案和改变控制参数容易， 更适合应用于科学研究或工程设计初始阶段的仿真实验。一旦精度问题得以解 决，可望应用于在线实时控制。 数字仿真是利用数字计算机作为仿真工具。数字计算机是一种不连续的计算 装置，它通过编码器把实际系统数学模型中连续的物理量变成数字量，经计算机 第2 页共6 6 页 上海大学硕士学位论文第一! 章绪论 运算求解，其输出是一组不连续的离散数据。利用数字计算机进行仿真的优点有 a ) 计算精度高。从理论上讲，数字计算机的精度是无限的，它的字长可根据精 度要求设计，字长增加意味着精度的提高，因此它的精度可达百万分之一至千万 分之一。b ) 运算速度快。这是计算机的共同特点，但由于数字计算机的运算是 按程序进行的，尽管目前数字机运算速度可达几百万次，甚至上亿次，但还是比 模拟机的运算速度低。c ) 数字计算机不但可以完成算数运算，还可完成逻辑运 算等模拟计算机不能完成的更复杂运算。随着数字计算机功能的不断完善，应用 数字计算机进行仿真成为科学技术研究不可缺少的重要手段，特别是其计算精度 高，计算方法严谨，为科学研究和工程设计提供更可靠的数学依据。因此，数字 仿真技术在液压领域得到广泛应用，它为液压元件和系统设计以及动态特性研究 提供了快捷、可靠的手段。 混合仿真是利用混合计算机作为仿真工具，它集中模拟计算机和数字计算机 的优点，它既有运算精度高又有运算速度快的特点，既保持模拟计算机的逼真感， 又大大提高计算机的逻辑功能和迭代能力，扩大了模拟机的解题范围。混合计算 机分为两种a ) 混合模拟计算机。它在模拟机中引进存储、判断和数字逻辑运算 而成，使逻辑功能大为增强。此外数字系数电位器、比较器、跟踪保持器、模拟 开关、d a 、a i d 转换器等混合部件大为增加，从而进一步提高迭代运算能力。 b ) 混合计算系统。它将模拟机和数字机通过a d 、d a 转换器连接在一起，形 成一个混合系统。混合仿真系统兼有模拟仿真和数字仿真的优点，但其仿真系统 相对来说更复杂，仿真成本也更高一些。 1 4 液压仿真的基本方法 数字仿真技术由于其精度高、速度快、系统简单，在液压领域的工程实践中 得到广泛的应用。它是研究液压元件和系统动态特性的有力手段。 仿真技术的三个主要组成部分是数学建模，模型解算和仿真结果分析。液压 数字仿真一般采用三种方法： ( 1 ) 对于系统较简单，自行编程进行仿真。 ( 2 ) 数学模型用户自己建立。选用一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。其中的s i m u l l n k 是一 个对动态系统进行建模，分析和仿真的软件包。它支持连续，离散及两 者混合的线性，非线性系统，也支持具有多种采样速率的多速率系统。 它为用户提供用方框图进行建模的图形接口，与传统的仿真软件包用微 分方程和差分方程建模相比，具有灵活，方便，直观的优点。用s i m u l i n k 建模可以具有阶梯结构，因此可以采用从上到下或从下到上的结构创建 第3 页共6 6 页 上海大学硕士学位论文第一章绪论 模型。利用s i m u l i n k 动态仿真工具可大大简化繁琐的数学模型建立， 仿真模型建立以及仿真方法设计等工作过程。可以在改变参数后迅速观 看到系统发生的变化。 ( 3 ) 选用专用的液压仿真软件进行仿真。 在条件允许下，精度是仿真技术的永恒追求。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。模型误差主要指的是如弹性模量，节流系数，阻尼系数，小液感， 刚性限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 精度提高必须在建模研究上有所突破。人们对液压系统建模研究的不断深入，液 压系统由于其流体工作介质，建立正确的系统模型，始终是研究的热点。新的原 理，新的机构的不断出现，新的建模问题就随之而来。还有许多其它长期悬而未 决的问题，如流体在复杂流道中的流动情况，阀口流量系数，液动力系数等“软” 参数的正确确定等等。 1 5 课题的研究内容及目的 本课题是长江水利委员会重大项目的子课题，获上海市浦东新区科委资助的 项目。课题研究长江三峡水利枢纽永久船闸输水闸f - i 启闭机液压系统的动态特 性。启闭机性能的好坏直接关系到三峡船闸能否良好运行，而启闭机的液压系统 是它的关键。因此研究启闭机液压系统的动态特性十分必要，它为三峡船闸良好 运行提供有力的保障，意义重大。 液压系统主要控制输水，辅助泄水阀门。输水闸门属于单吊反向弧门，是典 型的重力负载。其在运行过程中，由于受水流压力及负载力矩变化等因素的影响， 在运行过程中为变负载运行，运行中受动水阻力及推力影响，工况复杂。这些工 作特点要求液压系统在运行过程中能根据负载特性对负载变化进行补偿，满足阀 门在运行过程中的稳定性要求。在启动，停止过程中，因属于大重力负载，要求 液压系统能适应负载的状态变化，避免产生液压冲击。由于工作状况属于高压， 大流量的特点，同时为了减轻系统重量，提高控制精度，提高效率和可靠性，节 省能量，液压系统主要采用二通插装阀组成。对于根据经验和知识设计出的液压 系统，仅知道所拟用的系统驱动负载从一种状态到另一种状态是不够的，还要重 视介于两者之间的时域轨迹，知道系统响应是否稳定，响应速度是否够快，以及 响应是否振荡。因此建立液压系统的数学模型，对其进行动态分析十分必要。 本课题的主要内容包括：a ) 利用计算机数字仿真技术，对所设计的启闭机 液压系统进行动态仿真，研究系统在正常工作以及动作切换状态下的动态特性是 第4 页拱6 6 页 上海大学硕士学位论文第章绪论 否满足工作要求。根据现有设备设计实验方案进行一些项目的实验，与仿真结果 进行比较，以验证仿真模型的正确性。b ) 针对采用二通插装阀组成的液压系统 中可能出现的“瞬时失压”对系统产生的不利影响，对弧门上下行动作切换过程 中系统的动态特性进行仿真研究，观察“瞬时失压”对系统的影响，提出对系统 的改进措施，并通过仿真实验验证改进措施的可行性，为系统的现场调试提供理 论依据。c ) 对长管道给系统动态特性带来的影响进行初步的研究，观察在长管 道情况下系统动态特性的变化以及是否系统能满足工作要求。 第5 页共6 6 页 上海大学硕士学位论文第二章输水阀门启闭机液童系统原理 2 1 引言 第二章输水阀门启闭机液压系统原理 对液压启闭机在水利水电工程中的应用做了介绍，并针对应用于长江三峡水 利枢纽永久船闸输水阀门上的启闭机液压系统原理进行了分析。介绍了液压控制 系统带动负载所要执行的动作以及动作切换。 2 2 液压启闭机在水利水电工程中的应用和发展 在水利水电工程中，液压启闭机是指操作闸( 阀) f - j 的一种启闭设备，通常 由液压泵站、液压缸、液压阀组、液压管道及电气检测和控制装置组成。 液压启闭机在我国水利水电工程中的应用最早当属官厅水库高压闸门启闭 机。长时间以来由于受国内工业水平的限制，液压启闭机的应用和发展受到了诸 多因素的制约，其中，造价昂贵成为最重要的制约因素。改革开放后国内工业水 平快速提高，另一方面，国外先进技术和液压元器件大量进入国内市场，大大加 速了液压启闭机的发展，也拓宽了其应用前景。今天，几乎所有形式的闸( 阀) 门都可以用液压启闭机来操作，这对水电工程的发展具有十分重要的意义。 2 2 1 水利水电工程液压启闭机与其它液压机械的主要差异 1 ) 由于操作对象是水工闸( 阀) 门，因此液压缸的行程和容量都很大。 2 ) 对设备的可靠性有很高的要求，虽然实际操作使用的次数很少，但要求 每次操作的成功率很高，操作的失败，可能酿成灾难性后果。 3 ) 液压缸的运行速度一般较低，控制精度也不高，但设计时应根据不同闸 ( 阀) 门的结构特点、操作条件和控制要求，配备相应的液压及电气控 制系统，因此大多为非标准化设备。 4 ) 当操作的阀门需部分开启运行时，液压缸应具有较长时间的带载锁定功 能，对液压缸和系统的密封性要求较高。 2 2 2 液压启闭机与其它启闭设备相比的主要特点 液压启闭机通过液压传动驱动液压缸来操作阀门的启闭运行，故传动效率比 机械传动高。液压启闭设备布置的可分散性，使其对水工建筑物有极大的适应性， 十分有利于水电工程总体布局的优化。同时液压设各又有便于集中控制的优点， 可提高工程的自动化控制水平。液压启闭机的启闭速度通过泵、阀来调节，在实 际运行中可根据需要调定，故应变能力强。液压传动据有较好的缓冲性，使启闭 机的启、停运行较为平稳。 第6 页共6 6 页 上海大学硕士学位论文第二章输水阔门启闭机液屡系统原理 2 3 输水阀门启闭机液压系统原理 输水阀门属于单吊点反向弧门，为典型的重力负载，运行过程中，由于受水 流压力，及负载力矩变化等因素的影响，其整个运行过程中属于变负载运行。 以上负载特性要求液压系统对负载变化进行相应补偿，以满足输水阀门整个 运行过程中的稳定性：在启动，停止过程中，因其属于大重力负载，要求液压系 统能适应负载的状态变化，以避免产生液压冲击。图2 1 是系统的液压原理简图 图2 ，1 渡压系统原理简图 2 3 1 液压系统中液压元件的选取 自6 0 年代以来，随着液压技术的不断发展，液压设备的不断更新，对液压 传动系统提出了许多新的要求。主要有：提高工作压力、加大流量、缩小体积和 减轻重量、提高控制精度、尽量减少管路、提高工作可靠性和延长使用寿命、降 低噪声和节省能量。可以归结为：高压化、大容量化、小型化、精密化、复合化、 通用化、低噪声化和节能化。通过前面的论述，启闭机工作的特点正是对其液压 系统提出了以上要求。 自3 0 年代以来一直广泛应用的以滑阀式结构为主的传动液压控制阀，由于 受结构形式所限，例如滑阀流动阻力大、通流能力小，不能满足大型液压设备对 流量的要求。当系统需要控制大流量耐，不得不采用两个和多个阀并联使用，或 设计非标准大通径阀，这样设备结构庞大。滑阀结构尺寸随着通径的加大而急剧 第7 页共6 6 页 上海大学硕士学位论文第二章输水阀门启闭机液压系统原理 增加。阀芯尺寸大、质量大、行程长，所以响应慢，换向时间长；同时因尺寸大， 泄漏量大，换向冲击也大。另外滑阀由于采用间隙密封，其抗污染能力差，容易 卡死，换向可靠性差。再有现行传统液压阀多为单机能阀，组成系统非常复杂， 大流量系统集成起来就更困难。当通径大于3 2 m m 时，只有法兰连接一种形式。 目前传统阀可以集成化的系统流量也只限于2 0 0 l m i n 。 国外7 0 年代初开始出现一种新型液压控制元件二通插装阀。它具有一 系列独特的优点，如结构紧凑、工艺性好、流动阻力小、流通能力大、响应快、 抗污染能力强、工作可靠、寿命长、效率高、具有多种机能、变型方便、可以高 度集成。由于插装阀的这些优点，它己广泛应用于水利行业。长江三峡水利枢纽 永久船闸输水阀门上的启闭机液压系统流量为4 0 0 l m i n ，采用插装阀可以充分 发挥高压大流量的特点。因此为了满足输水闸门启闭机对液压系统的要求，选用 二通插装阀来组成液压控制系统。这里选用美国p a r k e r 公司的c e 系列插装阀， 通径为3 2 m m 和4 0 m m 。 2 3 2 液压系统控制模块功能 输水阀门启闭机在工作状态下要实现启门运行、关门运行和自重关门的动 作。每一动作下电磁换向阀电磁铁闭合状态如表2 1 所示。该模块在上升、下降 过程中由c v 0 1 、c v 0 4 、c v 0 5 、c v 0 6 组成四通块实现以上动作。在自重下降 过程中由c v 0 2 、c v 0 4 、c v 0 5 、c v 0 6 组成四通块实现动作，而c v 0 3 为锁定 的典型单向阀功能。 表2 1输水阀门启闭机运行时电磁换向阀电磁铁闭合状态 d t o ld t 0 2d t 0 3d t 0 4d t 0 5d t 0 6 启门运行 关门运行 自重关门 注：表中“+ ”表示电磁铁得电；“一”表示电磁铁失电 各插装阀控制功能如下： 插装阀c v 0 7 作为泵出口安全阀使用。 插装阀c v 0 4 、c v 0 5 控制压力油供给，c v 0 4 开启压力油进入弧门油缸下腔 c v 0 5 开启压力油进入弧门油缸上腔。 插装阀c v 0 6 控制上腔回油压力，及上腔超载压力。 插装阀c v 0 3 控制下腔锁定，防止弧门下滑。 插装阀c v 0 2 控制自重下滑速度。 插装阀c v 0 1 通过先导压力级的选择，控制下降背压，防止弧门下降失控。 第8 页共6 6 页 上海大学硕士学位论文第三章液压系统中各液压元件模型的建立 3 1 引言 第三章液压系统中各液压元件模型的建立 液压系统的动态特性是衡量一套液压系统设计及调试水平的重要指标。由于 液压启闭机现场工作条件复杂。通常系统的工作流量、压力较大，受动水阻力的 影响，在变负载的情况下运行，要求系统运行安全、稳定、反应迅速。因此了解 系统的动态特性非常重要。液压控制系统由各个液压元件组成，对于各个液压元 件建立数学模型，是对整个液压系统进行建模和动态仿真的基础。 3 2p a r k e r 公司二通插装阀特点介绍 美国p a r k e r 公司的二通插装阀是种无阀体的座式锥阀插装单元，它没有 特定的功能。其主要结构包括阀套、阀锥、弹簧和挡板。它们构成插装件“c e ” 以及盖板“c ”。为了实现其功能，插装阀被安装在控制块里必要的连接孔中。 孔由盖板进行封闭。盖板的结构决定了插装阀的功能。阀锥直接受弹簧力的作用， 并通过相关的液控压力被打开或关闭。插装阀结构如图3 1 所示。其中a ：初始 位置通过弹簧关闭( 常闭) b ；初始位置通过弹簧打开( 常开) 雒懒黟鼻冀。晒荫插囊岛 萄3 , 1c e 系列插装阀结构图 对于不同的要求例如：压力、流量、截止或换向功能，阀锥有不同的阀座形 状并且可以选择不同的面积比。先导控制可以装在盖板单元上或通过控制孔与盖 板单元相连。p a r k e r 的插装阀每种公称尺寸有一种阀套，允许安装所有的阀锥 结构。c e 系列插装件结构见图3 2 。 第9 页共6 6 页 上海大学硕士学位论文 第三章液压系统中各液压元件模型的建立 图3 2c e 系列插装阀插装件结构图 3 3 二通插装阀方向控制组件模型的建立 本液压系统上的二通插装阀方向控制组件选用美国p a r k e r 公司的c e 系列 阀。其中c v 0 4 阀通径为4 0 r a m ，型号为c e 0 4 0 s 0 4 s 0 0 n 1 0 。c v 0 5 阀通径为3 2 m m ， 型号为c e 0 4 0 s 0 4 s 0 0 n 1 0 。c v 0 3 阀通径为3 2 m m ，型号为c 1 0 d b c l 0 1 e 3 2 。 3 3 1 二通插装阀方向控制组件数学模型的建立 p 2 ( v 2 ) r 一甲 旷 | 稍驷均。 豳3 3 方向控制组件原理图 以插装阀组件c v 0 4 为例，根据阀内各容腔流量连续性方程和阀芯受力平衡 方程，可得其动态数学模型，其原理示意如图3 3 所示。插装阀插件选用c e * 0 4 。 以竖直向上为阀芯运动速度正方向，其数学模型分为电磁铁d t 0 4 失电和得 电两部分 ( a ) 电磁铁d t 0 4 得电，此时插装阀c 腔控制油经节流孔r l 和换向阀流回油 箱。根据基尔霍夫定律，某一节点的流入量等于其流出量，建立c 腔的 连续流动方程： 誓：軎“相) 出矿、 “ ( 3 1 ) 第1 0 页共6 6 页 上海大学硕士学位论文第三章液压系统中各液压元件模型的建立 流量h - 程： g 。= 髟4 c x ，痧( 3 - - 2 ) 阀芯运动方程： 卅筹确4 协4 他4 一k k + x ) 一嗉叫 ( s 一3 ) 其中：珊：主阀芯质量p 。：c 腔压力 k ：c 腔体积 x ：主阀芯位移 j ：主阀芯位移速度x 。：主阀芯弹簧预压缩量 k ：主阀弹簧刚度 k d ：主阀口流量系数 b ：粘性阻尼系数 q 4 ：阀c v 0 4 的阀口流量 口：通过先导液阻的流量f ：主阀口的稳态液动力 p ：油液密度a ( x ) ：主阀口过流面积 e ：油液有效体积弹性模量 以、以、4 ：a 、b 、c 腔中压力等效作用面积 公式( 3 - - 1 ) 、( 3 - - 2 ) 、( 3 - - 3 ) 中各项系数的选取以及相关项的计算： i 忽略油液压缩性和内部泄漏的影响，先导液流经过液阻r 1 和两位四通换向 阀的流量是不变的。相当于两个液阻的串联。其效果如图3 , 4 所示： a d r ld ， p 。_ 二( 二 - 二 一0 等效 先导流量q = k d 2 “i 其中c ：流量系数 p 。! _ _ 0 d 图3 4 先导液阻等效图 式中足= 吒詹 d ：等效节流孔径 第1 1 页共6 6 页 上海大学硕士学位论文 第三章液压系统中各液压元件模型的建立 d ：鱼! 鱼 v 4 “, 4 l + d ? d r i ：液阻置孔径d ：两位四通阀通径 i i k 。和爿( x ) 的选取与计算： 根据插装阀插件c e + 0 4 的结构形式( 见图3 2 ) 和实验研究结果，k 。取值 为0 8 爿。) = 麒s i n ( d 一主s i n 2 ) 其中：口：阀座锥角d ：阀芯直径 i i i 稳态液动力f 的计算： 应用动量定理，列出控制面上流进和流出的液流动量之变化率，即作用于液 流的外力，其负值为液流作用于阀芯上的液动力。二通插装阀阀芯上的稳态 液动力的方向总是使阀口趋于关闭，也起着弹簧力的作用。 f = 一2 嬲a ( x ) a p c o s 肛 其中： a p ：主阀口压力差值 屈：射流角 i v c 腔控制体积圪的计算： t = 爿。 x 一：阀芯最大行程 v 插装阀组件c v 0 4 对于v i 容腔控制体积的流量q 。的计算： 吼0 4 = q 4 + 4 量 ( b ) 电磁铁d t 0 4 失电，此时插装阀控制油从a 腔或b 腔经节流孔r 1 和换向 阀流向c 腔。 当p 1 p 2 时：q = k d 2 托而 “5 局( 工) 吾( p t 一扔) 插装阀组件c v 0 4 对于v l 容腔控制体积的流量g l 。 g 女0 4 = g 。，0 4 + 4 量+ g 第1 2 页共6 6 页 上海大学硕士学位论文第三章液压系统中各液压元件模型的建立 当p l 。 ：、；、：、；之 一一 一一一j 一一一一一i 一一一一一 ，一一 4055 1 5 25354555 e5 75 859 t 【对 d l l lii 卜1 f 工 一 一、i 图5 4 弧门上行转下行仿真曲线图 第3 9 页共6 6 页 上海大学硕士学位论文第五章输水阀门上下行切换液压系统动态仿真 以上所示，a 图为插装阀c v 0 4 和c v 0 5 的阀芯位移曲线。b 图为油缸上腔 压力p 4 和油缸下腔压力p 3 变化曲线。c 图为弧门速度蓝线( 弧门上行为正方向) 。 d 图为插装阀c v 0 4 的流量变化曲线( 流量正方向为v 1 - - v 2 ) 。e 图为插装阀c v 0 4 的流量变化曲线( 流量正方向为v 1 - - v 4 ) 。f 图为泵口压力p 1 压力曲线。 a b 时间段：初始阶段，电磁铁d t 0 5 得电，插装阀c v 0 5 迅速打开，而 此时c v 0 4 处于关闭的过程中，并未完全关闭，因此c v 0 4 和c v 0 5 都处于阀口 打开的状态。此时油缸上腔压力p 4 在短时间内升高，油缸下腔压力p 3 由于此 时c v 0 4 未关闭，油液由v 3 一v 2 一v l - - v 4 容腔( 由d 、e 图可见) ，构成差动 回路。在该过程中，p 3 、p 1 下降，弧门在重力与油缸上下腔压力p 3 、p 4 的共 同作用下加速下滑。正由于弧1 7 女n 速下滑，使得压力p 4 进一步快速下降。当压 力p l 、p 4 下降到某一值时，插装阀c v 0 5 的阀芯在弹簧力和液动力的作用下趋 于关闭，至b 点，c v 0 5 阀芯关闭。 b c 时间段：此时c v 0 5 关闭，c v 0 4 的阀口还处于开启状态。随着弧门 的下行，致使压力p 3 、p l 升高。同时油缸上腔由于c v 0 5 处于关闭状态，没有 油液补充，致使p 4 出现负压。随着p 1 的升高，至c 点c v 0 5 处于即将再次开 启的状态。 c d 时间段：开始时，随着c v 0 5 的开启，弧门的继续下行，c v 0 5 的阀 芯有一个动态开启的过程，p 3 、p l 有微小的波动，但总的来说压力比c 点高。 p 4 由于弧门下滑过快，补油不及，继续保持负压( 见b 图) 。由于p 3 的增大， 使得弧门下滑的加速度有所减小。在随后的过程中，c v 0 5 的阀口开度略有增加， 由于p 3 、p 1 略有增加，弧门下行的加速度比a b 断明显减小( 见c 图) 。 d e 时间段：至d 点，c v 0 4 阀芯关闭，背压阀c v 0 1 在短时间内打开， 压力p 3 大大升高，致使弧门下行加速度减为零再变为负加速度，使弧门作减速 下行。由于c v 0 4 关闭，通过c v 0 4 进入v l 腔的流量为零，进入v 1 腔的流量 只有泵的流量，压力p l 有所下降，促使c v 0 5 趋于关闭。经过类似于c d 段 的过程，但由于此时进入v 1 腔的流量仅为泵的流量，c v 0 5 开度比较小。整个 时间段内，弧门还处于下行状态，但由于油缸上腔补油不及，p 4 还保持为负压。 e f 时间段：随着弧门的速度逐渐减为零，p 4 开始由负值变为正值。由于 在弧门速度过零时，弧门尚受到向上的很小的合力，使得弧门有微小的上行，这 促使p 4 升高，短时间内p 4 升高速率比p 1 快，因此在很短时间内，有油液由 v 4 一v j 的返流，表现为e 图中流量为负值，实际上是容腔v l 的油液压缩，这 又促使压力p 1 的升高。因为p 4 、p 1 的升高，主要是p 4 的快速增大，使得c v 0 5 完全打开。在该段时间内，由于弧门的微小上行，压力p 3 有较小的降低。 f 点以后，p 1 、p 4 继续升高，此时背压建立起来，油缸上下腔压力达到稳 第4 0 页共6 6 页 上海大学硕士学位论文第五章输水阀门上下行切换液压系统动态仿真 定状态。弧门稳定下行。弧门位移曲线如图5 5 所示，其中弧门上行方向为正方 向。 一：连：二： ；!i 了 幽5 5 弧门上行转f 行位移仿真曲线图 由以上分析可见，由于插装阀的开启和关闭由控制油和插装阀a 腔和b 腔 压力共同作用来完成，c v 0 4 关闭比较慢，而c v 0 5 很快开启，容腔v 2 、v i 和 v 4 出现连通现象，开始切换时压力p 4 较低，油流方向为v 3 - - v 2 - - v i - - v 4 ， 构成差动回路，油缸下腔压力p 3 不升高反而下降，致使油缸下腔背压不能建立 起来，p 3 在一段时间内比较低。此时压力p 4 的值又比弧门上升状态时高，因 此弧门在重力作用下加速下滑，并使得油缸上腔补油不及而出现负压，这个负压 会使油缸中发生“气蚀”现象。所谓“气蚀”现象是指由于油液中当某处的压力 低于空气分离压而产生气泡，这些气泡随液流流到压力较高的部位时，会因承受 不了高压而破灭，产生局部的液压冲击，发出噪声并引起振动，当附着在金属表 面上的气泡破灭时，它产生的局部高温高压会使金属剥落，使表面粗糙，或出现 海绵状的小洞穴。这对油缸的使用寿命非常不利。 在整个动作切换过程中，弧门在很短的时间内以很大的加速度加速下滑，这 是我们不希望看到的。最后插裟阀c v 0 4 关闭，油缸下腔的背压才建立起来，油 缸开始稳定下行。出现这些现象，主要是由于插装阀关闭较慢，而开启较快，在 一段时间内c v 0 4 与c v 0 5 连通所致。 5 4 3 经过改进措施后仿真结果 由上节的分析结果，我们要改进系统在动作切换时的动态性能，关键是加快 c v 0 4 的关闭速度，使得c v 0 4 与c v 0 5 的阀口各容腔之间相连通时间很短或不 出现连通的情况，从而使油缸下腔的背压迅速建立起来，避免油缸上腔由于短时 间内弧门高速下滑而出现负压，使油缸由上行转为下行时迅速而稳定。 结合5 3 节所述，我们采用两种改进措旖，以下是仿真结果： a ) 采用控制先导控制阀动作先后顺序的方法，通过电磁铁d t 0 4 控制c v 0 4 的控制油流，使得c v 0 4 在c v 0 5 开启前预先关闭，图5 6 所示分别为c v 0 4 预 第4 1 页共6 6 页 上海大学硕士学位论文第五章输水阀门上下行切换液压系统动态仿真 先关闭情况下c v 0 4 ，c v 0 5 阀芯位移曲线，油缸下腔压力p 3 和油缸上腔压力p 4 的压力变化曲线，油缸速度变化曲线。图5 7 为弧门位移曲线 e 童 三 o0 1 5 o0 1 0 5 ili li 了c v ；： ： 。 上海大学硕士学位论文第五章输水阀门上下行切换液压系绕动态仿真 d e 时间段：p 3 、p 4 对油缸作用向上合力大于弧门所受重力，使弧门开 始加速上行。弧门的上行使p 4 由负压变为正压，致使p 3 、p 4 对油缸作用的向 上合力有所下降，弧门上升的加速度亦有所下降。该时间段内，p 4 开始有上冲， 随后逐渐下降，因而导致p 1 、p 3 有所下降。这使得弧门上行的加速度不断减小， 至e 点上行加速度减为零。 e f 时间段：随着弧门上行，p 1 、p 3 继续降低，油缸上下腔所受合力小于 弧门所受的重力，弧门减速上行。过f 点时，弧门速度为零。 f 点以后，由于弧门所受重力略大于油缸上下腔所受的合力，弧门有较小量 的下行。由于此时c v 0 5 处于关闭状态，p 3 、p 1 迅速升高，使弧门下行迅速减 小，最后油缸转为稳定上行，从而完成弧门由下行切换到上升的整个动态过程。 在这个过程中，由于p 3 、p l 升高，使c v 0 1 出现瞬时开启和关闭，致使p 3 、p l 出现压力的微量抖动，使得过c v 0 4 的流量出现一定的波动。图5 1 1 为弧门位移 曲线。 7 l 入 ： i ： 幽51 1 弧门f 行转上行位移仿真曲线图 通过对弧门由下行转为上行切换过程动态反应的分析，弧门开始时加速下 滑，经过一定的振荡才稳定上行是由于二通插装阀c v 0 4 、c v 0 5 同时切换时， c v 0 5 关闭较慢，在一定时间内，两个插装阀之间容腔连通，油流方向为v 3 一 v 2 一v 1 - - v 4 ，使弧门下腔压力下降过大过快，导致弧门在大重力作用下以很大 加速度下降，同时使油缸上腔产生负压，容易引起“气蚀”现象的出现，对系统 产生不利的影响。在c v 0 5 完全关闭后，系统压力要经过一个波动的过程，抵消 弧门高速下滑带来的影响，最后才转为稳定上行。 5 5 _ 3 经过改进措施后仿真结果 与5 4 节相同，我们对两种改进措施进行仿真。 第4 6 页共“页 上海大学硕士学位论文第五章输水阀门上下行切换液压系绕动态仿真 a ) 使c v 0 5 预先关闭，这样避免c v 0 4 ，c v 0 5 同时动作时容腔相通，以避免 初始阶段弧门在一段时间内高速下滑对系统带来的不利影响。 、。 、 c 1 i l 、 i 、，寸