（机械设计及理论专业论文）机电一体化的新型压力反馈式液压冲击器系统研究.pdf

中南工业大学博士学位论文 机电一体化的新型压力反馈式液压冲击器系统研究 内容提要 本文在分析国内外液压冲击器技术现状的基础上，着眼技术进步，克服其不足，创 新推出了一种机电一体化的压力反馈式液压冲击器。克服了传统行程反馈式液压冲击器 的冲击能与冲击频率不能独立无级调节的缺陷，且能够根据工作介质物理特性变化自动 调节冲击器的冲击能与冲击频率，实现了智能化，使液压冲击器工作效率大为提高。通 过建立冲击器系统的非线性数学模型，对压力反馈式液压冲击器系统进行了数字仿真研 究，系统、深入地研究了冲击器系统各参数对冲击器工作性能的影响，从中获得了有关 压力反馈式液压冲击器运动的规律性认识；设计了液压冲击器的冲击反弹缓冲装置，首 次提出了以缓冲腔的峰值油压作为对工作介质物理特性变化的判断依据，通过动态仿真 与实验研究，从理论与实践鼹方面验证了这一判断依据的可行性；提出了基于高速开关 阉控制的h i ) 变量泵的变量控静j 机构，对系统的动态响应特性进行了仿真分析；建立了 新型液压冲击器的单片微机控制系统，首次在液压冲击器上运用模糊控制策略，实现了 对液压冲击器的输出工作参数进行模糊控制；研制了机电一体化的压力反馈式液压冲击 器的实验样机，通过实验采集的数据表明，实验结果与仿真结果吻合良好，样机实验达 到了预期的效果。 中南工业大学i 尊士学位论文 t h er e s e a r c ho fan e wk j n do fm e c h a t r o n l c a lp r e s s u r e f e e d b a c kc o n t r o lh y d r a u l i c 垤p a c t o rs y s t e m a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ea n a l y s i so ft h ed e f e c to ft h eh y d r a u l i ci m p a c t o ra th o m ea n d a b r o a dj e dt oa nl n n o v a t i v em e c h a t a - o i n c a lp r e s s u r ef e e d b a c ke o n l l - o lh y d r a u l i cl m p a c t o r i t s o l v e st h ep r o b l e mo ft h et r a d i t i o n a lh y d r a t t h ci m p a c t o rt h a tc a nn o ta d j u s tt h ei m p a c te n e r g ) a n df r e q u e n c yi n d e p e n d e n t l ya n ds t e p l e s s l y a n di tc o u l da d j u s ta u t o m a t i c a l b t h ei m p a c t e n e r g ya n df r e q u e n c yt ot h ep h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fw o r k i n gm e d i u ms ot h en e wk i n do f h y d r a u l i ci m p a c t o rr e a l i z e di n t e l l i g e n c eb r e a k i n ga n d i n a r e e s e dg r e a t l yt h ep r o d u c ee f f i c i e n c ) a r e re s t a b l i s h i n gt h en o n l i h e a r - m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ei m p a c t o r , ad 3 7 n a m i c a ls i m u l a t i o n o f 山e h y d r a u l i ci m p a c t o rs y s t e mh a sb e e nc o n d u c t e d , a n dt h er e g u l a r i t ya b o u t t h em e c h a n i s m m o t i o nh a sb e e nf o u n do u tt h i sd i s s e r t a t i o nd e s i g n e dae h i s e la n t i r e b o u n db u f f e ro f h y d r a u l i c i m p a c t o rn mp r o p o s i t i o nt h a ti d e n t i f i e st h ec h a r a c t e r i s t i co f w o r km e d i u ma c c o r d i n gt ot h e p e a kv a l u eo f t h eo i lp r e s s u r ei nt h eb u f f e rc h a m b e rw a s p u tf o r w a r df o rt h ef i r s tt i m e i th a s b e e nc o n f i r m e db ym e n i so ft h ed y n a m i c a ls i m u l a t i o na n dt h ee x p e r i m e n to ft h ec h i s e la n t i - r e b o u n db u f f e r a _ na d j u s t m e n tm e c h a n i s mo fh dv a r i a b l ed i s p l a c e m e n tp u m pe o n a o l l e db j t h eh i g h s p e e do n - o f fv a l v ew a sp r o p o s e da n dt h ea n a l y s i so fd y m cr e s p o n s ea b o u tt h e m e c h a n i s mh a sb z e np e r f o r m e d1 1 ”a u t h o rd e s i g n e das i n g l ec h i pm i c r o c o n t r o u e rs y s t e mo f h y d r a u l i ci m p a c t o r n ef u z z yc o n t r o lm e t h o dw a sa p p l i e df w s t l yo nt h eh y d r a u l i ci m p a c t o r , a n dr e a l i z e dt h e f u z z y e o l l t l - o l t ot h eo u t p u t p a r a m e t e r s o fh y d r a u l i el m p a c t o r an e g e x p e r i m e n tp r o t o t y p eh a sb e e nm a d ea c c o r d i n g t ot h ed a t ac o l l e c t e df r o mt h ee x p e r i m e n t t h e s i m u l a t i o nr e s u l t sw e r ei ng o o da g r e e m e n te x p e r i m e n t a lo n e s s ot h ee x p e c t e dp u r p o s eo ft h e p r o t o t 3 q d ee x p e r i m e n tw a sa c h i e v e d w 曲a t lt h ea c h i e v e m e n t sm e n t i o n e da b o v e t h ed e s i g na n dr e s e a r c ht h e o r e t i e a ls y s t e mo f t h em e c h a t r o n i c a lp r e s s u r ef e e 曲a c kc o n 打o ih y d r a u l i ci m p a c t o rt c c h n i c a li se s t a b l i s h e d w h j c h p r o v i d e st h et h e o r e t i c a lb a s i sa n dd e s i g nm e t h o df o rt h ed e v e l o p m e n to fm e c h a t r o n i c a l p r e s s u r ef e e 曲a c kc o n 打o ih y d r a u l i ci m p a e t o f i k e yw o r d s 】m e c h a t r o n i c ；p r e s s u r ef e e d b a c kc o n t r o lh y d r a u l i ci m p a c t o r ；d y n a m i c a l s i m u l a t i o n ；t h ec h i s e la n t i r e b o u n db u f f e r ；t h ea d j u s t m e n tm e c h a n i s mo fh dv a r i a b l e d i s p l a c e m e n tp u m p ；b i g h s p e e d0 0 一o f fv a l v e ；s i n g l ec h i pm i c r o c o n t r o l l e r ；f u z z yc o n t r o l 中南工业大学博士学位论文 第一章绪论 1 1国内外液压冲击器的研究发展概况 一液越冲击器的发展历程 液压冲击器是一种新型的液压冲击机械，它主要由活塞、控制阉和蓄能器三个基本 运动体所组成，是以液压力驱动活塞往复运动作功，对外输出冲击能来进行工作的。 1 9 6 3 年德国k r u p p 公司研刮出了世界上第一台投入实用的液压冲击器脚，它首先 用f 市政工程进行混凝土建筑与路面拆除破碎，七十年代进入采矿业，用于矿岩大块的 二次破碎，与此同时，以液压冲击器作为其主要工作装置的液压凿岩机也已由法国 m o n k a b o r t 公司在1 9 7 0 年首先研制成功，并很快投入成批生产、推广使用。与已有的气 动冲击器相比液压冲击器具有能耗低、效率高、噪音小、工作面干净、操作方便等优 点，因而得到了工程界与矿业界的高度重视，在过去短短的三十多年里，液压冲击器获 得了长足的发展，世界上先后出现了包括瑞典的a t l a s - - c o p c o 、l i n d e n a l i m a r k 公司， 芬兰的t a m r o c k 、r a m m o r 公司，法国的m o n t a b c a t 、e m i c o s g , o o n a 公司，日本古河f u r u k a r a 矿业株式会社、n p k 风动工具公司，德国的k r u p p 、s a l z 9 1 t t c r 公司，美国的i n g e r s o l r a n d 、 g a r d n e r _ d e n v c r 、s t a n l e y 公司，加拿大的t o l o d y n e 等著名公司在内的3 0 多家液压冲击 器与液压凿岩机的专业生产厂家，在世界范围内已经形成了一个新兴的产业，生产了数 卣种渡压冲击器与液j 玉凿岩机的系列产品，一些先进的产品至今已经历，三垒四代的更 新，品种繁多、规格齐全陆3 “5 一。 我国扦展液压冲击器的研究工作始于七十年代中期，直全八十年代初，在突破，试 验研究的许多技术关键之后，取得了迅速的发展， 9 8 0 年由长沙矿冶研究院研制成功 ，我国第一台液压凿岩机y y g 嚣。型导轨式液压凿岩机n ，之后f ；久，由中南工业 大学研制的y y g 一9 0 型液压凿岩机、由长沙矿山研究院研制的s y n 4 0 0 型液垫式液 压碎石冲击器也相继通过j ，有关部门所组织的技术鉴定i s ，近年来，通过走技术0 i 进与 自行开发相结合的道路，国内已经有十几家单位研制生产了数十种型号的液压冲击嚣与 液压凿岩机系列产品。 二液压冲击器的研究现状 几十年来，人们对液压冲击器系统的运动规律作了不懈的探索和研究，对它的认识 也经历j ，山低级阶段向高级阶段的发展历程，按照人们在研究冲击器时所采用的数学模 型的不同，可以把研究液压冲击器的方法分为两大类：线性模型研究与非线性模型研究。 ( 一) 线性模型研究 线性研究中提出的基本假设是“液压油压力恒定不变”并忽略某些影响因素，从而 第一章绪论 建立线性模型。 原苏联学者o _ 7 i a 月hmb 和c a ba c ob 首先提出“在保证冲击末速 度为给定值的情况下，油液压强完全相等的控制是效率最高的最佳控制”，并提出了峰 值推力最小的最佳设计方案”1 。 在国内早期的冲击器研究中，也有不少学者提出过类似的观点。人们将冲击器的工 作过程分为回程加速、回程制动和冲程三个阶段，并且认为在整个过程中，油液压力恒 定不变。北京科技大学的李大诒教授提出了最优行程的设计思想“”、陈定远教授进行 了冲击器的无量纲分析m ，王政老师也进行了冲击器的参数综合分析“2 ；中南工业大 学的杨襄璧教授提出了著名的“抽象设计变量法”，以冲程时间比作为抽象设计变量， 推导了液压冲击器结构与工作参数的全套设计公式，并用该法对液压冲击器进行了一系 列优化计算i ，中南工业大学的胡均平、朱建新两位老师则以液压冲击器内部压力损 失能耗最小进行了冲击器的优化n ”。 ( 二) 非线性摸型研究 早在七十年代初，国外就有人将计算机和仿真技术应用于风动凿岩机的研究，并指 出用这种方法能够获得较为精确的结果。1 9 7 6 年，日本学者正橘1 2 1 正雄提出了液压冲 击试验装置的一种数学模型“”；1 9 8 0 年，北京钢铁学院矿机教研室发表了液压凿岩 机活塞运动规律的电子计算机模拟研究的论文，提出了一个以蓄能器压力为工作压力 的非线性数学模型，并求得了稳定的仿真数值解“”；1 9 8 3 年，中南工业大学的何清华 教授在其硕士论文液压凿岩机冲击器数值仿真研究中，使用状态切换法建立了较为 全面的非线性数学模型，提出了“准匀加速度数值计算方法”( p u a 法) ，并对状态切换 之间的误差进行了校正计算，提高了仿真精度”1 ；此外，刘少军、丁建中等老师也都 采用各自的方法建立了数模并进行了仿真研究“”1 。 从液压冲击器的研究发展过程可以看出，线性研究方法由于忽略次要因素，抓住主 要矛盾，利用线性数模求出解析解，在探求规律性，进行定性分析方面具有一定的优越 性；非线性研究由于较多地考虑了影响冲击器运动的因素，较为全面地分析了液压冲击 器的受力状态，因而就有可能建立起更准确地反映实际系统的数学模型，取得比线性研 究更接近实际的计算结果；但方程求解困难，描述不直观，只能通过计算机求得数值解。 近年来，随着计算机科学技术的发展与微型计算机的普及，非线性数学模型的研究越来 越受到人们的重视。 ( 三) 其它方面的研究 除了对数学模型的建立和设计理论的探讨外，在液压冲击器其它部件的设计和性能 分析方面人们也做了大量的工作。 1 蓄能器的研究 蓄能器是液压冲击器的重要组成部分，蓄能器设计的好坏将直接影响液压冲击器的 整机性能。北京科技大学的段晓宏老师以集中参数为基础，建立了隔膜式高压蓄能器的 动态模型，分析了蓄能器系统的频率特性，在此基础上，进一步分析了蓄能器与液压凿 岩机冲击机构的耦舍特性，得到了最优工作参数比鲫；中南工业大学的何清华教授对回 油蓄能器进行了全面的研究，提出了回油蓄能器的参数设计方法】。 2 中南工业大学博士学位论文 2 防空打装置与钎尾反弹能量吸收装置的研究 由于液压冲击器在工作时不可避免她会出现“空打”现象和镐钎冲击反弹现象。因 此，防空打装置和镐钎冲击反弹能量吸收装置的性能对液压冲击器的使用寿命具有很大 的影响。中南工业大学的廖义德在液压凿岩机防空打缓冲装置的理论与实验研究的 硕士论文中，建立了防空打缓冲过程的数学模型并进行了仿真研究，取得了与实验基本 相符的仿真结果渊；孟遂民老师在液压凿岩机活塞反弹速度分析一文中，分析了引 起钎尾反弹的因素，探讨了吸收钎尾反弹能量的方法鲫：中南工业大学的廖建勇博士在 其博士论文多档液压凿岩机的设计理论与计算机辅助设计一文中，进行了防空打装 置和钎尾反弹能量吸收装置的计算机仿真研究与优化设计m 1 。 3 多档液压冲击器的研究 冲击破碎的理论与实践表明，对于某种确定的工作介质，均存在一个特定的单位最 优冲击能值与之相适应，只有在这一最优单位冲击能作用下，工作介质破碎过程所消耗 的能量才最小。因此，为了适应所要破碎工作介质的硬度条件与冲击阻力，为了降低成 本与提高破碎效率，出现了输出工作参数可以调节的液压冲击器。 瑞典a f l a s - - c o p c o 公司率先在8 0 年代推出了三档液压凿岩机c o p l 0 3 8 系列，之 后其它许多液压冲击器制造商也纷纷推出行程可调的液压冲击器系列产品，中南工业大 学也于8 0 年代率先在国内进行了这方面的研究工作，并取得了系列的成果，成功地 推出了y y g 系列自动换档液压凿岩机，填补了国内空白。以上多档冲击器皆为行程反 馈工作原理，主要是通过改变液压系统的输入流量与压力，或通过增设多个回程信号孔， 控制各信号孔的开关来调节活塞行程，以改变液压冲击器的冲击能和冲击频率，但这些 调节方式要么由于冲击能与冲击频率是同步增减的而引起主机功率变化很大，要么由于 受结构限制，一般只有二三档可调，冲击能和冲击频率的调节范围很小：因而在很大 程度上限制了液压冲击器的工作范围与工作效率的发挥。针对这些缺陷，中南工业大学 液压机械工程研究所率先提出了压力反馈独立无级调节冲击能与冲击频率的液压冲击器 的构想，根据这一构想，中南工幢大学的赵宏强博士在其博士论文独立无缀调节控制 的新型液压碎石机研究一文中，推出丁一种新型的压力反馈独立无级调节冲击能与冲 击频率的液压冲击器闻，它是通过调节活塞回程压力的大小无级调节冲击器的单次冲击 能，同时，通过调节变量泵的流量，无级调节冲击器的冲击频率。这样可使冲击能和冲 击频率在很大范围内实现各自独立无级调节，而主机功率变化不大，从根本上克服了行 程反馈原理的各种缺陷，使得液压冲击器的工作效率充分发挥，达到一机多用的目的。 1 2 微机电液控制技术的发展应用概况 近年来微电j 于技术发展卜分迅速，相继出现，集成度非常高的大规模集成电路与廉 价的大容量计算机。微电子技术向各个领域的渗透，及其与其它工艺的结合，已成为各 _ 上业领域发展的主要导向p l 。 工业领域中应用液压技术已经有很长的历史，但是液压控制技术的形成和发展却是 艰几十年的事情。第二次世界大战期间和战后，由于工业和军事的需要，且由于液压系 第一章绪论 统具备重量轻、尺寸小、反应迅速和负载刚度大等特点，随着数学、工程控制理论、计 算机技术、电子技术和液压基础理论的研究和发展，液压控制技术得到了很大的发展。 液压控制技术首先应用在航天和军事工程领域，随着液压控制技术不断走向成熟和液压 元什价格的下降目前已广泛应用于民用工业部门。 由于电子信号处理和信息传递十分方便，人们早就想到把电信号和液压技术结合起 来，从而发展了电液控制技术。电磁阀就是把电的通断信号转换成液流通断而广泛应用 于各种工业领域的最简单的电液控制元件。目前，电液伺服控制和电液比例控制都已发 展成为比较成熟的技术，研制和生产了种类繁多的电液控制元件，例如普通电液伺服阀 ( 频宽数十赫) 、高频电液伺服阀( 国内产品达4 0 0 赫) 、电液比例流量阀、电液比例压 力阀、电液复合阀、电液比例泵和电液通断控制阀等。它f f u 泛地应用于机床工业、冶 金：】：业、船舶工业和工程机械等领域的控制系统中。 有关计算机控制系统的发展，自计算机问世以来，即受到了各方面的关注，发展十 分迅速。在工程控制领域，计算机最早被用于纸浆和造纸工业的控制。由于早期的计算 机是主机架式结构，计算机生产过程的连接十分困难，计算机从过程仪表读取信号和给 控制部件输出信号都不得不拉很长的信号线，因而安装、启停和维护都十分困难。由于 电子工业的革命性发展，计算机从大型主机架式结构发展成为小型计算机。在7 0 年代 早期又出现了微型计算机。微型机的出现，使系统内的硬件费用急剧减少，可靠性大大 提高，而体积大为缩小。计算机具有快速运算的能力，因而许多控制对象可以采用更为 先进的控制算法，模型实时辨识和控制理论的在线运用成为现实。微机技术的发展，使 得各种单板微型计算机、单片微型计算机、微型： 控机和可编程控制器广泛应用于信号 检测和工程控制领域。由于微机结构简单，小巧灵活，使得我们能够把操作单元和控制 硬件设计成以微型计算机为中心而组成的计算机控制系统，直接放盖到接近测量点或控 制点的位置，再者，由于计算机与计算机之间实现通信十分方便，因而可以采用集散型 控制系统，把信号处理和控制的计算机放置在控制前沿，再设置高一级计算机负责信号 的收集和控制的调度，其关键部位可以考虑冗余措施，保证在发生故障时不会造成停产 榆修的严重后果，可靠性大大提高p 7 、“”l 。 随着计算机控制技术的日益完善和广泛应用，利用微机对电液系统进行数字控制已 成为机械行业实现机电一体化的一种重要手段，数字控制在当前被认为是实现对液压系 统高速、高精度控制的最理想的方法之一。数字阀可直接与微机接口而无需d a 转换 装置，与单纯的伺服阀和比例阀相比，具有结构简单、工艺性好、成本低、抗污染能力 强，重复性能好、工作稳定可靠、能耗小等优点，因而在自动控制系统中独树一帜。与 此同时，各种性能优良的数控变量泵与变量马达也正广泛地应用于工程控制的各个领 域。以计算机控制为中心的微机电液控制技术兼备了电子与液压的双重优势，大大提高 了液压控制系统的控制精度和自动控制水平，具有强大的生命力和广阔的应用前景。 4 中南工业大学博士学位论文 1 3 排量控制技术及控制理论在液压领域的应用研究现状 一排量控制研究现状 在液压系统中，由于采用节流调速存在能量损失大、效率低、易发热等缺陷，而发 展了容积调速系统，变量泵和变量马达正是须应这种要求而发展起来的，变量泵马达 排量的调节最初是依靠手动来进行的，后来有了电液伺服型和电液比例型排量词节机构 以及步进电机带动数字阀的增量型数字液压控制系统组成的排量调节机构。电液伺服型 调节机构具有响应快、精度高的优点，但成本高，且对油液的清洁度要求高，抗樗染能 力差。电液比例型排量调节机构和增量型步进电机控制调节机构尽管抗污染能力较强， 但其实现起来需要较多的电子辅助设备。成本也较高。随着高速开关阀的出现，其优良 的性能使得一种新型的变量机构高速开关阀控制变量机构日益受到重视。表1 1 是 高速开关阀与伺服阀、比例阀的性能比较情况嗍。 表l 一1 三种电液控制阀的性能比较 高速开关阀比例阀伺服阀 结构简单较简单复杂 控制精度一般较好好 响应速度一般较好好 与电子电路的配合很好较好不太好 价格摄低较贵很责 抗污染能力极强较强 弱 高速开关阀的性能决定了高速开关阀控制系统具有如下特点：( 1 ) 系统结构简单， 成本低；( 2 ) 系统抗污染能力强，工作可靠性高；( 3 ) 可直接接受脉冲电信号，不需要 d a 元件，极易与计算机相连接。高速开关阀的研究是在1 9 7 0 年前后以原西德为中心 开始进行的。首先是在开关阀本身小型化小功率化以及高速化方面采取了一些措施。白 1 9 8 0 年以来，美、英、日、德等国的研究人员一直在进行高速开关阀以及由高速开关 阀组成的电液伺服控制系统的研究工作，并有此方面的多项专利得到批准【4 l 峨“4 4 , 4 s 。 九十年代初我国贵州红林机械集团公司与美国b k m 公司联合研制成功了工作频率达 2 0 0 h z 的h s v 系列高速开关阀焖，最近日本一些大学和企业也正在研制采用p z t 压电 元件驱动的超高速开关阀，其工作频率有望达到2 0 0 0 i - i z t 蜘。 高速开关阀的结构形式归纳起来主要有滑阀式、锥阀式和球阀式三种。常用的高速 开关阀是锥阀式和球阀式的，前者具有结构上的平衡性，可以在较高的压力下工作；后 者具有较大的面积梯度和较小的运动摩擦力，在小流量高速开关阀中较常采用。与电液 伺服阀和电液比例阀的连续控制方式不同，高速开关阀采用脉冲流量控制方式。高速开 关阀根据一系列的脉冲电信号进行开关动作，在阀的出口处输出一系列相应的脉冲流 量。流体动力脉冲序列的形成和调节有很多方法：脉宽调制( p w m ) 方式、脉码调制 ( p c m ) 方式、脉频调制( p f m ) 方式和脉数调制( p n m ) 方式等，其中尤以脉宽调 制( p w m ) 方式和脉码调制( p c m ) 方式较为常用。 5 第一章绪论 目前在流体动力控制系统中，脉宽调制( p w m ) 方式是一种比较成功的控制策略。 其控制原理如图l 一1 所示阳，图l l ( a ) 中，何为控制信号，将该信号与载波信号c 进行比较，如果在某时刻，值大十载波信号c ( t j 的值，则使阎开启，否则使阀闭合， 从而得到一系列如图l l ( b ) 所示的控制指令。将这些控制指令作用到高速开关阀电 磁铁线圈上，于是在每一个循环时间n 内有t o n 的时间阀的通路被打开，有流量旦l f 通过，其余时间则高速开关阀关闭，无流量通过。时间t o n 与乃之比称为脉冲宽度调 制率，也称为占空比，记为d ，d = t o r v t s 。由于高速开关阀工作的载波信号周期可以 调得很小，一般为o0 0 5 - 0 0 5 s 周此可用平均流量9 w 来表示这一时问内的输出流量。 平均流量q m ，表示为： q a v = c 。a 4 - x ? ( 1 一1 ) 式中：p 一阀口压差： c ，一阀口流量系数； a 一阀开口面积。 ( a ) 对l 司t 时问t 图1 一l 脉宽调制( p i t t ) 控制原理图 图l 一2 所示是高速开关阀的流量特性。商速开关阀控制排量调节机构正是利用r 高速开关阀的脉宽调制信号的占空比一流量特性来实现对液压泵或液压马达的变量活塞 的位移进行控制从而达到调节排量的目的。 一 曼 目 一 d 划 蟮 霜 捌一 l 1 适壁 图卜一2 高速开关阀的流量特性 在国内t 从1 9 8 6 年起对高速开关阎及由其组成的电液控制系统的研究也逐渐开展。 6 中南工业大学博士学位论文 浙江大学骆涵秀教授等研制了高响应速度大流量的高速开关阀( 流量为1 6i r a i n ，开关 时间为1 6m s ) ，并以此为基础设计了数字式电液控制系统嗍；北京理工大学曹泛教 授等对脉宽调制( f w m ) 高速开关阀的静特性以及高速开关阀电液伺服控制系统进行 了有成效的研究嗍；哈尔滨工业大学俞宗强博士在高速开关阀电液控制系统的研究中， 沿用z 变换理论，按离散线性方法综合得到了一个适应变阻尼的控制器例；这些工作为 高速开关阀控制系统应用于液压泵，液压马达奠定了基础。 实际应用于液压泵液压马达的排量变化的高速开关阀控制系统有美国威斯康星一 麦迪逊大学b e a c h l e y 教授领导下所设计的液压泵开关阀排量调节位鼍控制系统m 1 。图 l _ 3 是所采用的开关阀位置控制系统工作原理图。 图l 3b e a d t l e y 教授采用的种开关阀位踅控制变量机构 我国广西大学的周显文老师对高速开关阀作为先导阀的位置控制泵，马达变量机构 进行了仿真研究嘲。图l 4 是其所研究的位置控制系统原理图。图中1 、2 、3 、4 是逻 辑锥阀，5 、6 是美国b k m 公司h s v - - 3 0 0 0 高速开关阀。由此高速开关阀作为先导阀 与逻辑锥阀配合使用的系统可以实现大流量的比例控制。 图l 4 高速开关阀与逻辑阀配合使用的位置控制系统 7 第一章绪论 上海工业大学黄谊教授等针对一台c y l 4 一1 8 型双柱塞象用高速开关阀位置控制系 统进行排量控制嘲。图l 一5 是其采用的系统原理图。通过仿真分析和实验研究，得到 了较好的控制效果：稳态误差为0 2 5 ，调整时间为0 7 5 s 。 图l 5 黄谊教授等采用的高速开关阀位置控制变量机构 基于高速开关阀的变量机构控制系统在国内的应用研究才刚刚开始，还有许多方面 需要进行更深入的研究。 二电液控制系统中控 | 技术的应用现状 在液压控制系统中需要对液压泵或液压马达等元件进行调节，最早的调节都是手动 调节，随着电子技术的发展以及控制理论的不断成熟，在液压控制系统中实现了自动或 半自动控制。对于微机电液控制系统，由于电子元件和各种数字液压元件的使用，使得 对电液控制系统实现自动控制极为方便。目前大多采用手动控制与自动控制相结合的调 节方式。 作为一种性能可靠，实现起来方便的控制算法，p i d 调节在电液控制系统中仍被广 泛应用。但对于某些复杂的电液控制系统，采用古典的控制理论已经难以达到令人满意 的效果。自适应控制系统尽管能实现对具有一定程度不确定性的系统的较好的控制，但 其实现起来结构复杂。自适应控制的对象一般来说结构是已知的，仅仅是参数未知，采 用的方法仍然是基于数学模型的踟。然而，在许多情况下被控对象的精确数学模型很难 建立，甚至是办不到的，而有经验的操作人员运用手动控制，往往可以收到令人满意的 效果，因此人们开始考虑采用一种研究与模拟人的思维活动及其控制与信息传递过程的 规律，研制具有仿人智能的工程控制与信息处理系统。模糊控制作为模糊逻辑控制、神 经网络与专家系统三种典型的智能控制方法中的一种，由于具有结构简单、易于实现的 优点，而在工程控制领域中得到了广泛的应用。模糊控制理论的重要发展阶段如表1 2 所示i b - 1 6 t 。 8 中南工业大学博士学位论文 表1 2 模糊控制的主要发展阶段 时间( 年) 创始人内容 1 9 7 2z a d e h 模糊控制的定义 1 9 7 3z a d e h 模糊语言变量方法 1 9 7 4 m a m d a n i a s s i l i a n 用于锅炉和蒸气机的控制 1 9 7 6r u t h e r f o r d 等 控制算法分析 1 9 7 7 o s t e r g a r d用于热交换器和水泥窑的控制 1 9 7 7 w i l l a e g s 等 最优模糊控制 1 9 7 9k o m o l o v 等 有限自动化 1 9 8 0 t o n g 等 废水处理过程 1 9 8 0 f u k a m m i z u m o t oa n dt a n a k a模糊条件推理 1 9 8 3h i r o t aa n dp e d r y e r 概率模糊集合与控制 1 9 8 3 t a k a g ia n ds u g e n o 模糊规则派生法 】9 8 3 y a s u n o b u m i y a m o t o 等预测模糊控制 1 9 8 4 s u g e n oa n dm a r a k a m i汽车的泊位模糊控制 1 9 8 5 k i s z k a g u p t a 等模糊系统稳定性理论 1 9 8 5 t o g a ia n dw a t a n a d e制作模糊集合芯片 1 9 8 6y a m a k a w a 建立模糊控制器硬件系统 1 9 8 8d u b o i sa n dp r a d e 提出模糊近似推理 1 9 9 0 提出神经网络模糊性控制器 从智能控制的发展趋势来看，将神经网络与模糊控制相结合的研究方向是有较好的 应用前景的。 1 4 本课题的意义及研究内容 液压冲击器作为一种新型的液压冲击机械，从问世至今不过短短三十几年时间，其 应用范围己从最初用于液压凿岩机与液压碎石机上，以实现矿山岩石工程的钻孔作业与 矿岩大块的二次破碎，发展到今天已应用于社会各行各业中，在建筑行业，用于液压打 桩机以取代传统的柴油打桩机，还可用于路基、混凝土建筑的拆毁工作；在冶金行业， 用于清除冶炼炉渣、钢厂混铁车解体清理工作：在机械行业，用于液压锻锤，进行机械 加工等等。目前在世界上已经形成了一个重要的新技术产业，随着使用范围的扩大，液 压冲击器还将得到不断的完善与发展。 由前述可知，传统的行程反馈式液压冲击器由于其工作原理与自身结构的限制，对 于不同物理性质的工作介质，很难使得冲击器的单次冲击能与冲击频率达到合理匹配， 严重制约了液压冲击器的工作范围与工作效率的发挥。新近推出的压力反馈独立无级调 节冲击能与冲击频率的液压冲击器的： 作原理，使得液压冲击器的单次冲击能与冲击频 率实现了各自独立无级调节，克服了行程反馈原理的各种缺陷。若是：陪这种工作原理结 构的液压冲击器与微电子结合，实现微机控制，使得液压冲击器在工作过程中能够根据 9 第一章绪论 工作介质的不同物理性质自动调节单次冲击能与冲击频率，保证液压冲击器的工作性能 始终处于最佳状态，无疑对于提高液压冲击器的自动化与智能化水平，提高生产率，降 低能源消耗，改善设备操作使用性等方面都有着十分重要的现实意义。这也是本论文“机 电一体化的新型压力反馈式液压冲击器系统研究”选题的目的意义之所在。 机电一体化的压力反馈式液压冲击器是一种新型液压冲击器，因此，机电一体化的 压力反馈式液压冲击器总体方案的研究设计，是整个研究工作的重点与核心，本文在分 析了目前各种液压冲击器的输出工作参数调节方案与变量泵驱动下液压冲击器工作参数 调节特性的基础上，推出了种能够根据工作介质的不同物理特性，自动独立无级调节 液压冲击器的单次冲击能与冲击频率的机电一体化的压力反馈式液压冲击器的总体设计 方案： 结合本文所提出的压力反馈式液压冲击器的结构方案，运用液压冲击器的线性设计 理论，分别对新型压力反馈式液压冲击器的活塞系统、配流阀系统与蓄能器系统的结构 工作参数进行了初步设计。 有关压力反馈式液压冲击器运动规律的分析与探讨，虽然前人做了一些有益的研究 与探索工作，但其动态特性与系统各工作参数与结构参数对工作性能的影响，仍有待人 们去作更深入的研究与探讨，为此，本文通过建立压力反馈式液压冲击器的非线性数学 模型，对压力反馈式液压冲击器进行了数字仿真的研究工作： 对于本文的基于微机控制的液压冲击器系统面言，冲击反弹能量吸收与缓冲机构是 系统获得工作介质物理特性参数变化信息的一个桥梁，是关系到能否成功实现自动控制 冲击能与冲击频率的关键机构，本文通过数学建模，对其进行了仿真分析，并通过实验 加以验证： 作为独立无级调节液压冲击器冲击频率的核心，变量泵排量控制机构也是本文的研 究重点之一，与伺服阀和比例阀相比，由于高速开关闷具有结构简单、工艺性好、成本 低、抗污染能力强、工作稳定可靠、能耗小等优点，因而本文设计了个基于高速开关 阀的p w m 控制h d 变量泵变量机构的控制系统，运阁动态分析手段对排量控制系统的 稳定性与动态响应特性进行了研究； 微控制器是整个液压冲击器控制系统的核心，本文针对液压冲击器的特殊工作环境 要求，设计了一个以m c s 一5 l 系列9 0 3 1 c p u 为核心的单片微控制器，并开发了相应的 控制软件，由于有关冲击凿入系统的数学模型难以准确建立，本文将模糊控制策略引入 液压冲击器控制系统中，对冲击器的冲击能与冲击频率实现了模糊控制； 最后，通过埘一台行程反馈式液压冲击器的改进，设计了一个机电一体化的压力反 馈式液压冲击器的实验模型，通过实验采集的数据验证了本文的理论研究结果。 0 中南工业大学博士学位论文 第二章机电一体化压力反馈式液压冲击器总体方案研究 2 1 目前 茛压冲击器的输出工作国穆潆聍憔及存在的问题 随着液压技术的发展，目前世界上很多厂家生产的液压冲击器都具有调节冲击能的 功能，以适应不同物理特性的工作介质的要求，使液压冲击器输出的冲击能接近或等于 工作介质要求的最优冲击能，从而降低生产成本，扩大液压冲击器的使用范围。与一般 液压机械不同，液压冲击器的负载是活塞运动的惯性力渊，因此，改变液压冲击器的供 油流量，就能改变液压冲击器的工作压力与冲击能和冲击频率。另外，从系统运动学角 度考虑改变液压冲击器活塞运动行程也能够达到改变液压冲击器输出的目的。下面分析 几种典型的液压冲击器的输出工作参数调节方案。 一改变液压冲击器供油流量的弼节方式 这种工作参数调节方式主要适用于全液压驱动型液压净击器在与手动( 伺服) 变量 泵、液控( i i d ) 变量泵、电液比例变量泵耦合下液压冲击器的工作参数调节，根据抽 象设计变量理论可以推出l l ： m e = ；= = _ 彳一q 。= k ，q 。( 2 1 ) o c 。a “1。“ r ：! 二! 壁= 盟：k ，盟 卜而茸22 酋 ( 2 2 ) ：e ，：拿丝毒l 掣垒：置，旦一( 2 3 ) o c a 1 ( 1 o 【) 。 s j 。 s 。 式中：e 括塞冲击能； f 活塞冲击频率； n 液压冲击器输出功率；a 抽象设计变量； m 一活塞质量； a ，活塞冲程有效作用面积； q r 撒压冲击器冲击流量；( 用作有用功的理论流量，q d n 。， p 。， p b 。同样地，若系统流量q p 先由q 。，升高至q ( 】2 ) ( 换档流量) 再降低至q b 时， 其共同工况点将按a l c f b 的顺序移动，实现由s 。向s 九的调节。由图可知：该 情形变功率调节范围为n d 丑 p b 。由图 可知：该情形变功率调节范围为n n a 2 kq ”) s 。而对于如图2 3 d 所示的q p 、s j l 反向变化的情形，依系统流量q ，的变化情况，其共同工况点将按a c f b 或b f d e a 的顺序移动，实现由s 。向s ，。或研。向的调节，这里n d 丑 n d 。出图易 知：若其调节压力为p ，则其变功率调节范围为n k q “( ：) s n 。 q 0 l q ” q n q l q 1 1 q - 0 o 图2 3 c圈2 3 d 二恒压变量泵驱动的液压冲击器工作参数调节特性 恒压变量泵的输出压力p p ( p p = p d ) 可由人为主动调定，而其输出流量q ，则由其 与冲击器的耦舍特性决定，因此泵、冲击器的工况点重合。液压冲击器工作参数的调节 是通过调节泵的输出压力p p 来实现的。 1 恒功率工作参数调节特性 该调节特性类似定量泵驱动液压冲击器工作参数调节特性，但由于泵的特性不同， 泵与冲击器工况点重合，因而泵工作时无溢流功率损失，其调节特性如图2 - _ 4 a 所示。 2 变功率工作参数调节特性 该调节特性类似定量泵驱动的液压冲击器变功率工作参数调节特性，只是由于泵特 性的不同，泵与冲击嚣工况点重食，泵工作时无溢流功率损失，其调节特性如匮2 _ 4 b 所示。 第二章机电一体化压力反馈式液压冲击器总体方案研究 q q h 。 q q j o 图2 - - 4 a图2 _ 4 b 通过对以上几种型式变量泵驱动的液压冲击器工作参数调节特性分析，可以看出： i 恒功率调节特性适用于系统长时问工作且输出参数需调节的场含，如工作介质 的硬度发生变化时。变功率调节特性主要适用于某些需要大冲击能与大输出功率的场 合，如液压凿岩机用于平巷中深孔掘进时要求孔径变化等的场合。在变功率调节特性中， 为了降低系统装机容量，可根据常工况时较小的系统功率确定电机的额定功率，而短时 的大功率非常工况则可合理利用电机短时的功率过载能力( 可达4 0 ) l ： 2 手动( 伺服) 变量泵或液控变量泵驱动的液压冲击器可人工或液控调节泵的输 出流量实现自动换档。泵、冲击器工况点重合，泵无溢流功率损失，能量利用率较高； 3 恒压变量泵驱动的液压冲击器可通过调节泵的输出压力，实现自动换档。泵输 出压力的调节可通过人工调节其恒压弹簧的预压缩量或通过对恒压缸进行液控实现。 泵、冲击器的工况点重合，泵无溢流功率损失，能量利用率较高。 因此，在选择与液压冲击器耦台的驱动泵时，应根据其具体工况要求，从系统功率 损失、能量利用率、冲击器工作参数调节的可操作性以及泵的价格等方面进行综合技术 经济比较确定。在多档液压冲击器的实践中，由于液控变量泵( h d 泵) 和恒压变量泵 调节方便、工况合理、能量利用率高等特点，因而成为多档液压冲击器的首选耦合泵种。 2 3 新型机电一体化的压力反馈式液压冲击器系统方案研究设计 由2l 可知，在同前液压冲击器工作参数调- 节方式中，采用压力反馈调节方式能 够克服传统行程反馈式液压冲击器工作参数调节方式的各种缺陷，但是，采用这种调节 方式如何控制系统压力，使液压冲击器的输出工作参数与工作介质的不同物理特性达到 最佳匹配，却是至今仍然没有解决的问题。在液压冲击器的冲击过程中，不同的工作介 质具有不同的物理特性( 如硬度、冲击韧性等) ，甚至同工作介质( 如岩石) ，在被破 碎的过程中，其内部微裂纹生成阶段与裂纹扩展阶段也会表现出不同的物理性质，这就 使衔液压冲击器按h 前的各种丁作参数调节方式进行工作，不可能使其工作参数与工作 介质的物理特性时时达到合理匹配。因此，本文希望寻求一种方法，使得冲击器在工作 中南工业大学博士学位论文 过程中，能够根据工作介质物理特性的变化，自动调节液压冲击器的输出工作参数( 冲 击能与