（机械设计及理论专业论文）矿用立井箕斗定重装载系统研究.pdf

论文题目：矿用立井箕斗定重装载系统研究 专业：机械设计及理论 硕士生：张昆 指导教师：任中全 摘要 ( 签名) ( 签名) r 厶2 珑 v 。 针对国内部分箕斗提升系统不能实现定重装载的问题，本课题采用液压式的称重方 法和p l c 控制技术，研制了一套矿用立井箕斗定重装载系统。文中对定重装载液压系 统进行了动态性能研究，分析了管路参数对液压系统动态特性和称重精度的影响，阐述 了p l c 及模拟量输入模块的选型与i o 点数的分配，建立了p l c 控制的硬件接线图及 相应的软件控制流程，最后，对定重装载系统进行了实验研究，研究结果表明该系统能 有效提高箕斗提升的自动化程度和生产安全性。本课题的主要研究内容如下： ( 1 ) 以铜川矿务局王石凹煤矿为例，分析现场条件，根据实际工况，对定重装载系 统进行了设计，得出了液压系统原理图、p l c 的接线图、控制流程图和m c g s 软件监测 界面。基于p l c 的控制系统采用“一用一备 冗余设计方法，具有可靠性高、操作简单 等特点，基于m c g s 组态软件的上位机具有工作状态监测、故障诊断和报表打印等功能。 ( 2 ) 对于定重装载液压系统，管路不仅作为传动和控制中连接个元件的桥梁，而且 作为油液的容腔。对称重的精度有着重要影响，因此，分析管路动态特性对课题的研究 至关重要。本课题建立了管路的集中参数数学模型和仿真模型，分析了管路的分段数对 流量和压力特性的影响，得出l m 长管路采用2 段模型就可以达到良好仿真精度的结论。 ( 3 ) 管路与定重装载液压系统的关系是本课题的研究重点。为获取系统的动态特性， 本课题建立了考虑管路影响的液压系统数学模型与仿真模型，并对带长管路液压系统的 动态特性进行了仿真研究。通过对系统响应性能指标的分析，得出了管路的材料、长度 和内径等参数对液压系统影响的规律，为以后设计类似的系统提供了理论依据。 ( 4 ) 本课题以王石凹煤矿所使用的定重装载系统为实验模型，进行了实验室实验研 究和现场实验研究，实验内容包括液压系统的启动及运行、受冲击、实验室模拟装载过 程和生产现场装载等，并从试验的角度得到了一些实测数据。通过分析，这些数据基本 与理论分析结果相一致，表明该立井箕斗定重装载系统可应用于矿山生产现场。 关键词：箕斗；定重装载；管路；系统建模；动态特性；p l c 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：r e s e a r c ho nm a i ns h a f t ss k i pw e i g h t f i x e dl o a d i n gs y s t e m o f c o a lm i n e s p e c i a l t y ： m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y n a m e： z h a n gk u n( s i g n a t u r e ) i n s t r u c t o r ：r e nz h o n g q u a n ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t f o rt h ep r o b l e mo fp a r t l yo l dm a i ns h a f t s s k i p h o i s ts y s t e m sc a n n o ta c h i e v e w e i g h t f i x e dl o a d i n g ，t h i sp a p e ra d o p t e dh y d r a u l i c w e i g h i n gm e t h o da n dp r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r , d e s i g n e dt h em a i ns h a f t ss k i pw e i g h t - f i x e dl o a d i n gs y s t e m t h ep a p e rr e s e a r c h e d t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fh y d r a u l i cs y s t e m ，a n a l y z e dt h ei m p a c to fw e i g h i n ga c c u r a c ya n d d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h eh y d r a u l i cs y s t e mo i lt h ep i p e l i n ep a r a m e t e r s ，e x p o u n d e dt h e s e l e c t i o n0 1 1t h ep l ca n da n a l o gi n p u tm o d u l e ，a n dt h ed i s t r i b u t i o no ni op o i n t s ，e s t a b l i s h e d t h ed i a g r a mo ft h ep l ca n dc o n t r o l l e df l o wc h a r t a n dl a s t ，t h em a i ns h a f t ss k i pw e i g h t - f i x e d l o a d i n gs y s t e m i ss t u d i e de x p e r i m e n t a l l y t h er e s u l t ss h o w e dt h em a i ns h a f t s s k i p w e i g h t - f i x e dl o a d i n gs y s t e mc a ni n c r e a s e t h e d e g r e eo fa u t o m a t i o nl o a d i n ga n ds a f e t y p r o d u c t i o n 硼1 em a i nc o n t e n t so ft h er e s e a r c ha r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ed e s i g no fw e i g h t f i x e dl o a d i n gs y s t e mf o c u so nw a n g s h i w ac o a lm i n e ，i n a c c o r d a n c ew i t ht h es i t ea n da c t u a lc o n d i t i o n s ，t h ep a p e ro b t a i n e dt h ep r i n c i p l ec h a r to f w e i g h t - f i x e dl o a d i n gh y d r a u l i cs y s t e m ，d r e wt h ed i a g r a mo ft h ep l c ，c o n t r o lf l o wc h a r ta n d m c g s - b a s e dm o n i t o r i n gi n t e r f a c e t h ep l c b a s e dc o n t r o ls y s t e mu s e dt h em e t h o do f ”o n e - u p ”r e d u n d a n c yd e s i g n , w i t hh i g hr e l i a b i l i t y , o p e r a t e de a s i l ya n do t h e rf e a t u r e s ，t h e m c g s b a s e dm o n i t o rc o m p u t e rs y s t e mh a st h ef u n c t i o n so fw o r k i n gc o n d i t i o nm o n i t o r i n g ， f a u l td i a g n o s i s ，s t a t e m e n t sp r i n t i n ga n ds oo n ( 2 ) f o rt h ew e i g h t - f i x e dl o a d i n gh y d r a u l i cs y s t e m t h ep i p e l i n en o to n l ya sab r i d g eo f c o n n e c t i n gt r a n s m i s s i o na n dc o n t r o l l e dd e v i c e s ，b u ta l s oa so i lc a p a c i t yc a v i t y , i th a sam a j o r i m p a c to nt h ew e i g h i n ga c c u r a c y , t h e r e f o r e ，t h es t u d yo fd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so np i p e l i n ei s e s s e n t i a l mp a p e re s t a b l i s h e dl u m p e dp a r a m e t e rm o d e la n dt h es i m u l a t i o nm o d e l ，a n a l y z e d t h ec h a r a c t e r i s t i co ff l o wr a t ea n dp r e s s u r eo nt h ep i p e l i n e ss e c t i o nn u m b e r , w h i c ho b t a i n e d t h ec o n c l u s i o nt h a te v e r yo n e - m e t e rl o n gp i p e l i n ed i v i d e di n t ot w os e c t i o n sc a l lb ea c h i e v e d f i n ee f f e c to nt h ea c c u r a c yo ft h es i m u l a t i o n ( 3 ) t h ep a p e rf o c u so nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep i p e l i n ea n dw e i g h t f i x e dl o a d i n g h y d r a u l i cs y s t e m ，f o ra c c e s st ot h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h eh y d r a u l i cs y s t e m ，t h ep a p e r e s t a b l i s h e dt h em a t h e m a t i ca n ds i m u l a t i o nm o d e l ，r e s e a r c h e dt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f h y d r a u l i cs y s t e m 、析t l ll o n gp i p e l i n e t h r o u g ha n a l y z i n go nt h ep e r f o r m a n c ec r i t e r i ao fs y s t e m r e s p o n s e ，t h er e s u l t sw e r ec o m p a r e dw i t ht h ep i p e l i n em a t e r i a l ，l e n g t ha n do t h e rd i a m e t e r so f t h eh y d r a u l i cs y s t e m ，p r o v i d e dat h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ef u t u r ed e s i g no fs i m i l a rs y s t e m ( 4 ) b a s e do nt h ew e i g h t - f i x e dl o a d i n go fw a n g s h i w ac o a lm i n e ，t h el a b o r a t o r ya n df i e l d e x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u t , i n c l u d i n gt h es t a r t - u pa n do p e r a t i o no fh y d r a u l i cs y s t e m ，t h e i m p a c to fl o a d i n gp r o c e s ss i m u l a t i o no fl a b o r a t o r ya n dp r o d u c t i o ns i t el o a d i n g ，a sw e l la s p r o d u c et h em e a s u r e dd a t af r o mt h ep i l o t sp e r s p e c t i v e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sv a l i d a t e dt h e a b o v et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，p r o v e dt h ef e a s i b i l i t yo fm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e m ，a n dt h e a c c u r a c yo ft h e o r ya n ds i m u l a t i o na n a l y s i s + k e y w o r d s ：s k i p w e i g h t f i x e dl o a d i n gp i p e l i n es y s t e mm o d e l i n g d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c p l c t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 西县料技夫学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：猫跖 日期：乎多 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，i l i ：研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。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电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位 论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论姗躲孺黟 揪撇： 0 0 2 ) 形( f ) = 0 2 8 2 0 9 5 r 。0 一1 2 5 + 1 0 5 7 8 5 5 r o 5 + 0 9 3 7 5 r + 0 3 9 6 6 9 6 r 1 一一0 3 5 1 5 6 3 r 2 ( f t o ) p l ( s ) ( 4 7 ) p e 4 1 2 建立仿真模型 建立以流量q ( s ) 为输入、活塞运行速度v ( s ) 为输出的仿真模型，所建立的s i m u l i n k 仿真模型如图4 1 所示。 图4 1 q ( s ) 为输入、v ( s ) 为输出的仿真模型图 利用以上仿真模型，可以求得当负载力局为常数，即e ( j ) = 0 时，以流进液压缸的 流量q 为输入、液压缸活塞速度矿( j ) 为输出的传递函数为： 3 3 西安科技大学硕士学位论叉 坠! - ： 丝! 纵吐所吣) ( 枷4 2 = 一生一 ( 4 8 ) 警 ( 聊以+ 甚跏地乃叫) =些竺! ： j 2 + 2 昏( o n 2 s + 国n 2 当液压系统输入流量由零阶跃升至0 6 l s 、无杆腔活塞面积为0 0 3 5 m 2 时，液压缸 活塞举升速度如图4 2 所示。 赫。，籼一，- 。一，。一。对问t 鳓一。i ，。“盘 图4 2 液压缸活塞举升速度图 由图4 2 可以看出，液压缸活塞举升速度，从零开始震荡，经过约o 1 s 后，速度逐 渐趋近于稳定，稳定后的速度约为o 0 1 7 m s ，与理论计算值一致。 建立以负载e ( s ) 为输入、进油腔压力置( s ) 为输出的仿真模型，所建立的s i m u l i n k 仿真模型如图4 3 所示。 图4 3e 0 ) 为输入、只o ) 为输出的仿真模型图 利用以上仿真模型，可以求得当流进液压缸的流量9 常数，即q ( s ) = o 时，以阶跃 负载力e ( s ) 为输入、液压缸进油腔压力只( j ) 为输出的传递函数为： 4 定重装载液压系统动态特性分析 业! ： 丝! 以嵋嬲例c 枷群 9 ， ：二!。，一 警 ( 聊以+ 若眇地以+ a 1 2 ) 当液压系统输入流量q ( j ) = 0 、无杆腔活塞面积为0 0 3 5 m 2 、负载力由零阶跃升至 3 0 0 0 0 n 时，液压缸活塞无杆腔压力变化情况如图4 4 所示。 图4 4 液压缸活塞无杆腔压力变化图 由图4 4 可以看出，压力p 由零开始震荡，经过约o 1 s 后，压力逐渐趋近于稳定， 稳定后的压力约为0 8 m p a ，与理论计算值一致。 由图4 2 和4 4 可以看出，启动时压力曲线与速度曲线波形几乎完全一致，表明液 压缸活塞的的运动速度会导致无杆腔压力的变化，而压力的变化又会引起活塞运动速度 的变化，这构成系统内部的反馈。 由式( 4 8 ) 和( 4 9 ) 可求得系统的增益k 彳、固有频率c o 。和阻尼比f 为： 髟= 丽a l ( 4 1 0 ) 国 2 3 5 ( 4 1 1 ) ( 4 1 2 ) 西安科技大学硕士学位论文 4 1 3 不考虑管路影响时系统动态特性分析 由于液压缸中的泄露一般泄露很小，因此以召。 4 ，2 ，可以忽略不计，于是式( 4 1 1 ) 中液压系统固有频率可以近似的写成： 国n 。 ( 4 1 3 ) 由此可见，液压缸活塞移动部分的质量m 与液压缸进油腔容积k 越大，油液的体 积弹性模量成与活塞的有效工作面积彳。越小，则液压系统的固有频率( - 0 。就越低。因此， 油液中混入空气的量不同、活塞的运动位置不同时，都会引起系统固有频率c o 。的变化。 ( 1 ) 系统稳定性分析 根据式( 4 8 ) 和( 4 9 ) 可知，系统的特征方程为： s ：+ 丝! 竺生匕堡2s + 丝! 堡丝丝1 2 ：o( 4 1 4 ) m_ m 根据赫尔维茨稳定判据：特征方程的各项系数均大于0 时，二阶系统是稳定的。在 上特征方程中，液压缸粘性摩擦阻尼系数统、系统的漏损系数以、液压缸进油腔的容 积k 、运动部分质量m 、液压缸无杆腔腔活塞面积4 、有效体积弹性模量尾皆大于零， 故系统特征方程的各系数也全大于零，因此，该液压系统是稳定的。 ( 2 ) 二阶系统瞬态响应性能指标 上升时间f ， ：j 些 ( 4 1 5 )f ，= 7 = = = =k 珥 。4 1 一2 式中：秒：a r c t a n 坐兰( 4 1 6 ) g 当f 一定时，缈。增大，f p 减小；当国。一定时，f 增大，f ，增大。 峰值时间 f 。= 芒一 ( 4 1 7 ) 一 n 4 1 一毛1 当f 一定时，国。增大，r p 减小；当c o 。一定时，f 增大，p 增大。 调整时间r 。 2 ，= ，_ ( 5 的误差带) ( 4 1 8 ) 4 定重装载液压系统动态特性分析 百五 式中：0 = a x c t a n 掣 ( 4 1 9 ) 岛 t 的大小直接反映了系统的阻尼特性。当减小，系统响应的快速性变好；t s 增大， 系统响应的快速性就将变差。 超调量m 。 m ：1 0 0 d x o ( t p x ) o ( - x ) o ( o o ) ( 4 2 0 ) 一弘，一 - - - e 1 一p 1 0 0 式中：x o ( f p ) 、x o ) f ，、时刻系统输出的稳态值。 m p 只与阻尼比f 有关，而与无阻尼固有频率彩。无关。m p 的大小直接说明了系统 的阻尼特性。 次数 ：! ：! 堑! 二篁：( 5 的误差带) ( 4 2 1 ) 巧 振荡次数随着f 的增大而减小，它的大小直接反映了系统的阻尼特性。 ( 3 ) 阶跃负载作用下，暑( s ) 的瞬态响应性能分析 由液压缸活塞静态受力平衡方程p 。a 。= f 可知：若阶跃负载f 增加，p 将增加， 而国。基本保持不变，f 将减小，可知p l 的压力超调量必p 将增大，振荡次数将增加，故 系统的平稳性降低。 若阶跃负载f 增加，缈。基本保持不变，f 将减小，可知t ，、t p n n d , ，f ，将增 加，系统整体上快速性变差。 4 2 考虑管路影响时液压系统动态特性分析 4 2 1 建立数学模型 上一节对液压系统进行动态分析时，忽略了换向阀的换向、液压泵的压力流量脉动 等因素对液压系统的影响，将液压管路当作一个液压油容腔来考虑，并且忽略了回油管 路的影响、背压、库仑摩擦等因素，但在实际系统中，进油及回油管路对系统的影响并 不能简单的当作容腔或者忽略来处理。由于管路的因素对系统的动态特性影响十分显 著，本节将分析进油及回油管路对系统动态特性的影响。 ( 1 ) 管路模型 对进油管路有： 3 7 西安科技大学硕士学位论文 阱黜黝翻 2 2 ， 对回油管路有： 阱卜g i i ( s s ) - g 1 2 ( s 削 2 3 ， 式中：见、见进油管路入口和出口的压力，p a ； 见、办回油管路入口和出口的压力，p a ； q 。、q 6 进油管路入口和出口的流量，m 3 s ； q 。、q d 回油管路入口和出i e l 的流量，m 3 s 。 ( 2 ) 液压缸连续性方程 上节中只考虑了液压缸进油腔而没有考虑回油腔存在的背压，因此对于液压缸，假 设有： 液压缸每个工作腔内压力处处相同，油液温度和体积弹性模量可认为是常数； 液压缸的内、外泄漏为层流流动。 那么，液压缸进油腔的流量方程为h 3 4 5 】： 姒f ) 一巳慨一p ：卜巳p 。( 力= 警+ 丢宅笋 ( 4 “) 液压缸回油腔的流量方程为： c 脚 p l m 州一c e c 删= 警+ 去警 ( 4 - 2 5 ) 式中：g l 、9 2 流进、流出液压缸的流量，m 3 s , k 、砭液压缸进油、排油腔容积，m 3 ； c 证液压缸的内泄露系数，m 3 p a s ； c e 。液压缸的外泄露系数，m 3 p a s ； 玩有效体积弹性模量( 包括油液、混入油中的空气以及工作腔体的机械揉 度) ，n m 2 。 以上各式中液压缸工作腔体积可写成： k = 1 + 砂 ( 4 2 6 ) = 9 0 2 一a y ( 4 2 7 ) 式中：圪进油腔初始容积，m 3 ； 回油腔初始容积，n 1 3 ； 彳活塞有效面积，n 1 2 ； 广活塞位移，m 。 故有： 3 8 4 定重装载液压系统动态特性分析 车：一车：么李 ( 4 2 8 ) 9 1 = 一；= 月= 一 i d t 出 d l ?j 假设： 液压缸初始容积相同，活塞在中间位置做小幅度位移，因此 v o l = v 0 2 = ( 4 2 9 ) 式中：形两个油腔的总容积，m 3 。 ( 3 ) 液压缸与负载的力平衡方程 忽略库仑摩擦等非线性负载，忽略油液的质量，根据牛顿第二定律，可得： 疋= 【a 1 p l o ) - a 2 p 2 h 窘+ 眈警+ 无 ( 4 3 0 ) 式中：疋液压缸产生的驱动力，n 。 m 活塞及箕斗的总质量，蚝； a 、仍液压缸无杆腔、有杆腔压力，p a 5 4 、4 液压缸无杆腔、有杆腔活塞面积，m 2 5 历液压缸粘性阻尼系数，n s m ； 无作用在活塞上的外作用力，n 。 将以上各式进行拉普拉斯变换： a i e ( s ) 一a 2 最( j ) = ( 朋s 2 + b c s ) r + f l ( 4 3 1 ) q l ( 沪c 配 鼻( 沪昱( s ) 卜巳e ( 加4 + 荔嵋( s ) “3 2 g e ( s ) 一忍( s ) 卜q 置( 占) 一q 2 ( s ) = - d 2 s y + 荔哦( j ) ( 4 3 2 ) 4 2 2 建立仿真模型 依据式建立进油管路的仿真模型( 2 段模型) 如图4 5 所示 r ( d 佃皿佃 l 入口流量i 入口压力i 出口压力it r i p 流量 i n 2o 城2 li s u b s 归- t e m 5 眦 ii s u b 5 嚼e m l 图4 5 进油管路的仿真模型图 回油管路的仿真模型与进油管路一致。 3 9 西安科技大学硕士学位论文 建立以液压缸进油腔流量q ( s ) 为输入、活塞运行速度v ( s ) 为输出的仿真模型，如图 4 6 所示。 图4 6 液压缸进油腔的仿真模型图 建立图4 6 所示仿真模型的子系统，如图4 7 所示。 i n l0 m 2 图4 7 液压缸进油腔仿真模型子系统图 液压缸回油腔的仿真模型同进油腔模型。 对于l m 长的高压胶管管路，考虑回油管路及液压缸的背压，联合图4 5 , - 4 7 所示 的仿真模型，建立的考虑管路影响的液压系统仿真模型如图4 8 所示。 图4 8 液压系统的仿真模型图 4 定重装载液压系统动态特性分析 当管路为钢管时，管路的液阻和液感不发生变化，由于管路本身的弹性变形可忽略， 液容只考虑由于油液受压缩产生的变化。 4 2 3 考虑管路影响时系统动态特性分析 液压缸活塞面积为0 0 3 5 m 2 、进油管路和回油管路的长度均为1 m 、入1 2 流量为 0 6 l s 、出口压力为o 1 m p a 时，利用图4 5 所示的仿真模型进行仿真，得出包含高压胶 管模型与不包含管路模型时系统的阶跃响应曲线，如图4 9 所示。 图4 9 系统的阶跃响应曲线 通过图4 9 可以得出：对于带有l m 长高压胶管管路的液压系统与不考虑管路影响 时的液压系统相比，二者的超调量基本一致，速度峰值大约都为o 0 3 m s 。但是二者的 峰值时间、调整时间、上升时间、延滞时间等响应性能指标均相差极大，考虑高压胶管 影响时的响应性能指标比不考虑管路影响时的均由所延迟。另外，带有高压胶管管路的 液压缸运动速度的波动比不考虑管路影响时平缓，举升速度由不稳定过渡到平稳的时间 不断的在增长。出现上述原因是由于高压胶管具有吸收震动和缓冲的能力。 由此可见，高压胶管管路对液压系统的动态特性影响较大，带有高压胶管管路的液 压系统运行平稳性较不考虑管路影响时有所提高、但是快速性下降。因此，对于带有高 压胶管管路的液压系统必须要考虑管路对系统动态特性的影响。 4 3 管路长度对系统动态特性的影响 4 3 1 长度对系统流量特性影响的仿真 利用两段模型建立考虑管路影响的液压系统仿真模型，并利用仿真模型分别分析管 路长度为l m 、5 m 、l o m 和2 0 m 时，包含高压胶管模型与刚管模型管路的液压系统在阶 跃流量输入和阶跃压力输入情况下，液压系统的响应性能比较，两种模型均考虑液压缸 进油管路和回油管路的影响。 4 1 西安科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 1 m 长的高压胶管与钢管管路对系统流量特性影响的仿真比较，如图4 1 0 所示。 图4 1 0l m 长管路对系统流量特性影响的仿真图 从图4 1 0 可以看出，对于l m 长的管路，管路为高压胶管和钢管时，对于带高压胶 管的液压缸活塞的最大运行速度约为o 0 2 9 m s ，从0 时刻开始到达峰值的时间约为 1 5 m s ；对于钢管管路，液压缸活塞的最大运行速度约为o 0 3 1 m s ，从o 时刻开始到达峰 值的时间约为1 0 r r i s ；对于高压胶管和钢管管路液压系统，在2 5 0 m s 左右时，速度基本 趋于稳定，稳定值约为o 0 1 7 r n s ；二者波形的振荡周期和次数也基本相似，峰值时间、 调整时间、上升时间、延滞时间等响应性能指标均相差很小。 ( 2 ) 5 m 长的高压胶管与钢管管路对系统流量特性影响的仿真比较，如图4 1 1 所示。 图4 1 15 m 长管路对系统流量特性影响的仿真图 对于5 m 长的管路，从图4 1 1 可以看出，带钢管的液压系统液压缸活塞的最大运行 速度约为o 0 2 8 m s ，从0 时刻开始到达速度峰值的时间约为2 5 m s ；对于高压胶管管路， 液压缸活塞的最大运行速度约为o 0 2 6 m s ，从0 时刻开始到达速度峰值的时间约为 3 5 m s ；对于高压胶管和钢管管路液压系统，在3 0 0 m s 左右时，速度基本趋于稳定，稳 定值约为o 0 1 7 m s ；二者波形的振荡周期和次数也基本相似，峰值时间、调整时间、上 升时间、延滞时间等响应性能指标均相差较小。因此，可以认为：对于5 m 长度及以下 的液压管路，采用高压胶管或者钢管对液压系统流量特性的影响相差较小，钢管管路和 高压胶管管路可以相互替换使用，对液压系统性能的影响可忽略。 4 2 霉量盛澍个垮种静撵塔氆糙；：觐 4 定重装载液压系统动态特性分析 ( 3 ) l o m 长的高压胶管与钢管管路对系统流量特性影响的仿真比较，如图4 1 2 所示。 图4 1 2l o m 长管路对系统流量特性影响的仿真图 对于l o m 长的管路，从图4 1 2 可以看出，带钢管的液压系统液压缸活塞的最大运 行速度约为o 0 2 6 m s ，从0 时刻开始到达峰值的时间约为4 5 m s ；对于高压胶管管路， 液压缸活塞的最大运行速度约为o 0 2 5 m s ，从0 时刻开始到达峰值的时间约为5 5 m s ； 对于高压胶管和钢管管路液压系统，在3 5 0 m s 左右时，速度基本趋于稳定，稳定值约为 0 0 1 7 m s ；二者波形的振荡周期和次数相差较大，对于峰值时间、调整时间、上升时间、 延滞时间等响应性能指标，带高压胶管比带钢管管路的液压系统明显要有所延缓。 h ) 2 0 m 长的高压胶管与钢管管路对系统流量特性影响的仿真比较，如图4 1 3 所示。 图4 1 32 0 m 长管路对系统流量特性影响的仿真图 对于2 0 m 长的管路，从图4 1 3 可以看出，带钢管管路的液压系统液压缸活塞的最 大运行速度约为o 0 2 5 m s ，从0 时刻开始到达峰值的时间约为4 5 m s ；对于高压胶管， 液压缸活塞的最大运行速度约为o 0 2 3 m s ，从0 时刻开始到达峰值的时间进一步延长约 为7 5 m s ；对于高压胶管和钢管管路液压系统，在4 0 0 m s 左右时，速度基本趋于稳定， 稳定值约为o 0 1 7 m s 。：二者波形的振荡周期和次数相差很大，对于峰值时间、调整时 间、上升时间、延滞时间等响应性能指标，带高压胶管比带钢管管路的液压系统明显延 4 3 西安科技大学硕士学位论文 缓。因此，可以认为：对于1 0 m 长度及以上的液压管路，采用高压胶管或者钢管时，二 者对液压系统流量特性的影响相差较大，带有1 0 m 以上的管路时，必须要考虑管路的材 料对液压系统动态特性的影响，采用钢管管路或高压胶管管路时，必须根据实际情况选 取管路的材料。 从图4 1 0 - - 4 1 3 可以得出：随着管路的延长，管路的阶跃响应不断的在延迟，速度 峰值不断的在下降。对于钢管来说，速度峰值由l m 长时的0 0 3 1 m s 下降到2 0 m 长时的 0 0 2 5 m s ，由0 时刻开始速度达到峰值的时间由l m 长时的1 0 m s 延长到2 0 m 长时的4 5 m s ； 而对于高压胶管来说，速度峰值由l m 长时的0 0 2 9 m s 下降到2 0 m 长时的0 0 2 3 m s ，由 0 时刻开始速度达到峰值的时间由l m 长时的1 5 m s 延长到2 0 m 长时的7 5 m s 。对于同样 长度的高压胶管和钢管，l m 时液压缸活塞举升速度由0 时刻开始达到峰值的时间差为 5 m s ，而2 0 m 时液压缸活塞举升速度由0 时刻开始达到峰值的时间差为3 0 m s 。 随着管路长度的增加，对于钢管来说，出现响应速度变慢主要是由于液压油的弹性 变形和液压油的惯性造成的，而对于带有高压胶管管路的系统响应变慢，主要是由胶管 的弹性变形、液压油的弹性变形和液压油的惯性造成的。 另外，由于高压胶管具有缓冲和吸收震动的能力，含胶管系统的流量波动曲线要比 含钢管管路系统的平缓，波动比钢管管路的要小。 4 3 2 长度对系统压力特性影响的仿真 依据上一节所建立的液压系统仿真模型，在输入流量为0 0 0 6 r n s 、负载压力为 1 0 0 0 n 、管路长度为l m 、5 m 、1 0 m 和2 0 m 的情况下，分别分析管路入口压力随着管路 长度增长的变化情况。 ( 1 ) 1 m 长的高压胶管与钢管管路对系统压力特性影响的仿真比较，如图4 1 4 所示。 图4 1 4l m 长管路对系统压力特性影响的仿真图 对于l m 长的管路，管路为高压胶管和钢管时，从图4 1 4 可以看出，对于带钢管管 路的液压系统，管路入口的最大压力约为0 6 7 m p a ，从0 时刻开始到达峰值的时间约为 4 定重装载液压系统动态特性分析 l o m s ；对于高压胶管管路，管路入口的最大压力约为0 6 0 m p a ，从0 时刻开始到达峰值 的时间约为1 5 m s ；对于高压胶管和钢管管路液压系统，在2 5 0 m s 左右时，压力值基本 趋于稳定，稳定值约为0 2 5 m p a 。二者波形的振荡周期和次数基本相似，峰值时间、调 整时间、上升时间、延滞时间等响应性能指标均相差很小。 ( 2 ) 5 m 长的高压 珏。，；。，时阍t ( 盆 、 m 图4 1 55 m 长管路对系统压力特性影响的仿真图 对于5 m 长的管路，从图4 1 5 可以看出，对于带钢管管路的液压系统，管路入口的 最大压力约为1 m p a ，从0 时刻开始到达峰值的时间约为1 5 m s ；对于高压胶管管路，管 路入口的最大压力约为0 8 2 m p a ，从0 时刻开始到达峰值的时间约为2 0 m s ；对于高压 胶管和钢管管路液压系统，在3 0 0 m s 左右时，压力基本趋于稳定，稳定值约为0 4 m p a 。 二者波形的振荡周期和次数也基本相似，峰值时间、调整时间、上升时间、延滞时间等 响应性能指标均相差较小。因此，对于5 m 长度及以下的液压管路，采用高压胶管或者 钢管对液压系统压力特性的影响相差较小，钢管管路和高压胶管管路可以相互替换使 用，不影响使用效果。 ( 3 ) l o m 长的高压胶管与钢管对系统影响的仿真比较，如图4 1 6 所示。 茹。、。球。，。，；时匮t ( 馨。一一一，、。、，碡 图4 1 6l o m 长管路对系统压力特性影响的仿真图 对于l o m 长的管路，从图4 1 6 可以看出，对于带钢管管路的液压系统，管路入口 的最大压力约为1 4 m p a ，从o 时刻开始到达峰值的时间约为4 0 m s ；对于高压胶管管路， 4 5 西安科技大学硕士学位论文 管路入口的最大压力约为1 2 m p a ，从0 时刻开始到达峰值的时间约为6 0 m s ：对于高压 胶管和钢管管路液压系统，在3 5 0 m s 左右时，速度基本趋于稳定，稳定值约为0 7 m p a 。 二者波形的振荡周期和次数相差较大，对于峰值时间、调整时间、上升时间、延滞时间 等响应性能指标，带高压胶管比带钢管管路的液压系统明显要有所延缓。 ( 4 ) 2 0 m 长的高压胶管与钢管对系统影响的仿真比较，如图4 1 7 所示。 ； 善 素 甚 垂 鼬 ； 锋 。j，曩守网t 【搴。： _ ，女 图4 1 72 0 m 长管路对系统压力特性影响的仿真图 对于2 0 m 长的管路，从图4 1 7 可以看出，对于带钢管管路的液压系统，管路入口 的最大压力约为1 8 m p a ，从0 时刻开始到达峰值的时间约为4 5 m s ；对于高压胶管管路， 管路入口的最大压力约为1 5 m p a ，从0 时刻开始到达峰值的时间约为7 5 m s ：对于高压 胶管和钢管管路液压系统，在3 5 0 m s 左右时，速度基本趋于稳定，稳定值约为0 9 m p a 。 二者波形的振荡周期和次数相差较大，对于峰值时间、调整时间、上升时间、延滞时间 等响应性能指标，带高压胶管比带钢管管路的液压系统明显要有所延缓。因此，可以认 为：对于l o m 长度及以上的液压管路，采用高压胶管或者钢管时，二者对液压系统压力 特性的影响相差较大，带有l o m 以上的管路时，必须要考虑管路的材料对液压系统动态 特性的影响，采用钢管管路或高压胶管管路时必须根据情况选取管路材料。 从图4 1 似1 7 可以看出，对于钢管来说，压力峰值由l m 长时的0 6 7 m p a 上升到 2 0 m 长时的1 8 m p a ，由0 时刻开始压力达到峰值的时间由l m 长时的1 5 m s 延长到2 0 m 长时的4 5 m s ；而对于高压胶管来说，压力峰值由l m 长时的0 6 m p a 上升到2 0 m 长时的 1 5 m p a ，由0 时刻开始速度达到峰值的时间由l m 长时的1 5 m s 延长到2 0 m 长时的7 5 m s 。 对于同样长度的高压胶管和钢管，l m 时管理入口压力由o 时刻开始达到峰值的时间差 为5 m s ，而2 0 m 时液压缸活塞举升速度由0 时刻开始达到峰值的时间差为2 0 m s 。随着 管路的延长，管路的阶跃响应不断的在延迟，速度峰值不断的在上升。 随着管路长度的增加，对于钢管来说，出现响应速度变慢主要是由于液压油的弹性 变形造成的，而对于带有高压胶管管路的系统响应变慢，主要是由胶管的弹性变形和液 压油的弹性变形造成的。随着管路的增长，液压油的质量在增加，造成液压油的惯性在 增大，另外，由于管路内部的摩擦阻力在随着管路增长不断增加，从而造成了压力的峰 4 定重装载液压系统动态特性分析 值随着管路增长不断上升。 4 3 3 长度对系统动态特性影响的分析 。 ( 1 ) 超调量 对于液压缸的举升速度：随着管路的增长，不论是钢管还是高压胶管，超调量都在 降低，对于钢管，峰值由i m 时的0 0 3 i m s 降低到2 0 m 时的o 0 2 5 m s ；而高压胶管则由 l m 时的o 0 3 m s 降低到2 0 m 时的o 0 2 8 m s ，两者的降幅基本相似。钢管的峰值比高压 胶管的峰值略微高，大约为o 0 0 2 m s 。 ( 2 ) 峰值时间 随着管路的增长，不论是钢管还是高压胶管，峰值时间都在延长，并且随着管路的 增长，峰值时间差越来越大，l m 长时二者基本相等，当增加到2 0 m 时，高压胶管的峰 值时间比钢管的峰值时间延长约5 0 m s 。 ( 3 ) 调整时间 随着管路的增长，不论是钢管还是高压胶管，调整时间都在增长；并且随着管路的 增长，调整时间差越来越大，l m 长时二者基本相等，当增加到2 0 m 时，高压胶管的调 整时间比钢管的峰值时间延长约3 5 m s 。说明：随着管路的增长，系统的阻尼在增大。 ( 4 ) 上升时间 对于钢管管路来说，随着长度的增大，上升时间增大的并不多；但是对于高压胶管 管路来说，随着管路的增长，上升时间由l m 时的约5 m s 增大到2 0 m 时的5 0 m s 。随着 管路的增长，高压胶管的上升时间明显比钢管的上升时间滞后，长度越长，滞后的时间 越长。 ( 5 ) 延滞时间 对于钢管管路来说，5 m 长以下的管路延滞时间相差很小，对于5 m 长以上的钢管 管路，延滞时间随着管路的增长略有增加，增加的幅度并不大；但是对于高压胶管管路 来说，随着管路的增长，延滞时间由l m 时的约5 m s 增大到2 0 m 时的5 0 m s 。由此可以 得出：高压胶管管路的距离越长，延滞时间越长，高压胶管的延滞时间明显比钢管的延 滞时间滞后。 ( 6 ) 次数 对于高压胶管来说，长度越长，其振荡次数越小，当长度达到2 0 m 时，其振荡次数 为2 ；对于钢管来说，长度越长，其振荡次数越小，当长度达到2 0 m 时，其振荡次数为 3 ；由此可以推断：