（机械制造及其自动化专业论文）取料系统起动特性及速度稳定性的理论分析和实验研究.pdf

原创性声明 删删 y i 8 3 芝5 1 1 i 。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者：起後喊 同期：沙杪年占月岁同 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州 大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学 位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑 州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者：忽：後戒同期：加，d 年 多月；同 摘要 摘要 在炼铁行业中，高炉入料的粒度是炼铁工艺过程中的一项重要指标，为了 保证炼铁的质量和效率，科学、合理、有效的利用入炉物料，钢铁企业需要对 入炉物料粒度进行实时在线检测。针对目前国内粒度检测系统的落后状况，我 校与新乡四达有限公司合作研制出一套新型在线粒度检测系统，该套系统属于 国内首创，极大地提高了炼铁生产的效率和生产过程的自动化水平。由于影响 粒度检测结果的关键因素是取样的准确性，因此本文以该设备中的取料系统为 研究对象，深入讨论了系统中各参数的改变对其起动特性及速度稳定性的影响， 并进行了详细的理论分析和试验研究。 文中详细介绍了取料系统的总体结构和工作原理，并对系统模型进行了适 当简化。在此基础上，利用功率键合图法建立了系统的数学模型，确定了各相 关结构参数值。然后根据数学模型本身的特点，选择了合理的龙格库塔算 法，并利用m a t l a b 软件编制了系统的仿真程序。为了验证仿真模型的f 确与否， 作者还设计了试验装置和微机测试系统，通过现场试验确定了一些无法利用理 论公式计算出的系统结构参数值，采集了大量的试验数据。经过对比试验曲线 和仿真曲线，确定仿真模型的正确性以后，作者对影响取料系统起动特性及速 度稳定性的因素进行了进一步的仿真分析，确定了影响取料系统起动特性的关 键因素是液压系统的工作压力、取样小车本身的质量、液压系统中软管的液容 和钢丝绳的刚度，影响取样过程中小车速度稳定性的主要因素是小车受到的物 料撞击力即外负载。针对这些影响因素，作者通过一系列的理论分析和试验研 究，找出了其影响机理，得出了许多有益的结论，大大提高了取料系统的工作 性能。 关键词：取料系统起动特性速度稳定性m a t l a b 仿真 a b s t r a c t 一一 a b s t r a c t i nt h ei r o ni n d u s t r y ，t h eg r a i ns i z eo fm a t e r i a li nt h eb l a s tf u r n a c ei sa ni m p o r t a n t i n d e xi ni r o na n ds t e e ls m e l t i n gp r o c e s s e s i no r d e rt ou s e t h em a t e r i a l si nt h ef u r n a c e s c i e n t i f i c a l l y , r e a s o n a b l ya n de f f e c t i v e l y , w h i c hc a n i m p r o v et h eq u a l i t ya n d e f f i c i e n 。 c yo fi r o n m a k i n g ，e n t e r p r i s e sh a v et od e t e c tg r a i ns i z eo fm a t e r i a lo n 。l i n e a c c o r d i n g t ot h eb a c k w a r ds i t u a t i o no fd o m e s t i cg r a i ns i z em e a s u r e m e n t ，an e w s t y l ea n d l n n o 。 v a t i v eo n 1 i n eg r a i ns i z em e a s u r e m e n ti sd e s i g n e db yz h e n g z h o uu n i v e r s i t ya n d s i d a l t di nx i n x i a n gc o u n t y , w h i c hh a si m p r o v e dt h ee f f i c i e n c ya n d a u t o m a t i z a t i o nd u r i n g i r o n m a k i n gp r o c e s s a st h el e v e l o fs a m p l i n ga c c u r a c yi sak c yf a c t o rf o rt h e d e t e c t i o nr e s u l t so fg r a i ns i z e t h i sp a p e r a d o p tt h er e c l a i m i n gs y s t e mo fo n 。l i n eg r a m s i z em e a s u r e m e n t 雒s t u d y i n go b j e c t t h e nt h e o r e t i c a la n a l y s i s a n de x p e r i m e n t a l s t u d va r ec a r r i e do u tt oi n v e s t i g a t eh o w t h ev a r i a t i o no fs t r u c t u r ep a r a m e t e r sa n d w o r k i n gp a r 锄e t e r se f f e c tt h es t a r t i n gc h a r a c t e r i s t i c s a n dv e l o c i t ys t a b i l i t yo ft h e s y s t e m t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eg e n e r a ls t r u c t u r e a n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fr e c l a i m i n g s v s t e mi nd e t a i l b a s e do nt h es i m p l i f i e ds y s t e mm o d e l ，a u t h o re s t a b l i s h e s t h es y s t e m m a t h e m a t i c a lm o d e lb yp o w e rb o n dg r a p hm e t h o d sa n dd e t e r m i n e st h ev a l u eo f t h e r e l e v a n ts t r u c t u r a lp a r a m e t e r s t h e na c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fa m a t h e m a t i c a lm o d e l ，aa p p r o p r i a t er u n g e k u t t aa l g o r i t h mi sp r o g r a m m e d w i t hm a t l a bs o f t w a - r em 0 r e o v e ri no r d e rt ov e r i f yt h ec o r r e c t n e s so f s i m u l a t i o nm o d e l ，a u t h o rd e s i g n st h e t e s td e v i c ea n dm i c r o c o m p u t e rt e s t i n gs y s t e mb yw h i c hm a n ye x p e r i m e n t a l d a t aa n da n u m b e r0 ft h es y s t e ms t r u c t u r ep a r a m e t e r sw h i c h t h e o r e t i c a lf o r m u l ac a n n tc a l c u l a t e a r eo b t a i n e d a f t e rc o n f i r m i n gt h ec o r r e c t n e s so fs i m u l a t i o nm o d e lb yc o m p a r i n gt h e e x p e r i m e n t a lc u r v e sa n ds i m u l a t i o ne 1 1 i v e s ，t h e a u t h o ra 由u s t sr e l a t i v ep a r a m e t e r st o c o n f i 衄t h e i rr e p a r a t i v ea n dc o m p r e h e n s i v ee f f e c t so nt h es t a r t i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n d v e l o c i t vs t a b i l i t yo ft h es y s t e m t h en o ws e t t i n gp r e s s u r eo f t h ee l e c t r o m a g n e t i cr e l i e f v a l v e ，t h eq u a l i t yo fs a m p l i n gc a r , t h el i q u i dc a p a c i t yo ff l e x i b l ep i p e i nt h eh y d r a u l i c s v s t e ma n dt h es t i f f n e s so fw i r er o p ew h i c he f f e c tt h es t a r t i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h e s v s t e ma f ed e t e r m i n e d a tt h es a m et i m e ，t h ee x t e r n a ll o a dt h a ti n f l u e n c e st h ev e l o c i t y a b s t r a c t s t a b i l i t yo ft h es y s t e mi sa l s oi d e n t i f i e d i nr e s p o n s et ot h e s ef a c t o r s ，t h ea u t h o r i d e n t i f yt h ei n f l u e n c em e c h a n i s mt h r o u g has e r i e so ft h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n d e x p e r i m e n t a ls t u d y , al o to fu s e f u lc o n c l u s i o n sa r eo b t a i n e dw h i c hc a ni m p r o v et h e s y s t e m sw o r k i n gp e r f o r m a n c eg r e a t l y k e yw o r d s ：r e c l a i m i n gs y s t e m s t a r t i n gc h a r a c t e r i s t i c sv e l o c i t ys t a b i l i t y m a t l a bs i m u l a t i o n t y p eo f t h e s i s ：a p p l i e dr e s e a r c h i i i 目录 目录 1 1 1 高炉入料粒度检测的意义1 1 1 2 课题的米源与背景1 1 2 国内外取料系统的研究现状2 1 3 课题的研究目的及其意义5 1 3 1 课题的研究目的5 1 3 2 课题的意义6 1 4 本文的工作及研究方法6 1 5 小结7 2 取料系统的理论模型8 2 1 取料系统概述8 2 1 1 物料取样的基本要求8 2 1 2 取料系统的总体结构及- 丁作原理8 2 2 取料系统的数学模型1 0 2 2 1 系统的功率流程图1 0 2 2 2 系统功率键合图的绘制1 2 2 2 3 建立系统数学模型时考虑和忽略的冈素1 2 2 2 4 状态变量的确定1 3 2 2 5 状态方程的推导1 4 2 3 取料系统的仿真模型1 5 2 3 1 状态变量初始值1 5 2 3 2 各参数值的确定1 5 2 3 3 仿真算法的选择2 2 2 3 4 约束条件2 3 i v i 一 一 一景 背 一 一 一亨 c 一 一 一源 目录 2 3 5 仿真程序的编制2 4 2 4 本章小结2 5 3 试验装置与测试系统2 6 3 1 试验装置简介2 6 3 1 1 试验装置的设计2 6 3 1 2 机械与液压系统2 7 3 2 微机测试系统的确定2 9 3 2 1 测试系统的组成2 9 3 2 2 测试程序的编制3 0 3 3 试验的内容和方法3 2 3 3 1 试验装置的1 ：作过程3 2 3 3 2 试验目的3 2 3 3 3 试验内容3 3 3 4 试验结果的分析3 4 3 5 本章小结3 7 4 仿真模型的验证3 8 4 1 试验结果与仿真结果的对比3 8 4 2 对比后的结论4 l 4 3 本章小结4 2 5 取料系统的性能分析4 3 5 1 电磁溢流阀调定压力对系统性能的影响4 3 5 2 取样小车质量对系统性能的影响4 7 5 3 软管液容对系统性能的影响4 9 5 4 钢丝绳刚度对系统性能的影响5 2 5 5 外负载对系统性能的影响5 6 5 6 本章小结5 8 6 结论与展望5 9 6 1 结论5 9 6 2 展望6 0 v 目录 参考文献6 l 致谢6 3 个人简历攻读学位期间取得的研究成果6 4 v i 1 绪论 1 1 课题的来源与背景 1 绪论 1 1 1 高炉入料粒度检测的意义 钢铁工业是国民经济的支柱产业，尤其是对于正处在国民经济高速发展中 的中国来说，钢铁工业显得更为重要。在钢铁行业中，炼铁所用原材料都是由 铁矿石、焦炭及各种辅料按照一定的质量比例组成的，而且高炉入料的粒度组 成与分布情况是炼铁工艺过程中的一项重要指标，对高炉冶炼过程影响很大。入 炉物料粒度不均匀或过大，直接影响其物理化学反应过程。入炉物料粒度过小， 将导致炉内物料的透气性变差，煤气上升阻力增大，进而直接影响炼铁的质量 和效率i 。因此，为了保证冶炼时高炉内的物料透气性良好、受热均匀，科学、 合理、有效的利用入炉物料。钢铁企业需要对所有入炉物料粒度进行实时在线 检测，准确把握入炉物料粒度的组成和分布，及时为后续的生产操作提供科学 合理的技术依据，克服生产过程中的盲目性，进而实现降低生产成本，提高生 产效率，保证产品质量的目标。 1 1 2 课题的来源与背景 2 0 世纪9 0 年代以后，在信息技术和控制技术的迅猛发展和广泛应用的推动 下，钢铁工业朝着自动化、高效化、高精度化方向快速发展，生产工艺和产品 质量得到不断改善，自动化技术水平得到显著提高。国内钢铁企业充分利用这 一机遇，纷纷引进各种先进设备和技术，并在其基础上进行吸收、消化和创新， 经过不断的努力和发展，已将自动化技术广泛应用于钢铁生产的工艺装备、生 产过程的控制和生产管理等各个环节，有的甚至达到国际先进水平。之所以有 这样的结果，一是在经济全球化、市场国际化的形势下，国内钢铁企业充分认 识到自动化技术在企业发展中所起到的重要作用，不采用新技术，不搞自动化， 就很难提高产品质量和生产效率，就很难在激烈的市场竞争中占有一席之地。 二是企业真正享受到了自动化技术的应用为企业所带来的巨大效益。三是企业 在基建和技改项目上高度重视自动化技术，肯于投资乜1 。 首钢始建于1 9 1 9 年，解放前累计产铁2 8 6 , 3 吨。新中国成立后，首钢获得了 快速的发展，1 9 5 8 年建起了我国第一座侧吹转炉，结束了首钢有铁无钢的历史。 1 1 绪论 1 9 6 4 年建成了我国第一座3 0 吨氧气顶吹转炉，揭丌了我国炼钢生产的新篇章。 1 9 7 8 年其钢产量达至1 j 1 7 9 万吨，成为全国十大钢铁企业之一口1 。改革丌放以后， 首钢集团抓住这一发展机遇，大力引进高新技术和先进设备，并结合自身的科 研优势，不断提高其生产工艺和技术水平。例如：研制出了具有国际先进水平 的高炉炼铁人工智能冶炼专家系统和具有国际领先水平的热风炉大功率短焰燃 烧器技术等等。2 0 0 7 年3 月，首钢开始向河北唐山曹妃甸进行战略搬迁，这次搬 迁调整不是简单的设备转移，而是站在当今国际、国内最先进的钢铁冶炼技术 水平的基础上来实现企业技术的自主集成，工艺技术水平的跨越发展和装备的 更新升级。进而将首钢建设成为一个具有国际先进水平的钢铁联合企业，实现 中央提出的高科技、低消耗、污染少、效益好、人力资源优势得到充分发挥的 最终目标。在这次搬迁过程中炼铁设备和技术都将面临着一次大规模的全新升 级和改造，其中国内最大的炼铁高炉已在曹妃甸工业区新首钢兴建完成，这座 5 7 0 0 m 3 的高炉是新首钢炼铁项目的主体工程，不仅是目前国内最大的炼铁高炉， 也是世界上最大的高炉之一h 1 。为了保证该炼铁高炉的主要技术经济指标、整体 技术装备水平和自动化程度达到国际同级别高炉的先进水平，首钢迫切需要一 种高炉入料粒度在线检测系统。在这种情况下，首钢提出了在线粒度检测系统 的各项技术指标并面向国内外公开招标。 1 2 国内外取料系统的研究现状 取料系统是粒度检测系统中的一项关键设备，其结构的合理与否和性能的 好坏，直接影响到粒度检测结果的准确性。2 0 世纪7 0 年代以来，取料系统逐渐 成为钢铁工业自动化生产中不可缺少的设备之一。西方发达国家例如美国、德 国、同本等，为了提高本国钢铁企业在国际市场上的竞争力，纷纷利用自身的 科技优势并投入巨额资金来研发此类设备。经过多年的发展和改进，国外的取 样技术日趋成熟，并且在钢铁企业中得到了广泛的应用，为企业带来了巨大的 经济效益。 美 r a m s e y 公司分别于1 9 8 7 年和1 9 9 0 年为我国霍林河一号露天矿研制出两 套取料系统。该系统主要由初级采样器、破碎机、二级采样器、二级给料机、 三级采样器、样品收集器及弃料皮带等部分组成，整套设备采用微机控制，实 现了取样过程的自动化，并可以按照事先设定的时间间隔进行切割采样。经过 2 1 绪论 多年的生产运行，各项数据指标表明该取料系统采样精密度高，准确度高，操 作方便，大大降低了工人的劳动强度1 5 j 。 1 9 9 2 年，美国的j o h nbl o n g 公司为澳大利亚的一家矿山企业研制出一种适 合于各种矿物如煤炭、矿石、散装物料的新型自动取样机。该取样机采用大功 率的电机通过齿轮齿条机构驱动截样器工作，取样时截样器以较高的速度横穿 皮带运输机头部下落的物料流，以确保其运动轨迹垂直于皮带运输机的纵向中 心线，而且避免了因不j 下常干扰所造成的取样偏差，保证了取样的准确性、真 实性。该取样机经过长时间的现场试运行，各项数据指标表明该设备工作性能 良好，取样结果真实、可靠，丝毫不逊于国际上公认的停机取样的最佳取样方 式。正是由于该取样机良好的工作性能能够满足大型皮带运输机取样工作的需 要，继这之后，美国国内又有7 5 套同类设备相继投入生产使用1 6 j 。 目前，国内的炼铁行业很少有专门的取样设备，取样方式相对落后。尽管 宝钢炼铁高炉前安装有胶带式取样机，但该设备工作流程复杂，工作时取样机 运行速度低且不稳定，所取样品的误差较大，不能准确地反映入炉物料的品位。 而国内其它炼铁企业大都采用手捡、铁锹铲、停机刮皮带等人工取样的方式进 行取样，采用此种方法取样时，所取样品不但存在较大的人为误差，代表性差、 取样偏析大，而且工人的工作环境恶劣、劳动强度大、安全可靠性低，严重影 响企业的产品质量和生产效率。 自动取样机一般分为三类：初级取样机、次级取样机和试样分配器。当物 料流较小时，次级取样机可以取代初级取样机进行工作；当物料流较大时，初 级取样机也可做为次级取样机来用哺1 。 初级取样机的主要类型有：自由降落式和交叉皮带式。自由降落式的取样 方式有摇臂式、链斗式、交叉溜槽式和回转式等，如图1 1 所示。 3 1 绪论 图1 1 从自由降落料流取样的初级取样机旧1 次级取样机的类型主要有v e z i n 型，它截取的是物料流的径向断面。试样分 配器的类型主要有：槽皮带型、轻载荷链一斗型、回转型和简单式，如图1 2 所 示。 一 赢形 一二觥 图1 2 次级取样机【9 1 综上所述，自动取样机国内外早已有研究，上述的各种设备也都有其适用 4 鱼 匠 l 绪论 一 的领域。但鉴于首钢5 7 0 0 m 3 炼铁高炉生产现场的工作条件和技术要求，上述设 备都不能满足其生产要求，需另行研制丌发。 1 3 课题的研究目的及其意义 1 3 1 课题的研究目的 目自i f 国内企业引进的自动取样机主要采用电机通过齿轮齿条的传动方式驱 动取样器进行取样。但由于该种取样机本身具有较大的惯性，起动时例长，取样 时速度较低，使得截取的样品质量较大。进而造成后续的分析枪涮琏胃体积过 于庞大( 一般有l o - 2 0 m 高) ，增加了设备成本( 2 5 万至上百万美元) ，同时 也增加了弃料的处理难度i l 川。 鉴于上述基本情况，郑州大学与新乡四达有限公司经多方调研和研究，共 同为首钢曹妃甸新建高炉研制出一套新型在线粒度检测系统。该系统主要由取 料系统和安装于其下面主机架上并依次上下连通的称重料仓、筛分机构和分级 称量机构所组成。其中取料系统由液压控制系统和机械装置两大部分组成，液 压控制系统包括液压泵、换向阀、液压缸和调速阀等液压元件，其通过调节调 速阀的流量来控制液压缸的速度。机械装置是由齿轮齿条增速装置、绳轮、钢 丝绳和取样小车等组成的质量弹簧系统，其结构如图1 3 所示： 1 供油系统2 双出杆液压缸3 增速装置4 绳轮5 导轨6 钢丝绳7 取样小t - 8 涨紧轮 图1 3 取料系统的结构简图 系统工作时，双出杆液压缸通过齿轮齿条增速装置驱动绳轮，绳轮通过缠 绕其上的钢丝绳带动取样小车运动。当双出杆液压缸以某个调定速度作直线运 动时，钢丝绳会以9 8 倍的速度拉动取样小车沿导轨快速运动，而且液压缸的运 5 1 绪论 行速度主要由调速阀流量所决定。因此，该取料系统可以通过调节调速阀的流 量来控制小车的取样速度，进而实现无级调速。 但是该系统存在以下两点技术问题，严重影响其实际使用性能。 1 ) 当调速阀流量较小时，小车在运行过程中速度极不稳定，甚至出现爬行 现象。 2 ) 当调速阀流量较大时，小车运行速度过高，在截取物料时受到的撞击力 增加，导致小车的速度波动加剧，进而影响取样的准确性。 经过理论分析，认为调速阀的动态特性、油液的可压缩性和外负载的大小 均对取料系统的工作性能有很大的影响。为了改善该取料系统的工作性能，本 文作者对系统的结构进行了重新设计，将液压系统的执行元件更换为液压马达， 其输出轴通过减速机与绳轮相联，并且在液压马达进出口两端加装制动溢流阀， 保证小车在有限的距离内迅速制动。本课题主要以改进后的取料系统为研究对 象，对其起动阶段的动态特性及取样时小车速度稳定性进行理论分析，并结合 现场试验数据，确定系统中各参数对其起动特性及速度稳定性的影响，进一步 完善取料系统的工作性能。 1 3 2 课题的意义 1 本文所研究的这套在线粒度检测系统在国内属于首创，并已获得国家专 利。整套设备于2 0 0 8 年底在首钢安装试用，各项数据指标表明该设备工作性能 良好，完全达到预先的设计要求，现已通过首钢的鉴定并验收。 2 该系统填补了国内高炉入料粒度在线检测方面的空白，提高了首钢高炉 炼铁的产品质量和自动化水平，具有很高的实用价值和市场前景。 3 本文通过对取料系统起动阶段的动态特性及取样过程中小车速度负 载特性的研究，不断改善其起动特性和速度稳定性，有利于进一步完善在线粒 度检测系统的整体性能并促进该系统的推广和应用。 1 4 本文的工作及研究方法 研究液压系统动态特性的方法很多，过去常用的是古典控制理论中的传递 函数分析法。这种方法主要适用于分析单输入、单输出，以及初始条件为零的 液压系统的稳定性，但仅限于线性系统。对于非线性系统则要进行线性化，而 6 l 绪论 有些严重的 e 线性系统很难进行线性化，这些限制都影响了传递函数分析法的 进一步应用。 现代控制理论运用功率键合图和状态空间法对液压系统的动态特性进行数 学仿真。首先建立系统在动态过程中的数学模型( 即状态方程) ，然后选择合 适的数值算法，并在计算机上进行仿真，最终得到系统的动态特性。该方法适 用于多输入、多输出及状态变量初值可以不为零的液压系统和含有非线性因素 的液压系统1 1 卜1 2 1 。 本文利用功率键合图和状态空间法建立了系统的数学模型和仿真模型，并 结合现场试验所测得的某些结构参数和试验曲线，对取料系统的起动特性和速 度稳定性进行理论分析和试验研究。本文的主要工作包括： 1 ) 详细介绍了取料系统的总体结构和工作原理，同时利用功率键合图和状 态空间法建立了该系统的数学模型，并确定了各相关参数值。 2 ) 选用四阶龙格库塔法编制系统仿真程序，利用m a t l a b 软件运行仿真 程序，并根据仿真结果对系统的起动特性和速度稳定性进行了理论分析。 3 ) 设计了系统的试验平台，确定了一些无法利用理论公式计算出的结构参 数并采集了试验曲线，利用试验曲线对仿真模型进行了验证。 4 ) 在确定仿真模型的f 确性后，根据仿真结果确定了影响系统起动特性及 速度稳定性的主要参数，并寻求了最优的工作参数以使系统的工作性能达到最 为理想的状态。 1 5 小结 首先介绍了高炉入料粒度检测的意义，分析了国内外取样机的基本类型和 研究现状，引出了本文的研究对象在线粒度检测系统中改进后的取料系统，最 后阐明了本文的研究方法和主要内容。 7 2 取料系统的理论模型 2 1 取料系统概述 2 取料系统的理论模型 2 1 1 物料取样的基本要求 一个正确的取样方案的基本要求是：一批物料的所有部分都有同等的机会 被选取并成为样品中的一部分，任何偏离都会有损于取样的真实性和准确性。 因此，对于皮带输送机上的物料流来说，其最佳取样位置应位于皮带输送机之 间的转运点处。在这罩能够方便地截取到物料流的全截面，保证得到有代表性 的样品，既不会伤及皮带，也不影响物料的正常输送1 1 3 j 。 本文所研究的取料系统安装在物料转运站的皮带输送机头轮下方，取样时 取样小车以一定的速度通过物料流并截取物料流的全截面，同时把截取的样品 直接输送到后续的筛分和检测装置以检测物料的粒度组成和分布情况。现场的 工作环境条件和技术要求如下： 1 ) 所取物料主要为铁矿石或烧结矿，其最大粒度为6 c m 。 2 ) 皮带输送机的带宽为2 2 m ，输送速度为2 m s ，最大输送量为5 7 0 0 t h 。 3 1 取料系统中设有调速装置，通过调节取样小车的速度可截取不同质量的样品。 4 ) 后续的筛分和检测装置一次处理能力小于2 5 0 k g ，因此每次所取样品质量不能 超过2 5 0 k g 。 5 ) 由于工作场地有限，取料系统的长度不能超过5 m 。 2 1 2 取料系统的总体结构及工作原理 改进后取料系统的结构简图如图2 1 所示，其主要由液压站1 、液压马达2 、 减速机3 、绳轮4 、钢丝绳5 、取样小车6 、导轨7 和涨紧轮8 等部分组成。当 取样指令发出后，液压站向液压马达输送高压油，液压马达驱动减速机带动绳 轮转动，绳轮上的钢丝绳拖动取样小车使其沿导轨方向做直线运动。当小车经 过皮带输送机头轮下方时，皮带输送机头轮下落的物料从小车取样口进入小车 内部，并通过取样小车下方的溜槽导入收料斗内，从而完成一次取样。在取样 过程中取料与导料同时进行，即缩短了取样和检测的周期，又保证了取样过程 中小车的质量基本保持不变。该取料系统通过换向阀来控制液压马达输出轴的 8 转动方向，进而 r + 7 h 、。 i ) i - l ：! ： - 4 。 i 。1 1 液压站2 取料系统的 阀、换向阀、液 阀的电磁铁通电 状态，低负载起 中的溢流阀接入 压马达，实现液 正常工作时，制 经其流回油箱。 量经电磁溢流阀 液压马达继续转 达出口压力达到 小车制动过程中 小车的制动。该 以通过改变液压 取不同质量的样 节电磁溢流阀的 限的起动距离内 2 取料系统的理论模艰 7 8 1 过滤器2 液压泵3 电磁溢流阀4 换向阀5 制动溢流阀6 液压马达7 压力表 8 压力表开关9 交流电机1 0 液位计1 1 加热器或冷却器1 2 空气过滤器 图2 2 取料系统的液压控制系统 2 2 取料系统的数学模型 2 2 1 系统的功率流程图 根据能量守恒定律，一个系统中所流动的能量总是守恒的。当系统工作时， 确定能量的流动与消耗之间的关系，就可以准确地把握该系统的本质1 1 4 l 。系统 的功率流程图又是建立系统功率键合图的基础，经过理论分析，得出了取料系 统的功率流程图，如图2 3 所示： 1 0 2 取料系统的理论模型 图2 3 取料系统的功率流程图 取料系统功率流程图中各符号的意义如下： s ，输入流源，即液压泵的输出流量 兄液压泵的泄漏液阻 尼电磁溢流阀的液阻 尼换向阀进油通道的液阻 咒换向阀回油通道的液阻 尼制动溢流阀1 的液阻 疋制动溢流阀2 的液阻 忍液压马达的泄漏液阻 c 液压泵与换向阀之间管道的液容 c 液压马达与换向阀之间进油管道的液容 c 1 液压马达与换向阀之间回油管道的液容 e 取样小车前段钢丝绳的柔度 c 取样小车后段钢丝绳的柔度 绳轮、减速机等效在液压马达输出轴上的等效转动惯量 l 取样小车的惯量 m ，减速机的粘性摩擦力矩 f 取样过程中的外负载 图2 4 取料系统的功率键合图 于 关 直 的 该系统的功率键合图包括了系统起动阶段、取样阶段、制动阶段三种不同的 工作状态。因此，在建立该系统的数学模型时，功率键合图中的足、心、r 、 r 四个阻性元在不同的工作状态下取值也是不同的。本文主要工作是分析取样 小车在起动阶段的起动特性和取样阶段小车的速度稳定性，而当取料系统处于 上述两阶段工作状态时，液压马达两端的制动溢流阀处于关闭状态，因此r 、r 6 的取值为无穷大，墨、凡的取值为一定值。 2 2 3 建立系统数学模型时考虑和忽略的因素 当液压控制系统比较复杂，并且影响系统稳定工作的因素又有很多时，如 1 2 2 取料系统的理论模型 果把所有影响因素全部考虑进来，不仅会造成系统的建模困难、模型复杂。而 且系统的数学模型可能会出现病态问题，不利于下一步的求解计算l r 7 1 。因此在 建立系统数学模型前，必须对系统进行适当简化，忽略一些次要因素。对于一 些影响建模但又必须在仿真过程中加以考虑的因素。在建模时先忽略，等数学 模型建好后，通过在仿真程序中添加约束条件的方式予以解决。通过对取料系 统的详细分析，本文作者决定忽略以下影响因素： 1 ) 较小的液容和液感 较小的液容、液感对取料系统的实际工作性能影响不大，如果考虑进来不 但会增加系统状态方程的阶数，而且还可能导致出现刚性方程的问题。此类因 素主要包括：各个控制阀的阀腔液容，各个控制阀阀芯和弹簧的质量，液压软 管中油液本身的液感，涨紧轮的转动惯量等。 2 ) 较小的泄漏和阻力 取料系统中各个控制阀阀口的压力损失，油液在软管内流动时的沿程压力 损失和局部压力损失。各个控制阀阀芯与阀体之间的粘性摩擦力和库仑摩擦力， 取样小车导向轮与导轨之间的摩擦力，钢丝绳和涨紧轮之i 日j 的摩擦力等。 2 2 4 状态变量的确定 利用功率键合图法推导出的系统状态方程是一个一阶微分方程组，其中的 状态变量之间具有导数关系。而在键合图中，只有容性元和惯性元的两个变量 之间才具有导数和积分关系。因此，规定系统中的i 元和c 元上自变量的积分 可以作为状态变量【墙】。经过分析确定取料系统的状态变量共有7 个，分别为：k 、 k 、蚝、匕、已、x ：8 、x ，各状态变量的意义如下： k 因油液压力升高，液压泵与换向阀之间软管需要补充的油液体积 k 因油液压力升高，液压马达进油腔和进油软管需要补充的油液体积 k ；因油液压力升高，液压马达出油腔和回油软管需要补充的油液体积 焉减速机、绳轮等效到液压马达输出轴上的等效转动惯量的动量矩 心取样小车的惯量 x ，。取样小车前段钢丝绳的伸长量 x ，取样小车后段钢丝绳的伸长量 1 3 2 取料系统的理论模型 2 2 5 状态方程的推导 在确定了系统的状态变量和自变量后，可以根据功率键合图中的i 元和c 元的特性，写出有关功率键上的状态变量和因变量的关系【1 9 l 。如下所示： 只- g v 3最2 芑耻苦f 2 9 = = 鲁 f 3 3 = = 鲁= 鲁 一鲁 ( 2 1 ) 式中： 只液压泵出口压力 只液压马达进口压力 只；液压马达出i z i 压力 只。取样小车前段钢丝绳的弹性力 只，取样小车后段钢丝绳的弹性力 w 2 0 液压马达输出轴的转速 取样小车的速度 在利用功率键合图建立系统状态方程的过程中，需要把功率键合图中的i 元和c 元上的自变量以状态变量的一阶导数的形式表示，分别为：吃、吃、砖，、 屯、成、岩矿戈。，。它们分别对应功率键合图中的自变量吼、吼、q 1 ，、m 、 民、v 3 3 ，其中： 成液压泵与换向阀之间管道单位时间内需要补充的流量 珑液压马达进油管道单位时间内需要补充的流量 皖；液压马达回油管道单位时间内需要补充的流量 屯液压马达输出轴所具有的惯性矩 戍取样小车的惯性力 戈，。取样小车前段钢丝绳的运行速度 岩，取样小车后段钢丝绳的运行速度 根据取料系统中状态变量与因变量的以上关系，可以推导出系统的状态变 量、因变量和输入变量之间的函数关系，即状态方程： = s f - c i l + 击，暑一c 鲁一芑，石1 c 2 1 4 2 取料系统的理论模型 吃= ( 毒一丘c 2 ) 百1 一芑百1 一鲁y 蜘鲁一兽1 r 聃毒一肌寺一孑也 戌鲁鲁一， 珏鲁手 也t 鲁一鲁畸 式中： y 液压马达单位弧度的排量 i 减速机的传动比 2 3 取料系统的仿真模型 2 3 1 状态变量初始值 状态变量的初始值代表系统在产生动态过程前各状态变量的数值，这些数值 可以根据初始平衡状态时的物理意义求得。本文所研究的取料系统在起动之前 处于一种平衡状态，液压泵卸荷运转，输出流量全部经二位二通换向阀流回油 箱，其出口压力为零，液压马达进出口压力也为零。因此可知坞、k 、k ，的初 始值为零。液压马达、减速机、取样小车和钢丝绳均处于静止状态，因此状态 变量匕、& 、x 篮、如的初始值也均为零。 2 3 2 各参数值的确定 状态方程中各参数值应以系统的实际结构为准，部分参数值可以根据有关 的基本公式计算得出，其它参数值可以通过试验测得。 1 ) 确定输入流量值 状态方程中的输入流量s ，为液压泵的理论输出流量，该取料系统所用轴向 1 s ) ) ) ) ) ) 3 4 5 6 7 8 2 2 2 2 2 2 k，l (，kl 2 取料系统的理论模型 柱塞泵的排量为2 5 m l r ，转速为1 5 0 0 r r a i n ，因此可以求出： s r 。2 5 x1 i 5 0 0 _ x1 0 - 6 。6 2 5 1 0 1 1 ) 4 沏3 s ) ，一一i ，l s l 6 0 、。7 2 ) 确定电磁溢流阀的调定压力 由于导轨的长度有限，而取料系统又要求取样小车快速起动并在较短时间 内达到速度稳定状态。因此，液压泵出口处的电磁溢流阀的调定压力不能过低， 否则直接影响系统的整体性能。在试验过程中，电磁溢流阀的调定压力一般选 在8 m p a - - - 1 5 m p a 之间。在仿真分析过程中，同样可以通过设定不同的电磁溢 流阀调定压力来分析整个取料系统的工作性能。 3 ) 确定液压泵的泄漏液阻 液压泵的泄漏主要是指其内部的高压腔到低压腔的油液泄漏，取料系统所 用轴向柱塞泵型号为2 5 s c y l 4 1 b ，其排量v 为2 5 ，l z ，额定压力只为 3 1 5m p a ，额定转速以为1 5 0 0 r m i n ，经查阅资料i 捌，得知其容积效率碾，为 9 2 3 8 ，经过计算可得液压泵的泄漏液阻为： r ：二l 一；0 6 6 x 1 0 1 2 ( s m 5 ) 1 ( 1 一，7 。) v 以 、7 4 ) 确定电磁溢流阀的液阻 电磁溢流阀的液阻是由液压系统的流量与其本身的调定压力共同所决定 的，根据溢流阀流量与压力的特性曲线，其液阻可用近似分段的线性关系柬表 示【2 l j ： 当p 0 9 尸，时足。 当o 9 es p o 9 7 x p y 时 当0 9 7 x p ys p 0 9 9 x p y 时 当0 9 9 x gs 尸 e 时 当p 芑弓时 式中： p 液压泵出口处的压力 见；3 昱 | r 号 。5 只 见一一x l 4s f r ：曼 1 6 2 取料系统的理论模型 只，电磁溢流阀的调定压力 s ，液压系统输入流量值 确定换向阀进油通道的液阻和回油通道的液阻 考虑到换向阀的电磁铁在得电后反应很快、换向时间很短，对取料系统的 态特性影响很小。所以在建立取料系统数学模型时，为了避免状态方程出现 性问题，忽略了换向阀的换向液阻。当换向阀换向后，其进出油通道的液阻 阀芯与阀体的丌口度决定，而换向阀阀芯与阀体的丌口为节流口，油液流经 流口时的流量特征方程为f 2 2 2 3 l ： q ；c 0 l r ( 2 x a p ) 妒 ( 2 9 ) p 由上述流量特征方程可得换向阀的阀口液阻公式为： 尺；a p ：( 2 x a p p ) l - ) 鼋q 4 ( 2 1 0 ) 式中： 4 阀口的通流截面积 p 液体密度 妒指数，取值在0 5 1 0 之间；薄壁孔时，驴= 0 5 ，细长孔时， 驴= 1 0 c 流量系数，其大小与雷诺数r 有关。试验表明：当液体的流动 为层流时，q 随r 的增加而增加；当雷诺数超过临界值，液体 的流动状态为紊态时，c 值近似为常数。在实际应用方面，液 体流经薄壁孔时多为紊态状态，因此，e 值为常数，其值一般 在0 6