「第三章液压动力机构（优质课件）」.ppt

第3章液压动力机构 主讲 邓晓刚单位 机械工程学院机械电子教研室 特选课件 3液压动力机构 四通阀控液压缸动力机构 1 三通阀控液压缸动力机构 2 负载折算 轨迹及参数选择 3 特选课件 前言 本章主要介绍液压动力机构 其中包括四通阀控液压缸 三通阀控液压缸 对称阀控非对称液压缸等 讨论了动力机构的基本方程 传递函数 频率特性响应及主要性能参数分析 本章是本课程的重点 要求学生熟练掌握动力机构基本方程的列写 系统方块图的绘制 传递函数的推导及其频率特性的分析 熟悉动力机构结构参数对性能参数的影响 负载折算及负载最佳匹配等 特选课件 液压动力机构由液压控制元件 执行元件和负载组成 控制元件可以是控制阀 也可是变量泵 执行机构有液压伺服缸 液压伺服马达 本章重点介绍液压伺服缸 控制方式分两种 泵控系统阀控系统 又称节流式控制系统 液压源通常是恒压源 特选课件 阀控液压动力缸动力机构的动态特性取决于伺服阀 液压缸和负载 动力机构的分析中 假定系统负载为质量 弹簧和粘性阻尼组成的单自由度系统 3 1四通阀控液压缸动力机构 特选课件 3 1 1四通阀控液压缸基本方程 滑阀流量方程 假设 零开口四边滑阀四个节流窗口是匹配对称的供油压力恒定 回油压力为零 特选课件 流量连续性方程 假设 阀与液压缸的连接管道对称且短而粗 管道中的压力损失和管道动态可以忽略液压缸每个工作腔内各处压力相等 油温和体积弹性模量为常数液压缸内外泄漏均为层流流动 特选课件 流量连续性方程 总流量 推动活塞运动所需流量 经过活塞密封的内泄漏流量 经过活塞杆密封处的外泄漏流量 油液压缩和腔体变形所需的流量 特选课件 流入液压缸进油腔的流量 从液压缸回油腔流出的流量 液体是可压缩的 液体等效容积弹性模数 e表示容器中油液的容积变化率与压力增长量之间的关系 特选课件 动态分析时 需要考虑泄漏和油液压缩性的影响 则流入液压缸的流量与流出液压缸的流量不相等 为了简化分析 定义负载流量为 要使压缩流量相等 应使液压缸两腔的初始容积相等 即 特选课件 活塞在中间位置时 1 液体压缩性影响最大 固有频率最低2 阻尼比最小因此 系统稳定性最差 所以 分析时 应取活塞的中间位置作为初始位置 流量方程可整理成 推动液压缸运动所需流量 总泄漏流量 总压缩流量 特选课件 三 液压缸和负载的力平衡方程 负载力一般包括惯性力 粘性阻尼力 弹性力和任意外负载 液压缸的输出力与负载力的平衡方程为 此外 还存在库仑摩擦等非线性负载 但采用线性化的方法分析系统的动态特性时 必须将这些非线性负载忽略 液压推动力 负载 活塞及负载的总质量 粘性阻力系数 负载弹簧刚度 特选课件 3 1 2四通阀控液压缸动力机构方块图 该方框图是以阀的位移为输入量 以液压缸位移为输出量绘出的 反映了在阀的位移及干扰力作用下 液压缸的输出响应 根据动力机构方框图 可以直接写出阀控液压缸动力机构传递函数 特选课件 合并三个基本方程 消去中间交量QL及pL 可得到阀芯输入位移和外负载力同时作用时液压缸活塞的总输出位移 式中 包括泄漏在内的总的压力流量系数 特选课件 3 1 3液压刚度及传递函数的简化 液压弹簧刚度与液压固有频率 负载质量与液压缸工作腔中的油液压缩性所形成的液压弹簧假设 液压缸无摩擦 无泄漏由于液体的压缩性 当活塞受到外力作用产生位移时 一腔压力升高 另一腔压力降低 特选课件 被压缩液体产生的复位力与活塞位移成比例 其作用相当于一个线性液压弹簧 总液压弹簧刚度为 总液压弹簧刚度是液压缸两腔液压弹簧刚度的并联 特选课件 当活塞处于中间位置时 此时的液压刚度最小 如果负载为质量负载 质量为m 则组成一个质量 液压弹性系统 这是一个机械振荡系统 特选课件 注意 液压弹簧刚度是在液压缸两腔完全封闭的情况下推导出来的 实际上由于阀的开度和液压缸的泄漏的影响 液压缸不可能完全封闭 因此在稳态下不存在弹簧刚度 动态时 在一定频率范围内来不及泄漏 相等于一种密封状态 因此液压弹簧是一个动态弹簧 特选课件 如果负载为质量 弹簧系统 则等效的机械振动系统可以看为两个弹簧串联 这时 特选课件 传递函数简化形式 分两种情况讨论动力机构无弹性负载 K 0 忽略因泄漏产生的阻尼系数 动力机构存在弹性负载 K 0很多情况 以惯性负载为主 液压马达伺服系统中 弹性负载很少见 特选课件 无弹性负载 K 0 时传递函数 阀芯位移对液压缸输出的传递函数 外负载对液压缸输出传递函数 特选课件 活塞速度对阀位移的传递函数 稳态时 活塞位移没有确定的值 但活塞速度与阀位移之间有确定的稳态关系 这在速度控制系统中很有用处 特选课件 有弹性负载 K 0 时传递函数 阀控液压缸中 弹性负载比较常见 1 带对中弹簧的功率级滑阀2 材料试验机的负载是硬弹簧 粘性阻尼系数Bc一般很小 特选课件 特选课件 有弹性负载 K 0 时传递函数 弹性负载对阀控缸动力系统的主要影响为 由于弹性负载的存在 传递函数中出现一个转角频率为的低频惯性环节 代替了无弹性负载的积分环节 动力机构固有频率增加动力机构穿越频率降低了倍 这是弹性负载对阀控缸动力系统最重要的影响 由负载弹簧刚度与液压弹簧刚度之间的大小比较 可以将传递函数简化为p50 3 42 3 44 特选课件 3 1 4主要性能参数分析 K 0 决定动力机构的参数主要有动力机构增益 液压固有频率 液压阻尼比和转角频率 速度增益 随流量增益变化而变化 注意不同动力机构形式具有不同的流量增益 同一动力机构 不同工况下流量增益也不同 一个确定的阀 流量增益在零位时最大 设计时一般取流量增益为空载流量增益 特选课件 液压固有频率 在液压伺服系统中 液压固有频率限制了系统的响应速度 提高液压固有频率的方法 增大液压缸活塞面积A 注意与A不成比例关系 同样的负载速度 所需负载流量增大 阀 连接管道 液压能源装置的尺寸重量也随之增大 减小总压缩容积Vt 主要是减少无效容积和连接管道容积 使阀靠近液压缸 最好装在一起 选择合适执行元件 长行程输出力小时用液压马达 反之用液压缸 减小折算到活塞上的总质量m 活塞质量 负载折算到活塞上的质量 液压缸两腔的油液质量 阀与液压缸连接管道中的油液折算质量 提高油液的有效体积模量 e 700 1400MPa 或实测 影响因素 受油液压缩性 管道及刚体机械柔性 油液中所含空气 最严重 避免使用软管 特选课件 液压阻尼比 决定因素 总流量 压力系数Kce 负载粘性阻尼Bc因为 Bc Kce Ctp Kc 所以 h主要由Kc决定 零位时系统的稳定性最差由于库仑摩擦等因素的影响 实际的零位阻尼比要比计算值 按Kc0计算 大 至少为0 1 0 2 或更高一些 Kc随工作点不同会有很大的变化 在阀芯位移xv和负载压力pL较大时 由于Kc值增大使液压阻尼比急剧增大 可使 h 1 其变化范围达20 30倍 因此 是一个难以预测的软量 零位阻尼比小 阻尼比变化范围大是液压伺服系统的一个特点 特选课件 液压阻尼比表示系统的相对稳定性 液压伺服系统一般低阻尼 提高的办法有 1 设置旁路泄漏通道 增加泄漏系数Ctp 但 增大了功率损失 系统性能受温度变化的影响大降低了系统的总压力增益和系统的刚度 增加了外负载力引起的误差 2 采用正开口阀 但 降低了系统刚度 泄漏引起的损失更大 非线性流量增益 稳态液动力变化 3 增加负载的粘性阻尼 需要另设阻尼器 增加了结构复杂性 负载刚度K 0时的情况 课后自行阅读 特选课件 3 1 5四通阀控液压缸动力机构频率特性分析 负载刚度K 0时 由积分环节 二阶振荡环节和放大环节组成 观察由阻尼比对谐振峰值 改变相频特性的形状情况 特选课件 图3 5负载刚度K 0时的阀控液压缸动力机构频率特性 特选课件 负载刚度不为零时 当负载刚度不为零时 传递函数为 这是由振荡环节 惯性环节和放大环节组成 是一个0型系统 为位置放大系数 其随工作点在很大范围内变化 零位时最大 另外 位置放大系数还和负载刚度有关 这与无弹性负载时不同 特选课件 负载刚度K 0时的阀控液压缸动力机构频率特性 特选课件 阀控液压缸的动态柔度的频率特性 传递函数Y F表示在外干扰力的作用下 对输出位移y的影响 这个传递函数称为阀控液压缸动态柔度特性 负号表示外扰动增加时 会引起液压缸速度降低 特选课件 阀控液压缸的动态柔度的频率特性 特选课件 动态刚度频率特性 动态柔度传递函数Y F的倒数F Y称为阀控液压缸动态刚度 动态刚度表示系统的抗干扰能力 惯性环节 比例环节 理想微分环节 二阶微分环节负号表示负载力增加使输出减小动态位置刚度与负载干扰力FL的变化频率 有关 特选课件 动态刚度频率特性 特选课件 0时 得静态位置刚度 稳态时 液压缸相当于一个阻尼系数为A2 Kce的粘性阻尼器 在恒定的外负载力作用下 由于泄漏的影响 活塞将连续不断地移动 没有确定的位置 随着频率的增加 泄漏的影响越来越小 动态位置刚度随频率成比例增大 频段分析 1 在 1的低频段上 惯性环节和二阶微分环节不起作用 则 稳态速度刚度 特选课件 2 在 1 h的中频段上 比例环节 惯性环节和理想微分环节同时起作用 动态位置刚度为一常数 在中频段上 由于负载干扰力的变化频率较高 液压缸工作腔的油液来不及泄漏 可以看成是完全封闭的 其动态位置刚度就等于液压刚度 特选课件 3 在 h的高频段上 二阶微分环节起主要作用 动态位置刚度由负载惯性所决定 动态位置刚度随频率的二次方增加 但一般很少在此频率范围工作 特选课件 3 3三通阀控液压缸动力机构 三通阀控差动液压缸常用作机液位置伺服系统的动力机构 例如仿形机床和助力操纵系统 也用于某些特定的电液伺服系统中 如轧机液压压下系统 理解p60 三通阀控差动液压缸基本方程 特选课件 三通阀控制差动液压缸动力机构方块图 与四通阀控液压缸方框图相似 同样由放大环节 惯性环节和二阶振荡环节构成 特选课件 比较 四通阀通过方框图直接求出的传递函数 特选课件 因为Bc比阻尼系数Ah2 Kce小得多 即 当负载刚度K 0时 上式简化为 特选课件 当负载弹簧刚度K 0 如果满足 特选课件 三通阀控与四通阀控参数比较 三通阀控缸和四通阀控缸传递函数的形式一样 但前者液压固有频率 h和阻尼比 h Bc 0 均是后者的倍原因是 只有一个控制腔 只形成一个液压弹簧 因此 四通阀控缸的动态响应要好得多 特选课件 3 6动力机构的负载折算 负载轨迹及参数选择 选择动力机构的参数 须根据所设计的液压控制系统的实际需要 这其中包括液压能源 执行机构 伺服阀规格等 选择参数前 必须要充分考虑动力机构最大功率 液压系统效率 负载轨迹 负载折算等问题 特选课件 3 6 1最大输出功率及液压系统效率 最大输出功率点为 最大功率为 在稳态情况下 执行元件的输出速度 输出力与阀的输入位移三者之间的关系 1 提高供油压力Ps 使整个抛物线右移 输出功率增大2 增大阀的最大开口面积w xvmax 使抛物线变宽 但顶点不动 输出功率增大3 增大液压缸活塞面积Ap 使抛物线顶点左移 同时使抛物线变窄 但最大输出功率不变 特选课件 液压动力机构效率 空载时效率为0 通常设计时取pL ps 2 3 此时控制系统最高效率为67 7 如果液压源为定量泵 溢流阀系统 通常选择液压泵的输出流量满足负载最大速度需要 则 取QLmax Q0 伺服阀空载流量 可以计算出系统最高效率处于液压动力机构最大功率处 其值为38 注意 此数不绝对 特选课件 3 6 2动力机构的负载折算 负载 液压执行元件运动时所遇到的各种阻力 或阻力矩 包括惯性负载 弹性负载 粘性阻尼负载 摩擦负载 重力负载等 为了分析上的需要 将这些负载等效折算到液压执行元件的输出轴或负载轴上 这个过程称为负载折算 原则 弹性负载折算前的形变能等于折算后的形变能惯性负载折算前的动能等于折算后的动能阻尼负载折算前的阻尼能等于折算后的阻尼能 特选课件 飞行器舵面助力系统的负载折算 目标 将转轴扭簧和扭矩对系统的阻尼负载 惯性负载折算到液压缸输出轴上 a 飞行器舵面助力系统原理图 b 折算到液压缸轴上的等效负载模型 特选课件 根据动能不变定理得 特选课件 3 6 3负载轨迹 负载轨迹是描述负载力和负载速度之间的关系曲线 在v F平面上绘出曲线族 其边界称为负载轨迹 常见的负载轨迹有摩擦负载 惯性负载 弹性负载 粘性负载等 特选课件 1摩擦负载轨迹 静摩擦力 动摩擦力 干摩擦力若静摩擦力 动摩擦力 则此时的干摩擦力称为库仑摩擦力 a 粘性摩擦 b 库仑摩擦 c 静摩擦 d 粘性摩擦和库仑摩擦 特选课件 2惯性负载轨迹 设惯性负载的速度为正弦规律 即 惯性负载力可表示为 则有 则负载轨迹方程为 因惯性力随速度增大而减小 因此负载轨迹点沿逆时针旋转 特选课件 图3 25惯性负载轨迹图 t 0 0 01 10 v 0 025 sin 0 628 t F 8000 0 025 0 628 cos 0 628 t plot F v gridon 特选课件 3弹性负载轨迹 t 0 0 01 10 v 0 05 sin 0 628 t F 800 0 05 cos 0 628 t 0 628 plot F v gridon 特选课件 4合成负载 实际系统中 负载往往是很复杂的 可能由多种典型负载耦合而成 惯性负载 弹性负载与粘性负载合成的轨迹为 特选课件 t 0 0 01 40 v1 0 05 sin 0 157 t v2 0 05 sin 0 314 t v3 0 05 sin 0 628 t F1 8000 0 05 0 157 cos 0 157 t 8000 0 05 sin 0 157 t F2 8000 0 05 0 314 cos 0 314 t 8000 0 05 sin 0 314 t F3 8000 0 05 0 628 cos 0 628 t 8000 0 05 sin 0 628 t plot F1 v1 F2 v2 F3 v3 gridon 3 27惯性负载与粘性负载合成的负载轨迹 相同速度幅值不同频率时的负载轨迹 特选课件 b 不同速度幅值相同频率时的负载轨迹 t 0 0 01 40 v1 0 1 sin 0 628 t v2 0 05 sin 0 628 t v3 0 025 sin 0 628 t F1 8000 0 1 0 628 cos 0 628 t 8000 0 1 sin 0 628 t F2 8000 0 05 0 628 cos 0 628 t 8000 0 05 sin 0 628 t F3 8000 0 025 0 628 cos 0 628 t 8000 0 025 sin 0 628 t plot F1 v1 F2 v2 F3 v3 gridon 特选课件 负载轨迹随频率增加而加大 设计时应考虑最大工作频率时的负载轨迹 有外干扰和不是正弦运动时 很复杂 随速度幅值增加而加大 最有用的工况点 最大功率 最大速度 最大负载力 特选课件 3 6 4动力机构的负载最佳匹配 液压控制系统输出速度和输出力是否满足负载速度和负载力的需要 即动力机构负载的匹配问题 方法 将负载轨迹和动力机构输出特性绘在同一张坐标图中 再进行比较分析 动力机构输出特性Q p图 可以经坐标转换 绘成v F图 特选课件 不同参数时的动力机构输出特性曲线 最大功率点位于 特选课件 动力机构负载匹配 基本条件