（机械电子工程专业论文）阀控缸压力冲击产生机理及抑制措施的研究.pdf

东北大学硕士学位论文 阀控缸压力冲击产生机理及抑制措施的研究 摘要 阀控非对称缸系统是现代冶金设备中比较常见的液压动力机构，是生产设备 的核心部件。阀控非对称缸的压力冲击问题是现场生产设备存在的一个很普遍的 问题，它在不同程度上影响系统的性能，严重的可能造成设备不能正常工作。研 究该冲击产生的机理，并找出相应的抑制措施，对提高现场设备生产率、保证设 备的正常运转具有重要意义。 本文以一套典型的阀控非对称缸系统为研究对象，应用功率键合图理论分别 对系统中的各个液压元件进行建模，并在此基础上建立了完整的系统键合图模型。 根据理论分析，将引起系统压力冲击的原因分为三个主要因素，并逐一的对其进 行分析研究、提出了改进方案及抑制方法。利用专用键合图仿真软件2 0 s i m 对所 建立的键合图模型进行仿真分析，分别对三种引起液压冲击的主要因素进行了仿 真研究，并通过仿真分析证明了改进方案有效地减小了系统的压力冲击、改善了 系统性能，为实际系统的改进提供了有力的理论基础。最后，对现场实际系统进 行了信号采集。通过现场实测数据与计算机仿真结果的对比分析，证明了系统键 合图模型的正确性。 关键词：液压冲击；功率键合图；非对称；阀控液压缸 查j ! 查兰堡圭兰垒丝兰 一一一竺翌! ! ! 生 t h er e s e a r c ho fi m p a c tm e c h a n i s mo fc y l i n d e r c o n t r o l l e db yv a l v ea n dr e s t r a i n a b l em e a s u r e a b s t r a c t t h es y s t e mo fn o n - s y m m e t r yc y l i n d e rc o n t r o l l e db yv a l v ei sn o r m a lh y d r a r l i c e n g i n eu n i ti nc o n t e m p o r a r ym e t a l l u r g ye q u i p m e n t s ，s oi t i si m p o r t a n tp a r to ft h e p r o d u c t i n gm a c h i n e s p r e s si m p a c tp r o b l e ma b o u tn o n - s y m m e t r yc y l i n d e rc o n t r o l l e db y v a l v eh a p p e n su s u a l l yw h e np r a c t i c a lw o r k i n gp r o c e s s ，w h i c he f f e c t ss y s t e mc a p a b i l i t y i nd i f f e r e n te x t e n t ，s e r i o u s l yw h i c hm a k e se q u i p i m e n ti nn oa v a i le v e nm o r e h e n c e ， r e s e a r c h i n gt h em e c h a n i s mo fi m p a c ta n dt r y i n gt of i n dt h es o l u t i o nc o r r e s p o n d i n gh a v e s i g n i f i c a n tv a l u ef o ri m p r o v i n gt h ep r o d u c t i v i t ya n dm a k i n g u n i t sm nc r e d i b l y a u t h o rf o u n d se v e r yh y d r a u l i cu n i t sm o d e la p p l y i n gt ob o n dg r a p ha i ma t r e p r e s e n t a t i v en o n s y m m e t r yc y l i n d e rc o n t r o l l e db yv a l v es y s t e ma n db a s e do nw h i c h i n t e g r a t e db o n dg r a p hm o d e lf o rs y s t e mi se s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt ot h e o r ya n a l y s i s ，w e g e tt h r e em a i n l yf a c t o r sa st h e e a s o no fs y s t e mp r e s si m p a c t ，a n da n a l y z et h e mo n eb y o n e ，t h e nw eb r i n gf o r w a r da m e l i o r a t i o nm e t h o da n dr e s t r a i n i n gm e a s u r e u s i n gs p e c i a l b o n dg r a p hs i m u l a t i o ns o f t w a r e - 2 0 - s i m w es i m u l a t et h es y s t e mb o n dg r a p hm o d e l a n dr e s e a r c ht h r e ed i f f e r e n tm a i n l yf a c t o mr e s p e c t i v e l y c o n d u s i o np r o v e st h em e t h o d s c a nd e c r e a s ep r e s si m p a c to b v i o u s l ya n di m p r o v es y s t e mc a p a b i l i t y , w h i c hp r o v i d e t r e n c h a n tt h e o r yf o u n d a t i o nf o ra d j u s t m e n to fp r a c t i c a ls y s t e m f i n a l l y , w ec o l l e c t p r a c t i c a l s y s t e m sw o r k i n gs i g n a l c o m p a r e dw i t hs i m u l a t i o nr e s u l t s ，i tp m v e st h e s y s t e mb o n dg r a p hm o d e li sf e a s i b l e k e yw o r d s ：p r e s si m p a c t ；b o n dg r a p h ；n o n - s y m m e t r y ；c y l i n d e rc o n t r o l l e db yv a l v e i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 j 学位论文作者签名：麓参磊 日期：易对、j 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源、目的及意义 液压冲击问题一直是液压系统和液压元件常见故障之一。液压冲击使系统产 生振动和噪声，不仅破坏液压元件，严重影响液压元件的使用寿命，而且严重妨 碍了液压系统的正常工作i l 】【2 】。某钢厂冷轧焊接系统采用阀控液压缸伺服系统作为 其焊件的固定装置，该装置压力较大，并且换向频繁，在实际工作中经常发生液 压冲击现象，严重地影响了整套系统的正常工作 1 1 ”。 因此，如何从理论上找出系统发生液压冲击的机理和系统设计上的不合理因 素，进而为实际系统的改进设计提供理论基础和方法是非常必要的。 宝钢2 0 3 0 的焊接系统夹紧装置是一套典型的对称阀控制非对称缸系统，该系 统冲击现象明显，对液压缸的损坏严重，现场每三个月就要更换液压缸一次，严 重影响了公司的正常生产。 本文从建立该系统的键合图模型入手，通过计算机仿真分析系统的动态特性， 找出影响系统性能的主要因素、产生液压冲击的机理和设计上的不合理因素，进 而提出改进系统设计和抑制液压冲击的方法，为实际系统的改进设计奠定了理论 基础。 1 2 系统建模方法简介 系统模型的建立是研究一套系统的根本，它是对系统的各项性能进行仿真分 析的基础。因此，系统模型的建立方法对课题的研究是十分重要的。 系统建模的传统方法是由三个动力机构的基本方程，即滑阀的流量方程、液 压缸连续性方程和液压缸及负载的力平衡方程，来推导出系统的传递函数和状态 方程，并通过对系统的状态方程的研究来分析系统的各项性能。这种方法虽然可 以实现对系统的分析，但是其传递函数和状态方程的推导过程复杂，对于一些比 较复杂的系统甚至很难得到系统的状态方程，而且这样推导出的系统模型不容易 修改，一旦对系统进行比较微小的改动，有可能就要重新做一次繁琐的推导。 因此，本课题采用了一种比较先进的建模方法，即功率键合图法。键合图法 不仅能表示系统中元件的信号流向，而且能表明功率流向，以及控制信号的因果 关系。此外，键合图标识法中以一定的规则确定因果关系，因而画出的键合图外 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 观形状对同一工程系统基本相回，简单易懂、易于修改。键合图元件之间的连接 线包含有两个变量，故能与真实部件类似地表明返回效应。显然，键合图表示法 要比传统的建模方法方便很多，更有利于对系统的分析。 工程系统是极其复杂多样的，一个系统不仅涉及一种能量范围，如纯电力、 纯机械系统，而往往是多种能量范骑的耦台，如电液伺服系统就包含有电、机械 及液压等范畴的能量。现有的系统建模分析方法大舔仅适用于一种能量范畴或特 定类型的系统。要根据各种德量之问的转换关系加以耦合，而键合图则提供了一 种能统一处理多种能量范畴驰工程系统韵动态建模分析方法。它将多种物理参量 统一地归纳成四_ 种状态变量，而且它只需少量几个元件标记，“用键和一些符号把 它们联系起来，就可构成包含电、磁、枫城、液压，气动、热力等工程系统的动 态模型。键合图表示法从绘制键合图开始，都可按事先规定好韵步骤有条不紊地 进行，尤其是配以专用的计算机稷痔，强藉落蕊蹬盼完整的键合图模銎俸为计算 机的输入，就可以得至在给定激励下系统动态确瘟的仿真结果。 最后还器指出，为了简化忽雅7 一些因素所建立起来的键合图模型，如果 仿真结果与实际榴差较大，可以很方便璃对键含爵橇型进行修改，而不改交模型 的大体结构，这在其他传统系统分析方法中悬缀难傲到的。当然，、键合瘸并非万 能。也决非完美无缺，正因为如此，哥前有些学者在应用它解决实际蠲题的过程 中，仍在进一步发展和完善这一理论，并推广判其他薪韵领域。 1 3 国内外研究动态综述 1 3 1 调控非对称缸系统发展概述 阀控液压缸系统是最普通、最常见的液压动力机构，是通过伺服婀控制从液 压油源流入液压缸的流量对液压缸进行控毒的。 通常液压缸分为对称缸和非对称缸舞种，在现有系统中以对称缸韵应用较为 多见。可近年来，随着机器人工业的飞速发展，要求系统的组成元件向着高速度、 高效率和高精度方向发展，滴时又要求其结构简单、体积小和重量轻，因而，非 对称缸以其工作空间小、构造简单、结构紧凑等优点，在这种电液伺服系统中得 到了广泛的应用。随着现代工业的迸一疹发震，- ，润控非对称缸系统以其结构简单 紧凑、体积小、重量轻等优点，已经展现出了广阔韵发展前景。 1 3 2 键合图理论概述 工程系统的动态分析，在现代科学与技术发展中已显得非常重要。许多工程 一2 一 奎! ! 查兰塑主兰竺堡塞 墨二童堕笙 系统在设计、试验、操作和合理使用方面，都需要充分了解有关系统的动态性能。 目前，计算机仿真技术已普遍应用于工程系统动态响应的预测，这就需要建立各 种系统的数学模型并加以处理，才能对所研究的系统进行分析、识别和综合。 工程系统，特别是高性能的工程系统，它们往往是机电一体、机液一体、机 电液等一体的，另外，不少系统还包含有自动控制部分。现有的各种系统的动态 分析方法，从建立模型到列出数学公式，大都适用于某一种能量范畴或特定类型 的系统。要研究复杂系统的动态特性，只涉及单一能量范畴的模拟方法就难以胜 任。如一个电液伺服系统就包含有电、机械及液压等范畴的能量1 5 1 【6 ) 【”。 5 0 年代末由h e n r ym p a y n t e r 提出的，而后由d c k a m o p p 【5 1 【8 】和r c r o s e n b c r g t l l 等进一步发展的键合图理论为多能域复杂系统的模拟奠定了基础。j u t h o m a ”、p id r a n s f i c l d t 9 l 【1 0 】和j j v a nd i x h o o r n t ”删等许多学者在键合图理论和方 法的发展过程中也起了重要的作用，国内浙大的张尚才嘲h ”、上海交大的任锦 堂【6 】、大连的倪重辉【枷、田树军、刘能宏 2 t l 2 j 【纠和哈工大的李洪人【2 ”、潘贵彬【矧 等人在键合图理论的发展过程中也起了重要作用。键合图理论将多种物理参量统 一归纳成四种广义的状态变量，即势、流、位移和动量变量。同时，采用了表征基 本物理性能与描述功率变换和守恒的基本连接方式的九种键图元，即惯性元l 、容 性元c 、阻性元r 、势源s e 、流源s f 、变换器t f 、回转器g y 、0 结、1 结，根据 系统中功率流的方向，按照键合图规则，就可以很方便的把系统的各种输入输出 关系用键合图的形式明确直观的表达出来，建立起整个系统的扩展键合图模型。 这样，就可以通过键台图仿真，分析出整个系统的动态特性和控制规律。 与其它数学模型相比，键合图模型具有独特的优越性。它的突出优点在于： ( 1 ) 可以用来模拟各种不同类型的物理系统。 ( 2 ) 从键合图导出状态方程的过程很有规则。 ( 3 ) 列写状态方程所用的状态变量一般都是人们所感兴趣的、实际的物理 变量，而不是某一变量的高阶导数。因而建立的数学模型物理关系清晰明了。 ( 4 ) 键合图表达了系统内部各变量的输入、输出关系，保留了较多的中间 变量，在仿真时可以方便的改变输出。这不仅为多种控制算法的仿真提供了方便， 而且还为导出各中间变量随系统状态变化而变化的关系提供了方便。 ( 5 ) 可以包含多种非线性，适用于模拟多输入、多输出工作在大范围内的 非线性系统。 ( 6 ) 键合图模拟属于模块式结构。当需要增加、减少或更改组成系统的元 件时，修改系统模型方便，不影响系统模型其它部分的结构，而且也可以将系统 划分成各个功能模块或者用一些已有的功能模块组合成新的系统。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 因而这种方法在电气、机械、气动、液压等许多工程领域得到广泛应用。 1 4 本课题的研究内容 本文利用功率键合图法，针对实际系统的特点，建立系统的扩展键合图模型。 在此基础上，利用现有的键合图仿真软件，在计算机上进行仿真分析。分析系统 的动态特性，找出影响系统的主要因素和使系统产生液压冲击的主要原因，提出 改进系统的合理方案，然后对比分析原系统和改进质豹系统的动态特性。最后， 在现有的条件下进行实际的现场实验研究。通过对比实际的试验结果与计算机仿 真结果，验证所建立豹系统模型的正确性。具体内容如下： ( 1 ) 建立对称阀控制非对称缸系统的功率键会图模型，分别对系统中各个 液压元件进行建模。 ( 2 ) 分析对称阀控制非对称缸系统压力冲击产生的机理，并针对不同的因 素提出相应的解决措施。 ( 3 ) 分别对三种引起压力冲击的因素进行研究，利用专用软件对原系统和 改进后的系统进行仿真分析，并对比改进后系统和原系统的特性曲线，验证抑制 措施的效果。 ( 4 ) 在现有的条件下，进行实际现场实验研究。用现有的检测设备，测量 现场系统实际工作时的压力曲线，并对比实际系统压力曲线与仿真曲线，通过实 测曲线来检验所建立的系统键合图模型的正确性。最后，根据对比结果再次对系 统模型进行修正。 东北大学硕士学位论文第二章阀控液压缸系统键合图横型的建立 第二章悯控液压缸系统键合图模型的建立 系统模型的建立是对系统进行分析豹基础，我们是通过对模型的仿真来分析 系统各参数的变化，并对系统进行合理的改进，一固此系统模型的建立对于整个问 题的分析是十分重要韵。因为键合图模型可以方便地提取到系统中各个元件的任 一位置嚣参数，并能够清晰踢了地表示出系统中各部分的构成，所以我钌这里采 甩键台躅理论对系统进行建模。本章首先砖键合匿理论进行了系统地介绍，并应 用键舍匿理论对系统各元件建立模型，从而得裂了完整的系统键合图模登。 2 1 功率键台图理论基础 功率键合图，简称键合图，是一种用来描述工程系统能量结构的图示表示方 法。它以一种良量的形式飨出了复杂系统鹩简练描述，极大地提高了人们对工程 系统行为的洞察力。 功率键合豳方法的核心恩想是认为一个工程系统的动态过程即是其功率流在 特定檄黠作用下莺新分布与调整的过程，以一种统一的方法对系统各部分功率流 的构成、转换、相互间逻辑关系及物理特征等进行描述即可实现对该系统模型的 充分且完蒜瓣定义描述。这种方法为分析研究人员进行系统动态特性分析和建立 数学模型提供了极大的方便，一方面，它对功率流描述上的模块化结构与系统本 身各部分物理结构及各种动态影响因素之阅具有明确而形象的一一对应关系，便 于理解其物理意义；另一方面，它与系统动态数学模型即状态方程之蜒又存在着 其他方法无法比拟的一致性，可以掇据系统的功率键合图有规律地推导出相应的 数学模型。 在其体表达方式上，键合周方法将各类工程系统所涉及到的多种物理参量， 从功率流的角度出发，统一归纳为四种系统变量：势、流、动量和广义位移。同 时，采用若干基本构成元素，诸如功率键、作用元、源、结点、变换器和回转器 等来表征系统基本物理特征和功率转换与守恒的基本联接方式。所定义的系统变 量和构成元素都具有特定的物理含义劳由一组专门的图形或字母符号来标识。键 合图方法本身具有一套严密的描述变换规则，这些规则同各类型物理特性及一些 普遍定律之间具有高度的协调一致性。正因如此，它为系统动态模型的准确定义 描述及据此有规律地推导状态方程提供了一条十分有效的途径。 在各类工程系统中，虽然构成能量的物理参量因系统的不同而具有各不相同 东北大学硕士学位论文 第二章阀控液压缸系统键台图模型的建立 的表现形式，但从能量构成的角度出发，它们可大致分为两类：一类参量具有“力” 的特性，如压力、电压、力、扭矩；而另一类参量则具有“流”的特性，如流量、 电流、速度、角速度。键合图方法按照这种本质特征将其统一归纳为两种系统变 量：势变量e ( f ) 和流变量，o ) 。势变量与流变量的标量积称为功率。故势变量和流 变量又称为功率变量。此外，分别将p ( f ) 和，( f ) 对时间积分，即 p ( f ) 。p 0 + p ( f 坤 0 口( f ) 。q 。+ f ( o d t ( 2 1 ) ( 2 2 ) 又引出另外两种系统交量( 因其具有能量特征又称为能量变量) ，即动 m p ( t ) 和广义位移鼋0 ) ，其中p 。和q 。为在时间f 。时的初始动量和位移。这样，无论哪一 类系统，均可由上述这四种变量进行表征和描述。表2 1 列出了键合图系统变量与 不同工程系统中物理参最之间的对应关系。 表2 1 系统变量在不同工程系统中的映射关系 t a b l e2 1i n j e c t i o nr e l a t i o n s h i pi nd i f f e r e n ts y s t e m sf o rs y s t e md a t u m 广义系统 机械平移 机械转动电系统 液压系统 势p o ) 力f ( f )扭矩m o ) 电压“( f )压力p ( f ) 流f ( t 1速度v ( o角速度o )电流j ( f ) 流量q ( t ) 广义位移q ( f )位移x ( t )角位移妒o )电荷量鼋o ) 体积矿( f ) 压力动量 动量p ( f ) 动量只o ) 角动量工( f )电压脉冲a 0 ) 最0 ) 为了描述一个系统的物理特征、功率流程及分配、能量守恒与转化的逻辑关 系，键合图方法定义了功率键、作用元、源、结点、变换器等基本构成元素，它 们是具有某种物理本质的不同能量域理想元件的代表，下面将分别对各构成元素 及其系统变量的逻辑关系和物理关系予以简要介绍。 东北大学硕士学位论文 第二章阀控液压缸系统键台母模型的建立 2 1 1 功率键 功率键由一条一端带有半箭头的直线段表示，代 表能量通口问功率传递或交换的避递。其中半错头的 方向为经该通道所传递功率滚的参考方向。翻鞫2 - 1 所示，构成功率的两个系统变量“势”和“濂”分别 标在键的两侧并以脚标相区别，如a 、鼋，、毛、v 2 等。 对于较复杂的系统，为了明确起见，常省略变量本身 的符号，仅注踢下标。 图2 - 1 功率键 f i g 2 - 1p o w e rg e y 2 1 2 作用元 作用元用来表达对系统动态特性产生某种影响作用的因素，依作用性质的不 同，分为阻性元、容性元和惯性元三种作用元，通常以字母冠、c 、，来标识。作 用元属于一通口元件，仅遥过唯一的一根功率键同系统其它功率通口相连接并进 行功率传递。图2 2 表示了各个作用元的符号。为区分方便，作用元的标识符号也 常常有脚标，如r 、厶、g 等。 ( a ) 阻性元b ) 窑性元 l ( c ) 骨甑 圈2 - 2 作用元符号 f i g 2 - 2e f f e c tu n i ts i g n g 1 、 阻性元 阻性元是一个在其遇口处的势和流变量之闻存在有某一静态函数关系的元 件。因阻性元具有电系统中电阻元件的特征，故其数学描述也与众所周姗的欧姆 定律形式相同。c 即 e 一只或，- e r 若势、流变量之间为非线性关系，则足应由一阻性函数来表示，故有 e 一爹( ，) 或，- 爹4 通常，阻性元件都是消耗能量的，即从系统中吸取能量，并将其转化为无用 的热量。可见，实际部件和机器的不可避免的损耗是由不希望的r 元件造成的， 蔓苎查兰婴主兰垡堡苎苎三兰塑丝鎏垦篁至竺塑笪里塑型塑曼兰 因此r 元件又称耗散类元件。例如简单的电阻器、机械阻尼器或缓冲器、流体管 道中的节流孔以及其他类似的无源元件等都是如此。 阻性元是一个耗能元，流入到阻性元上的功率通常以某种形式被不可逆转地 转变成热量耗散掉了。因此，如果某种作用或装置符合如下规则：即势的差异引 起流的产生，或流的传递伴随有势的降低，则可把它看作是阻性元尺。 2 、 容性元 在势变量p 和广义位移g ( 流的时间积分) 之间存在有一个静态关系的一通口 元件就叫做容性元或c 元件。容性元上的功率变量存在如下的函数关系： e 一去r 弦 。气 由于流变量对时间f 的积分已被定义为能量变量广义位移口，则容性元更 一般的描述关系式为： q c b 或e q c 容性元件的作用相当于电工学中的电容器或力学中的弹簧、扭力棒，而流体 动力工程中的蓄能器则是一个非线性容性元。容性元不耗散能量，并在卸荷时将 贮存的能量全部释放还给系统。因此，容性元是一种贮存类元件。 容性元是一种储能元，具有能量存储与释放的特性。事实上，正是由于容性 元及下面介绍的惯性元这种对能量的吞吐作用，才导致了系统动态过程的出现。 否则，一个仅由阻性元组成的键合图只是一个静态模型。 3 、惯性元 在流变量，和广义动量p ( 势的时间积分) 之间存在一个静态关系的一通口 元件叫做惯性元。其数学描述形式为： f 一净 因动量p - f 础，故惯性元特性一般表示为： 6 p i f 或f p l 惯性元的作用相当于电工学中的电感和力学中的质量。大家熟知的一个力学 例子就是具有惯性矩的飞轮。与容性元一样，惯性元也不耗散能量，可以贮存能 量。但恢复到它的初始状态时，例如当飞轮逐步减速到零时，它就将贮存的能量 全部还给系统。因此，惯性元也是一种贮存类元件。 东北大学硬士学位论文 第二章阀控液压缸系统键合图模型的建立 2 1 3 源 源也可视为一种特殊的作用元，也是一种一 通口元件。源的特点是通过功率链在源与系统闻 传递的功率总是由这样韵一对功率变量构成：势 或流两者中有一个保持定僖或被约束为某种特 定的时间函数而与源所供给或吸收的功率无关。 源分为势澡和漉源两种。分烈用和黟表示。 其符号见图2 3 。 1 、 势源 s 。 s r ， 图2 - 3 源符号 地2 - 3f o u n t a i ns i g a a l 势源通常把能量传递给系统，它的作用相当予电工学中构电源及机械工程中 的柴油机等。其势e 与流的变化无关，即当流，变化对，势# 保持不变，或者是一 特定的时间函数。 作用予一个质量块上的重力可作为恒势源的锣萼子，因为重力在靠近地球表面 处是基本上恒定的，丽与质蛩块的速度无关。墙上电源插座可作为时变势源的例 子。插座在一些小电纂的鼹根电源导线之间施加一正弦电压。在适当的电流范围 内，该电压不受电流波动影响。 但是，电压值实际上是受电流的影响的，如果电流很大，贝4 将会熔断保险丝 以保护电路。也就是说电源插座上的电压不完全是一理想的势源。事实上，真 实器件的模型不可能是理想的势潦，否则该势源应能对系统提供无限大的功率， 这是不可能的。 在大多数势源中，如果流倒转方向并进入源，测势仍是不变的，但能量传递 方向却改变成进入源的方向。这就是所谓反向激励源。许多势源( 但不是所有的) 都能够反向激励，因此，必须对每种情况确定这一模型的有效性。 2 、 流源 流源通常也是将能量传给系统，它的作用相当与发电机、定量液压泵以及集 中传动轴。流源钓流，与势的变化无关，即当势e 变化时，流，保持不变。 与势源相同，许多漉源也可做成可控的，而且大多数流源都能成为反向激励 源。 2 1 4 变换器 变换器是用来描述功率守恒与转换规律的键合图元素，它是一个二通口元件， 其标识符号为豫。它以两根功率键同系统其他功率通口相连接，具有功率守恒和 蔓! ! 查堂堡主堂壁笙苎 墨三兰塑篓婆堡坚墨竺塑鱼望燮型竺塞兰 转换两个方面的特征。输入变换器的能量形式与其输出的能量形式可以相同，也 可以相异。变换器的一般表示形式如图2 - 4 所示，其特性方程为 f e l ，1 一e 2 厂2 卜e 2 m e ， l ，1 一幔 式中 r a 为变换器模数。 液压系统的液压缸、机械系统的杠杆和齿轮副以及电系统的变压器等都是卵 元件的例子。 ： 图2 - 4 变换器 f i g 2 - 4c o n v e r t e ru 血 图2 - 5 回转器 f i g 2 - 5g y r eu n i t 2 1 5 回转器 回转器的标识符号为g y ，用来描述系统中另一种方式的功率平衡。与转换器 一样，也以两根功率键同系统其它功率通口相连接，具有表征功率守恒的功能， 只是它具有与转换器不同的转换关系，用以实现势和流的互换。回转器的表示形 式如图2 - 5 所示，其特征方程为 k f l e 2 ，2 e 2 4 1 l 厂l r e l 式中 r 为回转器模数。 在液压技术中，很少能找到具有回转特性的实例，而激磁恒定的直流电机却 是一个十分理想的回转器模型。其电枢电流乘以回转比就等于扭矩，而转速乘以 回转比就等于电枢电压。因此，扭矩和转速的乘积等于电压和电流的乘积，可见 回转前后的功率保持不变。 吖了 东北大学硕士学位论文第二章阀控液压缸系统键合幽模型的建立 2 1 6 结点 凡是具有三个或三个以上能量传递通道的功率通口均定义为结点。结点用来 表示系统中功率流的汇集与分配状况，既不损耗能量也不存储能量，因此，结点 同样具有功率守怄的性质，在任一对刻，经各功率键流入和流出的功率的代数和 恒为零。 1 、 o 一结点 t o 一结点又称为共势结点或并联结点，用来联系系统有关物理效应中能量形式 相f 跫且数值相等的势变量。其符号如图2 - 6 a 所示。与o 一结点相连的各键具有势 交量相等，流变量的代数和为零钓性质。其特征方程如下： e l 。e 2 。0 3 。巳 q 六一o 叩，五- d 式中 n 通口数； 8 。功率流向系数，对于半箭头指南0 一结点韵键吼- 1 ，半箭头背离 o 一结点的键一一1 。 从特征方程中我们可以看出，0 一结点所有各键上的功率之和等于零，或者可 以说，若功率在几个通口上流入0 一结点，则必须从另一个遇口滚出。 o 一结点适台描述多通口的交汇液压容腔和电路网络中的并联电路。 2 、 l 结点 1 一结点也称为共流结点或串联结点，用来联系系统有关物理效应中或构件中 能量形式相同且数值相等的流变量。其符号如图2 - 6 b 所示。与1 一结点裙连的备 键流变量相等，势变量的代数和为零。其特征方程如下： ，l 一，z - 厶- - 芝一。 酗e 加o 东北大学硕士学位论文 第二章阀控液压缸系统键合图模型的建立 式中 n 通口数； 功率流向系数，对于半箭头指向1 一结点的键q 一1 ，半箭头背离 1 一结点的键口。- 一1 。 同样，1 一结点的所有键上传递功率的总和与o 一结点相同，均等于零。 1 一结点通常用来描述机械运动构件的受力平衡状态及液压阻尼元件上的压 力分布等。 2 1 7 因果线 图2 - 6o 一结点和1 一结点 f i g 2 - 60 - - c r u n o d ea n d1 - - c r u n o d e 因果线是标在功率键一端的小线段，用 来表示功率键上两个功率变量之间的因果关 系，即何为自变量，何为因变量。从键图元 r 1 日 对系统能量构成的影响这个角度来讲，因果 忸j 线表示了势和流中哪个变量是经由功率键的 传递而作为对键图元的输入，哪个变量是经 键图元由输入而引起作用后所产生的输出。 ”7 如图2 - 7 a ，因果线标注在靠近作用元b 的一 侧，对于b 而言，势是产生流的原因，或者 图2 - 7 因果关系的表示 说，流是势作用的结果；而对于a ，则流是 f i g 2 - 7 t h 。e x p r e 80 f c “”8 n de 妇胁 因，势是果。对于图2 7 b 而言，其所表示的因果关系恰好与图2 7 a 相反。键合图 上因果关系的确定是十分重要的，它表明系统各部分的物理及逻辑关系是否正确， 各种动态因素之间的关系是否相容。事实上，错误的或矛盾的因果线设定往往表 示键合图描述的是一个无法实现的系统动态模型。 必须注意，在键和图中功率流的方向用半箭头表示，它的方向与因果线的位 查韭查兰堡主兰丝丝塞 兰三兰塑楚鎏堡墅墨竺壁垒曼曼翌塑墨兰 置是毫无关系的表2 2 列出了所有标准通口元件积分因果关系的标注情况。 表2 2 各通口元件的困果关系标注图 t a b l e2 2n o t i n gf i g u r ea st od d s s o i a n dr e s u l tr e l a t i o nf o ra c c e s su n i t s 键合图元件因果标注图 势源 s 7 i 流源剿卜1 阻性元 - r 卜1r 容性元 卜。7c 惯性元 叫l 转换器。，t f 卜t f _ 回转器 。一g y 卜7 卜7g y | k 一o 卜7 0 一结点 l k 一1 卜7 1 缩点 j 标注因果线遵循的规则： 1 、势源的输出一定是势，流源的输出定是流。 2 、阻性元可 ；l 势为果，也可以流为果，这是由r 元上的两个功率变量之间 般是代数关系，不构成积分或微分关系的特性所决定的。 3 、一般情况下，容性元选择势为果，惯性元选择流为果，从而构成积分因果 关系，这种积分关系不仅符合各作用元的实际物理意义，而且便于在计算机上求 解。 4 、转换器只是使前后两端功率键上豹势变量和流变量按一定的比值进行变 换，而并不对其进行相互阕的转换，故转换嚣两端功率键上的因果关系始终保持 一致；回转器则是使前后两端功率键上的功率变量按一定的比值进行交互变换， 故其两端功率键上的因果关系始终相反。 查! ! 查兰堡主兰垡丝奎笙三兰塑整鎏堡篁墨竺壁宣鬯堡型塑蕉兰 5 、0 一结点只允许有一个势输入，所以0 一结点上应仅有一个键因果线标在靠 近结点一端：同样，1 一结点只允许有一个流输入，故1 结点上应仅有一个键因 果线标在远离结点的一端。 2 1 8 激活键 一端画有全箭头的键称之为激活键，它表示键上只有一个变量是重要的。这 就是实际系统中常会遇到的纯信号流或者是可以忽略其功率流动的信息传递。 原则上，子系统的各通口接通时全都传输有限的功率，因为通口耦合时，势 和流两者都存在。但是在许多场合中，要求把系统设计成两个功率变量中只有一 个是重要的。例如，电子放大器可设计成只放大电压，而对电路中的电流基本上 没有影响。实质上，放大器对电压是起反应的，但反应时只吸取与电路中其他各 功率级相比小得可忽略的功率。每一种仪表都被设计成提取系统中某一变量的有 关信息，而不致严重影响构成传输功率的另一变量。例如，一只理想的电流表可 指示电流值，但不引起电压下降；一只理想的电压表可读出电压值，却没有电流 通过；理想的压力表可读出压力，而没有流动；理想的转速表可读出角速度，而 无需附加转矩等等。这些情况都表明在子系统之间存在某种信号联系，而没有 和功率相互作用伴随的返回效应。这种纯信息传递在键合图上就用激活键来表示， 如爿三_ 一刀就表示势p 为子系统4 所确定，并为子系统曰的输入，同时认为流，对 a 的作用微不足道。在这类情况下，采用激活键就可简化系统的分析。 2 2 系统中各元件的键合图模型 2 2 1 电液伺服阀的键合图模型 在一套液压伺服阀控缸系统中，电液伺服阀的性能是十分重要的，它是整套 系统的核心部件。本系统是一个典型的四通阀控缸系统，采用的是日本日立公司 生产的f m v i 四通伺服阀。由四通滑阀和非对称液压缸组成的液压动力机构，其 结构如图2 - 8 所示。 东北大学硕士学位论文 第二章阁控液压缸系统键合图模型的建立 图2 墙阀控液压缸示意图 f i 8 2 - 8 t h es y s t e m o ft h ev a l v ec o r n e lc y l i n d e r 当液体流经滑阀阀口时，其流鲎一压力特性为 嘴舛居； 汜s ， 式中： 阀口周向长度，m ： x 阀口开度，m 。 由式( 2 - - 3 ) 可求得滑阀阀口的液阻为 r - 1 ( 2 4 ) 箕液导为 f 1 - 巳雠括 ( 2 5 ) 假设滑阀的四个节流口是匹配和对称的，液体压缩性影响在阀中可以忽略， 且阀具有理想的响应能力，即对予阀芯位移和阀压释的变化相应的流量变化能瞬 间发生。四通滑阀的橱口节流方程为m 1 4 1 l 进油口： q l c d 眦，2 - p , ) ( 2 6 ) 回油口： q 2 q 眦，据o ：一p 。) ( 2 7 ) 式中： g 滑阎进油口流量，m 3 s 。 东北大学硕士学位论文第二章阁控液压缸系统键台图模型的建立 a ：滑阀回油口流量， m a s ； x 为滑阀阀芯位移，m ： p ，供油压力， p a ； p 1 阀进油腔压力，p a ； p 2 阀出油腔压力， p a ； p 。回油压力， p a 。 在电液伺服阀中，阀芯位移与输入电流成正比， 可以改写为 吸c d w k l i 后( p 2 - p 1 ) q ：- c a w k x 7 括( p 2 2 - p o ) 式中： ，伺服阀输入电流，a ： 丘比例系数，r i g a 则电液伺服阀的液阻为 胄 1 其液导为 - 啪居 则方程( 2 - - 6 ) 、( 2 - - 7 ) 可描述为 0 1 一i r 。1 厢协( 见一p 。) q 2 1 r 1 厢劬( p 2 - p o ) 所以方程( 2 6 ) 和( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 根据方程( 2 6 ) ( 2 1 3 ) ，电液伺服阀的流量方程可用图2 - 9 所示的扩展键 合图表示【7 】i 矧。 东北大学硕士学位论文第二章阀控液压缸系统键合髑模型的建立 a b s m u l p i一一i ， 液压缸岛 液压缸 二7 m u l 岛 a b s 图2 - 9 伺服阕功率放大部分扩展键合图模型 丑蛋2 母t h e b d g r a p h m o d e l o f t h e p o w e r z o o m u n i t o f s e r v o v a l v e 其中，功能函数m a x 、m i n 用来描述活塞杆在伸出和回缩这两个方向上的运 动特性。伺服阀的输入电流，为正时，对应的m a x 函数块特性曲线如图2 - 1 0 所示。 伺服阀的输入电流，为负时，对应的r a i n 函数块特性曲线如图2 1 1 所示。图2 - 9 中。为伺服阀与回油管路相联接处的阀口压力。 i辗出( m a ) t o 刁 d1 0 i输入缸a ) 图2 - 1 0m a x 函数块特性曲线 鲰2 - 1 0t h et r a i tg r a p ho fm a xf 1 m c 6 0 n i辅出0 n a 1 00一 z i 1 0 图2 - 1 1r a i n 函数块特性曲线 f i g 2 - 1 1t h et r a i tg r a p ho fm i nf u n c t i o n 为了使系统模型更加精确，我们不能将伺服阀简单地简化成比例环节。根据 该阀的参数和特性，我们可以将其简化为二阶振荡环节。其模型如图2 1 2 所示。 东北大学硕士学位论文 第二章阀控液压缸系统键合图模型的建立 图2 - 1 2 倒服i 阁特性授二阶搬溺环节考届的模型 f i g 2 - 1 2 t h e b o n d g r a p h m o d e l o f t h e t w o - s t e p s s u r g e u n i t 其中，g a 块为增益块，a r t 块为积分函数模块。 2 2 2 液压缸的键合图模型 根据密封容器中流体的压缩性定义可知， p 一等i 鼍m 又因为： 矿- 4 - y m 其中 艺液压缸处于中位时，液柱的初始长度，m ； y 活塞的位移， 册； 则由式( 2 1 4 ) 可知，液压缸两腔的压力p 。和p ：分别表示为 面拓r q l 出幅。 p z 一两1 石，q 2 出+ p 。 其中 q 1 一警、q 2 一警，分别为液压缸两腔髓m 3 向； c 瓦a ，液压缸容腔的广义液容，m 4 n 。 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 奎! ! 查竺堡圭竺堡整塞苎三兰塑丝婆墨篁墨竺丝鱼曼堡型墼塞塞 根据方程( 2 1 6 ) 和( 2 1 7 ) ，可将液压缸容腔的扩展键合图表示为图2 1 3 。 图中，d v 块为除法块。c o n 块为常数块。设置为己值。液压缸活塞韵运动速度 v 经过积分块i n l 得到活塞的位移，再通过加法函数s u m 块，即可得到l y 和 1 l + y 。流量q 经容性元c 得到i j - r q 协值，然后经除法块d i p 即可得到液压缸容 o v 腔的压力值。 图2 - 1 3 液压缸容腔的扩展键合图模型 f i g 2 - 1 3 t i m b o n d c - r a p h m o d e l o f c y l i n d e r 液压源的压力_ p 与流量q 经液压缸变换为活塞杆的输出力f 和运动速度p ，这 一变换的键合图表示为t f1 6 1 1 7 。其键合图表示为 十和 图2 1 4 势变量p 变换为势变量f 键合图模型 f i g 2 1 4t h eb o n dg r a p hm o d e lo f f o r c ev a r i a b l ep f 2 2 3 负载的链合图模型 根据实际系统的结构分析可知伺服机构具有多个自由度的负载。系统负载 的键合图模型如图2 1 5 所示。 东北大学硕士学位论文 第二章阀控液压缸系统键合图模型的建立 斗一六删 v j 2 图2 - 1 5 负载的键合图模型 f i g 2 - 1 5t h eb o n dg r a p hm o d e lo fl o a d 图中 ，活塞质量； ，负载质量； 足活塞所受的摩擦阻力； 风负载所受的摩擦阻力； c 1 活塞与负载间的弹性变量； c ，负载的弹性变量； & 负载所受的负载力。 综合图2 1 3 图2 1 5 ，我们可以得到完整的液压缸和负载的键合图模型， 如图2 - 1 6 所示。在模型中，我们还考虑了液压缸的内泄漏问题，即模型中