（機(jī)械電子工程專業(yè)論文）長(zhǎng)江三峽永久船閘輸水閥門啟閉機(jī)液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真及研究.pdf

摘要 數(shù)字仿真技術(shù)由于精度高、速度快、仿真系統(tǒng)簡(jiǎn)單，在液壓領(lǐng)域的工程實(shí)踐 中得到廣泛的應(yīng)用，成為研究液壓元件和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的有力手段。由二通插裝 閥組成的液壓系統(tǒng)對(duì)油路方向切換的控制與傳統(tǒng)的方向閥控制方式不同。傳統(tǒng)方 向閥a 、b 工作油口的“開”與“關(guān)”之間由機(jī)械同步控制，而插裝閥組中“開” 與“關(guān)”的控制由管道和插裝閥組的動(dòng)特性所左右。如何通過先導(dǎo)電磁閥通斷時(shí) 間異步以及插裝閥阻尼器調(diào)節(jié)，使二通插裝閥“開”與“關(guān)”相匹配是液壓系統(tǒng) 設(shè)計(jì)和調(diào)試中十分重要的問題。通過動(dòng)態(tài)仿真來揭示二通插裝閥“開”與“關(guān)” 的失配將給系統(tǒng)帶來什么不利的影響，以及應(yīng)采取的措施是解決這類問題十分有 效的方法。 本文通過對(duì)長(zhǎng)江三峽水利樞紐永久船閘啟閉機(jī)液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真和研究， 得到如下成果： 1 對(duì)二通插裝閥動(dòng)態(tài)仿真模型進(jìn)行了二次開發(fā)，建立了便于參數(shù)修改，可 重復(fù)使用的元件仿真模型庫。為今后液壓系統(tǒng)仿真打下良好的基礎(chǔ)。 2 運(yùn)用節(jié)點(diǎn)法建立液壓系統(tǒng)仿真模型，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的可行性，證 明用節(jié)點(diǎn)法建模進(jìn)行系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真是一種很有效的方法。 3 針對(duì)由二通插裝閥組成的液壓系統(tǒng)，研究了二通插裝閥“開”與“關(guān)” 的失配給系統(tǒng)帶來的不利影響。提出了解決措施并通過動(dòng)態(tài)仿真證明了 方法的有效性。 4 運(yùn)用集中參數(shù)模型和離散分布式模型相結(jié)合的方法對(duì)長(zhǎng)管道給系統(tǒng)動(dòng)態(tài) 特性帶來的影響進(jìn)行了初步的研究。說明長(zhǎng)管道對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性有一 定的影響，在調(diào)試過程中應(yīng)引起注意。 本課題通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所用仿真方法的可行性，針對(duì)液壓系統(tǒng)在設(shè)計(jì) 和調(diào)試階段可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行了仿真，提出改進(jìn)措施并通過仿真進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì) 實(shí)際的工程應(yīng)用具有重要的意義。 關(guān)鍵詞：二通插裝閥，動(dòng)態(tài)特性，建模，仿真 a b s t r a c t d i g i t a ls i m u l a t i o nt e c h n o l o g y i sw i d e l yu s e di nh y d r a u l i ce n g i n e e r i n gf o ri t sh i g h p r e c i s i o n ，c e l e r i t y a n du n c o m p l i c a t e ds i m u l a t i o ns y s t e m i th a sb e e na ne f f e c t i v e m e a n st o s t u d yt h ed y n a m i cr e s p o n s eo fh y d r a u l i cc o m p o n e n t sa n ds y s t e m t h e c o n t r o lo ff l o wp a t hi nh y d r a u l i cs y s t e mc o m p o s e do ft h r e a d e dc a r t r i d g ev a l v e si s d i f f e r e n tf r o mt h a ti nh y d r a u l i cs y s t e mc o n s i s t e do ft r a d i t i o n a ls l i d i n gs p o o lv a l v e s t h e “o n a n d “o f f o ft h eaa n dbp o r t si nt r a d i t i o n a ld i r e c t i o n a lc o n t r o lv a l v ei s c o n t r o l l e db ym e c h a n i c a ls y n c h r o n i z a t i o n w h i l et h ec o n t r o lo f “o na n d o f f i s i n f l u e n c e db yd y n a m i cr e s p o n s eo fp i p ea n dt h r e a d e dc a r t r i d g ev a l v eg r o u pi nt h e t h r e a d e dc a r t r i d g es y s t e m i t sa ni m p o r t a n tp r o b l e mt h a th o w t om a t c ht h e “o n a n d o f f t h r o u g h t h e w a yo fs e t t i n g t h e w o r k i n gs e q u e n c eo ft h ep i l o t v a l v e sa n d a d j u s t i n gt h ed a m p so ft h e t h r e a d e dc a r t r i d g ev a l v eg r o u p t h es i m u l a t i o no ft h e s y s t e m i sa ne f f e c t i v em e a n st os o l v et h i s p r o b l e m ，b e c a u s e i tc a ns h o wu s d i s a d v a n t a g e sc a u s e db y t h em i s m a t c ho f “o n ”a n d “o f f i nt h es y s t e ma n d h e l pu st o t e s t i f y t h e v a l i d i t yo f t h ea d j u s t i n g m e a s u r e s t h r o u g ht h es i m u l a t i o no f t h eh y d r a u l i cs y s t e mo fo p e n - c l o s em a c h i n eo ft h e f l o o d g a t e ，w e h a v eg o tt h ef o l l o w i n gr e s u l t s 1 t h es i m u l a t i o nm o d e lb o xo f t h r e a d e dc a r t r i d g ev a l v e sw a so b t a i n e df r o mt h e s e c o n dd e v e l o p m e n t t h em o d e l sw h i c ha r ec o n v e n i e n tt oa d j u s ts i m u l a t i o n p a r a m e t e r sa r e t h eb a s eo f s i m u l a t i o no f h y d r a u l i c s y s t e m 2 t h es i m u l a t i o nm o d e lo fs y s t e mw a sg o t 謝t l lt h e “n o d e ”m e t h o d t h e v a l i d i t yo f t h em o d e l w a st e s t i f i e db y e x p e r i m e n t s 3 t h ed i s a d v a n t a g e sc a u s e db yt h em i s m a t c ho f “o n ”a n d “o f f o f t h et h r e a d e d c a r t r i d g ev a l v eg r o u p i nt h es y s t e mw e r es t u d i e d t h em e a s u r et os o l v ei tw a s p r o p o s e d a n di t sv a l i d i t yw a st e s t i f i e db ys i m u l a t i o n 。 4 t h ei n f l u e n c et ot h ed y n a m i c r e s p o n s eo f t h es y s t e mc a u s e d b y t h el o n gp i p e w a ss t u d i e dw i mt h em o d e lo fs y s t e mw h i c hw a so b t a i n e df r o ml i n k i n gt h e c o n v e r g e n tp a r a m e t e rm o d e l sa n dt h ed i s t r i b u t i n gp a r a m e t e rm o d e l s w e s h o u l d p a y a t t e n t i o nt ot h ei n f l u e n c ei nt h e d e b u g g i n gh y d r a u l i cs y s t e m t h i sp a p e rh a sah i g hv a l u ei nt h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c ef o rt h er e s u l t sa b o v e k e y w o r d s ：t h r e a d e d c a r t r i d g ev a l v e ，d y n a m i cr e s p o n s e ， s i m u l a t i o n ， m o d e l i n g i i 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 第一章序論 1 1 引言 液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性是衡量一套液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)及調(diào)試水平的重要指標(biāo)。早期 研究一個(gè)液壓系統(tǒng)，通常憑借設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)用真實(shí)的元部件構(gòu)成一個(gè)真實(shí) 系統(tǒng)，然后在這個(gè)系統(tǒng)上進(jìn)行大量的試驗(yàn)，研究控制方式和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài) 性能的影響，通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)和不斷修改，確定應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際的系統(tǒng)。但建造一 個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)要花費(fèi)大量人力，物力和時(shí)間，而且一次性成功的把握性小，變更參 數(shù)，改變控制方案又很困難。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境復(fù)雜，負(fù)載變化大的液壓系統(tǒng)， 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)尤為困難，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用以計(jì)算機(jī)為工具， 把實(shí)際液壓系統(tǒng)變?yōu)槟Ｐ?，在?jì)算機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究系統(tǒng)的各種工作狀況，確定 最好的控制方案和最佳參數(shù)匹配的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，可使我們的工作更高效，提 高分析結(jié)果的可靠性，降低工程造價(jià)，縮短研究周期。計(jì)算機(jī)數(shù)字仿真技術(shù)的發(fā) 展尤為分析和預(yù)測(cè)液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性提供了有力的手段。 1 2 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在液壓領(lǐng)域的應(yīng)用 利用計(jì)算機(jī)作為研究工具，將實(shí)際系統(tǒng)“?；痹谟?jì)算機(jī)上運(yùn)轉(zhuǎn)的過程稱為 仿真，用于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真的一整套軟硬件稱為仿真系統(tǒng)，而研究可在計(jì)算機(jī)上 運(yùn)行的“模型”建立和實(shí)驗(yàn)方法稱為仿真技術(shù)。 仿真技術(shù)在液壓領(lǐng)域的應(yīng)用有一個(gè)發(fā)展的過程。在1 9 7 3 年，第一個(gè)直接面 向液壓技術(shù)領(lǐng)域的專用液壓仿真軟件h y d s i m 程序研制成功。該軟件首次采用 液壓元件功率口模型方式進(jìn)行建模，且所建模型可重復(fù)使用。1 9 7 4 年德國(guó)亞琛 工業(yè)大學(xué)開始研制液壓系統(tǒng)仿真軟件包d s h ，其建模上具有面向原理圖建模， 模型包括非線性等優(yōu)點(diǎn)。但有模型庫靠人工管理，系統(tǒng)階次不易降低，以及系統(tǒng) 描述文件需人工編輯等不足。不久，英國(guó)巴斯大學(xué)也開始研制液壓系統(tǒng)仿真軟件 包h a s p ，它使用功率鍵合圖的建模方法，面向鍵合圖物理機(jī)理清楚，但鍵合圖 不如原理圖直觀，還需學(xué)鍵合圖方法。8 0 年代西歐和美國(guó)在液壓仿真方面初顯 成效，一批液壓軟件包相繼問世。首先是德國(guó)的d s h 和英國(guó)的h a s p ，其后美 國(guó)又推出了p e r s i m ，芬蘭又推出c a t s i m 。它們雖各有特點(diǎn)，但程序結(jié)構(gòu)和功 能上均未超出d s h 和h a s p 的基本模式。進(jìn)入9 0 年代液壓系統(tǒng)仿真軟件又有了 新發(fā)展。1 9 9 2 年巴斯大學(xué)以全新面貌推出了b a t h f p ，在算法上，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng) 選擇算法的積分器，但仍未解決模型化簡(jiǎn)問題，算法的自適應(yīng)不夠。9 0 年代以 來，隨著對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求的提高，仿真的重要性日益提高，專用的仿真軟件 第1 頁共6 6 頁 上海太學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 和通用的仿真算法庫并存，可根據(jù)工程實(shí)際的需要選擇仿真軟件對(duì)液壓元件和系 統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。 仿真技術(shù)在液壓控制系統(tǒng)與液壓控制元件上的應(yīng)用大致有以下方面： ( 1 ) 對(duì)已有的液壓元件或系統(tǒng)在數(shù)學(xué)模型建立的基礎(chǔ)上，進(jìn)行仿真研究。 將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證理論的正確程度。通過改進(jìn)數(shù) 學(xué)模型和改變仿真參數(shù)，使仿真更接近于實(shí)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這樣得到的 數(shù)學(xué)模型作為改進(jìn)和設(shè)計(jì)類似元件或系統(tǒng)的理論依據(jù)。 ( 2 ) 對(duì)于新設(shè)計(jì)的元件，通過仿真研究元件各部分參數(shù)對(duì)其動(dòng)態(tài)特性的影 響，從而確定滿足元件性能要求的結(jié)構(gòu)參數(shù)，為元件的設(shè)計(jì)提供需要 的數(shù)據(jù)。 ( 3 ) 對(duì)于新設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真研究，通過仿真驗(yàn)證 系統(tǒng)控制方案的可行性，研究系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其動(dòng)態(tài)特性的影 響，找到最優(yōu)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，并獲得最佳的控制方案。 ( 4 ) 對(duì)于已經(jīng)設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)，通過仿真實(shí)驗(yàn)，確定其調(diào)整參數(shù)。仿真結(jié)果 作為系統(tǒng)調(diào)試的理論依據(jù)，從而縮短調(diào)試周期和避免損壞設(shè)備。 1 3 系統(tǒng)仿真的分類 根據(jù)仿真時(shí)所用的計(jì)算機(jī)種類不同，仿真可分為模擬仿真、數(shù)字仿真和數(shù)字 一模擬混合仿真三種。 模擬仿真是利用模擬計(jì)算機(jī)作為仿真工具。模擬計(jì)算機(jī)是一種連續(xù)計(jì)算裝 置，它把實(shí)際物理量用電壓量表示，通過各連續(xù)運(yùn)算部件求解描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性 的微分方程，它的輸入輸出均為連續(xù)的電壓量，“連續(xù)”是模擬仿真的突出特點(diǎn)。 利用模擬仿真的優(yōu)點(diǎn)有a ) 模擬仿真更接近于實(shí)際。它用正負(fù)極電壓幅值表示實(shí) 際系統(tǒng)物理量的正負(fù)與數(shù)值大小，而實(shí)際物理量的變化過程是連續(xù)的，因此用模 擬機(jī)對(duì)物理系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的仿真形象逼真。b ) 調(diào)試和系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)整比較簡(jiǎn)單 c ) 運(yùn)算速度快。由于模擬計(jì)算機(jī)各運(yùn)算部件并聯(lián)運(yùn)行，因而運(yùn)算速度特別快， 很適用于系統(tǒng)的在線實(shí)時(shí)仿真。但它的最大缺點(diǎn)是運(yùn)算精度低，這是由于模擬計(jì) 算機(jī)的運(yùn)算部件由高增益直流放大器和電器元件構(gòu)成，這些元器件本身精度不 高，給模擬機(jī)帶來較大誤差。鑒于模擬計(jì)算機(jī)具有上述特點(diǎn)，作為仿真工具仍具 有一定應(yīng)用價(jià)值，特別是運(yùn)算速度快，變更系統(tǒng)控制方案和改變控制參數(shù)容易， 更適合應(yīng)用于科學(xué)研究或工程設(shè)計(jì)初始階段的仿真實(shí)驗(yàn)。一旦精度問題得以解 決，可望應(yīng)用于在線實(shí)時(shí)控制。 數(shù)字仿真是利用數(shù)字計(jì)算機(jī)作為仿真工具。數(shù)字計(jì)算機(jī)是一種不連續(xù)的計(jì)算 裝置，它通過編碼器把實(shí)際系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型中連續(xù)的物理量變成數(shù)字量，經(jīng)計(jì)算機(jī) 第2 頁共6 6 頁 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文第一! 章緒論 運(yùn)算求解，其輸出是一組不連續(xù)的離散數(shù)據(jù)。利用數(shù)字計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真的優(yōu)點(diǎn)有 a ) 計(jì)算精度高。從理論上講，數(shù)字計(jì)算機(jī)的精度是無限的，它的字長(zhǎng)可根據(jù)精 度要求設(shè)計(jì)，字長(zhǎng)增加意味著精度的提高，因此它的精度可達(dá)百萬分之一至千萬 分之一。b ) 運(yùn)算速度快。這是計(jì)算機(jī)的共同特點(diǎn)，但由于數(shù)字計(jì)算機(jī)的運(yùn)算是 按程序進(jìn)行的，盡管目前數(shù)字機(jī)運(yùn)算速度可達(dá)幾百萬次，甚至上億次，但還是比 模擬機(jī)的運(yùn)算速度低。c ) 數(shù)字計(jì)算機(jī)不但可以完成算數(shù)運(yùn)算，還可完成邏輯運(yùn) 算等模擬計(jì)算機(jī)不能完成的更復(fù)雜運(yùn)算。隨著數(shù)字計(jì)算機(jī)功能的不斷完善，應(yīng)用 數(shù)字計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真成為科學(xué)技術(shù)研究不可缺少的重要手段，特別是其計(jì)算精度 高，計(jì)算方法嚴(yán)謹(jǐn)，為科學(xué)研究和工程設(shè)計(jì)提供更可靠的數(shù)學(xué)依據(jù)。因此，數(shù)字 仿真技術(shù)在液壓領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，它為液壓元件和系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及動(dòng)態(tài)特性研究 提供了快捷、可靠的手段。 混合仿真是利用混合計(jì)算機(jī)作為仿真工具，它集中模擬計(jì)算機(jī)和數(shù)字計(jì)算機(jī) 的優(yōu)點(diǎn)，它既有運(yùn)算精度高又有運(yùn)算速度快的特點(diǎn)，既保持模擬計(jì)算機(jī)的逼真感， 又大大提高計(jì)算機(jī)的邏輯功能和迭代能力，擴(kuò)大了模擬機(jī)的解題范圍?；旌嫌?jì)算 機(jī)分為兩種a ) 混合模擬計(jì)算機(jī)。它在模擬機(jī)中引進(jìn)存儲(chǔ)、判斷和數(shù)字邏輯運(yùn)算 而成，使邏輯功能大為增強(qiáng)。此外數(shù)字系數(shù)電位器、比較器、跟蹤保持器、模擬 開關(guān)、d a 、a i d 轉(zhuǎn)換器等混合部件大為增加，從而進(jìn)一步提高迭代運(yùn)算能力。 b ) 混合計(jì)算系統(tǒng)。它將模擬機(jī)和數(shù)字機(jī)通過a d 、d a 轉(zhuǎn)換器連接在一起，形 成一個(gè)混合系統(tǒng)?；旌戏抡嫦到y(tǒng)兼有模擬仿真和數(shù)字仿真的優(yōu)點(diǎn)，但其仿真系統(tǒng) 相對(duì)來說更復(fù)雜，仿真成本也更高一些。 1 4 液壓仿真的基本方法 數(shù)字仿真技術(shù)由于其精度高、速度快、系統(tǒng)簡(jiǎn)單，在液壓領(lǐng)域的工程實(shí)踐中 得到廣泛的應(yīng)用。它是研究液壓元件和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的有力手段。 仿真技術(shù)的三個(gè)主要組成部分是數(shù)學(xué)建模，模型解算和仿真結(jié)果分析。液壓 數(shù)字仿真一般采用三種方法： ( 1 ) 對(duì)于系統(tǒng)較簡(jiǎn)單，自行編程進(jìn)行仿真。 ( 2 ) 數(shù)學(xué)模型用戶自己建立。選用一些通用的算法庫系統(tǒng)進(jìn)行仿真，如常用 的m a t l a b ，它提供了許多數(shù)學(xué)模型解算工具。其中的s i m u l l n k 是一 個(gè)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模，分析和仿真的軟件包。它支持連續(xù)，離散及兩 者混合的線性，非線性系統(tǒng)，也支持具有多種采樣速率的多速率系統(tǒng)。 它為用戶提供用方框圖進(jìn)行建模的圖形接口，與傳統(tǒng)的仿真軟件包用微 分方程和差分方程建模相比，具有靈活，方便，直觀的優(yōu)點(diǎn)。用s i m u l i n k 建?？梢跃哂须A梯結(jié)構(gòu)，因此可以采用從上到下或從下到上的結(jié)構(gòu)創(chuàng)建 第3 頁共6 6 頁 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 模型。利用s i m u l i n k 動(dòng)態(tài)仿真工具可大大簡(jiǎn)化繁瑣的數(shù)學(xué)模型建立， 仿真模型建立以及仿真方法設(shè)計(jì)等工作過程?？梢栽诟淖儏?shù)后迅速觀 看到系統(tǒng)發(fā)生的變化。 ( 3 ) 選用專用的液壓仿真軟件進(jìn)行仿真。 在條件允許下，精度是仿真技術(shù)的永恒追求。數(shù)字仿真結(jié)果的誤差是由基本 模型的原理性誤差，自動(dòng)建模過程造成的誤差和數(shù)值積分過程產(chǎn)生的誤差的共同 作用所造成的。模型誤差主要指的是如彈性模量，節(jié)流系數(shù)，阻尼系數(shù)，小液感， 剛性限位等非線性因素以及紊流，容腔的幾何形狀等非線性效應(yīng)的忽略所造成的 誤差。在許多情況下，此類誤差往往是仿真結(jié)果誤差的最主要原因。仿真結(jié)果的 精度提高必須在建模研究上有所突破。人們對(duì)液壓系統(tǒng)建模研究的不斷深入，液 壓系統(tǒng)由于其流體工作介質(zhì)，建立正確的系統(tǒng)模型，始終是研究的熱點(diǎn)。新的原 理，新的機(jī)構(gòu)的不斷出現(xiàn)，新的建模問題就隨之而來。還有許多其它長(zhǎng)期懸而未 決的問題，如流體在復(fù)雜流道中的流動(dòng)情況，閥口流量系數(shù)，液動(dòng)力系數(shù)等“軟” 參數(shù)的正確確定等等。 1 5 課題的研究?jī)?nèi)容及目的 本課題是長(zhǎng)江水利委員會(huì)重大項(xiàng)目的子課題，獲上海市浦東新區(qū)科委資助的 項(xiàng)目。課題研究長(zhǎng)江三峽水利樞紐永久船閘輸水閘f - i 啟閉機(jī)液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特 性。啟閉機(jī)性能的好壞直接關(guān)系到三峽船閘能否良好運(yùn)行，而啟閉機(jī)的液壓系統(tǒng) 是它的關(guān)鍵。因此研究啟閉機(jī)液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性十分必要，它為三峽船閘良好 運(yùn)行提供有力的保障，意義重大。 液壓系統(tǒng)主要控制輸水，輔助泄水閥門。輸水閘門屬于單吊反向弧門，是典 型的重力負(fù)載。其在運(yùn)行過程中，由于受水流壓力及負(fù)載力矩變化等因素的影響， 在運(yùn)行過程中為變負(fù)載運(yùn)行，運(yùn)行中受動(dòng)水阻力及推力影響，工況復(fù)雜。這些工 作特點(diǎn)要求液壓系統(tǒng)在運(yùn)行過程中能根據(jù)負(fù)載特性對(duì)負(fù)載變化進(jìn)行補(bǔ)償，滿足閥 門在運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性要求。在啟動(dòng)，停止過程中，因?qū)儆诖笾亓ω?fù)載，要求 液壓系統(tǒng)能適應(yīng)負(fù)載的狀態(tài)變化，避免產(chǎn)生液壓沖擊。由于工作狀況屬于高壓， 大流量的特點(diǎn)，同時(shí)為了減輕系統(tǒng)重量，提高控制精度，提高效率和可靠性，節(jié) 省能量，液壓系統(tǒng)主要采用二通插裝閥組成。對(duì)于根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)設(shè)計(jì)出的液壓 系統(tǒng)，僅知道所擬用的系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)負(fù)載從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)是不夠的，還要重 視介于兩者之間的時(shí)域軌跡，知道系統(tǒng)響應(yīng)是否穩(wěn)定，響應(yīng)速度是否夠快，以及 響應(yīng)是否振蕩。因此建立液壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析十分必要。 本課題的主要內(nèi)容包括：a ) 利用計(jì)算機(jī)數(shù)字仿真技術(shù)，對(duì)所設(shè)計(jì)的啟閉機(jī) 液壓系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，研究系統(tǒng)在正常工作以及動(dòng)作切換狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)特性是 第4 頁拱6 6 頁 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文第章緒論 否滿足工作要求。根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行一些項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)，與仿真結(jié)果 進(jìn)行比較，以驗(yàn)證仿真模型的正確性。b ) 針對(duì)采用二通插裝閥組成的液壓系統(tǒng) 中可能出現(xiàn)的“瞬時(shí)失壓”對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的不利影響，對(duì)弧門上下行動(dòng)作切換過程 中系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真研究，觀察“瞬時(shí)失壓”對(duì)系統(tǒng)的影響，提出對(duì)系統(tǒng) 的改進(jìn)措施，并通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證改進(jìn)措施的可行性，為系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試提供理 論依據(jù)。c ) 對(duì)長(zhǎng)管道給系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性帶來的影響進(jìn)行初步的研究，觀察在長(zhǎng)管 道情況下系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的變化以及是否系統(tǒng)能滿足工作要求。 第5 頁共6 6 頁 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章輸水閥門啟閉機(jī)液童系統(tǒng)原理 2 1 引言 第二章輸水閥門啟閉機(jī)液壓系統(tǒng)原理 對(duì)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)在水利水電工程中的應(yīng)用做了介紹，并針對(duì)應(yīng)用于長(zhǎng)江三峽水 利樞紐永久船閘輸水閥門上的啟閉機(jī)液壓系統(tǒng)原理進(jìn)行了分析。介紹了液壓控制 系統(tǒng)帶動(dòng)負(fù)載所要執(zhí)行的動(dòng)作以及動(dòng)作切換。 2 2 液壓?jiǎn)㈤]機(jī)在水利水電工程中的應(yīng)用和發(fā)展 在水利水電工程中，液壓?jiǎn)㈤]機(jī)是指操作閘( 閥) f - j 的一種啟閉設(shè)備，通常 由液壓泵站、液壓缸、液壓閥組、液壓管道及電氣檢測(cè)和控制裝置組成。 液壓?jiǎn)㈤]機(jī)在我國(guó)水利水電工程中的應(yīng)用最早當(dāng)屬官廳水庫高壓閘門啟閉 機(jī)。長(zhǎng)時(shí)間以來由于受國(guó)內(nèi)工業(yè)水平的限制，液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的應(yīng)用和發(fā)展受到了諸 多因素的制約，其中，造價(jià)昂貴成為最重要的制約因素。改革開放后國(guó)內(nèi)工業(yè)水 平快速提高，另一方面，國(guó)外先進(jìn)技術(shù)和液壓元器件大量進(jìn)入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，大大加 速了液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的發(fā)展，也拓寬了其應(yīng)用前景。今天，幾乎所有形式的閘( 閥) 門都可以用液壓?jiǎn)㈤]機(jī)來操作，這對(duì)水電工程的發(fā)展具有十分重要的意義。 2 2 1 水利水電工程液壓?jiǎn)㈤]機(jī)與其它液壓機(jī)械的主要差異 1 ) 由于操作對(duì)象是水工閘( 閥) 門，因此液壓缸的行程和容量都很大。 2 ) 對(duì)設(shè)備的可靠性有很高的要求，雖然實(shí)際操作使用的次數(shù)很少，但要求 每次操作的成功率很高，操作的失敗，可能釀成災(zāi)難性后果。 3 ) 液壓缸的運(yùn)行速度一般較低，控制精度也不高，但設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)不同閘 ( 閥) 門的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、操作條件和控制要求，配備相應(yīng)的液壓及電氣控 制系統(tǒng)，因此大多為非標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備。 4 ) 當(dāng)操作的閥門需部分開啟運(yùn)行時(shí)，液壓缸應(yīng)具有較長(zhǎng)時(shí)間的帶載鎖定功 能，對(duì)液壓缸和系統(tǒng)的密封性要求較高。 2 2 2 液壓?jiǎn)㈤]機(jī)與其它啟閉設(shè)備相比的主要特點(diǎn) 液壓?jiǎn)㈤]機(jī)通過液壓傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)液壓缸來操作閥門的啟閉運(yùn)行，故傳動(dòng)效率比 機(jī)械傳動(dòng)高。液壓?jiǎn)㈤]設(shè)備布置的可分散性，使其對(duì)水工建筑物有極大的適應(yīng)性， 十分有利于水電工程總體布局的優(yōu)化。同時(shí)液壓設(shè)各又有便于集中控制的優(yōu)點(diǎn)， 可提高工程的自動(dòng)化控制水平。液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的啟閉速度通過泵、閥來調(diào)節(jié)，在實(shí) 際運(yùn)行中可根據(jù)需要調(diào)定，故應(yīng)變能力強(qiáng)。液壓傳動(dòng)據(jù)有較好的緩沖性，使啟閉 機(jī)的啟、停運(yùn)行較為平穩(wěn)。 第6 頁共6 6 頁 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章輸水闊門啟閉機(jī)液屢系統(tǒng)原理 2 3 輸水閥門啟閉機(jī)液壓系統(tǒng)原理 輸水閥門屬于單吊點(diǎn)反向弧門，為典型的重力負(fù)載，運(yùn)行過程中，由于受水 流壓力，及負(fù)載力矩變化等因素的影響，其整個(gè)運(yùn)行過程中屬于變負(fù)載運(yùn)行。 以上負(fù)載特性要求液壓系統(tǒng)對(duì)負(fù)載變化進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)償，以滿足輸水閥門整個(gè) 運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性：在啟動(dòng)，停止過程中，因其屬于大重力負(fù)載，要求液壓系 統(tǒng)能適應(yīng)負(fù)載的狀態(tài)變化，以避免產(chǎn)生液壓沖擊。圖2 1 是系統(tǒng)的液壓原理簡(jiǎn)圖 圖2 ，1 渡壓系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖 2 3 1 液壓系統(tǒng)中液壓元件的選取 自6 0 年代以來，隨著液壓技術(shù)的不斷發(fā)展，液壓設(shè)備的不斷更新，對(duì)液壓 傳動(dòng)系統(tǒng)提出了許多新的要求。主要有：提高工作壓力、加大流量、縮小體積和 減輕重量、提高控制精度、盡量減少管路、提高工作可靠性和延長(zhǎng)使用壽命、降 低噪聲和節(jié)省能量?？梢詺w結(jié)為：高壓化、大容量化、小型化、精密化、復(fù)合化、 通用化、低噪聲化和節(jié)能化。通過前面的論述，啟閉機(jī)工作的特點(diǎn)正是對(duì)其液壓 系統(tǒng)提出了以上要求。 自3 0 年代以來一直廣泛應(yīng)用的以滑閥式結(jié)構(gòu)為主的傳動(dòng)液壓控制閥，由于 受結(jié)構(gòu)形式所限，例如滑閥流動(dòng)阻力大、通流能力小，不能滿足大型液壓設(shè)備對(duì) 流量的要求。當(dāng)系統(tǒng)需要控制大流量耐，不得不采用兩個(gè)和多個(gè)閥并聯(lián)使用，或 設(shè)計(jì)非標(biāo)準(zhǔn)大通徑閥，這樣設(shè)備結(jié)構(gòu)龐大?；y結(jié)構(gòu)尺寸隨著通徑的加大而急劇 第7 頁共6 6 頁 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章輸水閥門啟閉機(jī)液壓系統(tǒng)原理 增加。閥芯尺寸大、質(zhì)量大、行程長(zhǎng)，所以響應(yīng)慢，換向時(shí)間長(zhǎng)；同時(shí)因尺寸大， 泄漏量大，換向沖擊也大。另外滑閥由于采用間隙密封，其抗污染能力差，容易 卡死，換向可靠性差。再有現(xiàn)行傳統(tǒng)液壓閥多為單機(jī)能閥，組成系統(tǒng)非常復(fù)雜， 大流量系統(tǒng)集成起來就更困難。當(dāng)通徑大于3 2 m m 時(shí)，只有法蘭連接一種形式。 目前傳統(tǒng)閥可以集成化的系統(tǒng)流量也只限于2 0 0 l m i n 。 國(guó)外7 0 年代初開始出現(xiàn)一種新型液壓控制元件二通插裝閥。它具有一 系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)緊湊、工藝性好、流動(dòng)阻力小、流通能力大、響應(yīng)快、 抗污染能力強(qiáng)、工作可靠、壽命長(zhǎng)、效率高、具有多種機(jī)能、變型方便、可以高 度集成。由于插裝閥的這些優(yōu)點(diǎn)，它己廣泛應(yīng)用于水利行業(yè)。長(zhǎng)江三峽水利樞紐 永久船閘輸水閥門上的啟閉機(jī)液壓系統(tǒng)流量為4 0 0 l m i n ，采用插裝閥可以充分 發(fā)揮高壓大流量的特點(diǎn)。因此為了滿足輸水閘門啟閉機(jī)對(duì)液壓系統(tǒng)的要求，選用 二通插裝閥來組成液壓控制系統(tǒng)。這里選用美國(guó)p a r k e r 公司的c e 系列插裝閥， 通徑為3 2 m m 和4 0 m m 。 2 3 2 液壓系統(tǒng)控制模塊功能 輸水閥門啟閉機(jī)在工作狀態(tài)下要實(shí)現(xiàn)啟門運(yùn)行、關(guān)門運(yùn)行和自重關(guān)門的動(dòng) 作。每一動(dòng)作下電磁換向閥電磁鐵閉合狀態(tài)如表2 1 所示。該模塊在上升、下降 過程中由c v 0 1 、c v 0 4 、c v 0 5 、c v 0 6 組成四通塊實(shí)現(xiàn)以上動(dòng)作。在自重下降 過程中由c v 0 2 、c v 0 4 、c v 0 5 、c v 0 6 組成四通塊實(shí)現(xiàn)動(dòng)作，而c v 0 3 為鎖定 的典型單向閥功能。 表2 1輸水閥門啟閉機(jī)運(yùn)行時(shí)電磁換向閥電磁鐵閉合狀態(tài) d t o ld t 0 2d t 0 3d t 0 4d t 0 5d t 0 6 啟門運(yùn)行 關(guān)門運(yùn)行 自重關(guān)門 注：表中“+ ”表示電磁鐵得電；“一”表示電磁鐵失電 各插裝閥控制功能如下： 插裝閥c v 0 7 作為泵出口安全閥使用。 插裝閥c v 0 4 、c v 0 5 控制壓力油供給，c v 0 4 開啟壓力油進(jìn)入弧門油缸下腔 c v 0 5 開啟壓力油進(jìn)入弧門油缸上腔。 插裝閥c v 0 6 控制上腔回油壓力，及上腔超載壓力。 插裝閥c v 0 3 控制下腔鎖定，防止弧門下滑。 插裝閥c v 0 2 控制自重下滑速度。 插裝閥c v 0 1 通過先導(dǎo)壓力級(jí)的選擇，控制下降背壓，防止弧門下降失控。 第8 頁共6 6 頁 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文第三章液壓系統(tǒng)中各液壓元件模型的建立 3 1 引言 第三章液壓系統(tǒng)中各液壓元件模型的建立 液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性是衡量一套液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)及調(diào)試水平的重要指標(biāo)。由于 液壓?jiǎn)㈤]機(jī)現(xiàn)場(chǎng)工作條件復(fù)雜。通常系統(tǒng)的工作流量、壓力較大，受動(dòng)水阻力的 影響，在變負(fù)載的情況下運(yùn)行，要求系統(tǒng)運(yùn)行安全、穩(wěn)定、反應(yīng)迅速。因此了解 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性非常重要。液壓控制系統(tǒng)由各個(gè)液壓元件組成，對(duì)于各個(gè)液壓元 件建立數(shù)學(xué)模型，是對(duì)整個(gè)液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模和動(dòng)態(tài)仿真的基礎(chǔ)。 3 2p a r k e r 公司二通插裝閥特點(diǎn)介紹 美國(guó)p a r k e r 公司的二通插裝閥是種無閥體的座式錐閥插裝單元，它沒有 特定的功能。其主要結(jié)構(gòu)包括閥套、閥錐、彈簧和擋板。它們構(gòu)成插裝件“c e ” 以及蓋板“c ”。為了實(shí)現(xiàn)其功能，插裝閥被安裝在控制塊里必要的連接孔中。 孔由蓋板進(jìn)行封閉。蓋板的結(jié)構(gòu)決定了插裝閥的功能。閥錐直接受彈簧力的作用， 并通過相關(guān)的液控壓力被打開或關(guān)閉。插裝閥結(jié)構(gòu)如圖3 1 所示。其中a ：初始 位置通過彈簧關(guān)閉( 常閉) b ；初始位置通過彈簧打開( 常開) 雒懶黟鼻冀。曬蔭插囊島 萄3 , 1c e 系列插裝閥結(jié)構(gòu)圖 對(duì)于不同的要求例如：壓力、流量、截止或換向功能，閥錐有不同的閥座形 狀并且可以選擇不同的面積比。先導(dǎo)控制可以裝在蓋板單元上或通過控制孔與蓋 板單元相連。p a r k e r 的插裝閥每種公稱尺寸有一種閥套，允許安裝所有的閥錐 結(jié)構(gòu)。c e 系列插裝件結(jié)構(gòu)見圖3 2 。 第9 頁共6 6 頁 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 第三章液壓系統(tǒng)中各液壓元件模型的建立 圖3 2c e 系列插裝閥插裝件結(jié)構(gòu)圖 3 3 二通插裝閥方向控制組件模型的建立 本液壓系統(tǒng)上的二通插裝閥方向控制組件選用美國(guó)p a r k e r 公司的c e 系列 閥。其中c v 0 4 閥通徑為4 0 r a m ，型號(hào)為c e 0 4 0 s 0 4 s 0 0 n 1 0 。c v 0 5 閥通徑為3 2 m m ， 型號(hào)為c e 0 4 0 s 0 4 s 0 0 n 1 0 。c v 0 3 閥通徑為3 2 m m ，型號(hào)為c 1 0 d b c l 0 1 e 3 2 。 3 3 1 二通插裝閥方向控制組件數(shù)學(xué)模型的建立 p 2 ( v 2 ) r 一甲 曠 | 稍駟均。 豳3 3 方向控制組件原理圖 以插裝閥組件c v 0 4 為例，根據(jù)閥內(nèi)各容腔流量連續(xù)性方程和閥芯受力平衡 方程，可得其動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，其原理示意如圖3 3 所示。插裝閥插件選用c e * 0 4 。 以豎直向上為閥芯運(yùn)動(dòng)速度正方向，其數(shù)學(xué)模型分為電磁鐵d t 0 4 失電和得 電兩部分 ( a ) 電磁鐵d t 0 4 得電，此時(shí)插裝閥c 腔控制油經(jīng)節(jié)流孔r l 和換向閥流回油 箱。根據(jù)基爾霍夫定律，某一節(jié)點(diǎn)的流入量等于其流出量，建立c 腔的 連續(xù)流動(dòng)方程： 誓：軎“相) 出礦、 “ ( 3 1 ) 第1 0 頁共6 6 頁 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文第三章液壓系統(tǒng)中各液壓元件模型的建立 流量h - 程： g 。= 髟4 c x ，痧( 3 - - 2 ) 閥芯運(yùn)動(dòng)方程： 卅籌確4 協(xié)4 他4 一k k + x ) 一嗉叫 ( s 一3 ) 其中：珊：主閥芯質(zhì)量p 。：c 腔壓力 k ：c 腔體積 x ：主閥芯位移 j ：主閥芯位移速度x 。：主閥芯彈簧預(yù)壓縮量 k ：主閥彈簧剛度 k d ：主閥口流量系數(shù) b ：粘性阻尼系數(shù) q 4 ：閥c v 0 4 的閥口流量 口：通過先導(dǎo)液阻的流量f ：主閥口的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力 p ：油液密度a ( x ) ：主閥口過流面積 e ：油液有效體積彈性模量 以、以、4 ：a 、b 、c 腔中壓力等效作用面積 公式( 3 - - 1 ) 、( 3 - - 2 ) 、( 3 - - 3 ) 中各項(xiàng)系數(shù)的選取以及相關(guān)項(xiàng)的計(jì)算： i 忽略油液壓縮性和內(nèi)部泄漏的影響，先導(dǎo)液流經(jīng)過液阻r 1 和兩位四通換向 閥的流量是不變的。相當(dāng)于兩個(gè)液阻的串聯(lián)。其效果如圖3 , 4 所示： a d r ld ， p 。_ 二( 二 - 二 一0 等效 先導(dǎo)流量q = k d 2 “i 其中c ：流量系數(shù) p 。! _ _ 0 d 圖3 4 先導(dǎo)液阻等效圖 式中足= 吒詹 d ：等效節(jié)流孔徑 第1 1 頁共6 6 頁 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文 第三章液壓系統(tǒng)中各液壓元件模型的建立 d ：魚! 魚 v 4 “, 4 l + d ? d r i ：液阻置孔徑d ：兩位四通閥通徑 i i k 。和爿( x ) 的選取與計(jì)算： 根據(jù)插裝閥插件c e + 0 4 的結(jié)構(gòu)形式( 見圖3 2 ) 和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，k 。取值 為0 8 爿。) = 麒s i n ( d 一主s i n 2 ) 其中：口：閥座錐角d ：閥芯直徑 i i i 穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力f 的計(jì)算： 應(yīng)用動(dòng)量定理，列出控制面上流進(jìn)和流出的液流動(dòng)量之變化率，即作用于液 流的外力，其負(fù)值為液流作用于閥芯上的液動(dòng)力。二通插裝閥閥芯上的穩(wěn)態(tài) 液動(dòng)力的方向總是使閥口趨于關(guān)閉，也起著彈簧力的作用。 f = 一2 嬲a ( x ) a p c o s 肛 其中： a p ：主閥口壓力差值 屈：射流角 i v c 腔控制體積圪的計(jì)算： t = 爿。 x 一：閥芯最大行程 v 插裝閥組件c v 0 4 對(duì)于v i 容腔控制體積的流量q 。的計(jì)算： 吼0 4 = q 4 + 4 量 ( b ) 電磁鐵d t 0 4 失電，此時(shí)插裝閥控制油從a 腔或b 腔經(jīng)節(jié)流孔r 1 和換向 閥流向c 腔。 當(dāng)p 1 p 2 時(shí)：q = k d 2 托而 “5 局( 工) 吾( p t 一扔) 插裝閥組件c v 0 4 對(duì)于v l 容腔控制體積的流量g l 。 g 女0 4 = g 。，0 4 + 4 量+ g 第1 2 頁共6 6 頁 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文第三章液壓系統(tǒng)中各液壓元件模型的建立 當(dāng)p l 。 ：、；、：、；之 一一 一一一j 一一一一一i 一一一一一 ，一一 4055 1 5 25354555 e5 75 859 t 【對(duì) d l l lii 卜1 f 工 一 一、i 圖5 4 弧門上行轉(zhuǎn)下行仿真曲線圖 第3 9 頁共6 6 頁 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文第五章輸水閥門上下行切換液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真 以上所示，a 圖為插裝閥c v 0 4 和c v 0 5 的閥芯位移曲線。b 圖為油缸上腔 壓力p 4 和油缸下腔壓力p 3 變化曲線。c 圖為弧門速度藍(lán)線( 弧門上行為正方向) 。 d 圖為插裝閥c v 0 4 的流量變化曲線( 流量正方向?yàn)関 1 - - v 2 ) 。e 圖為插裝閥c v 0 4 的流量變化曲線( 流量正方向?yàn)関 1 - - v 4 ) 。f 圖為泵口壓力p 1 壓力曲線。 a b 時(shí)間段：初始階段，電磁鐵d t 0 5 得電，插裝閥c v 0 5 迅速打開，而 此時(shí)c v 0 4 處于關(guān)閉的過程中，并未完全關(guān)閉，因此c v 0 4 和c v 0 5 都處于閥口 打開的狀態(tài)。此時(shí)油缸上腔壓力p 4 在短時(shí)間內(nèi)升高，油缸下腔壓力p 3 由于此 時(shí)c v 0 4 未關(guān)閉，油液由v 3 一v 2 一v l - - v 4 容腔( 由d 、e 圖可見) ，構(gòu)成差動(dòng) 回路。在該過程中，p 3 、p 1 下降，弧門在重力與油缸上下腔壓力p 3 、p 4 的共 同作用下加速下滑。正由于弧1 7 女n 速下滑，使得壓力p 4 進(jìn)一步快速下降。當(dāng)壓 力p l 、p 4 下降到某一值時(shí)，插裝閥c v 0 5 的閥芯在彈簧力和液動(dòng)力的作用下趨 于關(guān)閉，至b 點(diǎn)，c v 0 5 閥芯關(guān)閉。 b c 時(shí)間段：此時(shí)c v 0 5 關(guān)閉，c v 0 4 的閥口還處于開啟狀態(tài)。隨著弧門 的下行，致使壓力p 3 、p l 升高。同時(shí)油缸上腔由于c v 0 5 處于關(guān)閉狀態(tài)，沒有 油液補(bǔ)充，致使p 4 出現(xiàn)負(fù)壓。隨著p 1 的升高，至c 點(diǎn)c v 0 5 處于即將再次開 啟的狀態(tài)。 c d 時(shí)間段：開始時(shí)，隨著c v 0 5 的開啟，弧門的繼續(xù)下行，c v 0 5 的閥 芯有一個(gè)動(dòng)態(tài)開啟的過程，p 3 、p l 有微小的波動(dòng)，但總的來說壓力比c 點(diǎn)高。 p 4 由于弧門下滑過快，補(bǔ)油不及，繼續(xù)保持負(fù)壓( 見b 圖) 。由于p 3 的增大， 使得弧門下滑的加速度有所減小。在隨后的過程中，c v 0 5 的閥口開度略有增加， 由于p 3 、p 1 略有增加，弧門下行的加速度比a b 斷明顯減小( 見c 圖) 。 d e 時(shí)間段：至d 點(diǎn)，c v 0 4 閥芯關(guān)閉，背壓閥c v 0 1 在短時(shí)間內(nèi)打開， 壓力p 3 大大升高，致使弧門下行加速度減為零再變?yōu)樨?fù)加速度，使弧門作減速 下行。由于c v 0 4 關(guān)閉，通過c v 0 4 進(jìn)入v l 腔的流量為零，進(jìn)入v 1 腔的流量 只有泵的流量，壓力p l 有所下降，促使c v 0 5 趨于關(guān)閉。經(jīng)過類似于c d 段 的過程，但由于此時(shí)進(jìn)入v 1 腔的流量?jī)H為泵的流量，c v 0 5 開度比較小。整個(gè) 時(shí)間段內(nèi)，弧門還處于下行狀態(tài)，但由于油缸上腔補(bǔ)油不及，p 4 還保持為負(fù)壓。 e f 時(shí)間段：隨著弧門的速度逐漸減為零，p 4 開始由負(fù)值變?yōu)檎?。由?在弧門速度過零時(shí)，弧門尚受到向上的很小的合力，使得弧門有微小的上行，這 促使p 4 升高，短時(shí)間內(nèi)p 4 升高速率比p 1 快，因此在很短時(shí)間內(nèi)，有油液由 v 4 一v j 的返流，表現(xiàn)為e 圖中流量為負(fù)值，實(shí)際上是容腔v l 的油液壓縮，這 又促使壓力p 1 的升高。因?yàn)閜 4 、p 1 的升高，主要是p 4 的快速增大，使得c v 0 5 完全打開。在該段時(shí)間內(nèi)，由于弧門的微小上行，壓力p 3 有較小的降低。 f 點(diǎn)以后，p 1 、p 4 繼續(xù)升高，此時(shí)背壓建立起來，油缸上下腔壓力達(dá)到穩(wěn) 第4 0 頁共6 6 頁 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文第五章輸水閥門上下行切換液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真 定狀態(tài)?；￠T穩(wěn)定下行?；￠T位移曲線如圖5 5 所示，其中弧門上行方向?yàn)檎?向。 一：連：二： ；!i 了 幽5 5 弧門上行轉(zhuǎn)f 行位移仿真曲線圖 由以上分析可見，由于插裝閥的開啟和關(guān)閉由控制油和插裝閥a 腔和b 腔 壓力共同作用來完成，c v 0 4 關(guān)閉比較慢，而c v 0 5 很快開啟，容腔v 2 、v i 和 v 4 出現(xiàn)連通現(xiàn)象，開始切換時(shí)壓力p 4 較低，油流方向?yàn)関 3 - - v 2 - - v i - - v 4 ， 構(gòu)成差動(dòng)回路，油缸下腔壓力p 3 不升高反而下降，致使油缸下腔背壓不能建立 起來，p 3 在一段時(shí)間內(nèi)比較低。此時(shí)壓力p 4 的值又比弧門上升狀態(tài)時(shí)高，因 此弧門在重力作用下加速下滑，并使得油缸上腔補(bǔ)油不及而出現(xiàn)負(fù)壓，這個(gè)負(fù)壓 會(huì)使油缸中發(fā)生“氣蝕”現(xiàn)象。所謂“氣蝕”現(xiàn)象是指由于油液中當(dāng)某處的壓力 低于空氣分離壓而產(chǎn)生氣泡，這些氣泡隨液流流到壓力較高的部位時(shí)，會(huì)因承受 不了高壓而破滅，產(chǎn)生局部的液壓沖擊，發(fā)出噪聲并引起振動(dòng)，當(dāng)附著在金屬表 面上的氣泡破滅時(shí)，它產(chǎn)生的局部高溫高壓會(huì)使金屬剝落，使表面粗糙，或出現(xiàn) 海綿狀的小洞穴。這對(duì)油缸的使用壽命非常不利。 在整個(gè)動(dòng)作切換過程中，弧門在很短的時(shí)間內(nèi)以很大的加速度加速下滑，這 是我們不希望看到的。最后插裟閥c v 0 4 關(guān)閉，油缸下腔的背壓才建立起來，油 缸開始穩(wěn)定下行。出現(xiàn)這些現(xiàn)象，主要是由于插裝閥關(guān)閉較慢，而開啟較快，在 一段時(shí)間內(nèi)c v 0 4 與c v 0 5 連通所致。 5 4 3 經(jīng)過改進(jìn)措施后仿真結(jié)果 由上節(jié)的分析結(jié)果，我們要改進(jìn)系統(tǒng)在動(dòng)作切換時(shí)的動(dòng)態(tài)性能，關(guān)鍵是加快 c v 0 4 的關(guān)閉速度，使得c v 0 4 與c v 0 5 的閥口各容腔之間相連通時(shí)間很短或不 出現(xiàn)連通的情況，從而使油缸下腔的背壓迅速建立起來，避免油缸上腔由于短時(shí) 間內(nèi)弧門高速下滑而出現(xiàn)負(fù)壓，使油缸由上行轉(zhuǎn)為下行時(shí)迅速而穩(wěn)定。 結(jié)合5 3 節(jié)所述，我們采用兩種改進(jìn)措旖，以下是仿真結(jié)果： a ) 采用控制先導(dǎo)控制閥動(dòng)作先后順序的方法，通過電磁鐵d t 0 4 控制c v 0 4 的控制油流，使得c v 0 4 在c v 0 5 開啟前預(yù)先關(guān)閉，圖5 6 所示分別為c v 0 4 預(yù) 第4 1 頁共6 6 頁 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文第五章輸水閥門上下行切換液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真 先關(guān)閉情況下c v 0 4 ，c v 0 5 閥芯位移曲線，油缸下腔壓力p 3 和油缸上腔壓力p 4 的壓力變化曲線，油缸速度變化曲線。圖5 7 為弧門位移曲線 e 童 三 o0 1 5 o0 1 0 5 ili li 了c v ；： ： 。 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文第五章輸水閥門上下行切換液壓系繞動(dòng)態(tài)仿真 d e 時(shí)間段：p 3 、p 4 對(duì)油缸作用向上合力大于弧門所受重力，使弧門開 始加速上行?；￠T的上行使p 4 由負(fù)壓變?yōu)檎龎?，致使p 3 、p 4 對(duì)油缸作用的向 上合力有所下降，弧門上升的加速度亦有所下降。該時(shí)間段內(nèi)，p 4 開始有上沖， 隨后逐漸下降，因而導(dǎo)致p 1 、p 3 有所下降。這使得弧門上行的加速度不斷減小， 至e 點(diǎn)上行加速度減為零。 e f 時(shí)間段：隨著弧門上行，p 1 、p 3 繼續(xù)降低，油缸上下腔所受合力小于 弧門所受的重力，弧門減速上行。過f 點(diǎn)時(shí)，弧門速度為零。 f 點(diǎn)以后，由于弧門所受重力略大于油缸上下腔所受的合力，弧門有較小量 的下行。由于此時(shí)c v 0 5 處于關(guān)閉狀態(tài)，p 3 、p 1 迅速升高，使弧門下行迅速減 小，最后油缸轉(zhuǎn)為穩(wěn)定上行，從而完成弧門由下行切換到上升的整個(gè)動(dòng)態(tài)過程。 在這個(gè)過程中，由于p 3 、p l 升高，使c v 0 1 出現(xiàn)瞬時(shí)開啟和關(guān)閉，致使p 3 、p l 出現(xiàn)壓力的微量抖動(dòng)，使得過c v 0 4 的流量出現(xiàn)一定的波動(dòng)。圖5 1 1 為弧門位移 曲線。 7 l 入 ： i ： 幽51 1 弧門f 行轉(zhuǎn)上行位移仿真曲線圖 通過對(duì)弧門由下行轉(zhuǎn)為上行切換過程動(dòng)態(tài)反應(yīng)的分析，弧門開始時(shí)加速下 滑，經(jīng)過一定的振蕩才穩(wěn)定上行是由于二通插裝閥c v 0 4 、c v 0 5 同時(shí)切換時(shí)， c v 0 5 關(guān)閉較慢，在一定時(shí)間內(nèi)，兩個(gè)插裝閥之間容腔連通，油流方向?yàn)関 3 一 v 2 一v 1 - - v 4 ，使弧門下腔壓力下降過大過快，導(dǎo)致弧門在大重力作用下以很大 加速度下降，同時(shí)使油缸上腔產(chǎn)生負(fù)壓，容易引起“氣蝕”現(xiàn)象的出現(xiàn)，對(duì)系統(tǒng) 產(chǎn)生不利的影響。在c v 0 5 完全關(guān)閉后，系統(tǒng)壓力要經(jīng)過一個(gè)波動(dòng)的過程，抵消 弧門高速下滑帶來的影響，最后才轉(zhuǎn)為穩(wěn)定上行。 5 5 _ 3 經(jīng)過改進(jìn)措施后仿真結(jié)果 與5 4 節(jié)相同，我們對(duì)兩種改進(jìn)措施進(jìn)行仿真。 第4 6 頁共“頁 上海大學(xué)碩士學(xué)位論文第五章輸水閥門上下行切換液壓系繞動(dòng)態(tài)仿真 a ) 使c v 0 5 預(yù)先關(guān)閉，這樣避免c v 0 4 ，c v 0 5 同時(shí)動(dòng)作時(shí)容腔相通，以避免 初始階段弧門在一段時(shí)間內(nèi)高速下滑對(duì)系統(tǒng)帶來的不利影響。 、。 、 c 1 i l 、 i 、，寸