（機械電子工程專業(yè)論文）長江三峽永久船閘輸水閥門啟閉機液壓系統(tǒng)動態(tài)仿真及研究.pdf

摘要 數字仿真技術由于精度高、速度快、仿真系統(tǒng)簡單，在液壓領域的工程實踐 中得到廣泛的應用，成為研究液壓元件和系統(tǒng)動態(tài)特性的有力手段。由二通插裝 閥組成的液壓系統(tǒng)對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”之間由機械同步控制，而插裝閥組中“開” 與“關”的控制由管道和插裝閥組的動特性所左右。如何通過先導電磁閥通斷時 間異步以及插裝閥阻尼器調節(jié)，使二通插裝閥“開”與“關”相匹配是液壓系統(tǒng) 設計和調試中十分重要的問題。通過動態(tài)仿真來揭示二通插裝閥“開”與“關” 的失配將給系統(tǒng)帶來什么不利的影響，以及應采取的措施是解決這類問題十分有 效的方法。 本文通過對長江三峽水利樞紐永久船閘啟閉機液壓系統(tǒng)的動態(tài)仿真和研究， 得到如下成果： 1 對二通插裝閥動態(tài)仿真模型進行了二次開發(fā)，建立了便于參數修改，可 重復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。 2 運用節(jié)點法建立液壓系統(tǒng)仿真模型，通過實驗驗證了模型的可行性，證 明用節(jié)點法建模進行系統(tǒng)動態(tài)仿真是一種很有效的方法。 3 針對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” 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態(tài)仿真證明了 方法的有效性。 4 運用集中參數模型和離散分布式模型相結合的方法對長管道給系統(tǒng)動態(tài) 特性帶來的影響進行了初步的研究。說明長管道對系統(tǒng)的動態(tài)特性有一 定的影響，在調試過程中應引起注意。 本課題通過仿真和實驗驗證了所用仿真方法的可行性，針對液壓系統(tǒng)在設計 和調試階段可能出現的問題進行了仿真，提出改進措施并通過仿真進行驗證，對 實際的工程應用具有重要的意義。 關鍵詞：二通插裝閥，動態(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 上海大學碩士學位論文第一章緒論 第一章序論 1 1 引言 液壓系統(tǒng)的動態(tài)特性是衡量一套液壓系統(tǒng)設計及調試水平的重要指標。早期 研究一個液壓系統(tǒng)，通常憑借設計者的經驗和知識用真實的元部件構成一個真實 系統(tǒng)，然后在這個系統(tǒng)上進行大量的試驗，研究控制方式和結構參數對系統(tǒng)動態(tài) 性能的影響，通過反復實驗和不斷修改，確定應用于生產實際的系統(tǒng)。但建造一 個實驗系統(tǒng)要花費大量人力，物力和時間，而且一次性成功的把握性小，變更參 數，改變控制方案又很困難。對于現場工作環(huán)境復雜，負載變化大的液壓系統(tǒng)， 進行實驗尤為困難，且費時費力。隨著計算機技術的發(fā)展，利用以計算機為工具， 把實際液壓系統(tǒng)變?yōu)槟Ｐ?，在計算機上進行實驗研究系統(tǒng)的各種工作狀況，確定 最好的控制方案和最佳參數匹配的計算機仿真技術，可使我們的工作更高效，提 高分析結果的可靠性，降低工程造價，縮短研究周期。計算機數字仿真技術的發(fā) 展尤為分析和預測液壓系統(tǒng)的動態(tài)特性提供了有力的手段。 1 2 計算機仿真技術在液壓領域的應用 利用計算機作為研究工具，將實際系統(tǒng)“?；痹谟嬎銠C上運轉的過程稱為 仿真，用于對系統(tǒng)進行仿真的一整套軟硬件稱為仿真系統(tǒng)，而研究可在計算機上 運行的“模型”建立和實驗方法稱為仿真技術。 仿真技術在液壓領域的應用有一個發(fā)展的過程。在1 9 7 3 年，第一個直接面 向液壓技術領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行建模，且所建模型可重復使用。1 9 7 4 年德國亞琛 工業(yè)大學開始研制液壓系統(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。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，英國巴斯大學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，面向鍵合圖物理機理清楚，但鍵合圖 不如原理圖直觀，還需學鍵合圖方法。8 0 年代西歐和美國在液壓仿真方面初顯 成效，一批液壓軟件包相繼問世。首先是德國的d s h 和英國的h a s p ，其后美 國又推出了p e r s i m ，芬蘭又推出c a t s i m 。它們雖各有特點，但程序結構和功 能上均未超出d s h 和h a s p 的基本模式。進入9 0 年代液壓系統(tǒng)仿真軟件又有了 新發(fā)展。1 9 9 2 年巴斯大學以全新面貌推出了b a t h f p ，在算法上，實現了自動 選擇算法的積分器，但仍未解決模型化簡問題，算法的自適應不夠。9 0 年代以 來，隨著對系統(tǒng)動態(tài)響應要求的提高，仿真的重要性日益提高，專用的仿真軟件 第1 頁共6 6 頁 上海太學碩士學位論文第一章緒論 和通用的仿真算法庫并存，可根據工程實際的需要選擇仿真軟件對液壓元件和系 統(tǒng)進行動態(tài)仿真。 仿真技術在液壓控制系統(tǒng)與液壓控制元件上的應用大致有以下方面： ( 1 ) 對已有的液壓元件或系統(tǒng)在數學模型建立的基礎上，進行仿真研究。 將仿真結果與實驗結果進行比較，驗證理論的正確程度。通過改進數 學模型和改變仿真參數，使仿真更接近于實物實驗結果，這樣得到的 數學模型作為改進和設計類似元件或系統(tǒng)的理論依據。 ( 2 ) 對于新設計的元件，通過仿真研究元件各部分參數對其動態(tài)特性的影 響，從而確定滿足元件性能要求的結構參數，為元件的設計提供需要 的數據。 ( 3 ) 對于新設計的系統(tǒng)，對系統(tǒng)的動態(tài)特性進行仿真研究，通過仿真驗證 系統(tǒng)控制方案的可行性，研究系統(tǒng)中的結構參數對其動態(tài)特性的影 響，找到最優(yōu)的系統(tǒng)結構參數，并獲得最佳的控制方案。 ( 4 ) 對于已經設計好的系統(tǒng)，通過仿真實驗，確定其調整參數。仿真結果 作為系統(tǒng)調試的理論依據，從而縮短調試周期和避免損壞設備。 1 3 系統(tǒng)仿真的分類 根據仿真時所用的計算機種類不同，仿真可分為模擬仿真、數字仿真和數字 一模擬混合仿真三種。 模擬仿真是利用模擬計算機作為仿真工具。模擬計算機是一種連續(xù)計算裝 置，它把實際物理量用電壓量表示，通過各連續(xù)運算部件求解描述系統(tǒng)動態(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。 利用模擬仿真的優(yōu)點有a ) 模擬仿真更接近于實際。它用正負極電壓幅值表示實 際系統(tǒng)物理量的正負與數值大小，而實際物理量的變化過程是連續(xù)的，因此用模 擬機對物理系統(tǒng)動態(tài)過程的仿真形象逼真。b ) 調試和系統(tǒng)參數的調整比較簡單 c ) 運算速度快。由于模擬計算機各運算部件并聯運行，因而運算速度特別快， 很適用于系統(tǒng)的在線實時仿真。但它的最大缺點是運算精度低，這是由于模擬計 算機的運算部件由高增益直流放大器和電器元件構成，這些元器件本身精度不 高，給模擬機帶來較大誤差。鑒于模擬計算機具有上述特點，作為仿真工具仍具 有一定應用價值，特別是運算速度快，變更系統(tǒng)控制方案和改變控制參數容易， 更適合應用于科學研究或工程設計初始階段的仿真實驗。一旦精度問題得以解 決，可望應用于在線實時控制。 數字仿真是利用數字計算機作為仿真工具。數字計算機是一種不連續(xù)的計算 裝置，它通過編碼器把實際系統(tǒng)數學模型中連續(xù)的物理量變成數字量，經計算機 第2 頁共6 6 頁 上海大學碩士學位論文第一! 章緒論 運算求解，其輸出是一組不連續(xù)的離散數據。利用數字計算機進行仿真的優(yōu)點有 a ) 計算精度高。從理論上講，數字計算機的精度是無限的，它的字長可根據精 度要求設計，字長增加意味著精度的提高，因此它的精度可達百萬分之一至千萬 分之一。b ) 運算速度快。這是計算機的共同特點，但由于數字計算機的運算是 按程序進行的，盡管目前數字機運算速度可達幾百萬次，甚至上億次，但還是比 模擬機的運算速度低。c ) 數字計算機不但可以完成算數運算，還可完成邏輯運 算等模擬計算機不能完成的更復雜運算。隨著數字計算機功能的不斷完善，應用 數字計算機進行仿真成為科學技術研究不可缺少的重要手段，特別是其計算精度 高，計算方法嚴謹，為科學研究和工程設計提供更可靠的數學依據。因此，數字 仿真技術在液壓領域得到廣泛應用，它為液壓元件和系統(tǒng)設計以及動態(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算機作為仿真工具，它集中模擬計算機和數字計算機 的優(yōu)點，它既有運算精度高又有運算速度快的特點，既保持模擬計算機的逼真感， 又大大提高計算機的邏輯功能和迭代能力，擴大了模擬機的解題范圍?；旌嫌嬎?機分為兩種a ) 混合模擬計算機。它在模擬機中引進存儲、判斷和數字邏輯運算 而成，使邏輯功能大為增強。此外數字系數電位器、比較器、跟蹤保持器、模擬 開關、d a 、a i d 轉換器等混合部件大為增加，從而進一步提高迭代運算能力。 b ) 混合計算系統(tǒng)。它將模擬機和數字機通過a d 、d a 轉換器連接在一起，形 成一個混合系統(tǒng)?；旌戏抡嫦到y(tǒng)兼有模擬仿真和數字仿真的優(yōu)點，但其仿真系統(tǒng) 相對來說更復雜，仿真成本也更高一些。 1 4 液壓仿真的基本方法 數字仿真技術由于其精度高、速度快、系統(tǒng)簡單，在液壓領域的工程實踐中 得到廣泛的應用。它是研究液壓元件和系統(tǒng)動態(tài)特性的有力手段。 仿真技術的三個主要組成部分是數學建模，模型解算和仿真結果分析。液壓 數字仿真一般采用三種方法： ( 1 ) 對于系統(tǒng)較簡單，自行編程進行仿真。 ( 2 ) 數學模型用戶自己建立。選用一些通用的算法庫系統(tǒng)進行仿真，如常用 的m a t l a b ，它提供了許多數學模型解算工具。其中的s i m u l l n k 是一 個對動態(tài)系統(tǒng)進行建模，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。用s i m u l i n k 建?？梢跃哂须A梯結構，因此可以采用從上到下或從下到上的結構創(chuàng)建 第3 頁共6 6 頁 上海大學碩士學位論文第一章緒論 模型。利用s i m u l i n k 動態(tài)仿真工具可大大簡化繁瑣的數學模型建立， 仿真模型建立以及仿真方法設計等工作過程?？梢栽诟淖儏岛笱杆儆^ 看到系統(tǒng)發(fā)生的變化。 ( 3 ) 選用專用的液壓仿真軟件進行仿真。 在條件允許下，精度是仿真技術的永恒追求。數字仿真結果的誤差是由基本 模型的原理性誤差，自動建模過程造成的誤差和數值積分過程產生的誤差的共同 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，阻尼系數，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果誤差的最主要原因。仿真結果的 精度提高必須在建模研究上有所突破。人們對液壓系統(tǒng)建模研究的不斷深入，液 壓系統(tǒng)由于其流體工作介質，建立正確的系統(tǒng)模型，始終是研究的熱點。新的原 理，新的機構的不斷出現，新的建模問題就隨之而來。還有許多其它長期懸而未 決的問題，如流體在復雜流道中的流動情況，閥口流量系數，液動力系數等“軟” 參數的正確確定等等。 1 5 課題的研究內容及目的 本課題是長江水利委員會重大項目的子課題，獲上海市浦東新區(qū)科委資助的 項目。課題研究長江三峽水利樞紐永久船閘輸水閘f - i 啟閉機液壓系統(tǒng)的動態(tài)特 性。啟閉機性能的好壞直接關系到三峽船閘能否良好運行，而啟閉機的液壓系統(tǒng) 是它的關鍵。因此研究啟閉機液壓系統(tǒng)的動態(tài)特性十分必要，它為三峽船閘良好 運行提供有力的保障，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 型的重力負載。其在運行過程中，由于受水流壓力及負載力矩變化等因素的影響， 在運行過程中為變負載運行，運行中受動水阻力及推力影響，工況復雜。這些工 作特點要求液壓系統(tǒng)在運行過程中能根據負載特性對負載變化進行補償，滿足閥 門在運行過程中的穩(wěn)定性要求。在啟動，停止過程中，因屬于大重力負載，要求 液壓系統(tǒng)能適應負載的狀態(tài)變化，避免產生液壓沖擊。由于工作狀況屬于高壓， 大流量的特點，同時為了減輕系統(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。對于根據經驗和知識設計出的液壓 系統(tǒng)，僅知道所擬用的系統(tǒng)驅動負載從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)是不夠的，還要重 視介于兩者之間的時域軌跡，知道系統(tǒng)響應是否穩(wěn)定，響應速度是否夠快，以及 響應是否振蕩。因此建立液壓系統(tǒng)的數學模型，對其進行動態(tài)分析十分必要。 本課題的主要內容包括：a ) 利用計算機數字仿真技術，對所設計的啟閉機 液壓系統(tǒng)進行動態(tài)仿真，研究系統(tǒng)在正常工作以及動作切換狀態(tài)下的動態(tài)特性是 第4 頁拱6 6 頁 上海大學碩士學位論文第章緒論 否滿足工作要求。根據現有設備設計實驗方案進行一些項目的實驗，與仿真結果 進行比較，以驗證仿真模型的正確性。b ) 針對采用二通插裝閥組成的液壓系統(tǒng) 中可能出現的“瞬時失壓”對系統(tǒng)產生的不利影響，對弧門上下行動作切換過程 中系統(tǒng)的動態(tài)特性進行仿真研究，觀察“瞬時失壓”對系統(tǒng)的影響，提出對系統(tǒng) 的改進措施，并通過仿真實驗驗證改進措施的可行性，為系統(tǒng)的現場調試提供理 論依據。c ) 對長管道給系統(tǒng)動態(tài)特性帶來的影響進行初步的研究，觀察在長管 道情況下系統(tǒng)動態(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 上海大學碩士學位論文第二章輸水閥門啟閉機液童系統(tǒng)原理 2 1 引言 第二章輸水閥門啟閉機液壓系統(tǒng)原理 對液壓啟閉機在水利水電工程中的應用做了介紹，并針對應用于長江三峽水 利樞紐永久船閘輸水閥門上的啟閉機液壓系統(tǒng)原理進行了分析。介紹了液壓控制 系統(tǒng)帶動負載所要執(zhí)行的動作以及動作切換。 2 2 液壓啟閉機在水利水電工程中的應用和發(fā)展 在水利水電工程中，液壓啟閉機是指操作閘( 閥) f - j 的一種啟閉設備，通常 由液壓泵站、液壓缸、液壓閥組、液壓管道及電氣檢測和控制裝置組成。 液壓啟閉機在我國水利水電工程中的應用最早當屬官廳水庫高壓閘門啟閉 機。長時間以來由于受國內工業(yè)水平的限制，液壓啟閉機的應用和發(fā)展受到了諸 多因素的制約，其中，造價昂貴成為最重要的制約因素。改革開放后國內工業(yè)水 平快速提高，另一方面，國外先進技術和液壓元器件大量進入國內市場，大大加 速了液壓啟閉機的發(fā)展，也拓寬了其應用前景。今天，幾乎所有形式的閘( 閥) 門都可以用液壓啟閉機來操作，這對水電工程的發(fā)展具有十分重要的意義。 2 2 1 水利水電工程液壓啟閉機與其它液壓機械的主要差異 1 ) 由于操作對象是水工閘( 閥) 門，因此液壓缸的行程和容量都很大。 2 ) 對設備的可靠性有很高的要求，雖然實際操作使用的次數很少，但要求 每次操作的成功率很高，操作的失敗，可能釀成災難性后果。 3 ) 液壓缸的運行速度一般較低，控制精度也不高，但設計時應根據不同閘 ( 閥) 門的結構特點、操作條件和控制要求，配備相應的液壓及電氣控 制系統(tǒng)，因此大多為非標準化設備。 4 ) 當操作的閥門需部分開啟運行時，液壓缸應具有較長時間的帶載鎖定功 能，對液壓缸和系統(tǒng)的密封性要求較高。 2 2 2 液壓啟閉機與其它啟閉設備相比的主要特點 液壓啟閉機通過液壓傳動驅動液壓缸來操作閥門的啟閉運行，故傳動效率比 機械傳動高。液壓啟閉設備布置的可分散性，使其對水工建筑物有極大的適應性， 十分有利于水電工程總體布局的優(yōu)化。同時液壓設各又有便于集中控制的優(yōu)點， 可提高工程的自動化控制水平。液壓啟閉機的啟閉速度通過泵、閥來調節(jié)，在實 際運行中可根據需要調定，故應變能力強。液壓傳動據有較好的緩沖性，使啟閉 機的啟、停運行較為平穩(wěn)。 第6 頁共6 6 頁 上海大學碩士學位論文第二章輸水闊門啟閉機液屢系統(tǒng)原理 2 3 輸水閥門啟閉機液壓系統(tǒng)原理 輸水閥門屬于單吊點反向弧門，為典型的重力負載，運行過程中，由于受水 流壓力，及負載力矩變化等因素的影響，其整個運行過程中屬于變負載運行。 以上負載特性要求液壓系統(tǒng)對負載變化進行相應補償，以滿足輸水閥門整個 運行過程中的穩(wěn)定性：在啟動，停止過程中，因其屬于大重力負載，要求液壓系 統(tǒng)能適應負載的狀態(tài)變化，以避免產生液壓沖擊。圖2 1 是系統(tǒng)的液壓原理簡圖 圖2 ，1 渡壓系統(tǒng)原理簡圖 2 3 1 液壓系統(tǒng)中液壓元件的選取 自6 0 年代以來，隨著液壓技術的不斷發(fā)展，液壓設備的不斷更新，對液壓 傳動系統(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使用壽命、降 低噪聲和節(jié)省能量?？梢詺w結為：高壓化、大容量化、小型化、精密化、復合化、 通用化、低噪聲化和節(jié)能化。通過前面的論述，啟閉機工作的特點正是對其液壓 系統(tǒng)提出了以上要求。 自3 0 年代以來一直廣泛應用的以滑閥式結構為主的傳動液壓控制閥，由于 受結構形式所限，例如滑閥流動阻力大、通流能力小，不能滿足大型液壓設備對 流量的要求。當系統(tǒng)需要控制大流量耐，不得不采用兩個和多個閥并聯使用，或 設計非標準大通徑閥，這樣設備結構龐大?；y結構尺寸隨著通徑的加大而急劇 第7 頁共6 6 頁 上海大學碩士學位論文第二章輸水閥門啟閉機液壓系統(tǒng)原理 增加。閥芯尺寸大、質量大、行程長，所以響應慢，換向時間長；同時因尺寸大， 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。再有現行傳統(tǒng)液壓閥多為單機能閥，組成系統(tǒng)非常復雜， 大流量系統(tǒng)集成起來就更困難。當通徑大于3 2 m m 時，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 。 國外7 0 年代初開始出現一種新型液壓控制元件二通插裝閥。它具有一 系列獨特的優(yōu)點，如結構緊湊、工藝性好、流動阻力小、流通能力大、響應快、 抗污染能力強、工作可靠、壽命長、效率高、具有多種機能、變型方便、可以高 度集成。由于插裝閥的這些優(yōu)點，它己廣泛應用于水利行業(yè)。長江三峽水利樞紐 永久船閘輸水閥門上的啟閉機液壓系統(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。因此為了滿足輸水閘門啟閉機對液壓系統(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 輸水閥門啟閉機在工作狀態(tài)下要實現啟門運行、關門運行和自重關門的動 作。每一動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 組成四通塊實現以上動作。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 組成四通塊實現動作，而c v 0 3 為鎖定 的典型單向閥功能。 表2 1輸水閥門啟閉機運行時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 啟門運行 關門運行 自重關門 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 開啟壓力油進入弧門油缸下腔 c v 0 5 開啟壓力油進入弧門油缸上腔。 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 通過先導壓力級的選擇，控制下降背壓，防止弧門下降失控。 第8 頁共6 6 頁 上海大學碩士學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)的動態(tài)特性是衡量一套液壓系統(tǒng)設計及調試水平的重要指標。由于 液壓啟閉機現場工作條件復雜。通常系統(tǒng)的工作流量、壓力較大，受動水阻力的 影響，在變負載的情況下運行，要求系統(tǒng)運行安全、穩(wěn)定、反應迅速。因此了解 系統(tǒng)的動態(tài)特性非常重要。液壓控制系統(tǒng)由各個液壓元件組成，對于各個液壓元 件建立數學模型，是對整個液壓系統(tǒng)進行建模和動態(tài)仿真的基礎。 3 2p a r k e r 公司二通插裝閥特點介紹 美國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。其主要結構包括閥套、閥錐、彈簧和擋板。它們構成插裝件“c e ” 以及蓋板“c ”。為了實現其功能，插裝閥被安裝在控制塊里必要的連接孔中。 孔由蓋板進行封閉。蓋板的結構決定了插裝閥的功能。閥錐直接受彈簧力的作用， 并通過相關的液控壓力被打開或關閉。插裝閥結構如圖3 1 所示。其中a ：初始 位置通過彈簧關閉( 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 系列插裝閥結構圖 對于不同的要求例如：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 結構。c e 系列插裝件結構見圖3 2 。 第9 頁共6 6 頁 上海大學碩士學位論文 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構圖 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學模型的建立 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，根據閥內各容腔流量連續(xù)性方程和閥芯受力平衡 方程，可得其動態(tài)數學模型，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動速度正方向，其數學模型分為電磁鐵d t 0 4 失電和得 電兩部分 ( a ) 電磁鐵d t 0 4 得電，此時插裝閥c 腔控制油經節(jié)流孔r l 和換向閥流回油 箱。根據基爾霍夫定律，某一節(jié)點的流入量等于其流出量，建立c 腔的 連續(xù)流動方程： 誓：軎“相) 出礦、 “ ( 3 1 ) 第1 0 頁共6 6 頁 上海大學碩士學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 ) 閥芯運動方程： 卅籌確4 協4 他4 一k k + x ) 一嗉叫 ( s 一3 ) 其中：珊：主閥芯質量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 。：主閥芯彈簧預壓縮量 k ：主閥彈簧剛度 k d ：主閥口流量系數 b ：粘性阻尼系數 q 4 ：閥c v 0 4 的閥口流量 口：通過先導液阻的流量f ：主閥口的穩(wěn)態(tài)液動力 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 ) 中各項系數的選取以及相關項的計算： i 忽略油液壓縮性和內部泄漏的影響，先導液流經過液阻r 1 和兩位四通換向 閥的流量是不變的。相當于兩個液阻的串聯。其效果如圖3 , 4 所示： a d r ld ， p 。_ 二( 二 - 二 一0 等效 先導流量q = k d 2 “i 其中c ：流量系數 p 。! _ _ 0 d 圖3 4 先導液阻等效圖 式中足= 吒詹 d ：等效節(jié)流孔徑 第1 1 頁共6 6 頁 上海大學碩士學位論文 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 ) 的選取與計算： 根據插裝閥插件c e + 0 4 的結構形式( 見圖3 2 ) 和實驗研究結果，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)液動力f 的計算： 應用動量定理，列出控制面上流進和流出的液流動量之變化率，即作用于液 流的外力，其負值為液流作用于閥芯上的液動力。二通插裝閥閥芯上的穩(wěn)態(tài) 液動力的方向總是使閥口趨于關閉，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 腔控制體積圪的計算： t = 爿。 x 一：閥芯最大行程 v 插裝閥組件c v 0 4 對于v i 容腔控制體積的流量q 。的計算： 吼0 4 = q 4 + 4 量 ( b ) 電磁鐵d t 0 4 失電，此時插裝閥控制油從a 腔或b 腔經節(jié)流孔r 1 和換向 閥流向c 腔。 當p 1 p 2 時：q = k d 2 托而 “5 局( 工) 吾( p t 一扔) 插裝閥組件c v 0 4 對于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 上海大學碩士學位論文第三章液壓系統(tǒng)中各液壓元件模型的建立 當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 d l l lii 卜1 f 工 一 一、i 圖5 4 弧門上行轉下行仿真曲線圖 第3 9 頁共6 6 頁 上海大學碩士學位論文第五章輸水閥門上下行切換液壓系統(tǒng)動態(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( 流量正方向為v 1 - - v 2 ) 。e 圖為插裝閥c v 0 4 的流量變化曲線( 流量正方向為v 1 - - v 4 ) 。f 圖為泵口壓力p 1 壓力曲線。 a b 時間段：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c v 0 4 處于關閉的過程中，并未完全關閉，因此c v 0 4 和c v 0 5 都處于閥口 打開的狀態(tài)。此時油缸上腔壓力p 4 在短時間內升高，油缸下腔壓力p 3 由于此 時c v 0 4 未關閉，油液由v 3 一v 2 一v l - - v 4 容腔( 由d 、e 圖可見) ，構成差動 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 進一步快速下降。當壓 力p l 、p 4 下降到某一值時，插裝閥c v 0 5 的閥芯在彈簧力和液動力的作用下趨 于關閉，至b 點，c v 0 5 閥芯關閉。 b c 時間段：此時c v 0 5 關閉，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。同時油缸上腔由于c v 0 5 處于關閉狀態(tài)，沒有 油液補充，致使p 4 出現負壓。隨著p 1 的升高，至c 點c v 0 5 處于即將再次開 啟的狀態(tài)。 c d 時間段：開始時，隨著c v 0 5 的開啟，弧門的繼續(xù)下行，c v 0 5 的閥 芯有一個動態(tài)開啟的過程，p 3 、p l 有微小的波動，但總的來說壓力比c 點高。 p 4 由于弧門下滑過快，補油不及，繼續(xù)保持負壓( 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 時間段：至d 點，c v 0 4 閥芯關閉，背壓閥c v 0 1 在短時間內打開， 壓力p 3 大大升高，致使弧門下行加速度減為零再變?yōu)樨摷铀俣?，使弧門作減速 下行。由于c v 0 4 關閉，通過c v 0 4 進入v l 腔的流量為零，進入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 趨于關閉。經過類似于c d 段 的過程，但由于此時進入v 1 腔的流量僅為泵的流量，c v 0 5 開度比較小。整個 時間段內，弧門還處于下行狀態(tài)，但由于油缸上腔補油不及，p 4 還保持為負壓。 e f 時間段：隨著弧門的速度逐漸減為零，p 4 開始由負值變?yōu)檎?。由?在弧門速度過零時，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，短時間內p 4 升高速率比p 1 快，因此在很短時間內，有油液由 v 4 一v j 的返流，表現為e 圖中流量為負值，實際上是容腔v l 的油液壓縮，這 又促使壓力p 1 的升高。因為p 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。在該段時間內，由于弧門的微小上行，壓力p 3 有較小的降低。 f 點以后，p 1 、p 4 繼續(xù)升高，此時背壓建立起來，油缸上下腔壓力達到穩(wěn) 第4 0 頁共6 6 頁 上海大學碩士學位論文第五章輸水閥門上下行切換液壓系統(tǒng)動態(tài)仿真 定狀態(tài)?；￠T穩(wěn)定下行?；￠T位移曲線如圖5 5 所示，其中弧門上行方向為正方 向。 一：連：二： ；!i 了 幽5 5 弧門上行轉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 關閉比較慢，而c v 0 5 很快開啟，容腔v 2 、v i 和 v 4 出現連通現象，開始切換時壓力p 4 較低，油流方向為v 3 - - v 2 - - v i - - v 4 ， 構成差動回路，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 在一段時間內比較低。此時壓力p 4 的值又比弧門上升狀態(tài)時高，因 此弧門在重力作用下加速下滑，并使得油缸上腔補油不及而出現負壓，這個負壓 會使油缸中發(fā)生“氣蝕”現象。所謂“氣蝕”現象是指由于油液中當某處的壓力 低于空氣分離壓而產生氣泡，這些氣泡隨液流流到壓力較高的部位時，會因承受 不了高壓而破滅，產生局部的液壓沖擊，發(fā)出噪聲并引起振動，當附著在金屬表 面上的氣泡破滅時，它產生的局部高溫高壓會使金屬剝落，使表面粗糙，或出現 海綿狀的小洞穴。這對油缸的使用壽命非常不利。 在整個動作切換過程中，弧門在很短的時間內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 關閉，油缸下腔的背壓才建立起來，油 缸開始穩(wěn)定下行。出現這些現象，主要是由于插裝閥關閉較慢，而開啟較快，在 一段時間內c v 0 4 與c v 0 5 連通所致。 5 4 3 經過改進措施后仿真結果 由上節(jié)的分析結果，我們要改進系統(tǒng)在動作切換時的動態(tài)性能，關鍵是加快 c v 0 4 的關閉速度，使得c v 0 4 與c v 0 5 的閥口各容腔之間相連通時間很短或不 出現連通的情況，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 間內弧門高速下滑而出現負壓，使油缸由上行轉為下行時迅速而穩(wěn)定。 結合5 3 節(jié)所述，我們采用兩種改進措旖，以下是仿真結果： a ) 采用控制先導控制閥動作先后順序的方法，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 開啟前預先關閉，圖5 6 所示分別為c v 0 4 預 第4 1 頁共6 6 頁 上海大學碩士學位論文第五章輸水閥門上下行切換液壓系統(tǒng)動態(tài)仿真 先關閉情況下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 ；： ： 。 上海大學碩士學位論文第五章輸水閥門上下行切換液壓系繞動態(tài)仿真 d e 時間段：p 3 、p 4 對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 由負壓變?yōu)檎龎?，致使p 3 、p 4 對油缸作用的向 上合力有所下降，弧門上升的加速度亦有所下降。該時間段內，p 4 開始有上沖， 隨后逐漸下降，因而導致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 點上行加速度減為零。 e f 時間段：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 點時，弧門速度為零。 f 點以后，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c v 0 5 處于關閉狀態(tài)，p 3 、p 1 迅速升高，使弧門下行迅速減 小，最后油缸轉為穩(wěn)定上行，從而完成弧門由下行切換到上升的整個動態(tài)過程。 在這個過程中，由于p 3 、p l 升高，使c v 0 1 出現瞬時開啟和關閉，致使p 3 、p l 出現壓力的微量抖動，使得過c v 0 4 的流量出現一定的波動。圖5 1 1 為弧門位移 曲線。 7 l 入 ： i ： 幽51 1 弧門f 行轉上行位移仿真曲線圖 通過對弧門由下行轉為上行切換過程動態(tài)反應的分析，弧門開始時加速下 滑，經過一定的振蕩才穩(wěn)定上行是由于二通插裝閥c v 0 4 、c v 0 5 同時切換時， c v 0 5 關閉較慢，在一定時間內，兩個插裝閥之間容腔連通，油流方向為v 3 一 v 2 一v 1 - - v 4 ，使弧門下腔壓力下降過大過快，導致弧門在大重力作用下以很大 加速度下降，同時使油缸上腔產生負壓，容易引起“氣蝕”現象的出現，對系統(tǒng) 產生不利的影響。在c v 0 5 完全關閉后，系統(tǒng)壓力要經過一個波動的過程，抵消 弧門高速下滑帶來的影響，最后才轉為穩(wěn)定上行。 5 5 _ 3 經過改進措施后仿真結果 與5 4 節(jié)相同，我們對兩種改進措施進行仿真。 第4 6 頁共“頁 上海大學碩士學位論文第五章輸水閥門上下行切換液壓系繞動態(tài)仿真 a ) 使c v 0 5 預先關閉，這樣避免c v 0 4 ，c v 0 5 同時動作時容腔相通，以避免 初始階段弧門在一段時間內高速下滑對系統(tǒng)帶來的不利影響。 、。 、 c 1 i l 、 i 、，寸