中型四柱式液壓機及液壓系統(tǒng)設計【含CAD高清圖紙和說明書】

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（2007 屆） 本科生畢業(yè)設計資料 學 院、系： 機械工程學院 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 學 生 姓 名： 彭 勇 班 級： 03-4班 學號 0340510412 指導教師姓名： 羅 中 平 職稱 教 授 最終評定成績： 二○○七年六月 目 錄 第一部分 過程管理資料 一、畢業(yè)設計課題任務書 1 二、本科畢業(yè)設計開題報告 3 三、本科畢業(yè)設計進展情況記錄 9 四、本科畢業(yè)設計中期報告 11 五、畢業(yè)設計指導教師評閱表 12 六、畢業(yè)設計評閱教師評閱表 13 七、畢業(yè)設計答辯及最終成績評定表 14 第二部分 設計說明書 八、設計說明書 - 3 - 2007 屆 本科生畢業(yè)設計資料 第一部分 過程管理資料 2007屆畢業(yè)設計課題任務書 院(系)：機械學院 專業(yè)：機械設計制造及其自動化 指導教師 羅中平 學生姓名 彭 勇 課題名稱 中型四柱式液壓機及液壓系統(tǒng)設計 內 容 及 任 務 一、設計的主要技術參數(shù) 用途：適用于可塑性材料的壓制工藝，如粉末制品成型、塑料制品成型、冷熱擠壓金屬成型、薄板拉伸以及沖壓、彎曲、翻邊、校正等工藝的四柱式萬能液壓機。 性能特點：本液壓機具有調整、手動及半自動三種工作方式，可實現(xiàn)定壓和定程兩種工藝方式。定壓成型時，在壓制后有保壓延時及自動回程動作。工作臺中間裝有頂出裝置，除頂出制品外，還可作為液壓墊用于薄板拉伸制件的壓邊成型工藝，其工作壓力與行程可根據(jù)工藝需要在規(guī)定范圍內調整；可用繼電器控制或PLC控制的電氣控制系統(tǒng)。 主要技術參數(shù)：公稱力（最大壓力）2000KN，回程力400 KN，頂出力350KN，液體最大工作壓力25 Mpa，拉伸滑塊行程700mm, 頂出活塞最大行程250mm, 滑塊距工作臺最大距離1100mm。 二、 畢業(yè)設計圖紙 1. 2000KN四柱式萬能液壓機主機總圖； 2. 液壓動力系統(tǒng)原理圖； 3. 液壓動力系統(tǒng)（液壓站）裝配圖； 4. 其它零部件圖。 三、設計說明書 1. 液壓機及液壓系統(tǒng)(與電氣控制系統(tǒng))工作原理及工藝參數(shù)的分析與確定； 2. 液壓動力系統(tǒng)配置、元器件選型與布置設計； 3. 部分液壓元器件結構參數(shù)確定； 4. 設計說明書中英文摘要 四 、外文翻譯 翻譯約三千文字的專業(yè)英語資料 擬 達 到 的 要 求 或 技 術 指 標 1.了解液壓機的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。 2.掌握液壓機機械設計的一般過程。 a.液壓機及液壓系統(tǒng)與其電氣控制系統(tǒng)方案設計（工藝分析、原理圖設計、總體布局）。 b.技術設計（各組成部分的運動設計、結構設計、材料選擇、零件強度與剛度校核、繪制設計圖樣和編寫技術文件。） c.審核鑒定。 3.了解常用的CAD設計軟件，并能熟練運用一種CAD軟件進行液壓機機械設計。 4.具備較強的自學能力、掌握獨立獲取、消化和應用新知識的能力和方法，具有一定的分析解決實際問題的能力，具有初步的科研、開發(fā)能力。 進 度 安 排 起止日期 工作內容 1、2006年12.8-2007年1.12 查資料、寫開題報告 2、2007年1.13-2.20 畢業(yè)實習、翻譯英語資料 3、2007年2.21-4.2 總體方案設計、液壓系統(tǒng)方案設計、元器件結構參數(shù)確定、其他參數(shù)確定及設計 4、2007年4.3-5.8 2000KN液壓機裝配圖及液壓原理圖、系統(tǒng)配置圖、液壓站總圖與其他零部件圖繪制 5、2007年5.9-5.31 撰寫設計說明書、論文 6、2007年6.1-6.10 準備答辯 主 要 參 考 資 料 1.GB9166-88.四柱液壓機精度.北京:國家標準局,1988～05～05發(fā)布 2.JB3915-85.液壓機安全技術條件.北京:中華人民共和國機械工業(yè)部,1985～02～08發(fā)布 3.許福玲、陳堯明主編。液壓與氣壓傳動（第二版），北京：機械工業(yè)出版社 2004.7 4.何存興主編。液壓與氣壓傳動，武漢：華中科技大學出版社 2000.8 5.李愛華等主編。工程制圖基礎 北京：高等教育出版社，2003.8 6.鐘毅芳等主編。機械設計，武漢：華中科技大學出版社 2001.2 7.朱理主編。機械原理，北京：高等教育出版社，2004.4 8.王伯平主編?；Q性與測量技術基礎，北京：機械工業(yè)出版社 2000.2 9.趙程、楊建民主編。機械工程材料，北京：機械工業(yè)出版社 2003.1 10.秦曾煌主編。電工學，北京：高等教育出版社，2003.2 11.李建興主編.可編程序控制器應用技術. 北京：機械工業(yè)出版社 2004.7 12.李發(fā)海、王巖編著。電機與拖動基礎（第二版）。北京：清華大學出版社.1994 13.陳遠齡、黎亞元、傅國強主編。機床電氣的自動控制 重慶大學出版社 14.成大先主編。機械設計手冊 單行本 機械傳動。北京：化學工業(yè)出版社，2004 15.成大先主編。機械設計手冊 單行本 常用設計資料。北京：化學工業(yè)出版社，2004 16.成大先主編。機械設計手冊 單行本 聯(lián)接與緊固。北京：化學工業(yè)出版社，2004 17.PLC在改造成型壓力機上的應用。電腦開發(fā)與應用??2002年第05期 教研室 意見 簽名： 年 月 日 院(系)主管領導意見 簽名： 年 月 日 湖 南 工 業(yè) 大 學 本科畢業(yè)設計開題報告 （2007屆） 學 院、系： 機械工程學院 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 學 生 姓 名： 彭 勇 班 級： 4班 學號 0340510412 指導教師姓名： 羅中平 職稱 教 授 2007年 1 月 10 日 - 3 - 題目：中型四柱式萬能液壓機及液壓系統(tǒng)設計 1.課題任務情況，查閱文獻資料，撰寫1500～2000字左右的文獻綜述。 （1）液壓傳動技術的研究發(fā)展動向及應用情況 ① 液壓傳動技術的發(fā)展與研究動向 隨著科學技術的不斷進步，目前液壓技術正向著高壓、高速、大功率、高效、低噪音、經久耐用、高度集成化的方向發(fā)展。由于計算機科學技術的成熟，一些新型液壓元件和液壓系統(tǒng)的設計都運用了計算機CAD、CAT、CDC、計算機實時控制、計算機仿真與優(yōu)化等計算機輔助技術，很大程度上提高了產品設計的質量。雖然液壓傳動技術方便簡潔，但是液壓傳動中存在著一些亟待解決的問題，如：液壓系統(tǒng)工作時的穩(wěn)定性、工作介質的泄漏、液壓沖擊對設備可靠性的影響等等，這些問題都是液壓傳動技術需要研究和解決的。任何技術的改革和創(chuàng)新，都必須以穩(wěn)定、可靠的工作為前提，這樣才具有它的實際意義。 ② 液壓傳動技術的應用 液壓傳動技術發(fā)展到今天已經擁有較為完善的理論和實踐基礎。雖然液壓傳動還存在一些缺陷，但總體上優(yōu)點還是蓋過了缺點。正因為液壓傳動具有很多機械傳動所不具備的優(yōu)點，液壓傳動技術在機械工業(yè)的各個領域得到了廣泛的應用，如：礦山機械、工程機械、冶金機械、建筑機械、起重機械等。液壓技術的應用實現(xiàn)了從手動到半自動化、自動化的逐步發(fā)展，從而也推動了機械工業(yè)的向前發(fā)展。在整個機械傳動工程中，液壓傳動技術扮演了舉足輕重的角色。 （2）液壓傳動的特點 ① 液壓傳動的優(yōu)點 液壓傳動技術與傳統(tǒng)的機械傳動相比，液壓傳動操作方便簡單，調速范圍廣，很容易實現(xiàn)直線運動，具有自動過載保護功能。液壓傳動容易實現(xiàn)自動化操作，采用電液聯(lián)合控制后，可以實現(xiàn)更高程度的自動控制以及遠程遙控。液壓傳動系統(tǒng)可以靈活布置各個元件，由于工作介質為礦物油，良好的潤滑條件延長了元件的使用壽命。 ② 液壓傳動的缺點 由于液壓傳動的工作介質是流體礦物油，因而沿程、局部阻力損失和泄漏較大，泄漏的礦物油將直接對環(huán)境造成污染，有時候還容易引發(fā)各種安全事故。液壓油受溫度的影響很大，因而不能在很高或很低的溫度條件下工作。因為液壓油存在一定的壓縮性，所以液壓傳動的傳動比不恒定，不能保證很高的傳動精度。密封狀況的好壞對液壓傳動影響很大，因而液壓元件必須具有較高的制造精度。液壓傳動的故障排除不如機械傳動、電氣傳動那樣容易，因此對維護人員有較高的技術水平要求。 （3）四柱液壓機的基本情況概述 目前四柱液壓機在我國主要用于實現(xiàn)塑性材料的壓力加工工藝如：冷擠、校直、彎曲、沖裁、拉伸等。此外液壓機還用于粉末冶金、翻邊、壓裝等成型工藝。液壓機按工作介質的不同可分為油壓機和水壓機，前者的壓力傳導是通過油液來實現(xiàn)，而后者則靠乳化液實現(xiàn)，因工況要求的不同來選擇不同類型的液壓機。 四柱液壓機由電氣控制系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、主機三部分組成，通過液壓油管和電氣裝置的構成統(tǒng)一整體。其中電氣控制系統(tǒng)由電控箱、操作箱、電氣管道等構成；液壓控制系統(tǒng)由動力機構、液壓管道、限位裝置、液壓元件等構成；主機則由機身、主缸、頂出缸等構成。一般情況下液壓機完成一次工作循環(huán)包括如下主要動作：主缸活塞滑塊快速下行→主缸活塞滑塊慢速下行并逐漸加壓→主缸保壓→主缸卸壓→主缸活塞滑塊快速回程→頂出缸活塞頂出→頂出缸活塞回程。在拉伸薄板時，胚料還需要頂出缸壓緊，這樣的工況就要求頂出缸保持一定的壓緊力并隨著主缸一起下行。如果沒有達到所需的加工精度，可以通過調節(jié)鎖緊螺母和調節(jié)螺母來調整液壓機的加工精度。 （4）四柱液壓機的工作原理及過程 ① 主缸 ◆ 快速下行——按下啟動按鈕，相應的電磁閥得電吸合，主缸活塞滑塊在自重作用下快速下行。此時僅靠液壓泵供油是不能滿足快速下行的要求的，必須靠位于主缸頂部的輔助油箱供油來補充上腔形成的局部真空。 ◆ 慢速加壓——當主缸活塞滑塊下行到一定位置并壓下行程開關時，相應的電磁閥得電，輔助油箱供油結束，轉為液壓油泵為主的供油形式，完成快速下行向工進的轉換。主缸活塞滑塊不斷下行最終會抵住工件，阻力急劇增大，主缸上腔的壓力提高。 ◆ 主缸保壓——當主缸上腔的油壓達到設定壓力值后，壓力繼電器發(fā)出信號，相應的電磁閥得電，閥芯回到中位密封上下油腔，靠單向閥完成保壓功能。 ◆ 主缸卸壓——保壓一段時間后，保壓過程結束，時間繼電器發(fā)出信號，使相應的電磁閥得電，主缸活塞處于回程狀態(tài)。由于上腔的壓力很高，為了防止液壓沖擊，應將上腔先卸壓再讓主缸活塞回程。采用帶卸荷小閥芯的液控單向閥將高壓油泄回油箱，使主缸上腔的高壓油的壓力降到較低值，實現(xiàn)主缸活塞的安全快速回程。 ② 頂出缸 ◆ 活塞頂出——主缸活塞滑塊回程完畢后，按下頂出按鈕，相應的電磁閥得電，這時頂出缸下腔進油，活塞上升將工件頂出。 ◆ 活塞回程——工件頂出后，按下回程按鈕，使控制回程的電磁閥得電，上腔進油，活塞下降，回程完成。 ◆ 浮動壓邊——在進行薄板拉伸時，要求頂出缸有一定的壓力將胚料壓住并隨主缸活塞滑塊一起下行。浮動壓邊可滿足薄板拉伸時的壓緊要求。 （5）四柱液壓機系統(tǒng)的特點及應用范圍 ① 四柱式液壓機系統(tǒng)的優(yōu)點 ★ 該液壓系統(tǒng)采用的液壓泵具有高壓、大流量、恒功率、變量等特點，滿足工藝要求并節(jié)省能耗； ★ 該液壓系統(tǒng)能夠準確控制并完成零件的壓力加工，加工質量可以通過調節(jié)設備來保證； ★ 主缸活塞滑塊的快速下行靠自重作用來完成，通過輔助油箱補充油液來填充局部真空。這樣的快速運動回路結構簡單，運用的液壓元件少； ★ 液壓機運用單向閥完成主缸的保壓功能，采用帶有卸荷小閥芯的液控單向閥構成泄壓回路，完成主缸的卸壓； ★ 液壓機的主缸與頂出缸運動互鎖。即主缸運動時頂出缸是不能夠運動的，反過來也一樣。這樣可以提高液壓機工作中的安全性和穩(wěn)定性； ★ 液壓機的液壓和電氣控制采用按鈕集中控制，可實現(xiàn)調整、手動、半自動等操作工藝，簡單明了。 ② 四柱式液壓機系統(tǒng)存在的不足 ▲ 液壓機屬于高壓工作設備,進行零件的壓力加工時,隨著壓力的不斷升高泄漏也會不斷增大,這樣不利于保證零件的加工精度，同時對環(huán)境也造成污染； ▲ 液壓機壓力加工完成后，卸壓時存在很大的液壓沖擊，對設備損害很大； ▲ 按下液壓機啟動按鈕后，執(zhí)行部件并不能夠立刻動作，還需有一段“反映時間”，動作靈敏性不及電氣控制； ▲ 液壓機出現(xiàn)故障不容易及時找到并排除，給維護帶來很大的技術難題和不便； ▲ 液壓機工作時會形成液壓沖擊、氣蝕等現(xiàn)象，形成了噪音，不利于營造好的工作環(huán)境。 ③ 四柱液壓機的應用 液壓機主要用于可塑性材料的壓制，如：沖壓、拉伸、彎曲、翻邊、熱擠壓、校正、壓裝成型、粉末制品壓制成型、磨料制品壓制成型以及塑料制品的壓制成型等壓力加工工藝。 參考文獻 [1] GB9166-88.四柱液壓機精度.北京:國家標準局 [2] JB3915-85.液壓機安全技術條件.北京:中華人民共和國機械工業(yè)部 [3] 許福玲、陳堯明主編.液壓與氣壓傳動（第二版）.北京：機械工業(yè)出版社 [4] 章宏甲、黃誼、王積偉主編. 液壓與氣壓傳動.機械工業(yè)出版社 2.選題依據(jù)、主要研究內容、研究思路及方案。 （1）選題依據(jù) ① 主要技術要求參數(shù)：公稱力（最大壓力）2000KN，回程力400 KN，頂出力350KN，液體最大工作壓力25 Mpa，拉伸滑塊行程700mm, 頂出活塞最大行程250mm, 滑塊距工作臺最大距離1100mm。 ② 主要用途：用于可塑性材料的壓制工藝，如粉末制品成型、塑料制品成型、冷熱擠壓金屬成型、薄板拉伸、沖壓、彎曲、翻邊、校正等工藝。 （2）主要研究的內容和所要實現(xiàn)的設計目標 ① 選擇合理的液壓系統(tǒng)設計方案（工藝方案設計、液壓系統(tǒng)原理圖設計、液壓站總體布局設計、總體布局設計）滿足液壓系統(tǒng)的使用性能和安全要求； ② 技術設計（各組成部分及液壓系統(tǒng)的控制系統(tǒng)設計、電氣控制系統(tǒng)設計、結構設計、材料選擇、零件強度與剛度校核、繪制設計圖樣和編寫技術文件）； ③ 選擇合理的材料、液壓元件和制造加工工藝； ④ 整個液壓機系統(tǒng)的設計要滿足拆裝方便，便于運輸?shù)囊螅? ⑤ 通過液壓傳動控制系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)對主機進行動作循環(huán)控制，使液壓機能夠準確如下動作：主缸活塞滑塊快速下行、主缸活塞滑塊慢速加壓、主缸保壓、主缸卸壓、主缸活塞滑塊回程、頂出缸活塞頂出、頂出缸活塞退回； ⑥ 設備設計達到布局合理，結構緊湊、工作穩(wěn)定可靠、操作簡單、維護方便、污染小、噪音低、自動化程度高等要求； ⑦ 能夠完成沖壓、冷擠、校直、彎曲、粉末冶金壓制成型、薄板拉伸、壓裝成型等加工工藝要求。 （3）設計的基本思路、方案 分析、理解設計任務書的要求→查閱相關資料→初步擬訂設計方案→設計方案對比并確定最佳方案→參數(shù)的設計計算→零件設計→裝配圖草圖→零件草圖→繪制零件圖→繪制裝配圖→編寫設計說明書 結語： 四柱液壓機解決了塑性材料的產品成型問題。高的工作壓力是該設備工作時的特點，泄漏的液壓油將污染環(huán)境，液壓沖擊現(xiàn)象將影響設備安全穩(wěn)定的工作。這些不足之處將是液壓機今后值得進一步研究和改進的問題。 3.工作進度及具體安排。 2006年12.8～2007年1.12 完成開題報告，上交指導老師。 2007年1.13～2.20 查閱資料，翻譯英語資料。 2007年2.21～4.2 衡陽起重運輸機械有限公司實習； 四柱液壓機總體方案設計、液壓系統(tǒng)原理圖設計、液壓元件參數(shù)確定及選取，其他參數(shù)確定及設計。 2007年4.3～5.8 四柱液壓機裝配圖、液壓系統(tǒng)原理圖、電氣系統(tǒng)控制圖以及其他零部件圖繪制。 2007年5.9～5.31 撰寫設計說明書、論文并打印，完成初步裝訂工作。 2007年6.1～6.10 修改完善，準備答辯。 4.指導教師意見 指導教師： 年 月 日 - 9 - 本科畢業(yè)設計進展情況記錄 畢業(yè)設計題目： 中型四柱式液壓機及液壓系統(tǒng)設計 班級： 03-4__學號：_0340510412_ 學生：_ 彭 勇__指導教師： 羅中平 時 間 任務完成情況 指導教師意見 第七學期 第 14 周 至 第 18 周 指導教師簽名： 年 月 日 第七學期 第 19 周 至 第 20 周 指導教師簽名： 年 月 日 第八學期 第 5 周 至 第 9 周 指導教師簽名： 年 月 日 第八學期 第 10 周 至 第 12 周 指導教師簽名： 年 月 日 第八學期 第 13 周 至 第 14 周 指導教師簽名： 年 月 日 第八學期 第 15 周 至 第 周 指導教師簽名： 年 月 日 - 10 - 本科畢業(yè)設計中期報告 填表日期：2007年 5 月8日 院（系） 機械工程學院 班 級 機設03-4 學生姓名 彭 勇 課題名稱： 中型四柱式液壓機及液壓系統(tǒng)設計 課題主要任務： ① 主機工作原理分析、總體方案設計、零部件設計； ② 液壓系統(tǒng)工作原理分析和總體方案設計； ③ 液壓系統(tǒng)參數(shù)計算、液壓元件型號的選擇、液壓站布局設計，重要液壓元件的具體設計； ④ 電氣控制系統(tǒng)設計。 1、簡述開題以來所做的具體工作和取得的進展或成果 ① 查閱相關的資料； ② 外文資料翻譯； ③ 實習報告、實習日記； ④ 液壓機總體方案設計、液壓系統(tǒng)設計、電氣系統(tǒng)設計； ⑤ 零部件設計； ⑥ 完成一部分零部件圖的繪制； 2、下一步的主要研究任務，具體設想與安排 ① 完善液壓系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)的控制方案設計； ② 設計說明書的撰寫； ③ 零、部件設計圖紙的繪制。 3、存在的具體問題 ① 電氣控制系統(tǒng)中控制電路的設計； ② 主機總體裝配圖。 4、指導教師對該生前期研究工作的評價 指導教師簽名： 日 期： - 12 - 本科畢業(yè)設計 - 14 - 畢業(yè)設計指導教師評閱表 院（系）：機械工程學院 學生姓名 彭 勇 學 號 0340510412 班 級 03-4 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 指導教師 姓 名 羅中平 課題名稱 中型四柱式液壓機及液壓系統(tǒng)設計 評語： 是否同意參加答辯： 是□ 否□ 指導教師評定成績 分值： 指導教師簽字： 年 月 日 畢業(yè)設計評閱教師評閱表 院、系： 機械工程學院 學生姓名 彭 勇 學 號 0340510412 班 級 03-4 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 課題名稱 中型四柱式液壓機及液壓系統(tǒng)設計 評語： 針對課題內容給設計者（作者）提出3個問題，作為答辯時參考。 1. 2. 3. 評 分： 是否同意參加答辯 是□ 否□ 評閱人簽名： 年 月 日 畢業(yè)設計答辯及最終成績評定表 院、系（公章）：機械工程學院 學生姓名 彭 勇 學號 0340510412 班級 03-4 答辯 日期 課題名稱 中型四柱式液壓機及液壓系統(tǒng)設計 指導 教師 羅中平 成 績 評 定 分值 評 定 教師 1 教師 2 教師 3 教師 4 教師 5 小計 課題介紹 思路清晰，語言表達準確，概念清楚，論點正確，實驗方法科學，分析歸納合理，結論嚴謹，設計（論文）有應用價值。 30 答辯 表現(xiàn) 思維敏捷,回答問題有理論根據(jù)，基本概念清楚，主要問題回答準確大、深入,知識面寬。 70 合 計 100 答 辯 評 分 分值：78 答辯小組長簽名： 答辯成績a： 78×30％＝23.40 指導教師評分 分值：82 指導教師評定成績b： 82×50％＝41.00 評閱教師評分 分值：84 評閱教師評定成績c： 84×20％＝16.80 最終評定成績： 分數(shù)： 81 等級：良 答辯委員會主任簽名： 年 月 日 2007屆 本科生畢業(yè)設計資料 第二部分 設計說明書 附錄2 體積模量對液壓傳動控制系統(tǒng)的影響 Sadhana Vol.31, Part 5, October2006, pp. 543–556.(C)Printed in India Yildiz Technical University Mechanical Engineering Department,，34349 Besiktas,Istanbul,Turkey e-mail:aakkaya@yildiz.edu.tr MS received 9 September 2005;revised 20 February 2006 摘要. 這篇研究報告，我們主要通過PID（比例積分微分）控制方式檢測液壓控制系統(tǒng)對角速度控制的Matlab仿真。有一個地方很值得關注，包括對體積模量控制分析系統(tǒng)。仿真結果表明，體積模量通過變參數(shù)可以獲得更實用的模型。此外，PID控制器的不足之處在于對變體積模量角速度的控制，而模糊控制能夠實現(xiàn)較好的控制。 關鍵詞 液壓傳動；體積模量；PID(比例積分微分)；模糊控制 1.引言 液壓傳動系統(tǒng)是種輸出可實現(xiàn)無級調速的理想動力傳遞方式，這樣在工程中得到了廣泛的應用，特別是在制造領域，自動化和重型車輛。它能夠提供快速的響應，在變負載情況下能保持精確的傳動速度，可以改善能量的利用效率和變功率傳動。液壓傳動的基礎為液壓系統(tǒng)。一般來講，它包括由異步電動機驅動的變量泵，定量或變量馬達，所有要求控制的都在一個簡單的控制柜中。通過調節(jié)泵或者馬達的排量，實現(xiàn)無級調速。 制造廠商和研究人員不斷的改進性能和降低液壓傳動系統(tǒng)成本。尤其是近十年，體積模量在液壓傳動和控制系統(tǒng)的研究中引起了人們的關注。一些這方面的研究專題在學術期刊中可以找到。Lennevi和Palmberg、Lee和Wu運用各種轉速控制算法求液壓系統(tǒng)的液壓力得到了很好的發(fā)展和應用。所有這些設計用的體積模量都是固定值，適用的壓力范圍廣。但是，實際上體積模量是液壓系統(tǒng)中必須考慮的因素。因溫度變化和大氣壓，體積模量可在運行過程中求出液壓系統(tǒng)的液壓力。一點空隙足以大副減少體積模量。此外，系統(tǒng)壓力起著重要的作用在體積模量值上。非線性影響了體積模量的不穩(wěn)定，例如：壓力振動導致的壓力波會對液壓系統(tǒng)的運行不利，還有可能會因磨損而導致部件的使用壽命縮短，干擾控制系統(tǒng)，降低了效率和增加了噪音。盡管有這些不良的影響，但在液壓傳動系統(tǒng)中很少有關于體積模量的研究。1994年Yu等人開發(fā)了一個參數(shù)辯識的方法，通過長的管子來測量壓力波在液壓傳動系統(tǒng)中對液壓油體積模量的影響。Marning (1997)發(fā)現(xiàn)了液壓油體積模量與液壓系統(tǒng)壓力之間的線性關系。但是，迄今為止，在液壓傳動控制的設計過程中，還沒有文獻將體積模量考慮進液壓傳動控制系統(tǒng)的動態(tài)模型中。事實上，典型的液壓傳動系統(tǒng)變體模量比普通的液壓傳動系統(tǒng)有更復雜的動態(tài)過程。因此,伺服控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、 動態(tài)狀況對體積模變得更為重要,因為閉環(huán)系統(tǒng)本身不會引起穩(wěn)定性問題。體積模量無法直接確定,這樣須要估計?；谶@一估計, 在液壓控制系統(tǒng)中可能要采用修正的方法。體積模量復雜的動態(tài)相互作用和控制方式是用仿真建模和分析軟件來監(jiān)測的。做一個真正的模型系統(tǒng)是非常復雜和費時的，模擬仿真測試是非常有利的。伺服液壓傳控制系統(tǒng)是解決這個問題的好辦法。靜態(tài)和動態(tài)模的仿真試驗不需要昂貴的模型。仿真還能縮短產品的設計周期。 這項研究的重點是一個典型的液壓傳動控制系統(tǒng)。非線性系統(tǒng)模型是通過MATLAB的仿真軟件來研究的。該系統(tǒng)模型是由泵、閥、液壓馬達、液壓管等組件組合而成。另外，變體積模量將描述出影響系統(tǒng)動力學的現(xiàn)象與控制算法。為此，兩個不同的液壓軟管仿真模型被分別接入系統(tǒng)模型中。另外，利用模型來設計控制的過程。液壓馬達角速度的控制是通過PID(比例積分微分)和 模糊控制器來完成的。在第一個模型中，液壓系統(tǒng)的體積模量和角速度假設為一個定值，并由典型的PID(比例積分微分)和模糊控制器來控制。第二個模型,體積模量被定義為可變參數(shù)，這個參數(shù)取決于大氣壓和系統(tǒng)的壓力。在應用同一PID控制參數(shù)的情況下，這種新模式適用于液壓系統(tǒng)的速度控制。接下來，模糊控制器應用于這一新模式中，可以判斷體積模量的非線性關系。兩種控制辦法的仿真結果被用來對比分析體積模量在液壓系統(tǒng)中的不同情況。 2．數(shù)學模型 液壓系統(tǒng)的物理模型如圖1所示。變量泵由異步電動機驅動，提供液壓能給傳動系統(tǒng)來產生固定的體積模量效應，變量馬達驅動負載。為了不讓系統(tǒng)產生過高的壓力，使用減壓閥來解決。 圖1. 液壓傳動系統(tǒng) 從客觀的角度來看這個研究，系統(tǒng)的數(shù)學模型應該越簡單越好。與此同時，它必須包括重要的實際特征。了解單獨組件的目的是為了更好的了解系統(tǒng)模型。利用物理基礎知識，目前可以得到平衡和連續(xù)性方程。模型反映出了每個組件動態(tài)狀態(tài)時的情況。通過了解每個組件，將所有組件聯(lián)系起來可以了解整個系統(tǒng)，從而得到整個系統(tǒng)模型。本文中，利用各組件來開發(fā)液壓系統(tǒng)模型是早期所用到的方法。 2.1 變量泵 假設原動機（異步電動機）的角速度是個常數(shù)。因此，聯(lián)結泵的軸的角速度也是個恒定的值。泵的流量可以通過變量泵的斜盤角度和位移得到如下關系： Qp = αkpηvp, (1) 式中，Qp表示泵的流量(m3/s)，α表示斜盤的傾斜角度(?)，kp表示泵的系數(shù)，ηvp表示泵的容積效率，假設這個參數(shù)與泵自轉角度沒有關系。 2.2 減壓閥 為了簡化，減壓閥不考慮動態(tài)因素的影響，這樣，可以得到減壓閥在開啟和關閉時的兩個流量方程。 Qv = kv(P ? Pv), 如果P 大于Pv, (2) Qv = 0, 如果 P 小于等于 Pv, (3) 式中，kv表示閥的靜態(tài)特性，P表示系統(tǒng)的壓力（帕），Pv表示開啟壓力（帕）。 2.3 液壓管 作為傳統(tǒng)模型，高壓管用于連接泵和馬達，在這里體積模量是個固定值。變體積模量在接下來的章節(jié)中討論。 流體的可壓縮性關系如下式（4）所示。等式（5）提出了在給定流量時壓力值的求法。假設液壓管對系統(tǒng)的壓降忽略不計。 Qc = (V /β)(dP/dt), (4) (dP/dt) = (β/V )Qc, (5) 式中，Qc表示經過壓縮后的流量(m3/s), V表示流體經過壓縮后的體積(m3)，β表示流體的固定體積模量，在液壓系統(tǒng)和動能傳動中它是一個重要的參數(shù)，因而它將影響動力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的狀況。非氣液壓油的體積模量取決于溫度和壓力，礦物油根據(jù)添加劑數(shù)量不同，體積模量為1200~2000Mpa。但是，系統(tǒng)壓力和融合空氣，將影響體積模量的值。如果采用液壓膠管而非鋼管，體積模量在這里就回大大降低。由于這些參數(shù)影響體積模量，液壓傳動系統(tǒng)模型必須具有更準確的動力系統(tǒng)。 流體和空氣的混合體在液壓管中的變體積模量可以如下所示： (6) 式中，下標α、f和h分別指空氣、流體和液壓管。假設初始總體積為=+，還有 >>。這樣體積模量會比任何, , 和 Vt/Va都要小。積模量中流體的來自于生產廠家體的數(shù)據(jù)。(Cp/Cv)P = 1.4P主要用于絕熱狀態(tài)下空氣的體積模量。（6）式還可以改寫如下： (7) 式中：s表示融入空氣的總體積(s = Va/Vt )。 2.4 液壓馬達和負載 液壓馬達的流量(m3/s)可以用公式表示如下： Qm = kmω/ηvm, (8) 式中：km表示液壓馬達的系數(shù)，ω表示液壓馬達的角速度，ηvm表示液壓馬達的容積效率。假設液壓馬達的效率不受轉動軸的影響。液壓馬達的扭矩可有公式表示如下： Mm = kmt_Pηmm, (9) 式中：kmt表示液壓馬達的扭矩系數(shù)，P表示液壓馬達的壓降，ηmm表示液壓馬達的機械效率。液壓馬達所產生的扭矩等于瞬間馬達負載的總和，可由公式表示如下： Mm = MI +MB +Mo, (10) 式中，MI、MB和Mo表示瞬間形成的負載慣性，摩擦力伴隨機械運行而生，這樣可以描述為： Mm = Im(dω/dt) + Bω +Mo, (11) 式中，Im表示液壓馬達軸的轉動慣量，B表示馬達和軸的摩擦系數(shù)，ω表示馬達軸的角速度。等式（11）用于確定液壓馬達軸的角速度。從新定義角速度公式如下： dω/dt = (Mm ? Bω ?Mo)/Im. (12) 2.5 液壓傳動系統(tǒng) 通過基本數(shù)學模型，結合液壓系統(tǒng)中各組件和發(fā)生的現(xiàn)象，從而方便獲得總體液壓傳動系統(tǒng)模型。由此，液壓系統(tǒng)是根據(jù)模型仿照而成的系統(tǒng)。在開發(fā)動態(tài)模型系統(tǒng)時，假設傳動的靜態(tài)和動態(tài)特性不取決于液壓馬達的旋轉方向，傳動處于平衡狀態(tài)。不考慮模型中液壓泵和馬達的泄露量。通過數(shù)學模型可以得到液壓傳動系統(tǒng)的兩個等式如下： 流量方程： Qp = Qm + Qc + Qv, (13) 瞬時： Mm = MI +MB +Mo. (14) 聯(lián)合等式（5）和（12），可以得到如下公式： dP/dt = (β/V )(Qp ? Qm ? Qv), (15) dω/dt = (Mm ? Bω ?Mo)/Im. (16) Matlab仿真一個常用的模擬仿真方式，它主要用于求解非線性方程。仿真模型是基于圖2中所示的液壓傳動系統(tǒng)的數(shù)學模型。系統(tǒng)模型中的組件可以很容易在規(guī)定要求內變換。據(jù)此，改變液壓組件中的液壓管，通過等式（7）可以得到第二種模型。 3.控制應用 許多相關的刊物記載出版了液壓傳動系統(tǒng)中馬達與相連負載的速度控制方法。為了完成這個目標，設計中采用了不同的閉環(huán)控制。但是，1996年Lee和Wu通過調節(jié)泵的位移來調節(jié)負載的速度，這種測試方法是最有用的。此外，1996年Re等人解決了用改變泵的排量來控制負載的速度，改變泵和馬達的流量是最高效的，在任何時候應該盡可能首選這種控制方法。為此，正在研究液壓傳動系統(tǒng)的這一問題，輸出角速度通過液壓馬達提供的流量來控制，通過調節(jié)變量泵斜盤的角度來調節(jié)流量。為了研究的方便，在應用中不考慮斜盤的動力學影響。此外，斜盤控制系統(tǒng)動態(tài)速度通常比其它系統(tǒng)要快，因此忽略動力學影響是有理由的。液壓傳動控制系統(tǒng)中液壓馬達的角速度通過精確控制得到，因而事先必須設計好控制器。在工業(yè)中，經典的控制方法有PI、PID，它們被用于液壓傳動系統(tǒng)中的速度控制。關鍵是要確定控制參數(shù)，因為PID控制方法具有線性的特性。特別是在控制器中應該把體積模量當作一個非線性的。由于有可變范圍，這樣控制器的性能要非常的穩(wěn)定。以理論知識為基礎的控制越來越多，特別是在模糊控制領域。不像經典控制方法，模糊控制結合非線性來設計控制思路。因此，這種控制方法的應用可以用于判斷對減少體積模量影響的控制能力。 3.1 PID控制 液壓傳動系統(tǒng)對角速度控制的算法在公式（17）、（18）中已經給出。用Ziegler-Nichols法校正控制參數(shù)，例如比例增益(Kp),響應時間常數(shù)(τd )，積分時間常數(shù)(τi)。通過參考角速度來確定最優(yōu)的控制參數(shù)。圖3表示液壓傳動系統(tǒng) 仿真模型。 uv(t) = Kp·e(t) + Kp·τd·de(t)/dt +Kp/τi·dt, (17) e(t) = ωr ? ω. (18) 4、結論 利用系統(tǒng)模型和仿真技術分析了體積模量非線性對液壓傳動系統(tǒng)的影響。通過這個研究表明，如果忽略了液壓傳動系統(tǒng)體積模量的動態(tài)影響，對系統(tǒng)的響應和安全運行將帶來很大的錯誤。因此，應該把體積模量作為變參數(shù)考慮，這樣可以得到實際的整體模型和確定更精確的PID控制器參數(shù)。迄今為止，還沒有分析液壓系統(tǒng)模型體積模量的同時描述模型的設計特點的文獻。于是，對于當時最早的設計，PID控制器應用于液壓傳動控制系統(tǒng)可能是有用的。這樣可以清楚的看到模糊控制器消除變體積模量的不良影響。這樣有利于控制設計開發(fā)更好的控制器。今后的研究發(fā)展的方向，將包括模型斜盤的動力學問題、閥的動力學問題、液壓馬達和泵的流動復雜和轉矩問題。這樣，一個合適的控制方法將被應用于調速和變負載的情況。 參考文獻 Dasgupta K 2000 Analysis of a hydrostatic transmission system using low speed high torque motor. Mech. Mach. Theory 35: 1481–1499 Dasgupta K, Chattapadhyay A, Mondal S K 2005 Selection of fire-resistant hydraulic fluids through system modelling and simulation. Simul. Model. Pract. Theory 13: 1–20 Eryilmaz B,Wilson B H 2001 Improved tracking control of hydraulic systems. Trans. ASME: J. Dyn. Syst. Meas. Control 123: 457–462 Huhtala K 1996 Modelling of hydrostatic transmission – steady state, linear and non- linear models. Acta Polytech. Sci. 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