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(nèi) 容 及 任 務 一、設計的主要技術(shù)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(diào)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(nèi)調(diào)整；可用繼電器控制或PLC控制的電氣控制系統(tǒng)。 主要技術(shù)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(jié)構(gòu)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(shù) 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(shù)設計（各組成部分的運動設計、結(jié)構(gòu)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(shù)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(nèi)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(jié)構(gòu)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(shù)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(chǔ) 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。互換性與測量技術(shù)基礎(chǔ)，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(shù). 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(chǔ)（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(lǐng)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(shù)的研究發(fā)展動向及應用情況 ① 液壓傳動技術(shù)的發(fā)展與研究動向 隨著科學技術(shù)的不斷進步，目前液壓技術(shù)正向著高壓、高速、大功率、高效、低噪音、經(jīng)久耐用、高度集成化的方向發(fā)展。由于計算機科學技術(shù)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(shù)，很大程度上提高了產(chǎn)品設計的質(zhì)量。雖然液壓傳動技術(shù)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(zhì)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(shù)需要研究和解決的。任何技術(shù)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(shù)的應用 液壓傳動技術(shù)發(fā)展到今天已經(jīng)擁有較為完善的理論和實踐基礎(chǔ)。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(shù)在機械工業(yè)的各個領(lǐng)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(shù)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(shù)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(shù)與傳統(tǒng)的機械傳動相比，液壓傳動操作方便簡單，調(diào)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(zhì)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(zhì)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(shù)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(zhì)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(gòu)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(gòu)成；液壓控制系統(tǒng)由動力機構(gòu)、液壓管道、限位裝置、液壓元件等構(gòu)成；主機則由機身、主缸、頂出缸等構(gòu)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(diào)節(jié)鎖緊螺母和調(diào)節(jié)螺母來調(diào)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(guān)時，相應的電磁閥得電，輔助油箱供油結(jié)束，轉(zhuǎn)為液壓油泵為主的供油形式，完成快速下行向工進的轉(zhuǎn)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(jié)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(zhì)量可以通過調(diào)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(jié)構(gòu)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(gòu)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(diào)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(shù)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(shù)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(nèi)容、研究思路及方案。 （1）選題依據(jù) ① 主要技術(shù)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(nèi)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(shù)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(jié)構(gòu)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(shù)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(jié)構(gòu)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(guān)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(jié)語： 四柱液壓機解決了塑性材料的產(chǎn)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(guān)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(nèi)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(jié)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(guān)注，包括對體積模量控制分析系統(tǒng)。仿真結(jié)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?qū)崿F(xiàn)較好的控制。 關(guān)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(diào)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(lǐng)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(chǔ)為液壓系統(tǒng)。一般來講，它包括由異步電動機驅(qū)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(diào)節(jié)泵或者馬達的排量，實現(xiàn)無級調(diào)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(guān)注。一些這方面的研究專題在學術(shù)期刊中可以找到。Lennevi和Palmberg、Lee和Wu運用各種轉(zhuǎn)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(guān)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(guān)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(chǎn)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(guān)系。兩種控制辦法的仿真結(jié)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(qū)動，提供液壓能給傳動系統(tǒng)來產(chǎn)生固定的體積模量效應，變量馬達驅(qū)動負載。為了不讓系統(tǒng)產(chǎn)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(chǔ)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(jié)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(guān)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(zhuǎn)角度沒有關(guān)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(guān)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(guān)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(jīng)過壓縮后的流量(m3/s), V表示流體經(jīng)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(chǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)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(jié)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(zhuǎn)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(nèi)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(guān)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(diào)節(jié)泵的位移來調(diào)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(diào)節(jié)變量泵斜盤的角度來調(diào)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(jīng)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(guān)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(chǔ)的控制越來越多，特別是在模糊控制領(lǐng)域。不像經(jīng)典控制方法，模糊控制結(jié)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(jīng)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(jié)論 利用系統(tǒng)模型和仿真技術(shù)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(zhuǎn)矩問題。這樣，一個合適的控制方法將被應用于調(diào)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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