1、西北工业大学硕士学位论文摘要摘要随着现代工业的发展，对液压传动与控制系统的性能和控制精度等提出了更高的要求，而运用计算机仿真技术对液压系统进行分析具有重要的意义。计算机仿真技术不仅可以预测系统性能，减少设计时间，还可以对所涉及的系统进行整体分析和评估，从而达到优化系统、缩短设计周期和提高系统稳定性的目的。 本文首先研究了液压流力学基础，对主要液压元件的工作原理、特性及数学模型进行详细地分析;还对常见的液压传动基本回路的分类、工作原理及特性作了研究:其次，对液压系统的建模方法的原理、步骤、特点都进行了详细的分析和研究。再次，研究了液压机械建模仿真软件AMESim及其系列软件的功能和特性，着重研究
2、了主体软件AMESim的使用方法，并以一液压位置控制系统为例，详细分析了AMESim的应用。最后，以AMESim为仿真平台，对某型注塑机液压系统进行了仿真研究。研究表明:数字仿真方法是分析液压系统动态特性的有效途径，AMESim是对机械液压系统进行建模仿真研究的理想工具。用AMESim软件对某型注塑机液压系统进行仿真研究，结果与实际情况基本吻合，从而验证了利用超级元件功能创建新元件的正确性、系统模型搭建与参数设置的合理性。【关键词】:液压传动液压控制建模仿真AMESim软件西北工业大学硕士学位论文ABSTRACTABSTRACTWith the development of industry,
3、 it is demanded that the hydraulictransmission and control systems should have higher performance and controlprecision. Using computer simulation technology, the performance of systems can beforecasted, the design cycle can be shorten, and the whole system can be analyzedand evaluated. So the purpos
4、es of optimizing system, shorting design cycle andimproving the stability of system can be achieved.The paper firstly researched the foundation of hydromechanics. The workingprinciple, characteristic and model of main hydraulic components were analyzed indetail. Furthermore, the sort, working princi
5、ple and characteristic of generalhydraulic transmission circuits were studied. Secondly, as the first step of simulationis modeling, the modeling methods of hydraulic systems, especially the principle,procedure and specialty were researched. Thirdly, the function and characteristic ofAMESim and its
6、series, modeling and simulation software for hydraulic andmechanical systems, were researched. The application of main software AMESimwas demonstrated with an instance of position control system for a hydraulicactuator. Lastly, the hydraulic system of a plastic machine was simulated andresearched wi
7、th AMESim Research indicates: the method of numerical simulation is an effective approachto analyse the dynamic characteristic of hydraulic system. AMESim is a perfectchoice to model and simulate for mechanic and hydraulic system. The hydraulicsystem of a plastic machine was simulated and researched
8、 with AMESim. The resultaccord with the actual situation. It is validated the validity of creating newcomponents using supercomponent function and rationality of modeling andparameter settings.【Keywords】:transmissionSimulation AMESimHydraulicsonwarecontrolModeling西北_L业大学硕士学位论文第章绪论第一章绪论有人把液压技术称为推动现代工
9、业运动的“肌肉”，这是因为在现代_1业中液压传动技术几乎应用于所有机械设备的驱动、传动和控制，例如利用液压技术控制飞机飞行;驱动和控制机床、推土机、收割机、采矿机械、食品机械以及医疗器械等等.时至今日，在尽可能小的空间内传出尽可能大的功率并加以精确控制这一点上，液压传动己稳居各种传动方式之首，几乎在各类现代化_t_业产品中都可以看到液压传动技术的应用。科学技术的飞速发展加速了液压技术的进步，扩大了液压传动与控制技术的应用范围和领域。各种机械设备性能要求和机电液一体化程度的不断提高，对液压传动与控制系统的性能和控制精度等提出了更高的要求。传统的以完成设备工作循环和满足静态特性为目的的液几系统设计
10、方法己不能适应现代产品的设计和性能要求，而对液压系统进行动态特性分析和采用动态设计方法，运用计算机仿真技术就具有重大的价值。计算机仿真技术不仅可以在设汁中预测系统性能，减少设计时间，还可以通过仿真对所涉及的系统进行整体分析和评估，从而达到优化系统、缩短设计周期和提高系统稳定性的目的。因此本文将以震德Cj80M3V型注塑机液压系统为例，以AMESim软件作为液压系统仿真技术研究开发平台，对液压系统仿真方法进行研究，为以后更加深入的科研_I作打下基础。1.1液压传动与控制技术液压传动系统的设计是为了完成具体的工作，它是由动力元件产生压力液体，经过控制元件和管道将压力液体输送到工作油缸或马达，再通过
11、工作油缸和马达将液体压力能转变为机械功，驱动和控制各种机械设备，完成预定的工作。各种控制元件和执行元件用来保证液压传动与控制过程的平稳、精确、高效和安全。1.1.1液压传动与控制技术的发展1795年英国人瑟夫步拉默发明了世界卜第一台水压机，是他首先不仪利西北工业大学硕士学位论文第一章绪论用水进行斯卡原理付诸实际应用，标志着现代液压技术工程应用的开始。但是，直到1850年英国工业革命之后，液压技术才逐渐应用到实际工业中山于这时候电能还未被发现和用来作动力，因此到1870年液压传动技术己经被用来驱动各种液压设备，如液压机，起重机等。然而早期的以水为介质的液压传动系统具有许多缺点，如泄露和密封问题。
12、直到1905-1908年威廉斯和詹尼两位英国工程师发明了用矿物油做工作介质的轴向柱塞式液压传动装置以后，矿物油替代了水作为工作介质，在很大程度上解决了密封和锈蚀等问题，液压传动技术的情况才有所改观。1926年第一套由泵、控制阀和执行元件组成的集成式液压系统在美国诞生;特别是20世纪30年代丁氰橡胶等新型密封材料的应用，使得液压传动逐步取代水压传动，并得到迅速的发展。 二战期间，由于军事工业迫切需要反应快、动作准确、功率大的液压元件、液压传动系统和伺服控制系统，以便用于飞机、坦克、高射炮、军舰、潜艇等装备核武器方面的控制系统以及雷达、声纳的驱动系统，促进了液压技术及其自动控制技术方面的进一步发展
13、。1960年以后液压技术的应用也迅速转入民用工业，在机床、工程机械、船舶机械、锻压机械、冶金机械、农业机械以及汽车工业、航空航天工业等部门得到了广泛的应用。经过近半个世纪的进一步发屏，液压技术己成为包括动力传动、控制、检测在内的，对现代机械装备的技术进步有重要影响的基础技术，已广泛用于各工业部门和领域国外生产的(15%的工程机械、90%的数控加工中心、95%以上的自动化生产线都采用了液压传动技术。液压技术的应用对机电产品质量和水平的提高起到了极大的促进和保证作用，世界上先进的工业国家均对液压技术的发展给予了高度重视，采用液压技术的程度己成为衡量一个国家工业水平的重要标志。 我国从20世纪50年
14、代末期开始发展液压L业，自1964年从国外引进些液压元件生产技术后，即着手进行自行设计、研制和生产，初步形成了从低压到高压的各种液压元件系列，并在各种机械设备上得到广泛的应用。特别是20世纪80年代到90年代，国家对液压行业进行了重点改造，有计划的加速了对国外先进液压元件和技术的引进、消化、吸收工作，扩大了与美国、德国、日本、意大利等国液压行业的技术交流与合作，但由于起步较晚和一些相关技术的影响，我国液压传动技术与国外先进水平相比还存在一些差距，主要表现在:产品质量不稳定，可靠性差，寿命短;一些新的领域如航空航天、海洋T程等液压技术和所需的一些特殊元件，研究开发工作还不能满足需要。当前，液压传
15、动与控制技术在实现高压、高速、大功率、低噪声、高可靠J性和高度集成化等要求方面都取得了重大发展，在完善发展比例控制、伺服拧西北工业大学硕士学位论文第一章绪论一，制、开发数字控制技术以及实现机电一体化方面也取得了许多新成就。随着科学技术的进步以及为适应控制设备的使用要求和增强本身的竞争能力的需要，液压传动与控制技术仍然在不断发展，有些缺点正在不断被克服，其应用范围在不断扩大。 目前液压技术的研究和发展动向主要有以下儿个方面:(1)提高效率，降低能耗。 (2)提高技术性能和控制性能，是应机电一体化主机发展的需要。(3)发展集成、复合、小型化、轻量化元件。 式中F,. F2分别表示连通器小端和大端的
16、作用力; A, AZ分别表示连通器小端和大端的面积。式(2-5)表明，只要A21 A:足够大，用很小的力汽就可以产生很大的力(负不很载力)凡，克服重物做功。液压千斤顶就是利用这一原理工作的。若A, /A，F2越大，所需的F,也越大，密封容器中的压力P也就越大;反之，若F，则压力也很小，当F2一。，P也近似为零。这说明液压系统中的压力是山变小外界负载决定的，即压力决定于负载。同样可以看出，大活塞的运动速度v将比小活塞的运动速度vo小，其关系为(26)戌一鸡 v0 -一 V2.1.4液体静压力对固体壁面上的作用力如图2-3所示，分析或计算液压装置中液压力作用在固体壁面的力时，质量力(户)可以忽略不
17、计，而静压力处处相等，所以可认为作用于固体壁面压力均匀分布，且指向承压面的内法线方向。液压力P对该固体曲面(长度为l半径为尸的半个钢筒)上的合力等于该液压力与固体壁面在该方向投影面积的乘积，即 F=P.A=p(,液体不可压缩，是连续的介质，所以该段流束内的液体的质量守恒，即P,u,dA,dt=P2U2dA2dt即八二Pz。而且，液体(2-8)u,飒二u2dA2(2一9)对于导管的两个截面A,. AZ，有J A,N,dA,=J Az u2 d42(2-10)若用平均流速v, v,表示，= v2 Az二C价9,=4z二C式(2-12)为流动液体的连续性方程，其物理意义为:在恒定流动的情祝下，当不考
18、虑液体的压缩性时，通过管道各界面的流量都是相等的，也就是说流体的流速与其通流截面积成反比。创二竺之黔型理二一一一一一一一一2. 2. 2液体流动的能量守恒定律(伯努利方程)1.理想液体的能量守恒定律 如图2-5所示，取液流中的微小流束，其所受的质量力只有重力，根据动能定理，外力对此段液体所作的功等于其动能的增量，即p,A,u,dt一p2A2u,dt + *A,u,dtz，一*42U2dtz2=pdA2u2dt(U2 /2g)一pdA,u,dt(u; 12g)，根据液体连续性原理，dA,u, = dA2U2，上式可简化为 Pi+yz,+Ml /2g=PI +Yr2+YUZ/2g (2-13)或p
19、十升兰_c(2-14) Y 2g式中ply一单位质量的压力能; “一一单位质量液体的位置高度能，又称比位能;U2 12g单位液体的动能科Yiq工土一二二飞兰图2-5理想液体的能量平衡方程推导简图式(2-14)为微小流束的伯努利方程，从式中可以看出理想液体作稳定流动时，其流束的能量有压力能(P/Y),位能(:)和动能(u212g )，这三项的总合表示该流束任意截面的单位机械能，在同一流束内这三种能量的总和等于常数。从伯努利方程中还可以看出，当管道处于水平位置且其内部各截面处的位置头相等时，其影响可以忽略不计，有卫十兰=:pg 2g(2-15)即管道越细、流速越高，液体压力则越低，反之亦然。2实际
20、液体的能量守恒定律实际液体是具有薪性的，因此液体流动时为克服内摩擦阻力必然要损失一部分能量。又因为实际管道内通流截面上各点的流速是不相等的，因此需考虑第二章液几流体力学荃础西北工业大学硕士学位论文曰.曰口流速不均匀而引起的修正系数“，成为动能修正系数。其值的大小与过流断面上的速度分布有关。流速分布越均匀，其值越接近于I。工程计算时，常取a=1.0这样，实际液体的伯努利方程为口.a, v? p, a,v,丁+ x,十育=-+ z, +=-2g y 2g十、(2,-I6)式中v一总流有效截面的平均速度; h_性阻力引起的能量损失。实际液体的伯努利方程应用条件是流动为稳定流动，且所取计算点的通流截面
21、为缓变流。2.3流动液体压力损失计算由流体流动的能量平衡方程可知，实际液体在流动过程中要损耗一部分能量，这种能量损耗主要表现为液体流动的压力损失。压力损失又可分为沿程损失和局部损失。沿程损失是液体流经直管中的压力损失;而局部损失是液体流经管径突变或管路突然弯曲等局部地方的压力损失。2.3. 1液体的流动状态液体在管道中流动时所产生的能量损失与它的流动状态有关。实验证明:液体在圆管中的流动状态与管内的平均速度，、管的内径d成正比，与流动液体的运动孙度y成反比。可用雷诺数Re表示:Re =vdiy (2-17) 工程上常用临界雷诺数Re。来判断液流的状态时层流还是紊流。当雷诺数Re Re时为紊流。
22、对于非圆形管道，雷诺数的计算公式为Re=4vRly (2-18)式中R通流截面水力半径(有效截面A与湿周x的比值) 一般的液压传动系统中.管中流速不大(一般小于6m.s- ),所以多数为层流状态。经理论分析和试验结果得知，层流时的能量损失与流速的次力成正比，而紊流的能量损失与流速的关系为却二，,1 4时，成为细长小孔。而液流在细长小孔中的流动一般属于圆管层流，故可应用前述圆管层流状态的流量公式，即耐 a9二不乙厂二128华劫(235) 从式(2-35)可看出，液流经过细长孔的流量和孔前后压差4p成于毛比血与孔长1和液体勃度n成反比，因此流量受液体温度影响较大，这是和薄壁小孔西北工业大学硕士学位
23、论文曰.曰曰口翻日.日.不同的。第二章液压流体力学X-础2.5液压冲击与空穴现象2.5. 1液压冲击所为液压冲击是指液压系统管道中的液体突然变速或换向时，引起液体旅力突然急剧增加的现象。液压冲击常伴随着巨大的噪声和震动，其瞬时压力峰值会比正常工作压力大几倍，甚至足以使某些液压元件破裂，降低设备的使用寿命，甚至发生事故。因此要考虑防止或减少液压冲击。液压冲击一般有两种情况:一种是由于管道内液体流速突然变化引起的凡力冲击，另一种是运动部件突然制动引起的压力冲击。1.管道内液体流速突变所引起的液压冲击 如图2-8所示，管道的截面积、长度分别为A和I，管中液体压力为po时的初始容积气=Al。密度为p的
24、液体在阀门突然关闭前的流速为v,，阀门突图2-8液压冲击现象分析然关闭后，液流的动能EK全部转变为压力能E,使管道中液体的压力增加了Ap，同时管道截面积膨胀了AA。而且管道膨胀后，液体的体积模量为KQ，即等效体积模量。由EK=E,可得pAlvo /2=酬Avl / 2 = 4p2 vo 1(2K,)一Ap2A1 /(2K, )(2-35)整理后得劫，pv0o SKr切=AN(2-36)式中如液压冲击时，管道中液体压力的升高值:“一冲击波在管道中的传播速度，“=,(K“ /p。山上式可知，由于一定的液体种类和管道材质，其p和c为定值，因此减西北工业大学硕士学位论文第二章液压流体力学基础小印的唯一
25、办法是加大管道的通流截面积以降低vo值。2运动部件制动时产生的液压冲击 当液压缸拖动质量为m的运动部件，以速度v向前移动时，若换向阀突然关闭液压缸的进出油口，由于运动部件的惯性将使活塞杆继续向前运动，压缩其容积为V(m)的回油腔中的液体。若忽略摩擦损失，则运动部件的动能全部转化为液压缸回油腔内液体的压力能，使压力急剧上升却，即mv2 /2=仰V 1(2K,)C2一3了)由此可得4p=v,/mK, /厂2一:3n2.5.2空穴现象液压传动中的工作液体里的空气溶解量都按一个大气压时的溶解量考虑。当压力小于一个大气压时，溶解于液体中的空气处于过饱和状态，过饱和的空气将从液体中分离出来形成气泡。在液流
26、中，由于压力降低，致使有气泡形成的现象统称为气穴现象。成溶解状态的气体对油液体积弹性模量没有影响，呈游离状态的小气泡则对油液体积弹性模量产生显著的影响。 管道中发生空穴时，气泡随着液流进入高压区时，体积急剧缩小，气泡又凝结成液体，形成局部真空，周围液体质点以极大速度来填补这一空间，使气泡凝结处瞬间局部压力可高达数百巴，温度可达近千度。在气泡凝结附近壁面，因反复受到液压冲击与高温作用，以及油液中逸出气体具有较强的酸化作用，使金属表面产生腐蚀。因空穴产生的腐蚀，一般称为气蚀，泵吸入管路连接、密封不严使空气进入管道，回油管高出油面使空气冲入油中而被泵吸油管吸入油路以及泵吸油管道阻力过大，流速过高均是
27、造成空穴的原因。 此外，当油液流经节流部位，流速增高，压力降低，在节流部位前后压t=尹- 2! 3.5巧时，将产生节流空穴。空穴现象会引起系统的振动，产生冲击、噪声、气蚀使工作状态恶化，人大缩短液压元件的使用寿命，因此必须防止或避免其发生西北工业大学硕士学位论文第三章液压系统建模方法研究第三章液压传动与控制系统3. 1液压元件液压元件是组成液压系统的最基本单元，按照功能和所执行的任务不同，液压元件大致可分为液压动力元件、液压执行元件、液压控制元件和辅助元件四大类。3.1.1液压泵液压泵属于液压动力元件，它的功能是为液压系统提供具有一定压力和流量的液体，使各液压执行部件完成各种规定的动作。液压泵
28、按其每转排出油液的体积可否调节而分为定量和变量两大类;按其组成密封容积的结构形式的不同又可分为齿轮泵、叶片泵、柱塞泵和螺杆泵。1.轴向柱塞泵的工作原理 柱塞式液压泵是利用柱塞在缸体柱塞孔中作往复运动时所产生的容积变化来吸油和排油的，故又可称之为容积式泵。按照柱塞轴沿缸体轴向或径向安置，柱塞泵分为轴向柱塞泵和径向柱塞泵两大类。其中轴向柱塞泵多用作变量泵。如图3-1为斜盘式轴向柱塞泵的工作原理图，它是由斜盘1、柱塞2、缸体3、配流盘4、传动轴5等零件组成。柱塞轴向均布在缸体上，并能在其中滑动，图3-1斜盘式轴向柱塞泵原理图斜盘和配流盘固定不动，传动轴带动缸体和柱塞旋转。柱塞靠机械装置(如弹簧)或在
29、低压油作用下始终紧靠在斜盘上，当缸体按图示方向旋转时，柱寒在自下而上回转的半周内逐渐向外伸出，使缸体孔内密封工作容积不断增大而产生真空，由液便从配流口a吸入同理，柱塞在自上而下回转的半周内又逐渐往里推入，将油液经配流口b逐渐向外排出。由于转子中的全部柱塞都在同时作，因此转子在连续运转中，泵出口将形成连续的油流。改变斜盘倾角就Is西北工业大学硕士学位论文第三章液压系统建模方法研究可以改变柱塞往复运动行程的大小，从而改变泵的排量。2.轴向柱塞泵的流量计算泵每转吸、排油各一次，柱塞的行程h=DtanB，泵的排量v二(;rd /4)hZ(3I)泵的实际流量为 q =rar2ZDtan6Hgv l240
30、 (3-2)式中d D分别为柱塞直径及柱塞分布圆直径，m; 2柱塞个数:n -泵的转速，r加in; I/u泵的容积效率;夕斜盘轴线与缸体轴线间的夹角。 油泵在进口压力过低，转速太高或者发生严重液压关死等情况下，会形成液压撞击，产生气隙现象。气隙会降低泵的供油量，使供油量和压力出现脉动，破坏泵的正常工作性能。气隙还会引起泵机构的震动和噪声。因此，泵的瞬时流量9是波动的，可用流量脉动系数S来描述其流量脉动的大小，即 8 = (qA). - (q,), (3-3)其直接结果为:a二二tan二 2242s二二tan二 222(当z为奇数时)(当z为偶数时)由上式可知，为了减小s值，应采用奇数柱塞，然后
31、尽量选取数量较多的柱塞。3.1.2液压马达液压马达是一种执行元件，它是将输入的液压能转换成机械能.以扭矩和转速的形式输送到执行机构做功。液压马达的分类同液压泵类似，也有定量.变量之分;也可分为齿轮马达、叶片马达、柱塞马达和螺杆马达。另外，按照其工作特性液压马达还可分为高速、低速两类。通常，把额定转速在500r/min以_L的马达称为高速马达，这类马达有齿轮马达、叶片马达、柱塞马达和螺扫-马达等。高速马达的特点是:转速较高，转动惯量小，便于启动和制劝，调节灵敏度高。通常高速液压马达的输出扭矩不大，所以又称为高速小扭矩液压1 I9西北工业大学硕士学位论文第三章液压系统建模方法研究达。额定转速在50
32、0r/min以下的马达称为低速马达，低速马达的基本形式是径向柱塞式，这类马达有单作用曲轴连杆式、多作用内曲线式和静压平衡式等。低速马达的特点是:排量大、体积大、转速低。通常低速液压马达的输出扭矩较大，所以又称为低速大扭矩液压马达。 从作用上看，液压马达的作用正好与泵相反。但从作用上看，液压马达与液压泵的工作原理类似。常用的液压马达和液压泵都是容积式的，其1一作原理都是利用容积大小的变化来进行吸油、压油的。1.液压马达输入、输出计算 液压马达的输入量为液流工作压力爪Nlm)、实际流量9(mls),而输出量为轴上的转矩T(N.m)、角速度“(1 /s)若不考虑液压马达在能量转换过程中的损失，则它们
33、的输入、输出的理论功率相等，即wT,一9,p = 2-T,一”VP ,(其中V为排量)，故马达输出的理论转矩T为T, = pV /(2)r)(3-4)实际输出转矩为T=7;-17m(3一5)当采用变量泵一定量液压马达的容积调速回路时，若不考虑泵、管路和液压马达的泄漏，液压马达的转速为V、一=npVM一1(V,)(3-6)气呱伟式中3. 1泵的排量;一一液压马达的排量;泵的转速。3液压缸液压缸是一种将液体的压力能转换成机械能，用来驱动工作机构作直线或摆动运动的液压执行元件。液压缸在结构形式上分为活塞式、柱塞式、回转式三大类。1.单活塞杆液压缸的工作原理单活塞杆液压缸又称差动液压缸，当高压油进入缸
34、的无杆腔而使有杆腔通低-F时，活塞杆伸出;当高压油进入有杆腔而使无杆腔通低压时，活塞杆退回:当采用差动连接即两腔相通时，就成了差动油缸。20第三章液压系统建模方法研究西北工业大学硕士学位论文2.单活塞杆液压缸的参数计算如图3-2 a所示:活塞杆向右伸出的速度为卿军于F,PWp，卜l夕，112_“z二二Fy图3-2单活塞杆液压缸计算简图a一活塞杆伸出;b一活塞杆i2 PI: c-r动连接二4qv尤D2(37;活塞杆输出的力为_、刀刀2 7d2r,=PjA，一P2A2 =tP一P2) 4 +P2 4(3-8)活塞杆向左退回的速度为，一q,=一4q,A2 9r(D一d)(3-9)活塞杆输出的力为凡二
35、p,A2一P2 A,=An(D2一d2)一P2 络丝 4当单活塞杆液压缸两腔同时进入相同压力的液压油时，这种连接方式称为差动连接。由于压力油作用面积不同，活塞伸出的推力为。=p(A,一A2) =，等因为qv+v3凡 =VsAi，则可得活塞的伸出速度为(3-11)丛耐二一q,=A,一A2(3一12)可见，差动连接时，活塞杆的运动速度很大。3液压缸的数学模型如图3-3为三通口工作缸，若不考虑缸出的排油背压，工作缸活塞的运动方程为F = p,A一艺R,匀速运动)(3一13)西北工业大学硕士学位论文第三章液压系统建模方法研究Pa L q P!ql图3-3 Z作缸结构示意图或p,A一F一Y-尺= rfd
36、(匀加速运动)(3-14)其出口流量方程为一q2一才、一Vi九人式中F液压缸工作负载;A, A工作缸活塞杆腔面积和活塞腔面积; ER各种摩擦阻力之和;m, x运动部件质量和位移; P Pz油缸进、出口油压;ql, qz又缸进出口流量; V, V_一一进油腔、排油腔液体容积;K油液体积弹性模量。3.1.4液压控制阀液压控制阀是液压系统中的控制元件，其基本结构主要包括阀芯、阀体和驱动阀芯在阀体内做相对运动的装置。在工作原理上，液压阀是利用阀芯在阀体内的相对运动来控制阀口的通断及开口的大小，以实现压力、流量和方向的控制。液压阀按照用途可分为压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。1.方向控制阀换向阀是利
37、用阀芯与阀体间的相对运动，使油液通、断或换向，来控制液压执行元件运动、停止或变换运动方向。根据阀芯的结构可分为滑阀式、球阀式和锥阀式;根据阀芯的工作位置和控制的通道数可分为二位二通、二位三通、三位四通等;根据操纵阀心运动的操作方式可分为手动、机动、气动、液动、电磁动、电液动等。 (1)电磁换向阀的工作原理电磁换向阀是利用电磁铁通电吸合后产生的吸力推动阀芯来改变阀的二L.作位置，控制油液的通流方向。电磁铁的动作信号是由电气系统中的电气元件发西北工业大学硕士学位论文第三章液压系统建模方法研究出的，按电源的不同分为交流和ri流两种，易于实现动作转换的自动化(2)电磁换向阀的数学模型 电磁换向阀通电时
38、阀芯运动方程为凡=?n.i =(B,+凡)x+(Kv+K)x+R, (3-16)式中F加给阀芯的外力即电磁力; m,x阀心质量和位移;B, Bf瞬态液动力系数及薪性阻尼系数; Ks, Kv对中弹簧刚度和稳态液动力系数;Rm库仑摩擦力。 当电磁阀换向以后，流经电磁阀的流量方程可表示为。二C,A了2(P,一;2)1P =C廿A -P2 (3-1了)式中9-一流经电磁阀的流量; C, A A阀口流量系数及阀口面积;P液体密度; PP2电磁阀进出口液体压力;C电磁阀综合流量系数。 由于电磁铁的吸力有限，因此电磁换向阀只适用于流量不太大的场合。当流量较大时，须采用液动或电液控制。2.压力控制阀压力控制阀
39、是用来控制液压系统中的油液压力或通过压力信号实现控制的阀类，包括溢流阀、减压阀、顺序阀和压力继电器等。这类阀的共同点是利用作用在阀芯上的液压力和弹簧力相平衡的原理来工作。 (约溢流阀溢流阀可分为直动式和先导式两类。溢流阀有三种用途，当用作定压阀时，其阀口始终是开启的;溢流阀夜可做安全阀使用，当系统处于正常工况下时阀口都是关闭状态;此外，溢流阀可接在系统的回油路上做背压阀用。 (2)溢流阀的数学模型通过受力分析可得溢流阀阀芯运动方程为 m,x =(P、一POA;一K, (x, + x)一(K + K, )s, (:3一18)式中m,x,阀芯质量和位移; Pi P2褪上、出17油压;西北工业大学硕
40、士学位论文第二章液压系统建模方法研究 Kx。一弹簧刚度和预压缩量;K,Kj一瞬态液动力系数和9性阻尼系数; A,液体作用面积在液压大系统中，若忽略溢流阀的开启时的动态特性，可得其简化模型为9 = Gx (Pi一P.) (3一19)式中G,-溢流阀液导;p，一一溢流阀调定压力。3.流量控制阀流量控制阀是通过改变阀的通流面积大小来调节液阻和流量。流量阀包括节流阀、调速阀等。由流体力学知，流经各节流口的流量一压力特性方程可统一表示为9=KA-却- (3-20)式中A节流口的通流面积; 今一一截流口前后压差;K节流系数，由节流口形状、流体状态、流体性质等因素决定对薄壁锐边孔口，K一C,沥万，Cd )7
41、流量系数，为液体密度);，节流指数，。5 Pz节流阀进、出口油压C,C2系数。为简化系统模型，将节流阀看成一个线性液阻，其简化模型形式为一P,)=G(P，一Pz)(3一22)R液阻;西北工业大学硕士学位论文第三章液压系统建模方法研究G一一液导。3.2液压传动系统液压传动系统是由液压能源、执行元件、控制元件和辅助元件等组成，以完成一定动作的系统。任何复杂的液压传动系统总是由一些基本回路所组成的。所谓基本回路，就是系统中采用某些液压元件为实现某种动作或性能要求而组成的典型油路。常见的基本回路按其在系统中的功用可分为:压力控制基本回路、方向控制基本回路、速度流量控制基本回路、多执行元件工作控制回路以
42、及其他回路。3.2. 1压力控制基本回路压力控制基本回路是用压力控制阀来控制或调节整个液压系统或某一部分的油液压力，以获得执行元件所需要的力或转矩，或保持受力状态、防止系统过载、防止系统液压冲击以及减少系统能量损耗的回路。包括调压、减压、增压、卸荷、保压、平衡等多种回路。1.调压回路 调压回路的功用是使液压系统整体或某一部分的压力保持恒定或不超过某个数值。 (1)单级调压回路，如图3-4 a所示:在泵1的出口处设置并联的溢流阀2,使泵的出口压力基本维持恒定。图3-4调压问路a-单级调EL回路;S-_级调压F7路:c-无极Attain路t-泵;2. 4-滋流阀:3一先13滋流阀(2)多级调压回路
43、，如图3-4 h所示:;5一二位二通电磁换向阀:6一比例ka流阀先导式溢流阀3的遥控口串接z;位一通西北工业大学硕士学位论文第二章液压系统建模方法研究换向阀5和远程调压阀4。这里要求远程调压阀4的调整压力必须小于先导式溢流阀3的调整压力，即Px A。当二位二通换向阀5处于截止位(即上位)时，泵出口压力为p:;当二位二通换向阀5处于通位(即下位)时，泵出口抓力为Pz。如果在溢流阀的遥控口处通过多位换向阀的不同通口，并联多个调压阀，即可实现多级调压。(3)无级调压回路，如图3-4 c所示:通过改变比例溢流阀6的输入电流来实现无级调压。2.减压回路减压回路用来使系统或局部油路获得比液压泵供油压力低的
44、稳定压力，主要靠减压阀与其他阀配合来实现。如图3-5所示，回路中的单向阀3是防止主油路压力降低(低于减压阀2的调整压力)时油液倒流，起短时保压作用。图3-5减压回路 1-滋流阀:2一定值输出减压阀;3一单向阀为了使减压回路工作可靠，减压阀的最低调整压力不应小于。5 MP,，最高调整压力至少比系统压力小0. 5 MP,。当减压回路中的执行元件需要调速时，调速元件应放在减压阀的下游，以避免减压阀泄漏对执行元件速度产生影响。3.增压回路增压回路用来提高系统中局部处的液压力。利用增压回路，液压系统可以采用压力较低的液压泵，甚至可利用压缩空气动力源获得较高压力的压力油。增压回路中提高油液压力的主要元件是
45、增压器(1)单作用增压器的增压回路一般只适用于液压缸单方向需要很大力且行程较短的场合。如图3-6 a所示:当系统处于图示位置时，压力为P，的油液进入增压器的大活塞腔，此时在小活塞腔即可得到压力为Pz的高压油液，增压的倍数等于增压器大、小活塞的工作面积之比。当三位二通电磁换向阀右位接入系统时，增压器的活塞返回，补油箱中的油液经单向阀补入小活塞腔。(2)双作用增压器与单作用增压器的增压原理是相同的，其特点是可以连续不断的输出高压油。如图3-6 b所示，增压器的活塞右行，其右端高压腔经单项26型匕鉴掣生憋竺一一一一-忿阀4输出高压油;反之，当电磁阀5通电，增压器的活塞左行时，增压器的左端高压腔经单向
46、阀3输出高压油。只要电磁阀1不断的切换，双作用增压回路就能不断地输出高压油。图3-6增压回路s一单作用增压1.1路;6一双作用增压回路;广4-单向阀:5一换向阀4.平衡回路 平衡回路是用来防止立式液压缸及其工作部件因自重或负载作用而自行下落或自行运动。该回路常用于液压机活塞、柱塞及滑块机构，起重机未加平衡的赶升、变幅及伸缩机构等重力下降机构中。图3-7 a为用单向顺序阀支持并限速控制的平衡回路;图3-7 b为用单向节流阀限速、液控单向阀锁紧的平衡回路。LkJ 3-7平衡回路 于用单向顺序阀的平衡回路;b一用单向节流阀的平衡回路5卸荷回路 卸荷回路的功用是使液压泵在接近零压的情况下运转，这样可以
47、避免频繁启动电机，减少功率损失和系统发热，延长泵和电机的使用寿命。常川的卸荷男昙恕之黔型些二一一一A-=* AaAf*AV回路有以一下几种:(1)用M(或H, K)型换向阀的中位机能卸荷的回路，如图3-8 a所示，这种卸荷回路的切换压力冲击大，适用于低压小流量系统。对于高压大流量系统，如图3-8 b所示，可采用M(或H, K)型电液换向阀对泵进行卸荷。但是这种换向阀装有换向时间调节器，所以切换时压力冲击小，必须在换向阀前设置单向阀(或在换向阀回油口设置背压阀)。 (2)用二位二通阀旁路的卸荷回路，如图3-8。所示，当执行元件不1_作时，二位二通电磁阀得电，从而使泵卸荷。图3-8用换向阀的卸荷回路(3)用先导型溢流阀的卸荷回路，如图3-9 a所示:小，切换时的压力冲击也小，适用于大流量系统。(4)用外控顺序阀作卸荷阀的卸荷回路，如图3-9 b4的调定压力时，液压泵卸荷。这种卸荷回路的卸荷压力所示:当系统达到卸荷阀图3-9卸荷回路一用先导式滋流阀的卸荷回路，b一用卸荷阀的卸荷回路1一溢流阀:2-二位二通阀:3一压力继电器:4一卸荷阀6.保压回路
