液压冲击器理论与实践研究演示幻灯片课件.ppt

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1、1,二,0,一三年九月,液压冲击器理论与实践研究,2,一、液压冲击器概述,二、现有液压冲击器的研究,三、新型液压冲击器的研究,三、液压冲击器的实验方法研究,提纲,3,液压冲击器是挖掘机、装载机、凿岩机、破碎锤、碎石机、夯管锤、,冲击钻、潜孔锤、振动冲击锤、拆缷机器人、作功能作业车、地下,碎石车、地下撬毛车等的破碎工作装置。主要用于破碎物体。应用,于市政、建筑、公路、铁路、冶金、煤碳等部门。具有明显的社会,效益与经济效益。,一、液压冲击器概述,4,挖掘机,装载机,凿岩机,破碎锤,碎石机,夯管锤,冲击钻,潜孔锤,振动冲击锤,拆缷机器人,作功能作业车,地下碎石车,地下撬毛车,核心部件,液压冲击器,冶

2、金矿山,铁路工程,公路工程,水电涵洞,市政工程,建筑工程,军事工程,5,6,1,、液压冲击器的基本结构,钎杆，,-,导向套，,-,钎杆保持器衬套，,-,阀盖，,-,阀芯，,-,阀箱，,-,活塞环，,-,活塞，,-,前体，,-,前腔，,?,-,液压缸，,?,-,后腔，,?,-,氮气室,二、现有液压冲击器的研究,7,2,、液压冲击器的工作原理,工作原理示意图,液压冲击器的工作原理,8,1,）建立数学模型,活塞回程加速段,活塞制动和冲程阶段,2,1,1,2,2,3,2,N,d,x,m,mg,p,A,p,A,p,A,dt,?,?,?,?,?,dx,v,dt,?,1,0,0,(,),t,H,v,dt,Q

3、,V,A,?,?,?,?,1,10,(,),k,k,H,H,H,p,p,V,V,V,?,?,?,0,2,0,(,),t,L,A,v,dt,Q,V,?,?,?,?,0,00,(,),k,k,L,L,L,p,p,V,V,V,?,?,0,0,k,k,N,p,V,p,V,?,2,1,1,2,3,2,(,),N,d,x,m,mg,p,A,A,p,A,dt,?,?,?,?,?,dx,v,dt,?,1,2,1,0,1,(,),t,H,H,T,v,v,dt,Q,V,V,A,A,?,?,?,?,?,?,?,1,10,(,),k,k,H,H,H,p,p,V,V,V,?,?,1,0,1,t,L,L,T,dt,Q,V

4、,V,?,?,?,?,?,0,00,(,),k,k,L,L,L,p,p,V,V,V,?,?,0,0,k,k,N,p,V,p,V,?,3,、液压冲击器的计算机仿真,9,活塞运动,.,.,.,1,4,.,.,2,1,1,2,2,3,1,(,sgn(,),),sgn(,),sgn(,1,),2,(,1),i,pi,p,p,p,p,p,p,p,p,p,N,p,pi,pi,pi,i,pi,pi,pi,d,l,S,S,p,m,S,S,m,g,p,A,p,A,S,p,A,l,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,换向阀芯方程,.,.,3,2,4,.,1,1,1,sgn(,),(

5、,),v,v,v,v,v,v,i,p,v,i,i,v,vi,F,S,S,S,m,S,S,m,g,p,A,p,A,p,?,?,?,?,?,?,?,?,10,理想气体状态方程,0,0,k,k,N,p,V,p,V,?,氮气体积与活塞几何位置关系,3,0,3,(110,)*10,p,V,V,A,S,?,?,?,?,回程段高压油流量平衡方程,.,.,1,2,p,p,l,p,p,Q,A,S,A,S,Q,?,?,?,3,4,.,2,1,3,3,3,2,2,(,(1,1.5,),(,1),),12,2,(1,1.5,),12,pi,pi,i,p,pi,pi,pi,i,pi,pi,vi,vi,vi,i,i,vi

6、,l,v,d,p,d,S,l,l,c,Q,c,d,p,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,冲程段高压油流量平衡方程,.,.,.,1,2,1,p,p,p,l,p,v,v,Q,A,S,A,S,A,S,Q,?,?,?,?,3,4,.,2,1,1,3,2,.,2,1,1,(,(1,1.5,),(,1),),12,2,(,(1,1.5,),(,1),),12,2,pi,pi,i,p,pi,pi,pi,i,pi,pi,i,vi,vi,vi,vi,vi,v,i,vi,l,vi,d,p,d,S,l,c,Q,d,p,d,S,l,c,?,?,?,?,?,?,

7、?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,11,2,）建立三维模型,12,3,）建立,ADAMS,仿真模型,13,ADAMS,和,MATLAB,联合仿真,14,4,）进行动力学仿真分析,阀芯,活塞,15,1-,截止阀，,2-,溢流阀，,3-,过滤器，,4-,液压泵,，,5-,压力表，,6-,活塞，,7-,中缸体，,8-,液控阀,，,9-,手持式测量仪，,a-,氮气室，,b-,后腔，,c-,前,腔,5,）,液压冲击器测试实验,16,测试方案,PS,：,1,、如需另测氮气压力，编号前面加零。,2,、单次测试时间为,10,秒。,3,、,A,通道接氮气室,

8、B,通道接上腔（回油腔）,C,通道接下腔（常压腔）,4,、表中压力为精确值，流量为非精确值,PS,：,1,、单次测试时间为,10,秒。,2,、,A,通道接氮气室,B,通道接上腔（回油腔）,C,通道接下腔（常压腔）,3,、表中压力为精确值，流量为非精确值,17,测试部分结果,18,测试部分结果,19,系统,溢流,压力,（,MPa,）,前腔,平均,压力,（,MPa,）,活塞,冲击,速度,(m/s),破碎锤打击,能量,(J),破碎锤冲击,频率,(HZ),10,9.308,3.027,86.07,4.77,14,12.987,3.624,89.99,4.06,16,14.347,3.181,95.07

9、,4.93,不同系统压力下的测试结果,20,不同系统流量下的测试结果,流量,（,L/min,）,活塞冲击速度,(m/s),破碎锤打击能量,(J),破碎锤冲击频率,(HZ),30,3.027,86.07,4.77,40,3.171,94.04,6.56,50,3.249,99.23,7.56,60,3.352,105.44,7.80,21,打击不同物体时氮气室压力变化情况,22,打击不同物体时前腔压力变化情况,23,6,、液压冲击器存在的问题,目前根据控制方法和设计概念的不同，调节液,压冲击器输出工作参数的常用方法主要有：液压,冲击器行程反馈调节方法，改变液压冲击器供油,流量的调节方法。,为了满

10、足不同工况破碎不同的工作对象，传,统的输出特性单一的冲击器已不能满足要求，需,要对液压冲击器的输出特性作相应的调节以满足,各种工况下最优的工作状态；而且还要提高液压,冲击器的工作稳定性和降低生产成本，扩大使用,范围。,24,三、新型液压冲击器的研究,1,、先导式液压冲击器的研究,25,26,（,a,）,P,*,=9MPa,（,b,）,P,*,=15MPa,27,28,29,高压蓄能器初始充气压力储油腔作用面积对冲击器工作性能的影响,高压蓄能器初始充气压力对冲击器工作性能的影响,30,2,、基于螺纹插装阀的新型液压冲击器,31,32,33,34,35,3,、无阀自配流型液压冲击器,36,仿真模型

11、的建立,基于,AMESim,建立的液压冲击器仿真模型,37,38,4,、电控液压冲击器的研究,39,40,41,在某工况下新型液压冲击器各曲线图,在某工况下新型液压冲击器各曲线图,42,传感器,活塞运动反弹,氮气室压力峰值,单,片,机,比较,判断,信号放大,智,能,液,压,冲,击,器,A/D,高速开关阀,锥阀动作,高速开关阀,锥阀动作,D/A,控制,策略,选择,算法,前腔油路,后腔油路,冲击器冲,击不同物体,时，活塞反,弹速不同，,氮气室的峰,值压力不同，,通过传感器,采集该峰值,可以识别物,体特性。再,经过单片机,分析得出控,制信号，控,制高速开关,阀和锥阀，,可控制活塞,行程，从而,实现控

12、制冲,击能和冲频,率的目的。,5,、智能液压冲击器的研究,43,（,1,）实验系统设计,实验系统包括：实验硬件设备，程序调试系统以及,实验信号采集系统，通过实验实现液压冲击器冲击能,的无级调节性能，液压冲击器冲击频率的无级调节性,能，验证理论设计研究的正确性,.,44,实验是在上海东空国际贸易有限公司的液压泵站上进行的，该泵,站供油系统采用变量柱塞泵，高速开关阀为二位三通高速开关阀；逻,辑插装阀根据液压冲击器要求而由上海船舶设备,704,研究所加工生产,的二通型插装锥阀。,（,2,）实验硬件设备,45,（,3,）程序调试系统,程序调试系统由单片机仿真机和调试软件组成。单,片机仿真机选用广州致远

13、电子公司的系列单片机仿真机；,调试软件为软件，它可以完成源程序的编写、程序编译,和连接、软件仿真的验证和排错等，在调试过程中它支,持包括单步运行、全速运行和断点运行等。,计算机控制系统硬件实物图,正在运行的软件界面,46,（,4,）配流换向系统设计研究,配流换向系统一方面必须满足控制液压冲击器活塞作往复运动的,工作要求，起到换向的目的；另一方面，配流换向系统中阀阀芯的运动,速度和位移直接控制了活塞的运动频率，因此，必须保证配流换向阀运,动的快速性。本文引入高速开关阀、二通逻辑插装阀共同组成液压冲击,器的配流换向系统，高速开关阀结构简单、反应速度快；逻辑插装阀动,作速度快且通流能力大,。,1,、

14、进油高速开关阀,2,、进油插装阀图,3,、回油高速开关阀,4,、回油插装阀,配流换向系统工作原理图,47,结合功能要求，硬件主要由主控板电路、信号采集电路、,A/D,转换电路、,人机交换电路、光电隔离传输电路、输出信号放大电路组成。系统控制电,路与液压冲击器分离开来操作，主控板电路完成系统的控制、运算工作；,信号采集电路按照指令采集氮气室压力并以模拟信号的方式传递给下一级,电路；转换电路将模拟信号转换成计算机能处理的数字信号；人机交换电,路用于参数的设定、系统运行情况的监控等；光电隔离电路用于信号隔离,传输，消除执行机构与硬件电路间的干扰；输出信号放大电路对输出信号,作相应放大处理以便驱动执行

15、机构工作。,1,）硬件设计,（,5,）计算机控制系统设计研究,48,2,）软件设计,对于本课题所研究的机电控制液压冲击器控制系统的软件设计，其控制,目标是实现对冲击能控制和冲击频率无级调节。,为了将本课题实现液压冲击器根据工况条件实现自适应调节输出特性的,思想简单化，本课题在控制系统软件设计中分两个阶段进行：,一、实现机电控制的有级调节。在纯液压控制液压冲击器的基础上，将,液压冲击器由纯液压控制转变为计算机控制，冲击频率、冲击能、工作延时,时间量通过操作人员手动调挡的方式设定。,二、实现冲击器自身智能化工作的无级调级。在机电一体化控制系统基,础上，进一步实现机电控制液压冲击器的自动调能调频工作

16、，实现自适应工,况最优化工作要求。,49,第一阶段工作中，可以针对不同工作对象相对应设定不同组合的回程时间,和冲程时间，冲击能可以适当调节回程时间来控制，而冲击频率可以通过调,节冲击时间来提高或减小。并把各种不同组的工作时间组按照冲击能大小顺,序汇编成一个数据库，将该数据库植入程序中，实际工作时根据工作对象物,理性质调用不同的工作时间组，去控制两个高速开关阀的启闭时间，实现液,压冲击器机电控制的有级调节，级数的多少取决于数据库的丰富程度。,工作时，当控制系统上电后，系统初始化，进入监控状态，进油插装阀和回,油插装阀均打开，当确定有运行键按下时，先确定调用工作时间组，然后开,定时器,T,0,，进

17、油插装阀关闭，回油插装阀打开，冲击器作回程加速运动；在,回程加速时间结束即定时器,T,0,中断结束后，关闭定时器,T,0,，开定时器,T,1,，信,号输出引脚电压置反，进油插装阀打开，回油插装阀关闭，冲击器开始回程,减速运动和冲程运动；定时器,T,1,定时中断结束后，进入下一个周期工作运动,，如果有档位按键按下，调用其它工作时间组工作；如果有停止键按下，则,停止工作，进入监控状态。,50,主程序流程图,有级控制键盘中断处理程序,有级控制冲击子程序,51,第二阶段工作中，实现液压冲击器的自动调节参数,功能，根据工况冲击器控制系统自动无级调节工作频率,、冲击能。控制系统通过传感器采样氮气室压力值与

18、控,制计算的换向压力设定值进行比较，控制两个二位三通,高速开关电磁阀的启闭时间，从而控制冲击器输出的冲,击能和冲击频率。换向压力设定值是通过采样活塞冲击,反弹引起氮气气压变化，转换为活塞反弹速度，取前后,两次最大反弹速度的变化量和速度变化率在最大反弹速,度时的变化量作为输入量，通过模糊推理计算得出。频,率控制的延时量是通过与冲击能进行功率匹配计算而得,到并自动进行设定的。,52,A/D,采样子程序,自适应工作时的控制子程序流程图,53,我们分别调节泵站的输出压力和输出流量以及更换被冲击物，做了,大量的实验。下面例出了一组实验结果。,1,）泵站当工作压力为,12MPa,，工作流量为,50l/mi

19、n,，氮气室初始充,气压力为,1MPa,时,液压冲击器冲击砖块时的实验结果见下图。,2,）泵站当工作压力为,12MPa,，工作流量为,50l/min,，氮气室初始充,气压力为,1.1MPa,时,液压冲击器冲击混凝土块时的实验结果见下图。,（,4,）实验结果,54,3,）泵站当工作压力为,12MPa,，工作流量为,50l/min,，氮气室初始充气,压力为,1.1MPa,时,液压冲击器冲击石块时的实验结果见下图。,4,）泵站当工作压力为,12MPa,，工作流量为,50l/min,，氮气室初始充气压,力为,1.1MPa,时,液压冲击器冲击铁块时的实验结果见下图。,通过计算机可控制活塞的冲击行程越大，活,塞冲击末速度越大，其冲击能越大，而冲击,频率越小；反之亦然。由此可以证明新型液,压冲击器可以自动调节冲击能和冲击频率。,55,四、液压冲击器的实验方法研究,1.,应力波法,56,57,2.,末速度法,58,3.,示功图法,59,4.,气压法,60,61,4.,示波冲击法,测试软件界面,62,测试软件界面,测试软件界面,63,64,