液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方程和系數(shù)的選擇1

1、第七章第七章 方程和系數(shù)的選擇方程和系數(shù)的選擇第六章為功率流模型的求解，主要通過計(jì)算軟件第六章為功率流模型的求解，主要通過計(jì)算軟件7.1. 引言引言 在能夠進(jìn)行仿真以前，對(duì)鍵合圖中的每一個(gè)在能夠進(jìn)行仿真以前，對(duì)鍵合圖中的每一個(gè)S、R、C、I、TF、GY都必須予以確都必須予以確 定。此外，當(dāng)全部方程均已選定并已寫出時(shí)，還要定。此外，當(dāng)全部方程均已選定并已寫出時(shí)，還要對(duì)方程中各種系數(shù)的取值作出選擇。對(duì)對(duì)方程中各種系數(shù)的取值作出選擇。對(duì) 于一個(gè)其組成元件都已預(yù)先于一個(gè)其組成元件都已預(yù)先確定的具體系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)模型仿真所需要的許多系數(shù)，可以從設(shè)確定的具體系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)模型仿真所需要的許多系數(shù)，可以從設(shè) 計(jì)說計(jì)

2、說明書或元件產(chǎn)品數(shù)據(jù)中獲得。但，通常總有少量系數(shù)的取值是不容易明書或元件產(chǎn)品數(shù)據(jù)中獲得。但，通?？傆猩倭肯禂?shù)的取值是不容易確定的。確定的。 本章匯集了與本書有關(guān)的各物理關(guān)系式，當(dāng)把握不定或需要選擇本章匯集了與本書有關(guān)的各物理關(guān)系式，當(dāng)把握不定或需要選擇時(shí)，則進(jìn)行一些討時(shí)，則進(jìn)行一些討 論。同時(shí)也將討論那些不夠明確的系數(shù)值的選擇論。同時(shí)也將討論那些不夠明確的系數(shù)值的選擇問題。問題。 第七章第七章 方程和系數(shù)的選擇方程和系數(shù)的選擇7.2. 柔度柔度7.2.1引言引言 沒有一種流體是絕對(duì)不可壓縮的。也沒有一種機(jī)械連接是完全剛沒有一種流體是絕對(duì)不可壓縮的。也沒有一種機(jī)械連接是完全剛性的。兩者都具有如同

3、彈簧那樣的彈性。在液壓控制系統(tǒng)中，油的柔性的。兩者都具有如同彈簧那樣的彈性。在液壓控制系統(tǒng)中，油的柔度是影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的極其重要的參數(shù)。而在系統(tǒng)的各種機(jī)械元件度是影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的極其重要的參數(shù)。而在系統(tǒng)的各種機(jī)械元件中，機(jī)械柔度則依據(jù)其呈現(xiàn)的程度也可對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)中，機(jī)械柔度則依據(jù)其呈現(xiàn)的程度也可對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng) 有不同的影響。有不同的影響。在壓力作用下，液壓管道在壓力作用下，液壓管道(尤其是軟管尤其是軟管)會(huì)產(chǎn)生徑向膨脹，機(jī)械軸會(huì)產(chǎn)會(huì)產(chǎn)生徑向膨脹，機(jī)械軸會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，液壓缸活塞桿會(huì)被壓縮或拉長(zhǎng)，桿件則會(huì)產(chǎn)生繞曲，等生扭轉(zhuǎn)變形，液壓缸活塞桿會(huì)被壓縮或拉長(zhǎng)，桿件則會(huì)產(chǎn)生繞曲，等等。由于油的柔度對(duì)

4、系統(tǒng)等。由于油的柔度對(duì)系統(tǒng) 特性產(chǎn)生顯著的影響，所以將對(duì)其作較詳特性產(chǎn)生顯著的影響，所以將對(duì)其作較詳細(xì)的討論。細(xì)的討論。 第七章第七章 方程和系數(shù)的選擇方程和系數(shù)的選擇7.2.2液壓油的柔度液壓油的柔度 油液的柔度油液的柔度 對(duì)液壓控制系統(tǒng)的動(dòng)作和動(dòng)態(tài)特性是關(guān)對(duì)液壓控制系統(tǒng)的動(dòng)作和動(dòng)態(tài)特性是關(guān)鍵性的特性參數(shù)鍵性的特性參數(shù)。如在大部分液壓控制系統(tǒng)中當(dāng)具有很大的阻抗時(shí)，油液就將產(chǎn)生極高的瞬時(shí)壓力峰值。這將使容納油液的機(jī)械元件(泵的管道、濾油器、閥、執(zhí)行器)承受過大的負(fù)載。因?yàn)?，即便是?dòng)作最快的溢流閥也需要一段響應(yīng)時(shí)間。而在另一方面，可壓縮性大(即大柔度)的流體很明顯與快速響應(yīng)是不相容的，因?yàn)檫@樣會(huì)

5、失去控制與負(fù)載之間快速響應(yīng)所需的剛性連接。如一個(gè)氣動(dòng)伺服系統(tǒng)，就不可能達(dá)到液壓伺服系統(tǒng)那樣的剛度和快速響應(yīng)。 第七章第七章 方程和系數(shù)的選擇方程和系數(shù)的選擇7.2.2液壓油的柔度液壓油的柔度 下圖是表示一個(gè)具有負(fù)載的液壓系統(tǒng)，當(dāng)給控制閥一個(gè)控制指下圖是表示一個(gè)具有負(fù)載的液壓系統(tǒng)，當(dāng)給控制閥一個(gè)控制指令時(shí)，在液壓缸中產(chǎn)生的壓力變化。令時(shí)，在液壓缸中產(chǎn)生的壓力變化。 由此可見，一個(gè)由此可見，一個(gè)液壓系統(tǒng)的工作液體液壓系統(tǒng)的工作液體的體積彈性模量實(shí)際的體積彈性模量實(shí)際值是很重要的。它不值是很重要的。它不應(yīng)過高以至產(chǎn)生過高應(yīng)過高以至產(chǎn)生過高的壓力沖擊，也不應(yīng)的壓力沖擊，也不應(yīng)過低以致不能對(duì)負(fù)載過低以致

6、不能對(duì)負(fù)載進(jìn)行剛性直接控制。進(jìn)行剛性直接控制。對(duì)于輕質(zhì)礦物對(duì)于輕質(zhì)礦物 油，油，其靜態(tài)體積彈性模量其靜態(tài)體積彈性模量值取為值取為1750MPa左左右似乎是較為適合的。右似乎是較為適合的。第七章第七章 方程和系數(shù)的選擇方程和系數(shù)的選擇7.2.2液壓油的柔度液壓油的柔度 液體的柔性可以用體積彈性模量來描述，其定義：液體的柔性可以用體積彈性模量來描述，其定義： 第七章第七章 方程和系數(shù)的選擇方程和系數(shù)的選擇7.2.2液壓油的柔度液壓油的柔度 上圖表示了一種典型的情況：在正打開的控制閥前，壓力為上圖表示了一種典型的情況：在正打開的控制閥前，壓力為P1的流量的流量Q1，流進(jìn)液壓缸時(shí)變成壓力為流進(jìn)液壓缸時(shí)

7、變成壓力為P2的的Q2。若忽略泄漏損失，則瞬時(shí)流量。若忽略泄漏損失，則瞬時(shí)流量Q2將比將比Q1減少一個(gè)流量減少一個(gè)流量Qc，Qc是進(jìn)來的流量被壓縮的部分。也就是說，是進(jìn)來的流量被壓縮的部分。也就是說，Q2O1-Qc描述了控制閥啟動(dòng)而引起的動(dòng)態(tài)液流情況。在穩(wěn)態(tài)時(shí)，描述了控制閥啟動(dòng)而引起的動(dòng)態(tài)液流情況。在穩(wěn)態(tài)時(shí)，Q1Q2，因?yàn)榉€(wěn)態(tài)，因?yàn)榉€(wěn)態(tài)壓力差很小，在流體單位體積上的上述影響就可忽略不計(jì)。壓力差很小，在流體單位體積上的上述影響就可忽略不計(jì)。 第七章第七章 方程和系數(shù)的選擇方程和系數(shù)的選擇7.2.2液壓油的柔度液壓油的柔度 上述彈性模量方程可表示成：上述彈性模量方程可表示成：第七章第七章 方程和系

8、數(shù)的選擇方程和系數(shù)的選擇7.2.2液壓油的柔度液壓油的柔度 上式表明：上式表明： 當(dāng)油液進(jìn)入液壓缸推動(dòng)活塞時(shí)，受當(dāng)油液進(jìn)入液壓缸推動(dòng)活塞時(shí)，受 壓縮油液的體積將發(fā)生變化，體積可表達(dá)成下式：壓縮油液的體積將發(fā)生變化，體積可表達(dá)成下式： 當(dāng)有油液流入或流經(jīng)某容積，并且認(rèn)為這會(huì)使壓力變化從而會(huì)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)產(chǎn)生顯著影響時(shí)，就必須當(dāng)有油液流入或流經(jīng)某容積，并且認(rèn)為這會(huì)使壓力變化從而會(huì)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)產(chǎn)生顯著影響時(shí)，就必須考慮油液的柔度。這類情況通常出現(xiàn)在液流所通過的元件具有較大液考慮油液的柔度。這類情況通常出現(xiàn)在液流所通過的元件具有較大液 容的場(chǎng)合，諸如，液壓泵向容的場(chǎng)合，諸如，液壓泵向管道輸送液流，液流進(jìn)入并

9、通過濾油器，液流通過管道，液流進(jìn)入執(zhí)行器，以及液流從執(zhí)行器出來管道輸送液流，液流進(jìn)入并通過濾油器，液流通過管道，液流進(jìn)入執(zhí)行器，以及液流從執(zhí)行器出來通過管道和可能有的濾油器等。在系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分折中，是否需要考慮其液容的影響，很大程度上需通過管道和可能有的濾油器等。在系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分折中，是否需要考慮其液容的影響，很大程度上需要經(jīng)驗(yàn)來判斷。要經(jīng)驗(yàn)來判斷。第七章第七章 方程和系數(shù)的選擇方程和系數(shù)的選擇7.2.3體積彈性模量的數(shù)值體積彈性模量的數(shù)值 典型的礦物油在靜止?fàn)顟B(tài)下的體積彈性模量大約為典型的礦物油在靜止?fàn)顟B(tài)下的體積彈性模量大約為1750Mpa 在工作的液壓系統(tǒng)中體積彈性模量可能會(huì)局部的降低在工作的

10、液壓系統(tǒng)中體積彈性模量可能會(huì)局部的降低10%7.2.4機(jī)械柔度機(jī)械柔度 液壓控制系統(tǒng)包括許多機(jī)械元件，它們都具有呈彈性形式的柔度，液壓控制系統(tǒng)包括許多機(jī)械元件，它們都具有呈彈性形式的柔度，如：驅(qū)動(dòng)裝置和泵之間的傳動(dòng)軸在扭矩作用下產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形；液壓如：驅(qū)動(dòng)裝置和泵之間的傳動(dòng)軸在扭矩作用下產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形；液壓管道管道(尤其是軟管尤其是軟管)在壓力作用下會(huì)膨脹；在壓力作用下會(huì)膨脹； 一個(gè)承載的液壓缸的活塞一個(gè)承載的液壓缸的活塞桿是處于壓縮或拉伸狀態(tài)下，它也會(huì)受到桿是處于壓縮或拉伸狀態(tài)下，它也會(huì)受到 一些縱向壓彎作用。大多一些縱向壓彎作用。大多數(shù)液壓系統(tǒng)中，其機(jī)械元件都具有足夠的剛性。但如果需要考慮的數(shù)

11、液壓系統(tǒng)中，其機(jī)械元件都具有足夠的剛性。但如果需要考慮的話，話，可以通過可以通過0結(jié)點(diǎn)的結(jié)點(diǎn)的C元實(shí)現(xiàn)元實(shí)現(xiàn)第七章第七章 方程和系數(shù)的選擇方程和系數(shù)的選擇7.2.4摩擦摩擦 摩擦存在于任何一個(gè)機(jī)械部件與另一個(gè)機(jī)械部件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)之摩擦存在于任何一個(gè)機(jī)械部件與另一個(gè)機(jī)械部件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)之中。在工作著的液壓系統(tǒng)中，有許多這類情況。例如，柱塞泵或柱中。在工作著的液壓系統(tǒng)中，有許多這類情況。例如，柱塞泵或柱塞馬達(dá)中沿柱塞孔移動(dòng)的柱塞，液壓缸中的活塞，運(yùn)動(dòng)于液壓缸密塞馬達(dá)中沿柱塞孔移動(dòng)的柱塞，液壓缸中的活塞，運(yùn)動(dòng)于液壓缸密封裝置中的活塞桿，等等。但是最主要的摩擦可能是由系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的封裝置中的活塞桿，等等。但是

12、最主要的摩擦可能是由系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的負(fù)載所產(chǎn)生的。大的負(fù)載需要由重型軸承和導(dǎo)軌來支承。負(fù)載所產(chǎn)生的。大的負(fù)載需要由重型軸承和導(dǎo)軌來支承。 上述各種情況中的摩擦可處于兩種極限之間：上述各種情況中的摩擦可處于兩種極限之間： (1)粘性摩擦，產(chǎn)生于具有良好的油膜潤(rùn)滑的場(chǎng)合。即相配合的粘性摩擦，產(chǎn)生于具有良好的油膜潤(rùn)滑的場(chǎng)合。即相配合的機(jī)械部件由潤(rùn)滑油膜隔開，所以阻止運(yùn)動(dòng)的僅是流體的機(jī)械部件由潤(rùn)滑油膜隔開，所以阻止運(yùn)動(dòng)的僅是流體的剪切力剪切力。在。在這種情況下，這種情況下， Kf是粘性摩擦系數(shù)是粘性摩擦系數(shù)第七章第七章 方程和系數(shù)的選擇方程和系數(shù)的選擇7.2.4摩擦摩擦 (2)庫倫摩擦，發(fā)生在配合部件處于直

13、接接觸，潤(rùn)滑不充分或庫倫摩擦，發(fā)生在配合部件處于直接接觸，潤(rùn)滑不充分或根本不起作用的場(chǎng)合。在這種情況下，在開始相對(duì)運(yùn)動(dòng)前，必須克根本不起作用的場(chǎng)合。在這種情況下，在開始相對(duì)運(yùn)動(dòng)前，必須克服服靜摩擦靜摩擦。靜摩擦力。靜摩擦力Fu可表示為可表示為 眾所周知，當(dāng)庫倫摩擦被克服而開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，摩擦力會(huì)急劇下降。眾所周知，當(dāng)庫倫摩擦被克服而開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，摩擦力會(huì)急劇下降。 液壓控制系統(tǒng)中的許多元件是浸在液壓流體中的，它能有良好的液壓控制系統(tǒng)中的許多元件是浸在液壓流體中的，它能有良好的潤(rùn)滑。但是，大量的油并不能絕對(duì)保證不發(fā)生直接接觸，如果元件有潤(rùn)滑。但是，大量的油并不能絕對(duì)保證不發(fā)生直接接觸，如果元件有一段靜

14、止時(shí)間，則尤具會(huì)如此。因此，即使是對(duì)潤(rùn)滑良好的部件，有一段靜止時(shí)間，則尤具會(huì)如此。因此，即使是對(duì)潤(rùn)滑良好的部件，有時(shí)也需把上述效應(yīng)考慮進(jìn)去。時(shí)也需把上述效應(yīng)考慮進(jìn)去。第七章第七章 方程和系數(shù)的選擇方程和系數(shù)的選擇7.2.4摩擦摩擦 如果考慮靜摩擦的影響是大的，則可表示成下面的形式如果考慮靜摩擦的影響是大的，則可表示成下面的形式 把液壓系統(tǒng)元件中的摩擦把液壓系統(tǒng)元件中的摩擦近似地看成是粘性摩擦近似地看成是粘性摩擦這一假設(shè)，這一假設(shè)，可以滿可以滿足液壓控制系統(tǒng)性能預(yù)測(cè)的要求足液壓控制系統(tǒng)性能預(yù)測(cè)的要求。 摩擦力和摩擦力矩總足阻止運(yùn)動(dòng)并且不可逆地耗散摩擦力和摩擦力矩總足阻止運(yùn)動(dòng)并且不可逆地耗散(浪費(fèi)

15、浪費(fèi))功率。而功率。而且，不能設(shè)想摩擦力被消除或降低到最小程度。且，不能設(shè)想摩擦力被消除或降低到最小程度。 事實(shí)上，摩擦常是對(duì)事實(shí)上，摩擦常是對(duì)突然輸入所產(chǎn)生的負(fù)載響應(yīng)提供阻尼的唯一的機(jī)械什用。如果是一個(gè)突然輸入所產(chǎn)生的負(fù)載響應(yīng)提供阻尼的唯一的機(jī)械什用。如果是一個(gè)摩擦很小的執(zhí)行裝置來驅(qū)動(dòng)一個(gè)同樣是摩擦很小的負(fù)載，那就很可能摩擦很小的執(zhí)行裝置來驅(qū)動(dòng)一個(gè)同樣是摩擦很小的負(fù)載，那就很可能產(chǎn)生過分的振動(dòng)，甚至?xí)?dǎo)致近于不穩(wěn)定狀態(tài)的極限震蕩。產(chǎn)生過分的振動(dòng)，甚至?xí)?dǎo)致近于不穩(wěn)定狀態(tài)的極限震蕩。第七章第七章 方程和系數(shù)的選擇方程和系數(shù)的選擇7.2.4摩擦摩擦 各種摩擦的表現(xiàn)各種摩擦的表現(xiàn)第七章第七章 方程

16、和系數(shù)的選擇方程和系數(shù)的選擇7.4被驅(qū)動(dòng)負(fù)載的模擬被驅(qū)動(dòng)負(fù)載的模擬7.4.1固有的負(fù)載固有的負(fù)載 就大多數(shù)液壓控制系統(tǒng)而言，需要考慮有摩擦存在的慣性負(fù)載，就大多數(shù)液壓控制系統(tǒng)而言，需要考慮有摩擦存在的慣性負(fù)載，或結(jié)構(gòu)柔性和外負(fù)載力。在進(jìn)行仿真分析時(shí)我們需要對(duì)系統(tǒng)的基本或結(jié)構(gòu)柔性和外負(fù)載力。在進(jìn)行仿真分析時(shí)我們需要對(duì)系統(tǒng)的基本負(fù)載方案有所了解。例如，要控制船舶舵機(jī)，那么控制系統(tǒng)就要克負(fù)載方案有所了解。例如，要控制船舶舵機(jī)，那么控制系統(tǒng)就要克服慣性、摩擦、結(jié)構(gòu)柔性和作用在舵上的水流服慣性、摩擦、結(jié)構(gòu)柔性和作用在舵上的水流 阻力。一個(gè)大型壓力阻力。一個(gè)大型壓力機(jī)的液壓系統(tǒng)必須克服壓頭裝置的慣性、壓力

17、機(jī)導(dǎo)軌和軸承中的摩機(jī)的液壓系統(tǒng)必須克服壓頭裝置的慣性、壓力機(jī)導(dǎo)軌和軸承中的摩擦、壓力機(jī)機(jī)架的變形以及在壓頭與工件接觸時(shí)引起的巨大負(fù)載等。擦、壓力機(jī)機(jī)架的變形以及在壓頭與工件接觸時(shí)引起的巨大負(fù)載等。 因此，在進(jìn)行仿真建模時(shí)，必須對(duì)具體的液壓執(zhí)行器上的負(fù)因此，在進(jìn)行仿真建模時(shí)，必須對(duì)具體的液壓執(zhí)行器上的負(fù)載進(jìn)行分析，并做適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。載進(jìn)行分析，并做適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。第七章第七章 方程和系數(shù)的選擇方程和系數(shù)的選擇7.4.1固有的負(fù)載固有的負(fù)載 下圖表示了八種基本負(fù)載方案，以及相應(yīng)的鍵合圖、因果關(guān)系下圖表示了八種基本負(fù)載方案，以及相應(yīng)的鍵合圖、因果關(guān)系和可能的方程。和可能的方程。第七章第七章 方程和系數(shù)的選

18、擇方程和系數(shù)的選擇7.4.1固有的負(fù)載固有的負(fù)載 第七章第七章 方程和系數(shù)的選擇方程和系數(shù)的選擇7.4.1固有的負(fù)載固有的負(fù)載 第七章第七章 方程和系數(shù)的選擇方程和系數(shù)的選擇7.4.1固有的負(fù)載固有的負(fù)載 第七章第七章 方程和系數(shù)的選擇方程和系數(shù)的選擇7.4.2外部負(fù)載力外部負(fù)載力 大多數(shù)液壓控制系統(tǒng)的負(fù)載都包括慣性力，不少系統(tǒng)也包括其大多數(shù)液壓控制系統(tǒng)的負(fù)載都包括慣性力，不少系統(tǒng)也包括其他的作用力。例如，機(jī)他的作用力。例如，機(jī) 床傳動(dòng)裝置或刀夾要承受切削力。作用在舵床傳動(dòng)裝置或刀夾要承受切削力。作用在舵上的力要承受水動(dòng)力，而該力的大小則取決于舵面上的水流速度以上的力要承受水動(dòng)力，而該力的大小則取決于舵面上的水流速度以及水流相對(duì)于舵面的沖角。一個(gè)電液伺服閥的精確模型，必須要考及水流相對(duì)于舵面的沖角。一個(gè)電液伺服閥的精確模型，必須要考慮閥芯的慣性及在閥芯上產(chǎn)生的液動(dòng)力。慮閥芯的慣性及在閥芯上產(chǎn)生的液動(dòng)力。 在控制系統(tǒng)及其負(fù)載的鍵合圖中，無論它可能包含什么其他因在控制系統(tǒng)及其負(fù)載的鍵合圖中，無論它可能包含什么其他因 素，它的結(jié)尾總應(yīng)