工程機(jī)械中液壓系統(tǒng)應(yīng)用

工程機(jī)械中液壓系統(tǒng)應(yīng)用第1頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月

目錄工程機(jī)械中液壓技術(shù)發(fā)展液壓技術(shù)在工程機(jī)械上的應(yīng)用工程機(jī)械中液壓系統(tǒng)的四種控制技術(shù)液壓仿真軟件的現(xiàn)狀及發(fā)展趨第2頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月工程機(jī)械中液壓技術(shù)發(fā)展

隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，作為主要施工設(shè)備的工程機(jī)械在國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。由于液壓傳動具有功率密度高，易于實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動、速度剛性大、便于冷卻散熱、動作實(shí)現(xiàn)容易等突出優(yōu)點(diǎn)，因而在工程機(jī)械中得到了廣泛的應(yīng)用。第3頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月初期發(fā)展時期20世紀(jì)40~50年代，人們摸索著將簡單的液壓元件和液壓系統(tǒng)應(yīng)用到工程機(jī)械上來解決其他方式比較難以實(shí)現(xiàn)的問題（如執(zhí)行器的直線運(yùn)動等）。液壓系統(tǒng)壓力一般在2~7MPa.高速發(fā)展時期

20世紀(jì)60年代，液壓系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是高速、高壓化（提高到了20MPa），系統(tǒng)壓力的提高使得液壓傳動功率密度大幅度增加，液壓技術(shù)的應(yīng)用逐漸由工程機(jī)械工作裝置擴(kuò)展到轉(zhuǎn)向系、行走系、傳動系和制動系第4頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月重視環(huán)境時期20世紀(jì)70年代初、中期，工程機(jī)械液壓技術(shù)研究主要圍繞降低液壓系統(tǒng)及整機(jī)的工作噪聲.由于泵的工作體積與吸、壓腔的轉(zhuǎn)換會導(dǎo)致容腔壓力急劇變化，而這個變化傳給泵體就形成噪聲。重視可靠性時期

液壓系統(tǒng)經(jīng)常受到塵埃、振動、高低溫、風(fēng)雨雪、臭氧等的侵襲，造成液壓油污染、引發(fā)故障（70%~85%）。因此在20世紀(jì)70年代后期，降低工程機(jī)械液壓系統(tǒng)污染，提高系統(tǒng)可靠性成為這一時期的主要研究課題第5頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月計(jì)算機(jī)技術(shù)與液壓技術(shù)相結(jié)合時期

20世紀(jì)90年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)得到了長足的發(fā)展，現(xiàn)代控制理論在液壓系統(tǒng)的應(yīng)用促進(jìn)了液壓技術(shù)迅速發(fā)展。這一時期研制成功了智能型液壓挖掘機(jī)，使挖掘機(jī)的作業(yè)精度及發(fā)動機(jī)的功率利用率有了顯著提高。第6頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月液壓技術(shù)在工程機(jī)械上的應(yīng)用范圍液壓技術(shù)在工程機(jī)械工作裝置中的應(yīng)用

由于液壓傳動的突出優(yōu)點(diǎn)，目前幾乎所有工程機(jī)械的工作裝置都采用了液壓傳動控制。即使以前很少采用液壓技術(shù)的塔式起重機(jī)，現(xiàn)也開始用低速大扭矩馬達(dá)驅(qū)動起重機(jī)的提升、變幅、回轉(zhuǎn)等機(jī)構(gòu)。第7頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月液壓技術(shù)在工程機(jī)械轉(zhuǎn)向系的應(yīng)用

許多工程機(jī)械（如裝載機(jī)等）采用了轉(zhuǎn)向液壓缸來實(shí)現(xiàn)整機(jī)轉(zhuǎn)向控制，全液壓工程機(jī)械（如全液壓挖掘機(jī)等）則通過對內(nèi)外側(cè)車輪的驅(qū)動馬達(dá)轉(zhuǎn)速的控制實(shí)現(xiàn)滑移轉(zhuǎn)向，甚至原地轉(zhuǎn)向，大大提高了整機(jī)的機(jī)動性和靈活性。液壓技術(shù)在工程機(jī)械行走系的應(yīng)用由于靜液傳動具有滿載工況下起動平穩(wěn)、功率損耗小、易于實(shí)現(xiàn)前進(jìn)倒退的轉(zhuǎn)換、可實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速、且單位傳遞功率大等優(yōu)點(diǎn)，而廣泛應(yīng)用在工程機(jī)械行走系（如全液壓裝載機(jī)，全液壓挖掘機(jī)的行走系等）。第8頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月液壓技術(shù)在工程機(jī)械制動系的應(yīng)用

由于液壓制動器動作響應(yīng)快、制動平穩(wěn)、可靠，因而在工程機(jī)械制動系得到了普及應(yīng)用。第9頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月工程機(jī)械液壓系統(tǒng)四種控制技術(shù)定量泵設(shè)計(jì)方法在早期的工程機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用定量泵設(shè)計(jì)的原則是：系統(tǒng)的最大工作流量(Q)與最大工作壓力(P)的乘積即系統(tǒng)的最大輸出功率(N)不能超出柴油機(jī)額定功率(Nj)。但在一般工況下功率利用系數(shù)太低，且無法施展較強(qiáng)的控制功能，因而性能不佳。目前在小噸位(5～50t)汽車起重機(jī)和隨車起重機(jī)等產(chǎn)品中仍在使用。第10頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月單泵恒功率控制技術(shù)單泵控制系統(tǒng)中，一般通過變量控制機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對變量泵排量的控制，在最早的恒功率控制技術(shù)中，通過對變量機(jī)構(gòu)兩根彈簧彈力的不同設(shè)定，能實(shí)現(xiàn)對變量泵輸出流量的控制，使其變量曲線上P、Q乘積的離散值趨近于常數(shù)C。力士樂公司開發(fā)的恒功率控制技術(shù)中，通過杠桿原理對變量控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，使其功率曲線近似為反比例曲線，功率利用系數(shù)更高。第11頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月雙泵恒功率控制技術(shù)

在雙泵或多泵系統(tǒng)中，使柴油機(jī)功率合理地分配到各泵，各執(zhí)行機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)工作，發(fā)揮其最大效能成為關(guān)鍵。目前，這方面的控制技術(shù)有不同的組合形式。(1)分功率控制技術(shù)(2)總功率控制技術(shù)(3)交叉?zhèn)鞲锌刂萍夹g(shù)(4)負(fù)反饋交叉?zhèn)鞲泄β士刂萍夹g(shù)第12頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月計(jì)算機(jī)控制功率優(yōu)化控制技術(shù)

傳統(tǒng)的恒功率控制中，控制系統(tǒng)與柴油機(jī)的匹配非常保守，液壓泵的輸出轉(zhuǎn)矩要遠(yuǎn)低于柴油機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩，且當(dāng)柴油機(jī)性能下降時易使柴油機(jī)轉(zhuǎn)速下降導(dǎo)致熄火。采用計(jì)算機(jī)功率優(yōu)化控制系統(tǒng)，它設(shè)有多種工作選擇模式和怠速模式，用戶可按負(fù)載大小和實(shí)際工作需要進(jìn)行選擇，通過檢測柴油機(jī)的工作轉(zhuǎn)速的變化可對油門和主泵排量進(jìn)行按比例無級控制，從而使柴油機(jī)始終在目標(biāo)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作。第13頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月液壓仿真軟件的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

對液壓元件或系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真的研究和應(yīng)用已有30多年的歷史，隨著流體力學(xué)、現(xiàn)代控制理論、算法理論、可靠性理論等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，液壓仿真技術(shù)也日益成熟，國內(nèi)外主要有AMESim、Hopsan、ADAMS/Hydraulics、EASY5、Matlab/simulink、SIMUL-ZD、Dshplus、FluidSIM、automationstudio、20-sim、HyPneu等11種液壓仿真軟件。第14頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月法國IMAGINE公司于1995年推出基于鍵合圖的液壓/機(jī)械系統(tǒng)建模、仿真及動力學(xué)分析軟件，即AMESim,該軟件包含IMAGINE技術(shù)，為項(xiàng)目設(shè)計(jì),系統(tǒng)分析,工程應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的工具,AMESim具有多種仿真運(yùn)行模式:動態(tài)仿真模式，穩(wěn)態(tài)仿真模式，間斷連續(xù)仿真模式以及批處理仿真模式.AMESim提供了17種優(yōu)化算法,用戶能靈活地利用智能求解器挑選最適合模型求解的積分算法.AMESim第15頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)擁有豐富的模型庫;(2)采用C或FORTRAN編程,元件代碼底層開放,用戶可自行開發(fā)或構(gòu)建符合個人需求的元件;(3)提供了多種軟件接口:如編程語言接(C/Fortran）、控制軟件接口(matlab/simulink和MatrixX)、實(shí)時仿真接口(RTLVab、xPC、dSPACE)、多維軟件接口(Adams和Simpack、VirtualLabMotion、3DVirtual)、優(yōu)化軟件接口(iSIGHT、OPTIMUS)、FEM軟件接口(Flux2D)和數(shù)據(jù)處理接口(Excel)等,其方法是:讓子系統(tǒng)在專用軟件下搭建，利用接口對子系統(tǒng)的結(jié)果進(jìn)行仿真分析.特點(diǎn)第16頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月第17頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月EASY5EASY5是美國波音公司根據(jù)航空技術(shù)發(fā)展需要開發(fā)的多專業(yè)動態(tài)系統(tǒng)仿真分析軟件包,包含了70多種主要的液壓原部件（HB、HC），涵蓋了液壓系統(tǒng)仿真的主要方面.EASY5建立了一批對應(yīng)真實(shí)物理部件的仿真模型，如泵、馬達(dá)、閥、管路、分流集流、液壓油等，用戶只要如同組裝真實(shí)的液壓系統(tǒng)一樣，把相應(yīng)的部件圖標(biāo)從庫里取出，設(shè)定參數(shù)，連接各個部件，就可以構(gòu)造用戶自己的液壓系統(tǒng)，而不必關(guān)心具體部件背后的繁瑣的數(shù)學(xué)模型。第18頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)強(qiáng)大的控制系統(tǒng)仿真分析能力,可以建立完整的線性或非線性控制系統(tǒng)模型,進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析、線性系統(tǒng)分析、頻域響應(yīng)、根軌跡分析等(2)多學(xué)科的專業(yè)應(yīng)用庫,借助專業(yè)應(yīng)用庫中的預(yù)定義模型,向用戶提供獨(dú)一無二的系統(tǒng)級模型和研究多學(xué)科系統(tǒng)耦合問題的能力(3)卓越的代碼生成和求解器,可由圖形化系統(tǒng)模型自動生成相應(yīng)的FORTRAN或C源代碼,這些代碼可以通過編譯生成可執(zhí)行文件,并可被用戶調(diào)用(4)便捷的高級建模和二次開發(fā)功能,方便用戶創(chuàng)建自己的模型文件,并可調(diào)用外部FORTRAN或C子程序(5)與其它CAE軟件良好的集成能力,可以將不同CAE軟件所建立的模型集成到EASY5軟件中建立完成的虛擬樣機(jī),并進(jìn)行仿真。特點(diǎn)第19頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月第20頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月20-sim

20-sim是由荷蘭ControllabProductsB.V.公司與荷蘭Twente大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的動態(tài)系統(tǒng)建模與仿真軟件,20-sim支持原理圖、方框圖、鍵合圖和方程式建模,支持不同形式動態(tài)系統(tǒng)的建模、分層模型表示、向量和矩陣運(yùn)算.20-sim內(nèi)嵌仿真編譯器、優(yōu)化功能、蒙特卡洛仿真、C源代碼生成、圖形動畫、三維動畫和控制器設(shè)計(jì)編輯器等。第21頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）圖形建模。通過鼠標(biāo)的拖拽將子模型組合成大的模型；（2）多層建模。允許無限制的子模型嵌套；（3）支持多種建模形式。支持圖標(biāo)圖形、方塊圖、鍵合圖和方程組等建模方式;(4)20-sim提供了6種先進(jìn)的積分算法來保證仿真的精確性和快速性;(5)20-sim支持線性、非線性、連續(xù)、離散系統(tǒng)以及各種混合系統(tǒng)；（6）內(nèi)嵌編譯器使得仿真速度更快（7）動畫功能。仿真結(jié)果能通過動畫的形式輸出；（8）20-sim能將自己生成的模型轉(zhuǎn)化成C代碼輸出便于和別的程序接口（9）20-sim能將自己生成的模型轉(zhuǎn)化成S-Functions便于和Mtalab接口

特點(diǎn)第22頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月第23頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月FluidSIMFluidSIM軟件是由德國Festo公司Didactic教學(xué)部門和Paderborn大學(xué)聯(lián)合開發(fā)，專門用于液壓與氣壓傳動的教學(xué)軟件，F(xiàn)luidSIM軟件可設(shè)計(jì)和液壓氣動回路相配套的電氣控制回路,彌補(bǔ)了以前液壓與氣動教學(xué)中，只見液壓(氣壓)回路不見電氣回路，從而不明白各種開關(guān)和閥動作過程的弊病.主要特點(diǎn)（1）CAD功能和仿真功能緊密聯(lián)系在一起(2)系統(tǒng)學(xué)習(xí)的概念(3)可設(shè)計(jì)和液壓氣動回路相配套的電氣控制回路第24頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月第25頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月HopsanHopsan軟件的建模方法是元傳輸線法，源于特征法和傳輸線建模,這種方法特別適合并行計(jì)算，從而提高計(jì)算速度和實(shí)現(xiàn)分布計(jì)算功能,該軟件還擁有圖形建模功能，元件圖采用WMF圖元文件格式.該軟件有圖形元件庫，元件庫元素可以動態(tài)添加，用戶可以編輯軟件，設(shè)定元件圖形，連接用的油口，以及用于仿真計(jì)算的變量等.Hopsan還可以對系統(tǒng)的一些行為進(jìn)行優(yōu)化，也可以用來進(jìn)行離線參數(shù)評估，通過計(jì)算比較仿真結(jié)果和測量結(jié)果的差別，并且通過優(yōu)化使之最小，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了仿真與實(shí)驗(yàn)的連接.第26頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）動態(tài)的圖形元件庫和圖形建模功能（2）優(yōu)化方法用于對系統(tǒng)行為的優(yōu)化和參數(shù)的離線評估（3）具有實(shí)時仿真和分布式計(jì)算功能

（Matlab、Adams）特點(diǎn)第27頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月DshplusDshplus重點(diǎn)是描述系統(tǒng)的功能單元(模擬重要因素)；回路類推法讓使用者很輕松和方便地設(shè)計(jì)模擬模型。該軟件適用于液壓系統(tǒng)靜態(tài)、動態(tài)計(jì)算與仿真，具有液壓元件庫，可實(shí)現(xiàn)液壓原理圖繪制、自定義參數(shù)、系統(tǒng)仿真、動畫演示等功能，在該軟件平臺上，通過搭建圖形化的液壓系統(tǒng)原理圖，可以方便地對液壓系統(tǒng)進(jìn)行各種計(jì)算和分析，如靜態(tài)參數(shù)計(jì)算、動態(tài)數(shù)據(jù)采集、性能曲線繪制、數(shù)據(jù)存儲與打印等，并可以與物理硬件連接，進(jìn)行實(shí)時控制仿真。（simulink）第28頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月第29頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月HyPneuHyPneu軟件是美國Bardyne公司的產(chǎn)品,它是一種先進(jìn)的虛擬實(shí)驗(yàn)室，可以在HyPneu提供的統(tǒng)一集成環(huán)境中，進(jìn)行靜態(tài)、動態(tài)、時域、頻域、熱分析等;HyPneu元件庫中提供了450種以上的液壓、氣動、機(jī)械、電子元件模型，涵蓋了相關(guān)分析涉及到的絕大多數(shù)元件類型;它是真正的工程軟件，只需要調(diào)整輸入輸出，就能完成所有類型的分析工作，并在完成分析工作后，直接輸出工程原理圖，無需其它軟件介入;HyPneu囊括各種常用計(jì)算單位，單位的轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)自動化，避免在單位轉(zhuǎn)換上極易出現(xiàn)的人為錯誤。第30頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月第31頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月SIMUL-ZDSIMUL-ZD是浙江大學(xué)流體傳動及控制實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的面向物理模型的液壓系統(tǒng)仿真軟件包，按照用戶寫出的物理模型描述文件，借助模型庫和數(shù)據(jù)庫支持，自動生成仿真用的數(shù)學(xué)模型描述文件。