机械学院毕业设计外文翻译

设计和分析动力头轴向伺服加载系统

石先进，刘红旗，孙刚，王宝超

中国机械生产力促进中心，机械科学研究总院

通讯作者：石先进，电子邮件：xianjin_shi@https://www.360docs.net/doc/5b16601468.html,

摘要

动力头是旋挖钻机的主要动力机制。高轴向压力和高频率是其典型的工作条件之一。轴向负荷试验是在动力头性能测试的一个关键点，涉及整体设计，系统的理论分析和仿真动力头轴向载荷的系统进行。功率键合图模型和状态方程头轴向伺服加载系统是建立在键合图理论的基础上。液压系统仿真模型构建和轴向稳态及动态加载模拟是由使用的液压仿真软件来执行的。最大轴向稳态负载可达450KN和动态频率为20Hz ，这两者能满足技术要求。仿真验证有关力量的计划的可行性，头轴向加载系统，它提供了理论和实践指导完善装载系统。

关键词：动力头;轴向加载系统;键合图;液压仿真

版权所有? 2013艾哈迈德达赫兰大学。保留所有权利。

1.介绍

旋挖钻机是一种理想的建筑钻孔机的基础建设设备。具有输出扭矩大，施工效率高的的特点。旋挖钻机是一种土桩孔施工机械。它可以通过旋转桶和循环操作切割土壤到外地面驱动钻杆[ 1 ] 。动力头是钻机的最重要的部分和其结构示于图1。动力头压力板与元件直接接触提供在旋挖钻机的工作过程中的轴向压力。轴向稳态负载在动力头穿过气缸构成。动力头还承担轴向冲击载荷，另外，是因为进料口建设是在恶劣的工作环境中。该旋挖钻机的动力头的工作稳定性直接决定它是否能正常工作。因此，动力头测试是必不可少的，无论在国内和国外，如德国的Bauer和勒克斯，中国的三一重工和徐工机械。其中，轴向载荷试验是主要测试来模拟动力头的实际情况。本文提出的总体动力头轴向伺服加载试验系统包括机械系统的方案和液压系统，根据动力头结构特性和工作特性来定义的。结合理论分析，稳态和动态仿真验证的轴向载荷方案的合理性。

图1 动力头结构

2 .系统方案设计

2.1 .机械系统

根据电源头本身，轴向载荷系统的工作特性还采用液压缸加载方式，通过向气缸头中的动力头上部加压的方式。它依赖于液压缸的顶部，以提供垂直压力与最大压力450KN。液压缸的参数可以从旋挖钻机原液压系统的参数得到参考。钻杆上钻杆底部的花键传动实现压力转移。力传感器和伺服油安装在钻杆的底部。伺服加载系统的机械结构示于图2。通过动态伺服轴向载荷油缸和组合的伺服控制器，从控制器信号输出波形传送给伺服阀，然后经伺服气缸，从而控制油缸，以便在相应的动作来应用动态轴向压力到达动力头压盘。连接在压力传感器伺服油缸和动力头之间串联形成闭合控制环与PC机和控制器。在图2中所示的弹性元件可以吸收瞬间冲击力由轴向载荷油缸出场，起缓冲的作用。除了在机械部分如图2所示，轴向伺服加载系统还包括一个加压的液压缸、液压泵站、动力头钻杆和动力头压力板。该液压缸系统可以根据原始匹配液压设计气缸的动力头的顶部。整个轴向加载系统的技术指标显示在表1中。

图2.轴向加载系统的机械系统

2.2．液压系统

稳态液压轴向加载系统框图如图3所示。油性液体液位继电器2控制油容量的油箱。压力变送器9显示了在任何时候，反馈对远程调节压力值17 。叠加式液控单向阀实现自锁功能，可以控制油缸活塞杆的运动。溢流阀14起着调节系统压力的作用。卸荷阀13的作用是当出现故障或需要及时实现油返回油箱，通过该卸荷阀减少系统的能量消耗。溢流阀14扮演的角色是安全防护和调整系统最高工作压力。电磁换向阀19已经扭转，起卸载和保压功能，从而控制气缸活塞杆运动方向和位移。电磁阀18可以调节圆柱体根据加载力的压力。图2中的压力传感器进行信号反馈，使闭环控制实现轴向伺服加载。再加与机械系统，液压回路实现了轴向稳态负载和动力头伺服负载。组件的主要技术参数示于表2 。在该全液压加载系统的液压故障诊断方法的基础上，构建[2]和一些液压控制的

方法[3]，和液压元件之间的关系也被认为是建立在该基础上的。

1 - 2级- 级继电器3 - 热阻4 - 空气过滤器5 - 球阀6 - 罐7 - 接线盒8 - 回油过滤器9 - 压力变送器10 - 柱塞泵11 - 电机1

2 - 冷却器1

3 - 卸荷阀1

4 - 溢流阀1

5 - 单向压力阀1

6 - 压力表1

7 - 远程压力调节阀1

8 - 比例溢流阀1

9 - 四通阀20 - 叠加式液控单向阀21 - 层叠单向节流阀

图3.轴向载荷的液压原理图

如图2所示，伺服缸安装在动力头杆下部上施加轴向动态负载到钻杆。根据测试的要求，最大动态加载力应达到450KN和加载频率应达到25Hz。力传感器可以测量加载力，建立一个闭环控制系统的反馈力信号发送到控制系统。液压伺服加载系统的原理框图如图4中所示。

1 - 液位继电器

2 - 加热器

3 - 油罐体

4 - 温度测量仪

5 - 球阀

6 - 空气净

7 - 蝶阀

8 - 电动机

9 - 柱塞泵10 - 高压变压器11 - 高压过滤器12 - 电磁溢流阀13 - 泄压阀14 - 压力变送器15 - 插入式单元16 - 比例溢流阀17 - 高压球阀18 - 止回阀19 - 球阀20 - 回油过滤器21 - 电磁阀22 - 液控单向阀23 - 伺服阀24 - 平板闸阀25 - 力传感器26 - 伺服缸

图4.伺服加载系统的液压原理

3 .理论分析

3.1 .数学建模

图5表示出了轴向压力荷载的简化液压原理图。驱动系统由电机和液压泵组成。输出的液压油被3位四通换向阀划分成两种方式。一是与装载筒的无杆腔液构造成液压回路。另一个通过缸无杆腔槽和换向阀使液压油返回到回路。泄压阀

设置起着调节压力系统的压力参数的作用。

图5。轴向加载系统的简化原理图

换向阀能够调节泵和油缸液压输出之间的流动方向和开口尺寸，从而实现液压缸杆的上下往复运动。在液压缸活塞杆的往复运动过程中，为了避免向下运动过程中钢瓶的自重所造成的影响，液体控制单向阀和单向节流阀组合控制流量和缸杆腔，从而使活塞杆的压力不会出现不稳定冲击的下落过程。这种设计提高了加载系统的稳定性。据以键合图理论[ 4-6 ] ，影响液压系统的综合因素，简化的轴向载荷系统（其示于图5）的图形模型的建立如图6所示。

图6.轴向加载系统的键合图模型

电容元件：

其中，C1是在液压泵的液体容量[ 7-8 ] 。C2是液体容量长的软管。C3是液体容量的无杆腔。

电阻元件：

其中R1是液体阻力液压泵泄漏的[9]。R2是液体泄压阀的阻力。R 3是在长管中的液体的阻力。R4是将液体换向阀的阻力。R5是液体控制的单向阀的液体的阻力。R6是节流阀的液体阻力。R 7是活塞的液体阻力的内部泄漏。

惯性要素：

其中I1是气缸活塞和液体的等效惯性质量。

源要素：

其中SE1是汽缸活塞的重力。SE2是外部负载力。

3.2 建立状态方程

对涉及有关系统的键合图，流量可变规定的基础电容元件C和电感的潜在变

量组成的变量积分元素被用作系统的状态变量。在该系统中，液体流量变数和压力的势头变量是状态变量。系统的输入变量的输入因子被用来表示在键合图的潜在源的地图。系统空间状态变量X和输入变量U和总能量变量[ 10-11 ] ，如图如下：

总能量的变量如下：

其中E3 ， E9和E15都代表液压系统在电容元件的压力变量。 F18是在液压系统中的感性元件的变量。

从键合图推导的空间状态方程和的关系可得参数如下：

其中p为代表的感性成分一， P18是的势头变量机械翻译势头缸运动系统，它的导数是对应于该系统的机械位移的力。Q为代表的变更电容元件的位置变量。 Q3 ， Q9和Q15都代表油量对应于液压系统的组件，以及它们的一阶导表示相应的流量。 SF是代表了系统的电流源变量和它说的详细液压泵的输入速度。硒是代表潜在来源变数该系统。 SE1是油缸重力和SE2是负载反应。

4 .系统仿真

4.1 .仿真模型

AMESim的[ 12-13 ] （英文缩写：高级建模环境进行模拟工程系统）是用于液压/机械系统的一种软件建模，仿真和它是由法国发起的动态分析畅想公司在1995年的基础上组建的。AMESim软件提供了一个时域仿真建模环境的用户。它可以使用现有的模型来构建新的模型组件来建立实际的原型设计，便于识别的优化，使用标准ISO图标和简单的多端口框图。它提供了具体的应用实例方便用户建立复杂的系统。它可以修改模型和仿真稳态和动态仿真曲线和仿真结果参数，构建方便的接口供用户使用。随着软件的AMESim的帮助下，仿真模型可以后来建造。

从动态压头板的垂直方向的力施加在旋转钻孔装置深入到土壤中，以及动力头的垂直压力从液压瓶对旋挖钻机的桅杆。动力头的试验台的设计通过使用液压系统仿真软件模拟动态负载在一个真实的工作过程AMESim及其键图和轴向载荷的仿真模型的构造的示在图7。稳态和轴向加载系统的动态仿真，可以实现和交换，通过调整输入信号。根据对轴向载荷仿真模型以下原则：它着重于简化的主要液压元件及分析在理想的条件。这对系统几乎没有影响的因素，如冷却器等不考虑。动力头的压板被简化为一个弹簧作为等效两个刚性体和弹簧之间的接触有其自身的刚性。

图7.轴向加载系统的仿真模型

4.2 .结果分析

图8显示了轴向液压缸，它说的稳态输出压力的最大稳态轴向负载压力是450KN和相应的时间是很短。这条曲线表示轴向载荷系统可以快速达到稳定状态。图9显示了液压缸和进口的进口和出口流量的变化曲线。

图8.轴向静压力

出口流量变化趋势有协议，因为它是一个对称的腔的杆。在初始换向阀动作的时间，流有一个突变，然后返回到稳定状态。该油缸的进出口流量和轴向压力的变化趋势是一致的。何时气缸移动到最低位置，动力头施加的最大轴向载荷，油缸在保压状态。由于气缸，进口和泄漏出口量不为零。图10和图11显示了动态轴向载荷模拟曲线。在图10中，它是对正弦信号的输入状态的状态下的动态轴向压力曲线。20Hz的频率和450KN ，满足了技术的最大压力下要求在表1中。图11显示的端口A和反转的B的流量的变化伺服阀，它可以看出，流动趋势是与图10相一致，根据伺服输入信号的变化。从图10和图11中，它也可以看出，这两个峰曲线略微增加在初始阶段和流量的动态变化以及输出轴向压力是同步的，这与实际情况一致。

图9.液压缸的稳态流

图10.轴向动压

图11.换向阀端口A和B的流量

5 .结论

动力头的轴向载荷试验系统是通过使用液压缸的结构和其他一些液压元件。基于键合图理论，轴向载荷系统从理论上分析得到的。仿真软件AMESim的应用，使得稳定的载荷和动态加载伺服的测试成为可能。结果表明，最大轴向负载可达到450KN和伺服加载频率可以达到20Hz的。此外，相应速度快，变化过程是稳定的。它验证了机械系统和液压系统原理可行性，为完善轴向加载系统提供理论指导。旋挖钻机动力头的本研究并不多，大部分只是模拟分析和对机械简单的理论计算动力头的结构强度。进一步的理论分析和机械组合和液压混合仿真比只用数学计算的更好。因为它可以更直接地解释其原理、方法和结果。有一个更真实的动力头的工作状态反射，它可以带来改进的结构动力头的设计。动力头的轴向载荷稳定和伺服加载系统设计方案是合理的，它可以在未来的测试中使用。

致谢

这项工作是由中国科技部和技术支持支持装备制造业工业设计创新服务平台建设（批准号的程序2012BAH32F05 ），中国教育部科学技术支撑计划开发和典型产品的Applicarion技术外包服务平台。

参考文献

[1]黎中银，胜杰娇，方晓吴等人。旋挖钻机及施工工艺。

北京：人民交通出版社; 2010年：3-4 。

[ 2 ]刘雪霞。研究液压系统的基于知识的智能故障诊断。TELKOMNIKA

电气工程学院印尼杂志。2012 ; 10 （8 ）：1749-1754 。

[ 3 ]马宇，顾地衣。基于粒子群算法的液压系统的模糊免疫PID控制。

电气工程TELKOMNIKA印尼杂志。2013 ; 11 （2 ）：890-895 。

[4]中双王，Nianli路。回顾键合图理论及其应用。机械

科学与技术。2008 ; 27 （ 1 ）：72-75 。

[5]托马。介绍了键合图及其应用。Pergamon出版社，牛津，1975 ：5-20 。[ 6 ] 彭启祥。液压控制系统的设计及其动力学分析。施普林格- Veclag Heideleng的Beclin出版社，纽约。1981 ：15-28 。

[ 7 ]潘留平，王克林徐，肖子元。液压阻力和液压系统。液压与

气动元件。2004 ：（ 2 ）。

[ 8 ]亚东潘。液体容量和液体电感及液体电阻的应用。液压和

气动。1993 ：（6）。

[ 9 ]赵明光，庆观方。流体阻力和流体影响的仿真研究

电容上的开/关阀的流量特性。建筑机械和设备。2007年：（3）。

[ 10 ]中双王。键合图理论在系统动力学中的应用。哈尔滨：哈尔滨工业大学

大学出版社。2007年：86-89 。

[ 11 ]亚东潘。键合图的新作- 系统动力学的方法。重庆：

重庆大学出版社。1990 ：68-69 。

[ 12 ] IMAGINE S. A.罗阿纳。AMESim软件4.2版用户手册。2004年，9 。[ 13 ]嘉盛秦，山兰你。特性和AMESim的应用。工程机械。