一种新型旋转叶片式液压阻尼器_王传礼

第32卷第10期　　　　　　　　　　　　　煤炭科学技术　　　　　　　　　　　　　　　2004年10月

一种新型旋转叶片式液压阻尼器

王传礼1,2,丁　凡2,许贤良1

(11安徽理工大学机械工程系,安徽淮南　232001;21浙江大学流体传动及控制国家重点实验室,浙江杭州　310027)

摘　要:介绍一种新型旋转叶片式液压阻尼器的结构组成和工作原理,导出了其阻尼系数的关系式,确定了影响其阻尼系数大小的相关参数。将其应用于阀控液压马达的张力控制系统,并进行了实验,实验结果表明,该液压阻尼器大大地提高了张力控制系统的稳定性,有效地改善了系统的动态特性。

关键词:液压阻尼器;张力控制;实验;阻尼系数中图分类号:TH137　　　文献标识码:B　　　文章编号:0253-2336(2004)10-0007-03

NewrotarybladeWANGChuan2li1,21

(11DepartmentofMachinery,AnhuisityfandTechnology,Huainan　232001,China;

21NationalKofControl,ZhejiangUniversity,Hangzhou　310027,China)

1　概　　述

　　液压伺服控制系统以其驱动功率大、重量轻、加速性能好、响应速度快和精度高等优点,广泛应用于冶金、矿山、钢铁、军事和航空等诸多领域。就其动态特性而言,液压控制系统主要不足是,阻尼比过小,一般小于013,为欠阻尼。为提高系统的阻尼,改善其动态特性,常采用如下措施[1,2]:①开设旁路泄漏通道;②采用正开口的伺服阀;③添加液压阻尼器。前2种方法降低了压力增益和系统刚度,加大了功率损失,因此对于大功率系统,多采用最后一种方法。液压阻尼器的作用[3]是利用充满液压油的液压缸,通过阻尼控制阀或阻尼节流孔,在液压缸两腔产生压力差,从而对负载产生阻尼力,提高系统的动态性能。本文阐述了一种新型旋转叶片式液压阻尼器的结构组成和工作原理,导出了其阻尼系数关系式,确定了影响其阻尼系数大小的相关参数,并通过实验验证了其正确性和实用性。

尼器由一旋转叶片和一固定叶片构成,分别与输出

轴和外壳相连,其中固定叶片上有一可调的节流阻尼孔,且阻尼孔直径可调。二叶片将阻尼器内腔分为二个容积腔,二腔内均装满液压油,各接触面间要求有良好的密封。阻尼器与液压系统的执行元件的输出轴相连,执行元件的振荡过程转变为旋转叶片的反复旋转

。

图1　液压阻尼器结构

1—阻尼孔调节螺钉;2—后端盖;3—外壳;4—螺钉;5—前端

盖;6—固定叶片;7—轴承;8—平键;9—输出轴;

10—旋转叶片

2　结构和原理

　　旋转叶片式液压阻尼器的结构如图1所示。阻

　　当旋转叶片以一定的角速度顺时针旋转时,左

容积腔由于体积减小而压力升高。右容积腔因体积

7

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　　当动叶片以角速度ω转动,其产生的流量为

(R2-r2)ωh(5)Q=2

　　将式(5)代入式(2),可得

ρ

ΔP=22(R2-r2)ω2h2(6)

8CdA　　将式(6)代入式(4)即可得

2232

M=22(R-r)hω16CdA

增大,形成部分真空,促使液压油由高压腔向低压

腔流动。　　由于阻尼孔的作用,在一定范围内使阻尼器产生的阻尼力矩,与输出轴的角速度成比例关系,其比例系数主要由阻尼孔的直径来决定。因此,调整阻尼器阻尼孔的直径,可得到与速度成一定比例关系的阻尼力,通过消耗能量抑制控制系统的振荡,减少振荡次数,使系统快速得到稳定。

(7)

3　阻尼系数的确定

　　计算阻尼系数,就是找出阻尼系数与相关参数间的关系[4]。如图2所示,阻尼器的结构尺寸主要有内外半径R和r,阻尼器高为h,节流孔的直径为d,旋转叶片按顺时针方向转动时,液压阻尼器左腔为控制腔,此时该腔的压力为P,另一腔压力近似为零。根据薄刃型节流孔的压差流量公式,

可

　　式(7)表明,在确定了阻尼器结构参数后,阻尼器产生的阻尼力矩与角速度平方成比例关系。当加在阻尼器输出轴的角速度越大,则产生的阻尼力矩也越大,从而能够有效地抑制输出轴的来回振荡,起到阻尼作用。(7),可以得到阻尼力(如图3所示)。该曲,,图3中

,该值由阻尼。

图2　阻尼系数的计算

得

Q=CdA

图3　阻尼力矩与角速度关系

P

(1)

　　设Ba为阻尼系数,并将阻尼孔面积公式A=d2代入,可得阻尼系数的具体表达式为4

Ba=

式中　Cd———流量系数;

A———阀口过流面积,m2;

ρ———液体密度,kg/m。　　由式(1)可得压差

2

ΔP=22Q

2CdA

3

2233224(R-r)hπCdd2

(8)

(2)

　　式(8)说明,阻尼器的阻尼系数与油液密度、

流量系数,阻尼器结构参数及阻尼节流孔等有关,且与液压阻尼器的阻尼孔直径d的四次方成反比。因此在其它参数确定后,阻尼系数的大小可通过调节阻尼节流孔直径实现。增大阻尼节流孔直径,阻尼系数减小,减小阻尼节流孔直径,阻尼系数增大,但应防止由于节流孔太小,且油液污染造成节流小孔堵塞现象。

　　由于动叶片的转动而使左腔的液压油受到压缩,产生压差作用于动叶片,形成阻尼力矩M,根据动力学方程,其表达式

M=F

2

=

2

PS(3)

　　F为作用在叶片上的液压力,作用面积S=(R-r)h,故得

22

(4)M=Ph(R-r)

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4　应用实验

　　将液压阻尼器用于张力控制系统,以验证其正

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控液压马达张力控制系统的动态性能明显改善。实

验结果表明所研制的液压阻尼器的有效性和实用性,为其进一步应用提高了理论和实验依据

。

确性和实用性。张力控制系统是电液力控制系统的一种,广泛应用于各种带材、排缆和卷染机等的张力调节系统,具有结构简单、输出力大、响应快和精度高等优点。　　它主要由放大器、电液伺服阀、执行元件及传感器等组成。液压阻尼器直接与某阀控液压马达张力控制系统的输出轴连接,目的是增大系统阻尼,提高系统的动态特性。该张力控制系统的运行是在可编程控制器(PLC)的控制下进行的,其测试原理如图4所示

。

图6　有阻尼器张力由最大恢复至平衡时的曲线

5　结图4　张力测试框图

,研制

　　张力传感器的输出端与示波器相连,直接显示实验结果。马上释放,,尼器时,如图5所示。从图5中可以看出,从最大张力过渡到平衡张力的过程中,调整时间约为1015s,张力的振荡次数接近8次左右才趋于稳定。对照二阶振荡环节阶跃响应曲线,可知在不加阻尼器时,该系统的阻尼比小于012,系统的动态响应较慢,稳定性较差

。

,并将其应用到阀控,以验证其正确性和实用性。

(2)导出了液压阻尼器阻尼系数的关系式,确定了影响其阻尼系数大小的相关参数。其阻尼系数大小可通过调节阻尼节流孔直径来实现,以满足不同控制系统的需要。

(3)实验结果表明,使用它增加了系统的阻尼比,提高了系统的稳定性,有效地改善了系统的动态特性。

参考文献:

[1]　王春行1液压控制系统[M].北京:机械工业出版社,1999.[2]　卢长耿,李金良1液压控制系统的分析与设计[M].北京:

煤炭工业出版社,1991.

[3]　王均功1液压阻尼器研究[J].液压气动与密封,1998(1).[4]　王一兵,徐明龙,邱　阳,等1汽车液压阻尼器的四段线性

化模型[J].应用力学学报,2003(6)1

　　作者简介:王传礼(1964-),男,安徽淮南人,副教授,浙江大学流体传动与控制国家重点实验室博士研究生,现主要从事流体传动与控制技术及新型功能材料的应用研究工作。

图5　无阻尼时张力由最大恢复至平衡时振荡曲线

　　图6为使用阻尼器时,张力由最大恢复至平衡位置时的曲线。增加液压阻尼器后,从最大张力过

渡到平衡张力的过程中,调整时间约为615s。其振荡能量基本被阻尼器吸收,超调得到了抑制,阀

收稿日期:2004-05-25;责任编辑:王宗禹

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