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基于液压伺服控制系统的离心机动平衡调节系统仿真

[来源:原创] [作者:北斗星环保科技] [日期:12-09-18] [热度:]

 

 

 

                基于液压伺服控制系统的离心机动平衡调节系统仿真
                         (
中国工程物理研究院总体工程研究所,四川绵阳621900)
    
摘要:离心机是土工试验和环境模拟试验的重要设备。动平衡调节系统是离心机自动平衡调节,保证其稳定运行的重要装置。建立了基于液压伺服控制系统的离心机动平衡调节系统模型。借助MATLAB/SIMULINK软件,对离心机可能出现的不平衡情况进行仿真分析。结果证明了液压系统在离心机动平衡调节应用上的可行性和准确性,为离心机液压平衡系统设计提供依据。
    
关键词:土工离心机;液压伺服控制;动平衡;系统仿真
    
中图分类号:TH137文献标识码:A文章编号:10013881(2011)180753
    
离心机(如图1所示)是土工试验和环境模拟试验的重要设备[13]。在离心试验时,为了使离心机稳定运行,应尽量减小不平衡力。因为大的不平衡力将增大机座和安装地基的负担。当不平衡力过大时,将会造成整个离心机系统倾覆或侧移[4]。
           
           
    
要使F小,在离心机建设时,通过配平,基本可以保证转臂空载不平衡力足够小。但在试验时,虽进行了静平衡调节,可避免过大不平衡力的产生,但试验模型的质心很难找准,而且离心试验时,有可能出现模型垮塌,造成质心位移,从而产生未知不平衡力。为此,在离心机上增加动平衡调节系统尤为重要,其可以根据检测出的不平衡力大小,进行自动平衡调节,从而保证离心机的稳定运行。
    
作者基于液压伺服控制系统,运用软件MAT-LAB/SIMULINK进行离心机平衡调节系统仿真。仿真表明:液压伺服用于离心机动平衡调节,能够使离心机比较快速地调节到平衡位置。液压控制系统具有负载刚度大、精度高、响应快等优点[5]。
    1·
液压伺服控制系统建模
    1.1
液压动力源
    
系统的液压源由电机、液压泵、溢流阀和蓄能器组成。电机带动液压泵,输出恒定流量的油液;溢流阀通过阀口的溢流,调定系统工作压力或限定其最大工作压力,防止系统过载;蓄能器起稳压作用。
    1.2
电液伺服阀
    
电液伺服阀的频响函数可表示为二阶的振荡函数:
            
    
式中:xv为滑阀位移;i为输入电流;K为伺服阀增益;ωn为伺服阀频响为阻尼比,0.40.7。电液伺服阀的流量表达式为:
            
    
式中:qL为阀的负载流量;pL为负载压降;ps为进油口处压力;W为阀的面积梯度;Cd为流量系数为油液密度。
    
由式(3)可知,通过改变电流的正负,可以使电液伺服阀输入液压缸的流量有正有负,即可向液压缸两腔的任一腔输入油液。因此,可推动质量块靠近或远离转轴移动。
    1.3
液压缸
    (1)
液压缸流量表达式为:
            
    
式中:A为液压缸活塞有效面积;xp为活塞位移;Ctc为液压缸总泄漏系数;pL为负载压力;Kt为有效体积弹性模量;Vt为液压缸两腔总容积。
    
液压缸推动负载的力F:
    F=ApL(5)
    (2)
液压缸的输出力与负载力的平衡方程为:
            
    
式中:mt为动平衡调节配重质量;Bc为黏性阻尼系数;G为弹簧刚度;FL为外加负载力,在离心机的平衡系统中,此力等于配重所受的离心力[6]。
    2·
系统仿真
    
采用软件MATLAB/SIMULINK进行建模仿真[7],仿真模型如图2所示。根据某离心机选择系统仿真参数如表1所示。

    
当不平衡力F≠0时,通过调节动平衡配重质量块,改变其到转轴的距离,使离心机平衡。设质量块的位移为y,到转轴距离r=r’1y。在模型的反馈环节,用一标定系数来等效离心机不平衡力的测量。离心机开始工作后,进入缓慢加速过程。在仿真模型中,角速度ω采用一个斜坡函数,根据某离心机,设加速度达到200g后饱和。
    
以下将根据离心机可能出现的3种不平衡情况进行仿真。
    
情况一:F=0,离心机开始转动。由于受离心力作用影响,动平衡配重质量块会向远离转轴的方向移动,液压系统开始工作,维持离心机的平衡。仿真结果如图3、4所示。可以看出:离心机开始转动后,加速度逐渐增加。由于质量块位移y向负方向增加,质量块到转轴距离r=r’1y逐渐增加,离心机的不平衡力F加大。但随着液压系统作用,最后离心机维持在平衡状态,yF趋于0。从图中看出:配平过程中的不平衡力非常小,说明实际液压系统对离心机的作用是很迅速的。
           
    
情况二:当离心机不平衡,F≠0,开始转动,设开始时质量块到转轴距离存在偏差,r=r’1+0.2。
    
仿真结果如图5所示。可以看出:离心机开始处于不平衡状态,随着液压系统的作用,最终配重质量块位置移动y=0.2 m,不平衡力F=0。达到平衡所需时间约70 s,所以系统的响应速度是比较快的,而且平衡调节的准确性比较高。
    
情况三:离心机在工作中,可能出现试件的某部件脱落、试件质量突然减小的情况,此时离心机不能及时停止。以下在情况二的基础上,加上试件质量突然减小的情况。从情况二的仿真结果知,在t=100 s时离心机已经处于平衡状态,此时改变试件质量m1,变为m=m120(kg)。仿真结果如图6所示。可以看出:由于试件质量变化,离心机从平衡状态变为不平衡,随着液压系统作用,不平衡力逐渐变为0,动平衡调节质量块保持在一个新的位置。
           
    3·
总结
    
从液压位置伺服控制系统模型的仿真结果可以得出:系统对于离心机可能出现的不平衡状况,都能及时地响应,维持离心机的动平衡。结果也证明了液压系统在离心机动平衡调节应用上的可行性和准确性,为离心机液压平衡系统设计提供依据。
参考文献:
1】林明,王新伦,冯晓军,等.60-gt土工离心机电气系统设计[J].测控技术,2004,3(1):5860
2】沈润杰.离心力场下电动振动台及动圈纠偏系统动特性的研究[J].浙江大学学报,2002(1):9296
3】孙述祖.土工离心机设计综述[R].南京:南京水利科学研究院土工研究所,1990,土9002
4】张鸣雷.土工离心机自动平衡系统设计[C//中国水利学会2007学术年会物理模拟技术在岩土工程中的应用分会场论文集,2007:1115
5】张利平.液压控制系统及设计[M].北京:化学工业出版设,2007
6】成大先.机械液压设计手册[M].5版.北京:化学工业出版社,2010
7】吴麟,王诗宓.自动控制原理[M].北京:清华大学出版设.2006

 

 

 

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