工程机械中液压系统应用

机械电子工程系工程机械中液压技术应用姓名：业：机械电子工程指导教师：机械电子工程系目录工程机械中液压技术发展液压技术在工程机械上的应用工程机械中液压系统的四种控制技术液压仿真软件的现状及发展趋机械电子工程系工程机械中液压技术发展随着国民经济的迅速发展，作为主要施工设备的工程机械在国家经济建设中发挥着越来越重要的作用。由于液压传动具有功率密度高，易于实现直线运动、速度刚性大、便于冷却散热、动作实现容易等突出优点，因而在工程机械中得到了广泛的应用。机械电子工程系初期发展时期20世纪40~50年代，人们摸索着将简单的液压元件和液压系统应用到工程机械上来解决其他方式比较难以实现的问题（如执行器的直线运动等）。液压系统压力一般在2~7MPa.高速发展时期20世纪60年代，液压系统的主要特点是高速、高压化（提高到了20MPa），系统压力的提高使得液压传动功率密度大幅度增加，液压技术的应用逐渐由工程机械工作装置扩展到转向系、行走系、传动系和制动系机械电子工程系重视环境时期20世纪70年代初、中期，工程机械液压技术研究主要围绕降低液压系统及整机的工作噪声.由于泵的工作体积与吸、压腔的转换会导致容腔压力急剧变化，而这个变化传给泵体就形成噪声。重视可靠性时期液压系统经常受到尘埃、振动、高低温、风雨雪、臭氧等的侵袭，造成液压油污染、引发故障（70%~85%）。因此在20世纪70年代后期，降低工程机械液压系统污染，提高系统可靠性成为这一时期的主要研究课题机械电子工程系计算机技术与液压技术相结合时期20世纪90年代，计算机技术得到了长足的发展，现代控制理论在液压系统的应用促进了液压技术迅速发展。这一时期研制成功了智能型液压挖掘机，使挖掘机的作业精度及发动机的功率利用率有了显著提高。机械电子工程系液压技术在工程机械上的应用范围液压技术在工程机械工作装置中的应用由于液压传动的突出优点，目前几乎所有工程机械的工作装置都采用了液压传动控制。即使以前很少采用液压技术的塔式起重机，现也开始用低速大扭矩马达驱动起重机的提升、变幅、回转等机构。机械电子工程系液压技术在工程机械转向系的应用许多工程机械（如装载机等）采用了转向液压缸来实现整机转向控制，全液压工程机械（如全液压挖掘机等）则通过对内外侧车轮的驱动马达转速的控制实现滑移转向，甚至原地转向，大大提高了整机的机动性和灵活性。液压技术在工程机械行走系的应用由于静液传动具有满载工况下起动平稳、功率损耗小、易于实现前进倒退的转换、可实现无级调速、且单位传递功率大等优点，而广泛应用在工程机械行走系（如全液压装载机，全液压挖掘机的行走系等）。机械电子工程系液压技术在工程机械制动系的应用由于液压制动器动作响应快、制动平稳、可靠，因而在工程机械制动系得到了普及应用。机械电子工程系工程机械液压系统四种控制技术定量泵设计方法在早期的工程机械系统设计中，采用定量泵设计的原则是：系统的最大工作流量(Q)与最大工作压力(P)的乘积即系统的最大输出功率(N)不能超出柴油机额定功率(Nj)。但在一般工况下功率利用系数太低，且无法施展较强的控制功能，因而性能不佳。目前在小吨位(5～50t)汽车起重机和随车起重机等产品中仍在使用。机械电子工程系单泵恒功率控制技术单泵控制系统中，一般通过变量控制机构实现对变量泵排量的控制，在最早的恒功率控制技术中，通过对变量机构两根弹簧弹力的不同设定，能实现对变量泵输出流量的控制，使其变量曲线上P、Q乘积的离散值趋近于常数C。力士乐公司开发的恒功率控制技术中，通过杠杆原理对变量控制机构进行了改进，使其功率曲线近似为反比例曲线，功率利用系数更高。机械电子工程系双泵恒功率控制技术在双泵或多泵系统中，使柴油机功率合理地分配到各泵，各执行机构协调工作，发挥其最大效能成为关键。目前，这方面的控制技术有不同的组合形式。(1)分功率控制技术(2)总功率控制技术(3)交叉传感控制技术(4)负反馈交叉传感功率控制技术机械电子工程系计算机控制功率优化控制技术传统的恒功率控制中，控制系统与柴油机的匹配非常保守，液压泵的输出转矩要远低于柴油机最大输出转矩，且当柴油机性能下降时易使柴油机转速下降导致熄火。采用计算机功率优化控制系统，它设有多种工作选择模式和怠速模式，用户可按负载大小和实际工作需要进行选择，通过检测柴油机的工作转速的变化可对油门和主泵排量进行按比例无级控制，从而使柴油机始终在目标转速范围内工作。机械电子工程系液压仿真软件的现状及发展趋势对液压元件或系统利用计算机进行仿真的研究和应用已有30多年的历史，随着流体力学、现代控制理论、算法理论、可靠性理论等相关学科的发展，液压仿真技术也日益成熟，国内外主要有AMESim、Hopsan、ADAMS/Hydraulics、EASY5、Matlab/simulink、SIMUL-ZD、Dshplus、FluidSIM、automationstudio、20-sim、HyPneu等11种液压仿真软件。机械电子工程系法国IMAGINE公司于1995年推出基于键合图的液压/机械系统建模、仿真及动力学分析软件，即AMESim,该软件包含IMAGINE技术，为项目设计,系统分析,工程应用提供了强有力的工具,AMESim具有多种仿真运行模式:动态仿真模式，稳态仿真模式，间断连续仿真模式以及批处理仿真模式.AMESim提供了17种优化算法,用户能灵活地利用智能求解器挑选最适合模型求解的积分算法.AMESim机械电子工程系(1)拥有丰富的模型库;(2)采用C或FORTRAN编程,元件代码底层开放,用户可自行开发或构建符合个人需求的元件;(3)提供了多种软件接口:如编程语言接(C/Fortran）、控制软件接口(matlab/simulink和MatrixX)、实时仿真接口(RTLVab、xPC、dSPACE)、多维软件接口(Adams和Simpack、VirtualLabMotion、3DVirtual)、优化软件接口(iSIGHT、OPTIMUS)、FEM软件接口(Flux2D)和数据处理接口(Excel)等,其方法是:让子系统在专用软件下搭建，利用接口对子系统的结果进行仿真分析.特点机械电子工程系机械电子工程系EASY5EASY5是美国波音公司根据航空技术发展需要开发的多专业动态系统仿真分析软件包,包含了70多种主要的液压原部件（HB、HC），涵盖了液压系统仿真的主要方面.EASY5建立了一批对应真实物理部件的仿真模型，如泵、马达、阀、管路、分流集流、液压油等，用户只要如同组装真实的液压系统一样，把相应的部件图标从库里取出，设定参数，连接各个部件，就可以构造用户自己的液压系统，而不必关心具体部件背后的繁琐的数学模型。机械电子工程系(1)强大的控制系统仿真分析能力,可以建立完整的线性或非线性控制系统模型,进行稳态分析、线性系统分析、频域响应、根轨迹分析等(2)多学科的专业应用库,借助专业应用库中的预定义模型,向用户提供独一无二的系统级模型和研究多学科系统耦合问题的能力(3)卓越的代码生成和求解器,可由图形化系统模型自动生成相应的FORTRAN或C源代码,这些代码可以通过编译生成可执行文件,并可被用户调用(4)便捷的高级建模和二次开发功能,方便用户创建自己的模型文件,并可调用外部FORTRAN或C子程序(5)与其它CAE软件良好的集成能力,可以将不同CAE软件所建立的模型集成到EASY5软件中建立完成的虚拟样机,并进行仿真。特点机械电子工程系机械电子工程系20-sim20-sim是由荷兰ControllabProductsB.V.公司与荷兰Twente大学联合开发的动态系统建模与仿真软件,20-sim支持原理图、方框图、键合图和方程式建模,支持不同形式动态系统的建模、分层模型表示、向量和矩阵运算.20-sim内嵌仿真编译器、优化功能、蒙特卡洛仿真、C源代码生成、图形动画、三维动画和控制器设计编辑器等。机械电子工程系（1）图形建模。通过鼠标的拖拽将子模型组合成大的模型；（2）多层建模。允许无限制的子模型嵌套；（3）支持多种建模形式。支持图标图形、方块图、键合图和方程组等建模方式;(4)20-sim提供了6种先进的积分算法来保证仿真的精确性和快速性;(5)20-sim支持线性、非线性、连续、离散系统以及各种混合系统；（6）内嵌编译器使得仿真速度更快（7）动画功能。仿真结果能通过动画的形式输出；（8）20-sim能将自己生成的模型转化成C代码输出便于和别的程序接口（9）20-sim能将自己生成的模型转化成S-Functions便于和Mtalab接口特点机械电子工程系机械电子工程系FluidSIMFluidSIM软件是由德国Festo公司Didactic教学部门和Paderborn大学联合开发，专门用于液压与气压传动的教学软件，FluidSIM软件可设计和液压气动回路相配套的电气控制回路,弥补了以前液压与气动教学中，只见液压(气压)回路不见电气回路，从而不明白各种开关和阀动作过程的弊病.主要特点（1）CAD功能和仿真功能紧密联系在一起(2)系统学习的概念(3)可设计和液压气动回路相配套的电气控制回路机械电子工程系机械电子工程系HopsanHopsan软件的建模方法是元传输线法，源于特征法和传输线建模,这种方法特别适合并行计算，从而提高计算速度和实现分布计算功能,该软件还拥有图形建模功能，元件图采用WMF图元文件格式.该软件有图形元件库，元件库元素可以动态添加，用户可以编辑软件，设定元件图形，连接用的油口，以及用于仿真计算的变量等.Hopsan还可以对系统的一些行为进行优化，也可以用来进行离线参数评估，通过计算比较仿真结果和测量结果的差别，并且通过优化使之最小，在一定程度上实现了仿真与实验的连接.机械电子工程系（1）动态的图形元件库和图形建模功能（2）优化方法用于对系统行为的优化和参数的离线评估（3）具有实时仿真和分布式计算功能（Matlab、Adams）特点机械电子工程系DshplusDshplus重点是描述系统的功能单元(模拟重要因素)；回路类推法让使用者很轻松和方便地设计模拟模型。该软件适用于液压系统静态、动态计算与仿真，具有液压元件库，可实现液压原理图绘制、自定义参数、系统仿真、动画演示等功能，在该软件平台上，通过搭建图形化的液压系统原理图，可以方便地对液压系统进行各种计算和分析，如静态参数计算、动态数据采集、性能曲线绘制、数据存储与打印等，并可以与物理硬件连接，进行实时控制仿真。（simulink）机械电子工程系机械电子工程系HyPneuHyPneu软件是美国Bardyne公司的产品,它是一种先进的虚拟实验室，可以在HyPneu提供的统一集成环境中，进行静态、动态、时域、频域、热分析等;HyPneu元件库中提供了450种以上的液压、气动、机械、电子元件模型，涵盖了相关分析涉及到的绝大多数元件类型;它是真正的工程软件，只需要调整输入输出，就能完成所有类型的分析工作，并在完成分析工作后，直接输出工程原理图，无需其它软件介入;HyPneu囊括各种常用计算单位，单位的转化实现自动化，避免在单位转换上极易出现的人为错误。机械电子工程系机械电子工程系SIMUL-ZDSIMUL-ZD是浙江大学流体传动及控制实验室开发的面向物理模型的液压系统仿真软件包，按照用户写出的物理模型描述文件，借助模型库和数据库支持，自动生成仿真用的数学模型描述文件。SIMUL-ZD有良好的模型库和数据库，实现了数学模型的高级语言化，从而易于对模型的进一步修改，但是它只能运行在DOS环境下，同时要求用户熟练掌握模型描述文件和中间各个文件的格式和含义，要求手工修改有严格格式要求的数据，从而降低了直观性、通用性和效率。机械电子工程系AutomationstudioAutomationStudio软件是一个具有设计和动态仿真功能的软件工具。该软件具有对液压系统虚拟设计、模拟、测试、分析等功能。该软件具有面向液压系统原理图的特点,通过输入研究系统的液压原理图,即可实现模型建立、