英语原文共 17 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
第十章 液压设计实践
一个正常运行的液压控制系统是敏锐的问题分析、系统综合、仔细选择部件、细致的制造实践和清洁装配的结果。在前几章中，讨论了在液压实践中常见的问题分析、系统综合、部件特性和材料特性。设计工程师的其他功能属于良好的工程实践范畴，教科书几乎无法为之编写。对于每一位有经验的设计师和每一家公司来说，设计实践领域成为一个高度主观的问题。通常，一个组使用的部件、饰面、公差和材料都是长期经验的结果，多年来已经成功地组合在一起，使设备性能令人满意。另一个小组所采用的看似相同的设计可能会造成难以言喻的麻烦。同样常见的问题是，经过验证的组件设计应用于另一个系统或旧系统的新模型。在所有这些情况下，设计实践、加工技术或环境上看似微小的差异都可能导致严重的故障。经过多年反复调试的设计通常不适用于新情况。设计和它的创建者已经成为一个“如此习惯”的应用程序，任何微小的更改都可能打破“修复”的长链。
这里记录了一些经久不衰、甚至是老生常谈的水力设计。
10.1.设计问题
对有经验的设计师，随后的部分提出道歉;对于新手来说，它们只能指出他必须要面对的问题类型。液压控制设计应用的一个典型实例是液压位置控制。对设计人员很重要的考虑事项是按照它们在实际工作中出现的近似顺序分步骤列出的。
规格和初步尺寸估计
性能规格说明说明了负载或力的要求、最大速度、加速度、分辨率、精度和平滑度。除了这些稳态要求外，通常还规定了诸如最大超调和位置误差随速度变化等瞬态特性。如果控制装置由车辆或结构中的液压源提供液压动力，则液压系统压力可以给定。在这种情况下，执行机构的尺寸应满足最大负载要求。这些执行机构的计算要求必须包括自重、弹簧产生的力、摩擦力、惯性和回线阻力。对于预施胶，控制入口的全流线压力值0.6通常作用于双作用单端活塞的杆端(最小面积)。全流线压力通常比额定系统压力低10%。此外，位于中心位置的电源可能远离控制子系统入口，并在线路上产生额外的线路损耗。因此，控制设计者可能不能指望超过2400 psi在一个标称的3000 psi系统。活塞处的0.6值来自于伺服阀在最大输出功率或接近最大输出功率时遇到的常见流量限制。
电源的选择
如果控制设计者也负责电源供应，他的初步注意力应该放在手边的系统类型上。重量、成本、寿命和可靠性是主要考虑因素。选择最好的现代材料和组件，将在系统压力约为4000 psi和流体温度接近300华氏度的情况下实现最小重量设计。显然，这样的系统并没有优化成本。最低的成本通常来自坚固耐用的商业组件的使用。在这些系统中，接近3000psi的压力变得越来越普遍。在两种类型的设计中，泵和执行机构密封通常是系统的寿命限制部件。选择的系统压力越低，从寿命和可靠性方面来说，设计就越不重要。经验表明，在相同的温度和速度条件下，将泵的压力降低到设计压力的50%，可能使泵的预期寿命增加四倍。这种影响与图10.1所示的温度的影响相似。
出于控制的目的，恒压系统是首选的。一般来说，控制系统压力在1000psi以下是一个例外而不是规律。在特殊情况下，为了补偿控制回路的增益，为了保证系统的稳定性，需要改变压力。这就是某些流体静力传动的情况，在这种情况下，传动负载压力从功率环上断开，直接用于控制装置中。
占空比
驱动液压泵的方式完全取决于可用的功率。必须认识到，从变速源(如汽车发动机和飞机燃气轮机)运行的泵的尺寸是为了在怠速时提供最大的动力。因此，泵的重量损失相当大，以满足功率需求发生在整个工作周期的一小部分，即。例如:当发动机空转时。如果在这些发动机运行条件下能够预测和最小化峰值负荷，那么安装更小的泵就可以显著地节省冷却负荷、重量和成本。从电力经济的角度来看，在所有系统中，都希望使用蓄能器来提供控制系统的负载峰值。由于现代液压泵的重量约为0.5磅/马力，所以只有在非常短的使用寿命峰值时才能增加重量。图10.2显示了基于l-gpm流量峰值的重量平衡。重要的是要认识到泵的尺寸是离散的，因此额外流量要求的重量不是一个连续变量，而是按步骤增加的。
在这种情况下，小型蓄能器可以安装在短时间的负荷峰值，成本低于两种泵尺寸之间的压差，重量不超过。节省的结果是减少备用电源或系统热负荷产生的较小的泵。在重量不像飞机那样是个大问题的工业装置中，使用大型蓄电池可以节省相当大的成本。泵的最大负荷要求的降低体现在驱动电机尺寸的减小、冷却需求的降低和运行成本的降低。控制系统使用不应考虑具有自由气油界面的充气蓄能器，因为过量的气体被压缩到液体中的溶液中。这种气体在控制阀和执行机构中释放，如第2.2节所述，会导致控制问题和过度磨损。
排热
在系统的初步设计考虑中，重要的是对产生的热量的评估。位置控制，如第9节所述。我通常在使用流体能量方面效率很低。控制阀是一种节流装置，它把它所接收到的整个流量中未使用的压力能转化为热能。因此，在较低的力水平和最大设计速度下旋转动力执行机构需要从泵中获得与以最大速度移动最大负载相同的动力。在这两种情况下，活塞流量是相同的;第一种情况下使用的较低的压力仅仅是通过在阀门中节流来实现的。未使用的能量，即热量，必须通过冷却从系统中除去。这里就像在电源的情况下，控制的占空比是最重要的。它单独决定选择简单的阀控活塞还是泵控活塞或可变排量电机控制(第9.1节)。控制功率输出电平越大，后一种系统的优势就越大。它们的技术特性已在第9.1节中讨论。同样，选择最合适的电源应该基于4.5节的讨论。
系统工作温度
了解系统的占空比、电源类型、控制方案以及系统的热平衡，就可以得到系统的温度，从而选择可能的系统流体。如果指定了流体，则在所有启动和操作条件下，设计人员必须调整系统冷却器，使其保持在流体的温度范围内。在所有控制系统中，寒冷天气启动都是出了名的麻烦，因为高粘度流体的控制阀性能很差。泵入口气蚀也是冷启动时的主要考虑因素。在最高温度极限，流体开始变质。低粘度通常不是主要问题，除非它伴随着较差的润滑性。在这种情况下，泵的运行可能会受到损害。
动态考虑因素和权重
一旦满足了这些一般控制系统的设计考虑，详细的控制回路分析就开始了。在表示回路元件的框图的辅助下，进行了初步的稳定性和响应检查。为了满足瞬态性能规范的要求，通常必须修改产生组件类型、尺寸和成本的初步估计的粗略稳态分析。液压马达或执行机构与惯性负载之间的齿轮或杠杆比的选择不考虑动态响应。由于夹带液体的体积和通过齿轮系或连杆反映的惯量，再加上列车本身的弹性，可能会在不希望的频率上产生共振，因此，根据动力响应的要求，重新考虑重量或成本优化的初步解决方案。在第6.1节[Eq.(6.18)]中解释的考虑表明，这样一个系统的固有频率wn不依赖于执行器-负载联动比，因此也不依赖于上述的权重优化过程。这些考虑只能作为第一个近似接受，因为结构的灵活性和重量随着执行机构负载几何形状的变化而急剧变化。另一方面，对于给定的设计，可以使用表10.1的值对其他几何图形进行粗略的优化估计，或者构造一个与图10.3所示配置不同的类似表。这组值的基本假设是，给定的质量载荷m必须以x的加速度通过一个固定的最大距离x移动。连杆臂的最大弯曲应力应固定，并采用定截面连杆。很明显，对于给定的最大可用液压，活塞面积a与执行机构连杆R成反比。从情商。(6.18)由此可见,以来是恒定质量Mg反映在致动器不同(1 / R) msup2;,这样分数sup2;/ m =常数。夹带的流体体积V是A和R的乘积，如果执行机构的结构对所有尺寸都假设成比例，那么对于所有情况，夹带的流体体积V也是相同的。主要区别在于执行机构W和连杆W的重量，以及后者固有的弹性或挠度。只有假定执行机构和连杆之间的重量比，才能表示这种重量组合。图10.4显示了生成的重量作为R的函数如果linkage-actuator重量比为0.5,1,2 R = 1时。在假定流体相对大小和结构刚度的前提下，还可以估算出等效的流体体积模量B。当结构刚度为液压刚度的2倍和4倍时，这种效应也如图10.4所示。在假设条件下，W= WA时，w的最优值也是一个权值最小值。当使用重连杆时，最优的重量出现在大型执行机构上，反之亦然，在所有情况下，都会牺牲响应频率。应该注意的是，1对1连杆通常可以用简单的连杆连接代替，甚至可能比假设的结构更硬、更轻。显然，负载执行器对的唯一基本变化导致更高的频率响应是使用更低的工作压力。由于A和V与压力成反比，自然频率w随压力的平方根1/增加而增加。
控制阀
现在选择控制阀来匹配所需的系统特性。从式(6.18)中插入的实际数值可以看出，阀门特性对系统谐振频率的影响较小。
阀门本身的大小在很大程度上取决于指定的最大活塞速度。阀的流量梯度及其最大流量决定了阀门最大位移时的伺服输出速度。由于比例控制不期望其元件在接近饱和的状态下工作，所以阀门的最大流量不应在控制瞬态时达到，而应仅在负载的稳态最大回转速率时达到。为便于讨论，假设四通阀的原理与图6.1所示类似。阀门的输入位置可以通过凸轮或联动编程器的纯机械方式实现，反馈信号也可以采用同样的方式。电磁驱动在小型液压阀中非常常见。电磁执行器具有足够的力级和行程，适用于流量额定值为2至20 gpm的阀门，将变得不合理地沉重，并需要过多的电子放大来提供足够的功率。在这种情况下，使用两级液压阀，在液压动力回路之前使用一个液压放大级。这种电液控制阀的例子见第4.6节。
除了流量和流量梯度外，伺服阀的选择还必须考虑许多系统因素。电力和水力备用功率的要求可能有很大的不同。单级阀门通常需要较大的电信号。电磁转矩电机的重量和响应速度可能会令人反感，而输出4到6瓦调制电力所需的放大器可以很好地抵消一个小型单级阀所获得的重量优势。当一个液压母线提供多个控制回路时，液压系统的备用泄漏(如图4.66所示)会造成大量的功率损耗。
在控制阀的性能中，系统污染是最严重的。没有一个系统是没有污染的，但是很少有设计师愿意识别大量的污垢、芯片和绒毛，它们共同打乱了伺服性能的最佳计划。松垮和泄漏的伺服阀比那些具有紧密间隙和低交叉端口泄漏的阀门更容易消化这些外来物质。除非经过完整的系统测试证明是足够的，否则不应该考虑没有硬化地面和套管的阀门用于伺服工作。带襟翼喷嘴一级的两级阀的优点是，在低压力一级的间隙高，相对耐污染。第二阶段有足够的力量克服污垢颗粒的蛮力，甚至剪断安全电线之间的港口和土地，如果需要。如果没有最剧烈的动力执行机构的剧变，这种补救措施是不会出现的，而且很少在不对阀芯造成永久性损坏的情况下通过。尽管业绩可能受到影响，但不太可能停止。必须确定温度对阀门零流量的影响，以确保阀门在温度变化时不会超过信号源的电气输出极限。图10.5显示了伺服阀的零点漂移，这可能是由于一级喷嘴的污染堵塞或温度变化过大造成的。
伺服回路
通过完成系统的反馈环节，进一步推进了控制设计。仔细选择监测输出运动的控制点是极其重要的。这应该总是尽可能接近最终控制变量。允许控制系统的任何部分保持在伺服回路之外，允许弹性、回跳和外部负载干扰的影响得不到纠正。在图10.6中，反馈传感器被附加在A处的负载上。
在此点之前的所有合规性或外部负载扰动都会导致错误信号试图在伺服阀上采取纠正措施。如果液压伺服系统能够快速响应这些信号，输出将在系统的设计范围内。如果反馈传感器安装在B处，由于连杆具有弹性，A的运动不会产生误差信号或修正。控件不会看到由此产生的错误。前几章中概述的线性分析技术使用组件的特性，可用于优化闭环的增益、精度和稳定性。由于库仑摩擦、齿隙等原因，许多液压元件表现出相当大的非线性特性。一个典型的例子是液压马达在低速时的扭矩特性，此时马达的惯性不显著。在每个活塞口，由位移和压力计算出的平均扭矩上叠加一个锯齿状波纹。对于非常慢的速度，这种脉动扭矩可能成为控制系统的决定因素，并对稳态精度造成严重破坏。在存在摩擦或齿隙的情况下，只有对所有点进行仔细的运动分析，才能选出最有利的反馈搭接点。这样的分析通常最好在计算机上进行，如第8章所述。在这种系统模拟的帮助下，最终的设计阶段是最好的完成。在设计中至关重要的系统应该始终进行这样的最终设计分析。在设计保证和产品可靠性方面，模拟仿真的成本是合理的。
10.2可靠性
在设计的所有阶段，必须考虑到最终产品的可靠性。可靠性人员使用的术语在下面的术语表中定义。这些术语中的可靠性被设计到系统或组件中，从其概念到最终的组装。仅在实际使用中的经验就可以证明可靠性，但许多液压元件的可靠性现在可以在给定的工作周期内进行估计。构成可靠性链的所有块之间的串联或并联，在设计阶段的早期就可以对可靠性进行估计。零件的数量影响系统的整体可靠性。
专业术语
可靠性。可靠性是指在所遇到的工作条件下，设备在预期的一段时间内实现其目的而不发生故障的概率。
失败。停止设备满足最低可接受要求的能力。一个项目在被指控失败之前，必须至少展示一次令人满意的性能。
关键的失败。组件不再满足最低的系统性能要求。
讨厌失败。部件导致设备停机，但可能会成功地完成任何给定的工作周期。
注意:临界故障和有害故障都可以视为故障。
平均寿命。算失败的算术平均值（平均值）：
估计平均寿命（MTBF）。通过将故障和非故障组件的累积运行时间除以故障数（平均故障间隔时间）来估算平均寿命。
失败率。每小时失败的组件的相对数量。有三种基本故障率可用于确定可靠性功能。
降低故障率。在组件的生命早期发生，并且表明由于制造错误，质量控制差和初始测试不充分导致的高“婴儿死亡率”。
不断的失败率。独立于幸存者的年龄和随机失败的指示。当观察到恒定的故障率时，意味着无论年龄大小仍然令人满意的旧组件与新组件一样好。
提高失败率。表示磨损失败。这意味着旧组件不如新组件好，并且它们的生命周期倾向于聚集在一些中心值上，就像在正态分布中一样。
信心水平。给定结果的保证程度。置信度与某些断言相关联，并测量给定断言正确的概率。
置信区间。值的范围被认为包括批次的特征，给定的时
全文共7422字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[662]
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
