往复式液压缓降装置的动态特性仿真研究

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Dynamic Characteristics Study of the Reciprocating Descent Control DeviceWANG Xingdong ，ZHONG Sheng ，WANG Qiang ，XU Zhanmin(1.Key Laboratory of Metalurgical Equipment&Control Technology，Ministry of Education，Wuhan University of Science and Technology ，Wuhan Hubei 43008 1，China；2.School of Electronic Information and Electrical Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China)Abstract：In order to assess working performance of the reciprocating descent control device in theory，the mathematical model ofthe device was buih.Based on this model，the dynamic work process of the system was studied through Simulink and its motion charac-teristics were obtained.The research results provide relevant theory basis and guidance for the devices practical application。

Keywords：Reciprocating descent control device；Dynamic characteristics；Mathematical model；Simulation火灾等突发事件发生时，如何让受困高楼的人员安全快速地脱离险境已成为社会普遍关注的课题。现有普通登高救援车只能达到约15层的高度，更高楼层发生火灾只能靠自救，而高楼逃生缓降器-次只能供-个人使用；逃生管必须在建造时配套安装，且造价高、维护要求较高；逃生伞受环境限制，使用范围不广。此外，现有逃生装置操作复杂，不利于受困人员 (尤其老弱病残和妇女儿童)的及时逃生和重要物品的转移。

针对以上问题 ，作者提出了-种往复式液压缓降装置 ，该装置结构简单 、无需外界动力，可实现多人往复逃生；将物体自身下降过程中的重力经液压系统转换为摩擦力 ，通过控制系统 自动调节液压系统中的相关参数改变摩擦力大小，进而调整摩擦力矩，实现了不同质量的物体以安全的下降速度0.8-l m/s 安全下降〃立了缓降装置的数学模型，并利用 Simulink仿真软件，建立了往复式缓降装置的仿真模型 ，对结果进行了深入分析 ，从理论上验证了该装置的可行性 ，为装置的进-步开发完善奠定了良好的基矗1 结构与原理提出了往复式液压缓降装置，该装置利用物体的重力作为驱动力 ，将重力势能转化为机械能并输入液压泵，通过调整节流口的节流系数及前后压差，改变液压泵的负载，实现不同质量的物体以安全的下降速度0.8～1 m/s 匀速向下运输。该装置的结构示意图如图 1所示。吊箱-正-反缠绕在两个卷筒上，卷筒通过联轴器 I、-对增速齿轮、-对棘轮 (其外固接有链轮，详见图1中视图A- 和启-日)、轴V和联轴器 Ⅱ与液压泵相连；液压泵连接节流阀、手动阀和单向阀；溢流阀与节流阀连接；蓄能器通过单向阀连接液压泵，又通过换向阀连接制动器。通过速度传感器及质量传感器将信号传给单片机控制系统，然后将处理后的信号传递给节流阀和溢流阀，控制其开口度，实现不同重物下降的精确调速。当遇到突发状况，通过控制换向阀使制动器紧急制动。

收稿日期：2011-12-叭作者简介：王兴东 (197O-)，男，博士，教授，主要从 事机 械设计及 理论教 学与研究。E-mail：xingdongwang###163.con。

第 l期 王兴东 等：往复式液压缓降装置的动态特性仿真研究 ·143·搿 ： 垂螨 磷嚣· 溅 v磋 撼 13 棘轮 I 34-棘轮 Ⅱ图1 缓降装置结构简图2 系统数学模型的建立文中主要是研究该装置机械及液压部分的动态特性，因此整个装置可进行简化，其原理图见图2。

图2 系统原理图根据溢流阀是否开启，可把装置的动态工作过程分为以下两个阶段：第-阶段为液压泵开始工作到溢流阀实现开启。

这-过程中节流口的出口压力由零上升到Po，由于此过程中溢流阀并未开启，液压回路处于闭路状态，因此可认为节流口两端的压差 △p：0，即泵的出口压力 P 与节流阀的出口压力相等。由于系统 中管道以及液压泵工作腔的总容积不变，液体的数量不断增多，由液体的压缩性及初始条件 (当初始压力为零时，即 △p△p )，有：△ ： ·Vt·卸 (1)式中： 为体积压缩系数；AV为体积改变量； 为液压泵工作腔以及管道的容积。

式 (1)两边除以时间 At可得 ：dVp· ·d pL (2)进-步有液压泵的流量连续性方程和液压泵动态力矩平衡方程 ：dOmCfrIp - (3)： LTL-J Bm (4)式中： 为液压泵 的流量； 为液压泵的理论弧度排量；0 为液压泵转角；C，m为液压泵的总泄漏系数；· 144· 机床与液压 第 41卷K 为系统的有效容积弹性系数，K 1//3；Tg为液压泵的理论输入转矩；，l为液压泵和系统 (折算到液压泵轴上)的总惯量；B 为系统 (折算到液压泵轴上)和液压泵内部的总黏性阻尼系数；TL为系统作用在液压泵轴上的转矩。

考虑到：d ，-、gL (5)将式 (2)代入式 (3)有： -C，p c6，联立式 (4)和 (6)即为此阶段的数学模型，经过适当变形有：f. -C I。

这个过程中溢流阀开始溢流，节流口的出口压力保持P。不变。由于泵的转速上升，通过节流口的流量增大，使泵的出口压力上升，直到系统建立平衡，此时物体便开始匀速下降。

对于节流口，其流量公式可写成以下形式 ：QKA。/卸 (8)式中：A 为节流口的通流面积；K为节流系数，由节流口形状、流体流态、流体性质等因素决定。

考虑到：△ppL-P。 q Q (9)将式 (7)和 (8)分别代人式 (3)有：QKA。 訾-C，PL-杀 ( 0)联立式 (4)和 (10)即为此阶段的数学模型，经过适当变形有：- - G -KA。

pL。-----弋 ---～ (11)为了便于系统仿真，将下降物体的重力作用以转矩的形式折算到液压泵上： (12)式中：m为下降物体的质量；g为重力加速度；D为转简直径；i为系统的传动比。

同理，将液压泵的转速∞折算成下降物体的速度 ：： (13)V 3 Simulink仿真模型的建立由式 (10)- (13)得到如图3所示的系统仿真模型，代入系统的参数，用Simulink软件进行计算机仿真 。

图3 缓降装置的仿真模型第 1期 王兴东 等：往复式液压缓降装置的动态特性仿真研究 ·145·考虑到实物模型的具体结构以及试验条件，仿真模型中各参数值见表 1，其取值方法为：Vm由液压泵的铭牌确定；C B 根据文献 [3]确定；K 根据所选用的油液压缩性确定 ；A 根据所用节流阀的说明书确定；计算 .， 时，先计算各轴的转动惯量，再折算到液压泵的输入轴 。

表 1 仿真参数取值v./(m ·rad )/(m ·N～·m )Ko/fN·m-。)Vt/mA0/mJt/(N·m·s )B /(m·N·s·md )D/mm2.5×10-4×10-105×10-42×10-4O.01O.O3300154 仿真计算及结果分析为了便于分析节流系数 和溢流压力P。对物体下降速度的影响，采用控制变量方法进行仿真研究。

4.1 节流系数 K对物体下降速度的影响取下降物体的质量m100 kg不变，设定溢流压力P。恒为 1O Pa。改变节流系数 的取值，分别为0.5×10～、1×10 和 2×10～，得到如图 4所示的仿真结果。

县越逝图4 节流系数对下降速度的影响从图4可发现，节流系数K越大，物体的下降速度越大。这也是与实际相吻合的，因为当液压泵的输入转矩 .-定时，泵的出口压力P .也-定，若溢流压力 P。恒定，此时节流 口两边的压力差也就恒定。

由式 (7)知：通过节流 口的流量与节流系数 K成正比，因此节流系数越大，泵的流量也越大，其转速也越快，从而物体的下降速度也就越高。

4.2 溢流压力P 对物体下降速度的影响融流系数 K1×10 恒定不变，改变下 降物体的质量 m，分别为 100、150和 200 kg。相应地调节溢流压力 P。，分别为 1×10。、3×10 和 5×10 Pa，分别进行仿真计算，可以得到如图5所示的曲线。

从图5可发现，当节流系数 -定时，如果下降物体的质量 m增大，只需适当增加溢流压力P ，就可以使下降物体的速度保持不变。这是因为：当下降质量 m增大时，液压泵的输入转矩 增大，泵的输出压力P 升高，若节流系数 不变，由式 (7)知，只需适当调节溢流压力P ，使节流口两端的压力差卸 保持恒定，此时泵的输出流量也不变，即泵的转速不变，由式 (13)可知，物体下降速度与泵的转速成正比，因此下降物体的速度就可保持不变。

- 10.8暑0.60.4垫0.20时 阃/s图5 下降质量 -溢流压力 -下降速度曲线由仿真结果可得出：适当调整节流系数 K，可使物体以不同的速度匀速下降；适当调节溢流压力P ，可使不同质量物体的下降速度保持不变。

5 结束语从对该装置的数学建模以及动态仿真研究可知：适当调节节流系数，可使物体以国家规定的安全速度匀速下降；对于不同的质量，只需适当调节溢流压力，就可以使物体下降的速度保持不变。因此，往复式液压缓降装置可在无外界动力的情况下，仅依靠重力，可保证不同物体均以规定的安全速度匀速下降，解决了现存逃生装置的-些缺陷，提供了更大的逃生概率，同时也可转移贵重物品，减少损失。但控制算法和系统结构还需进 步优化，保证该装置的最终实际应用。