中型四柱式液壓機及液壓系統(tǒng)設(shè)計【含CAD圖紙】

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（2007 屆） 本科生畢業(yè)設(shè)計資料 學(xué) 院、系： 機械工程學(xué)院 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 學(xué) 生 姓 名： 彭 勇 班 級： 03-4班 學(xué)號 0340510412 指導(dǎo)教師姓名： 羅 中 平 職稱 教 授 最終評定成績： 二○○七年六月 目 錄 第一部分 過程管理資料 一、畢業(yè)設(shè)計課題任務(wù)書 1 二、本科畢業(yè)設(shè)計開題報告 3 三、本科畢業(yè)設(shè)計進展情況記錄 9 四、本科畢業(yè)設(shè)計中期報告 11 五、畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)教師評閱表 12 六、畢業(yè)設(shè)計評閱教師評閱表 13 七、畢業(yè)設(shè)計答辯及最終成績評定表 14 第二部分 設(shè)計說明書 八、設(shè)計說明書 - 3 - 2007 屆 本科生畢業(yè)設(shè)計資料 第一部分 過程管理資料 2007屆畢業(yè)設(shè)計課題任務(wù)書 院(系)：機械學(xué)院 專業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化 指導(dǎo)教師 羅中平 學(xué)生姓名 彭 勇 課題名稱 中型四柱式液壓機及液壓系統(tǒng)設(shè)計 內(nèi) 容 及 任 務(wù) 一、設(shè)計的主要技術(shù)參數(shù) 用途：適用于可塑性材料的壓制工藝，如粉末制品成型、塑料制品成型、冷熱擠壓金屬成型、薄板拉伸以及沖壓、彎曲、翻邊、校正等工藝的四柱式萬能液壓機。 性能特點：本液壓機具有調(diào)整、手動及半自動三種工作方式，可實現(xiàn)定壓和定程兩種工藝方式。定壓成型時，在壓制后有保壓延時及自動回程動作。工作臺中間裝有頂出裝置，除頂出制品外，還可作為液壓墊用于薄板拉伸制件的壓邊成型工藝，其工作壓力與行程可根據(jù)工藝需要在規(guī)定范圍內(nèi)調(diào)整；可用繼電器控制或PLC控制的電氣控制系統(tǒng)。 主要技術(shù)參數(shù)：公稱力（最大壓力）2000KN，回程力400 KN，頂出力350KN，液體最大工作壓力25 Mpa，拉伸滑塊行程700mm, 頂出活塞最大行程250mm, 滑塊距工作臺最大距離1100mm。 二、 畢業(yè)設(shè)計圖紙 1. 2000KN四柱式萬能液壓機主機總圖； 2. 液壓動力系統(tǒng)原理圖； 3. 液壓動力系統(tǒng)（液壓站）裝配圖； 4. 其它零部件圖。 三、設(shè)計說明書 1. 液壓機及液壓系統(tǒng)(與電氣控制系統(tǒng))工作原理及工藝參數(shù)的分析與確定； 2. 液壓動力系統(tǒng)配置、元器件選型與布置設(shè)計； 3. 部分液壓元器件結(jié)構(gòu)參數(shù)確定； 4. 設(shè)計說明書中英文摘要 四 、外文翻譯 翻譯約三千文字的專業(yè)英語資料 擬 達 到 的 要 求 或 技 術(shù) 指 標(biāo) 1.了解液壓機的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。 2.掌握液壓機機械設(shè)計的一般過程。 a.液壓機及液壓系統(tǒng)與其電氣控制系統(tǒng)方案設(shè)計（工藝分析、原理圖設(shè)計、總體布局）。 b.技術(shù)設(shè)計（各組成部分的運動設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇、零件強度與剛度校核、繪制設(shè)計圖樣和編寫技術(shù)文件。） c.審核鑒定。 3.了解常用的CAD設(shè)計軟件，并能熟練運用一種CAD軟件進行液壓機機械設(shè)計。 4.具備較強的自學(xué)能力、掌握獨立獲取、消化和應(yīng)用新知識的能力和方法，具有一定的分析解決實際問題的能力，具有初步的科研、開發(fā)能力。 進 度 安 排 起止日期 工作內(nèi)容 1、2006年12.8-2007年1.12 查資料、寫開題報告 2、2007年1.13-2.20 畢業(yè)實習(xí)、翻譯英語資料 3、2007年2.21-4.2 總體方案設(shè)計、液壓系統(tǒng)方案設(shè)計、元器件結(jié)構(gòu)參數(shù)確定、其他參數(shù)確定及設(shè)計 4、2007年4.3-5.8 2000KN液壓機裝配圖及液壓原理圖、系統(tǒng)配置圖、液壓站總圖與其他零部件圖繪制 5、2007年5.9-5.31 撰寫設(shè)計說明書、論文 6、2007年6.1-6.10 準(zhǔn)備答辯 主 要 參 考 資 料 1.GB9166-88.四柱液壓機精度.北京:國家標(biāo)準(zhǔn)局,1988～05～05發(fā)布 2.JB3915-85.液壓機安全技術(shù)條件.北京:中華人民共和國機械工業(yè)部,1985～02～08發(fā)布 3.許福玲、陳堯明主編。液壓與氣壓傳動（第二版），北京：機械工業(yè)出版社 2004.7 4.何存興主編。液壓與氣壓傳動，武漢：華中科技大學(xué)出版社 2000.8 5.李愛華等主編。工程制圖基礎(chǔ) 北京：高等教育出版社，2003.8 6.鐘毅芳等主編。機械設(shè)計，武漢：華中科技大學(xué)出版社 2001.2 7.朱理主編。機械原理，北京：高等教育出版社，2004.4 8.王伯平主編?；Q性與測量技術(shù)基礎(chǔ)，北京：機械工業(yè)出版社 2000.2 9.趙程、楊建民主編。機械工程材料，北京：機械工業(yè)出版社 2003.1 10.秦曾煌主編。電工學(xué)，北京：高等教育出版社，2003.2 11.李建興主編.可編程序控制器應(yīng)用技術(shù). 北京：機械工業(yè)出版社 2004.7 12.李發(fā)海、王巖編著。電機與拖動基礎(chǔ)（第二版）。北京：清華大學(xué)出版社.1994 13.陳遠齡、黎亞元、傅國強主編。機床電氣的自動控制 重慶大學(xué)出版社 14.成大先主編。機械設(shè)計手冊 單行本 機械傳動。北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004 15.成大先主編。機械設(shè)計手冊 單行本 常用設(shè)計資料。北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004 16.成大先主編。機械設(shè)計手冊 單行本 聯(lián)接與緊固。北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004 17.PLC在改造成型壓力機上的應(yīng)用。電腦開發(fā)與應(yīng)用??2002年第05期 教研室 意見 簽名： 年 月 日 院(系)主管領(lǐng)導(dǎo)意見 簽名： 年 月 日 湖 南 工 業(yè) 大 學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計開題報告 （2007屆） 學(xué) 院、系： 機械工程學(xué)院 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 學(xué) 生 姓 名： 彭 勇 班 級： 4班 學(xué)號 0340510412 指導(dǎo)教師姓名： 羅中平 職稱 教 授 2007年 1 月 10 日 - 3 - 題目：中型四柱式萬能液壓機及液壓系統(tǒng)設(shè)計 1.課題任務(wù)情況，查閱文獻資料，撰寫1500～2000字左右的文獻綜述。 （1）液壓傳動技術(shù)的研究發(fā)展動向及應(yīng)用情況 ① 液壓傳動技術(shù)的發(fā)展與研究動向 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，目前液壓技術(shù)正向著高壓、高速、大功率、高效、低噪音、經(jīng)久耐用、高度集成化的方向發(fā)展。由于計算機科學(xué)技術(shù)的成熟，一些新型液壓元件和液壓系統(tǒng)的設(shè)計都運用了計算機CAD、CAT、CDC、計算機實時控制、計算機仿真與優(yōu)化等計算機輔助技術(shù)，很大程度上提高了產(chǎn)品設(shè)計的質(zhì)量。雖然液壓傳動技術(shù)方便簡潔，但是液壓傳動中存在著一些亟待解決的問題，如：液壓系統(tǒng)工作時的穩(wěn)定性、工作介質(zhì)的泄漏、液壓沖擊對設(shè)備可靠性的影響等等，這些問題都是液壓傳動技術(shù)需要研究和解決的。任何技術(shù)的改革和創(chuàng)新，都必須以穩(wěn)定、可靠的工作為前提，這樣才具有它的實際意義。 ② 液壓傳動技術(shù)的應(yīng)用 液壓傳動技術(shù)發(fā)展到今天已經(jīng)擁有較為完善的理論和實踐基礎(chǔ)。雖然液壓傳動還存在一些缺陷，但總體上優(yōu)點還是蓋過了缺點。正因為液壓傳動具有很多機械傳動所不具備的優(yōu)點，液壓傳動技術(shù)在機械工業(yè)的各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，如：礦山機械、工程機械、冶金機械、建筑機械、起重機械等。液壓技術(shù)的應(yīng)用實現(xiàn)了從手動到半自動化、自動化的逐步發(fā)展，從而也推動了機械工業(yè)的向前發(fā)展。在整個機械傳動工程中，液壓傳動技術(shù)扮演了舉足輕重的角色。 （2）液壓傳動的特點 ① 液壓傳動的優(yōu)點 液壓傳動技術(shù)與傳統(tǒng)的機械傳動相比，液壓傳動操作方便簡單，調(diào)速范圍廣，很容易實現(xiàn)直線運動，具有自動過載保護功能。液壓傳動容易實現(xiàn)自動化操作，采用電液聯(lián)合控制后，可以實現(xiàn)更高程度的自動控制以及遠程遙控。液壓傳動系統(tǒng)可以靈活布置各個元件，由于工作介質(zhì)為礦物油，良好的潤滑條件延長了元件的使用壽命。 ② 液壓傳動的缺點 由于液壓傳動的工作介質(zhì)是流體礦物油，因而沿程、局部阻力損失和泄漏較大，泄漏的礦物油將直接對環(huán)境造成污染，有時候還容易引發(fā)各種安全事故。液壓油受溫度的影響很大，因而不能在很高或很低的溫度條件下工作。因為液壓油存在一定的壓縮性，所以液壓傳動的傳動比不恒定，不能保證很高的傳動精度。密封狀況的好壞對液壓傳動影響很大，因而液壓元件必須具有較高的制造精度。液壓傳動的故障排除不如機械傳動、電氣傳動那樣容易，因此對維護人員有較高的技術(shù)水平要求。 （3）四柱液壓機的基本情況概述 目前四柱液壓機在我國主要用于實現(xiàn)塑性材料的壓力加工工藝如：冷擠、校直、彎曲、沖裁、拉伸等。此外液壓機還用于粉末冶金、翻邊、壓裝等成型工藝。液壓機按工作介質(zhì)的不同可分為油壓機和水壓機，前者的壓力傳導(dǎo)是通過油液來實現(xiàn)，而后者則靠乳化液實現(xiàn)，因工況要求的不同來選擇不同類型的液壓機。 四柱液壓機由電氣控制系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、主機三部分組成，通過液壓油管和電氣裝置的構(gòu)成統(tǒng)一整體。其中電氣控制系統(tǒng)由電控箱、操作箱、電氣管道等構(gòu)成；液壓控制系統(tǒng)由動力機構(gòu)、液壓管道、限位裝置、液壓元件等構(gòu)成；主機則由機身、主缸、頂出缸等構(gòu)成。一般情況下液壓機完成一次工作循環(huán)包括如下主要動作：主缸活塞滑塊快速下行→主缸活塞滑塊慢速下行并逐漸加壓→主缸保壓→主缸卸壓→主缸活塞滑塊快速回程→頂出缸活塞頂出→頂出缸活塞回程。在拉伸薄板時，胚料還需要頂出缸壓緊，這樣的工況就要求頂出缸保持一定的壓緊力并隨著主缸一起下行。如果沒有達到所需的加工精度，可以通過調(diào)節(jié)鎖緊螺母和調(diào)節(jié)螺母來調(diào)整液壓機的加工精度。 （4）四柱液壓機的工作原理及過程 ① 主缸 ◆ 快速下行——按下啟動按鈕，相應(yīng)的電磁閥得電吸合，主缸活塞滑塊在自重作用下快速下行。此時僅靠液壓泵供油是不能滿足快速下行的要求的，必須靠位于主缸頂部的輔助油箱供油來補充上腔形成的局部真空。 ◆ 慢速加壓——當(dāng)主缸活塞滑塊下行到一定位置并壓下行程開關(guān)時，相應(yīng)的電磁閥得電，輔助油箱供油結(jié)束，轉(zhuǎn)為液壓油泵為主的供油形式，完成快速下行向工進的轉(zhuǎn)換。主缸活塞滑塊不斷下行最終會抵住工件，阻力急劇增大，主缸上腔的壓力提高。 ◆ 主缸保壓——當(dāng)主缸上腔的油壓達到設(shè)定壓力值后，壓力繼電器發(fā)出信號，相應(yīng)的電磁閥得電，閥芯回到中位密封上下油腔，靠單向閥完成保壓功能。 ◆ 主缸卸壓——保壓一段時間后，保壓過程結(jié)束，時間繼電器發(fā)出信號，使相應(yīng)的電磁閥得電，主缸活塞處于回程狀態(tài)。由于上腔的壓力很高，為了防止液壓沖擊，應(yīng)將上腔先卸壓再讓主缸活塞回程。采用帶卸荷小閥芯的液控單向閥將高壓油泄回油箱，使主缸上腔的高壓油的壓力降到較低值，實現(xiàn)主缸活塞的安全快速回程。 ② 頂出缸 ◆ 活塞頂出——主缸活塞滑塊回程完畢后，按下頂出按鈕，相應(yīng)的電磁閥得電，這時頂出缸下腔進油，活塞上升將工件頂出。 ◆ 活塞回程——工件頂出后，按下回程按鈕，使控制回程的電磁閥得電，上腔進油，活塞下降，回程完成。 ◆ 浮動壓邊——在進行薄板拉伸時，要求頂出缸有一定的壓力將胚料壓住并隨主缸活塞滑塊一起下行。浮動壓邊可滿足薄板拉伸時的壓緊要求。 （5）四柱液壓機系統(tǒng)的特點及應(yīng)用范圍 ① 四柱式液壓機系統(tǒng)的優(yōu)點 ★ 該液壓系統(tǒng)采用的液壓泵具有高壓、大流量、恒功率、變量等特點，滿足工藝要求并節(jié)省能耗； ★ 該液壓系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確控制并完成零件的壓力加工，加工質(zhì)量可以通過調(diào)節(jié)設(shè)備來保證； ★ 主缸活塞滑塊的快速下行靠自重作用來完成，通過輔助油箱補充油液來填充局部真空。這樣的快速運動回路結(jié)構(gòu)簡單，運用的液壓元件少； ★ 液壓機運用單向閥完成主缸的保壓功能，采用帶有卸荷小閥芯的液控單向閥構(gòu)成泄壓回路，完成主缸的卸壓； ★ 液壓機的主缸與頂出缸運動互鎖。即主缸運動時頂出缸是不能夠運動的，反過來也一樣。這樣可以提高液壓機工作中的安全性和穩(wěn)定性； ★ 液壓機的液壓和電氣控制采用按鈕集中控制，可實現(xiàn)調(diào)整、手動、半自動等操作工藝，簡單明了。 ② 四柱式液壓機系統(tǒng)存在的不足 ▲ 液壓機屬于高壓工作設(shè)備,進行零件的壓力加工時,隨著壓力的不斷升高泄漏也會不斷增大,這樣不利于保證零件的加工精度，同時對環(huán)境也造成污染； ▲ 液壓機壓力加工完成后，卸壓時存在很大的液壓沖擊，對設(shè)備損害很大； ▲ 按下液壓機啟動按鈕后，執(zhí)行部件并不能夠立刻動作，還需有一段“反映時間”，動作靈敏性不及電氣控制； ▲ 液壓機出現(xiàn)故障不容易及時找到并排除，給維護帶來很大的技術(shù)難題和不便； ▲ 液壓機工作時會形成液壓沖擊、氣蝕等現(xiàn)象，形成了噪音，不利于營造好的工作環(huán)境。 ③ 四柱液壓機的應(yīng)用 液壓機主要用于可塑性材料的壓制，如：沖壓、拉伸、彎曲、翻邊、熱擠壓、校正、壓裝成型、粉末制品壓制成型、磨料制品壓制成型以及塑料制品的壓制成型等壓力加工工藝。 參考文獻 [1] GB9166-88.四柱液壓機精度.北京:國家標(biāo)準(zhǔn)局 [2] JB3915-85.液壓機安全技術(shù)條件.北京:中華人民共和國機械工業(yè)部 [3] 許福玲、陳堯明主編.液壓與氣壓傳動（第二版）.北京：機械工業(yè)出版社 [4] 章宏甲、黃誼、王積偉主編. 液壓與氣壓傳動.機械工業(yè)出版社 2.選題依據(jù)、主要研究內(nèi)容、研究思路及方案。 （1）選題依據(jù) ① 主要技術(shù)要求參數(shù)：公稱力（最大壓力）2000KN，回程力400 KN，頂出力350KN，液體最大工作壓力25 Mpa，拉伸滑塊行程700mm, 頂出活塞最大行程250mm, 滑塊距工作臺最大距離1100mm。 ② 主要用途：用于可塑性材料的壓制工藝，如粉末制品成型、塑料制品成型、冷熱擠壓金屬成型、薄板拉伸、沖壓、彎曲、翻邊、校正等工藝。 （2）主要研究的內(nèi)容和所要實現(xiàn)的設(shè)計目標(biāo) ① 選擇合理的液壓系統(tǒng)設(shè)計方案（工藝方案設(shè)計、液壓系統(tǒng)原理圖設(shè)計、液壓站總體布局設(shè)計、總體布局設(shè)計）滿足液壓系統(tǒng)的使用性能和安全要求； ② 技術(shù)設(shè)計（各組成部分及液壓系統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計、電氣控制系統(tǒng)設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇、零件強度與剛度校核、繪制設(shè)計圖樣和編寫技術(shù)文件）； ③ 選擇合理的材料、液壓元件和制造加工工藝； ④ 整個液壓機系統(tǒng)的設(shè)計要滿足拆裝方便，便于運輸?shù)囊螅? ⑤ 通過液壓傳動控制系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)對主機進行動作循環(huán)控制，使液壓機能夠準(zhǔn)確如下動作：主缸活塞滑塊快速下行、主缸活塞滑塊慢速加壓、主缸保壓、主缸卸壓、主缸活塞滑塊回程、頂出缸活塞頂出、頂出缸活塞退回； ⑥ 設(shè)備設(shè)計達到布局合理，結(jié)構(gòu)緊湊、工作穩(wěn)定可靠、操作簡單、維護方便、污染小、噪音低、自動化程度高等要求； ⑦ 能夠完成沖壓、冷擠、校直、彎曲、粉末冶金壓制成型、薄板拉伸、壓裝成型等加工工藝要求。 （3）設(shè)計的基本思路、方案 分析、理解設(shè)計任務(wù)書的要求→查閱相關(guān)資料→初步擬訂設(shè)計方案→設(shè)計方案對比并確定最佳方案→參數(shù)的設(shè)計計算→零件設(shè)計→裝配圖草圖→零件草圖→繪制零件圖→繪制裝配圖→編寫設(shè)計說明書 結(jié)語： 四柱液壓機解決了塑性材料的產(chǎn)品成型問題。高的工作壓力是該設(shè)備工作時的特點，泄漏的液壓油將污染環(huán)境，液壓沖擊現(xiàn)象將影響設(shè)備安全穩(wěn)定的工作。這些不足之處將是液壓機今后值得進一步研究和改進的問題。 3.工作進度及具體安排。 2006年12.8～2007年1.12 完成開題報告，上交指導(dǎo)老師。 2007年1.13～2.20 查閱資料，翻譯英語資料。 2007年2.21～4.2 衡陽起重運輸機械有限公司實習(xí)； 四柱液壓機總體方案設(shè)計、液壓系統(tǒng)原理圖設(shè)計、液壓元件參數(shù)確定及選取，其他參數(shù)確定及設(shè)計。 2007年4.3～5.8 四柱液壓機裝配圖、液壓系統(tǒng)原理圖、電氣系統(tǒng)控制圖以及其他零部件圖繪制。 2007年5.9～5.31 撰寫設(shè)計說明書、論文并打印，完成初步裝訂工作。 2007年6.1～6.10 修改完善，準(zhǔn)備答辯。 4.指導(dǎo)教師意見 指導(dǎo)教師： 年 月 日 - 9 - 本科畢業(yè)設(shè)計進展情況記錄 畢業(yè)設(shè)計題目： 中型四柱式液壓機及液壓系統(tǒng)設(shè)計 班級： 03-4__學(xué)號：_0340510412_ 學(xué)生：_ 彭 勇__指導(dǎo)教師： 羅中平 時 間 任務(wù)完成情況 指導(dǎo)教師意見 第七學(xué)期 第 14 周 至 第 18 周 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 第七學(xué)期 第 19 周 至 第 20 周 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 第八學(xué)期 第 5 周 至 第 9 周 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 第八學(xué)期 第 10 周 至 第 12 周 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 第八學(xué)期 第 13 周 至 第 14 周 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 第八學(xué)期 第 15 周 至 第 周 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 - 10 - 本科畢業(yè)設(shè)計中期報告 填表日期：2007年 5 月8日 院（系） 機械工程學(xué)院 班 級 機設(shè)03-4 學(xué)生姓名 彭 勇 課題名稱： 中型四柱式液壓機及液壓系統(tǒng)設(shè)計 課題主要任務(wù)： ① 主機工作原理分析、總體方案設(shè)計、零部件設(shè)計； ② 液壓系統(tǒng)工作原理分析和總體方案設(shè)計； ③ 液壓系統(tǒng)參數(shù)計算、液壓元件型號的選擇、液壓站布局設(shè)計，重要液壓元件的具體設(shè)計； ④ 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計。 1、簡述開題以來所做的具體工作和取得的進展或成果 ① 查閱相關(guān)的資料； ② 外文資料翻譯； ③ 實習(xí)報告、實習(xí)日記； ④ 液壓機總體方案設(shè)計、液壓系統(tǒng)設(shè)計、電氣系統(tǒng)設(shè)計； ⑤ 零部件設(shè)計； ⑥ 完成一部分零部件圖的繪制； 2、下一步的主要研究任務(wù)，具體設(shè)想與安排 ① 完善液壓系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)的控制方案設(shè)計； ② 設(shè)計說明書的撰寫； ③ 零、部件設(shè)計圖紙的繪制。 3、存在的具體問題 ① 電氣控制系統(tǒng)中控制電路的設(shè)計； ② 主機總體裝配圖。 4、指導(dǎo)教師對該生前期研究工作的評價 指導(dǎo)教師簽名： 日 期： - 12 - 本科畢業(yè)設(shè)計 - 14 - 畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)教師評閱表 院（系）：機械工程學(xué)院 學(xué)生姓名 彭 勇 學(xué) 號 0340510412 班 級 03-4 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 指導(dǎo)教師 姓 名 羅中平 課題名稱 中型四柱式液壓機及液壓系統(tǒng)設(shè)計 評語： 是否同意參加答辯： 是□ 否□ 指導(dǎo)教師評定成績 分值： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日 畢業(yè)設(shè)計評閱教師評閱表 院、系： 機械工程學(xué)院 學(xué)生姓名 彭 勇 學(xué) 號 0340510412 班 級 03-4 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 課題名稱 中型四柱式液壓機及液壓系統(tǒng)設(shè)計 評語： 針對課題內(nèi)容給設(shè)計者（作者）提出3個問題，作為答辯時參考。 1. 2. 3. 評 分： 是否同意參加答辯 是□ 否□ 評閱人簽名： 年 月 日 畢業(yè)設(shè)計答辯及最終成績評定表 院、系（公章）：機械工程學(xué)院 學(xué)生姓名 彭 勇 學(xué)號 0340510412 班級 03-4 答辯 日期 課題名稱 中型四柱式液壓機及液壓系統(tǒng)設(shè)計 指導(dǎo) 教師 羅中平 成 績 評 定 分值 評 定 教師 1 教師 2 教師 3 教師 4 教師 5 小計 課題介紹 思路清晰，語言表達準(zhǔn)確，概念清楚，論點正確，實驗方法科學(xué)，分析歸納合理，結(jié)論嚴(yán)謹(jǐn)，設(shè)計（論文）有應(yīng)用價值。 30 答辯 表現(xiàn) 思維敏捷,回答問題有理論根據(jù)，基本概念清楚，主要問題回答準(zhǔn)確大、深入,知識面寬。 70 合 計 100 答 辯 評 分 分值：78 答辯小組長簽名： 答辯成績a： 78×30％＝23.40 指導(dǎo)教師評分 分值：82 指導(dǎo)教師評定成績b： 82×50％＝41.00 評閱教師評分 分值：84 評閱教師評定成績c： 84×20％＝16.80 最終評定成績： 分?jǐn)?shù)： 81 等級：良 答辯委員會主任簽名： 年 月 日 2007屆 本科生畢業(yè)設(shè)計資料 第二部分 設(shè)計說明書 Sadhana Vol. 31, Part 5, October 2006, pp. 543556. Printed in India Effect of bulk modulus on performance of a hydrostatic transmission control system ALI VOLKAN AKKAYA Yildiz Technical University, Mechanical Engineering Department, 34349, Besiktas, Istanbul, Turkey e-mail: aakkayayildiz.edu.tr MS received 9 September 2005; revised 20 February 2006 Abstract. In this paper, we examine the performance of PID (proportional integral derivative) and fuzzy controllers on the angular velocity of a hydrostatic transmission system by means of Matlab-Simulink. A very novel aspect is that it includes the analysis of the effect of bulk modulus on system control. Simulation results demonstrates that bulk modulus should be considered as a variable parameter to obtain a more realistic model. Additionally, a PID controller is insufficient in presence of variable bulk modulus, whereas a fuzzy controller provides robust angular velocity control. Keywords. Hydrostatic transmission; bulk modulus; PID (proportional integral derivative); fuzzy controller. 1. Introduction Hydrostatic transmission (HST) systems are widely recognized as an excellent means of power transmission when variable output velocity is required in engineering applications, especially in field of manufacturing, automation and heavy duty vehicles. They offer fast response, maintain precise velocity under varying loads and allow improved energy efficiency and power variability (Dasgupta 2000; Kugi et al 2000). A basic hydrostatic transmission is an entire hydraulic system. Generally, it contains a variable-displacement pump driven by an induction motor, a fixed or variable displacement motor, and all required controls in one simple package. By regulating the displacement of the pump and/or motor, a continuously variable velocity can be achieved (Wu et al 2004). Manufacturers and researchers continue to improve the performance and reduce the cost of hydrostatic systems. Especially, modelling and control studies of hydrostatic transmission systems have attracted considerable attention in recent decades. Some studies on this topic can be found in the literature (Huhtala 1996; Manring Dasgupta 2000; Kugi et al 2000; Dasgupta et al 2005). Various rotational velocity control algorithms for hydrostatic sys- tems are developed and applied by Lennevi Watton 1989). Due to temperature variations and air entrapment, the bulk modulus may vary during the operation of the hydraulic sys- tems (Eryilmaz Tan Prasetiawan 2001). In particular, the bulk modulus ought to be regarded as a source of significant nonlinearity for this type of controller. Thus, the controller has to be very robust to account for such wide variation. Use of knowledge-based systems in process control is increasing, especially in the fields of fuzzy control (Tanaka 1996). Unlike classical control methods, the fuzzy controller is designed with linguistic terms to cope with the nonlineari- ties. Therefore, this control method is also applied to judge its capacity to reduce the adverse effect of variable bulk modulus. 3.1 PID control The structure of the PID control algorithm used for the angular velocity control of HST system is given in (17) and (18) below. Ziegler-Nichols method is implemented for tuning control parameters, such as proportional gain (K p ), derivative time constant ( d ) and integral time constant ( i ) (Ogata 1990). After fine adjustments, the optimal control parameters are Effect of bulk modulus on performance of a transmission control system 549 Figure 3. Simulink model of HST system for PID control. determined for the reference angular velocity. Figure 3 shows the Simulink model of the PID-controlled HST system. uv(t) = K p e(t) + K p d de(t) dt + K p i integraldisplay e(t) dt, (17) e(t) = r . (18) 3.2 Fuzzy control Fuzzy logic has come a long way since it was first presented to technical society, when Zadeh (1965) first published his seminal work. Since then, the subject has been the focus of many independent research investigations. The attention currently being paid to fuzzy logic is most likely the result of present popular consumer products employing fuzzy logic. The advantages of this method are its applicability to nonlinear systems, simplicity, good performance and robust character. These days, this method is being applied to engineer- ing control systems such as robot control, flight control, motor control and power systems successfully. In fuzzy control, linguistic descriptions of human expertise in controlling a process are represented as fuzzy rules or relations. This knowledge base is used by an inference mecha- nism, in conjunction with some knowledge of the states of the process in order to determine control actions. Unlike the conventional controller, there are three procedures involved in the implementation of a fuzzy controller: fuzzification of inputs, and fuzzy inference based on the knowledge and the defuzzification of the rule-based control signal. The structure of the fuzzy controller is seen in figure 4. An applied fuzzy controller needs two input signals. These signals are error (e) and deriva- tive of error (de) respectively. The usual overlapped triangular fuzzy membership functions are used for two input signals (e, de/dt) and the output signal (u). Figure 5 shows the struc- ture of the membership functions of input and output signals. Input signals are transformed at intervals of 1, 1 by scaling factors which are Ge and Gde. In the fuzzification process, all input signals are expressed as linguistic values which are: NB negative big, NM negative medium, NS-negative small, ZE-zero, PS-positive small, PM-positive medium, PB-positive big. After input signals are converted to fuzzy linguistic variables, these variables are sent to the inference mechanism to create output signals. 550 Ali Volkan Akkaya Figure 4. Structure of a fuzzy controller. The inference process consists of forty nine rules driven by the linguistic values of the input signals. These fuzzy rules written as a rule base are shown given in table 1. The rule base is developed by heuristics with error in motor angular velocity and derivation of error in this velocity. For instance, one of the possible rules is: IF e = PS and de = NB THAN u = NM. This rule can be explained as in the following: If the error is small, angular velocity of hydraulic motor is around the reference velocity. Significantly big negative value of derivation of error shows that the motor velocity is rapidly approaching the reference position. Consequently, controller output should be negative middle to prevent overshoot and to create a brake effect. As a rule-inference method, the Mamdani Method is selected because of its general acceptance (Tanaka 1996). Defuzzification transforms the control linguistic variables into the exact control output. In defuzzification, the method of centre of gravity is implemented (Tanaka 1996), as u = n summationdisplay i=1 W i B i / n summationdisplay i=1 W i (19) Figure 5. Triangular fuzzy member- ship functions, (a)e input signal, (b) de input signal, (c) u output signals. Effect of bulk modulus on performance of a transmission control system 551 Table 1. Rule base for fuzzy control. dee NB NM NS ZE PS PM PB NB NB NB NB NM NM NS ZE NM NB NB NM NS NS ZE PS NS NB NM NS NS ZE PS PM ZE NM NS NS ZE PS PS PM PS NM NS ZE PS PS PM PB PM NS ZE PS PS PM PB PB PB ZE PS PM PM PB PB PB where, u is the output signal of the fuzzy controller, W i is the degree of the firing of the ith rule, B i is the centroid of the consequent fuzzy subset of ith rule. Real values of control output signal (uv) are determined by the scaling factor of Guv. As a result, the fuzzy controller built-in Fuzzy Logic Toolbox of the Matlab program has been added to the Simulink model of hydrostatic transmission system for simulation analysis (figure 6). 4. Simulation results and discussion The validity of the influence of bulk modulus dynamics on HST control system has been tested in computer simulations. In order to carry out simulation, some physical and simulation parameters corresponding to HST system are taken from work of McCloy B i centroid of the consequent fuzzy subset of ith rule; HST hydrostatic transmission; I m inertia of hydraulic motor shaft Nms 2 ; k p pump coefficient m 3 / s; k m hydraulic motor coefficient m 3 ; k mt motor torque coefficient m 3 ; k v slope coefficient of static characteristic of relief valve m 5 /Ns; M B moments resulted from friction force Nm; M I moments resulted from load inertia Nm; M m hydraulic motor torque Nm; M o moments resulted from machine operation Nm; P system pressure Pa; P v opening pressure value of valve Pa; Q c flow rate deal with compressibility m 3 /s; Q m flow rate used in hydraulic motor m 3 /s; Q p flow rate of pump m 3 /s; Q v passing flow rate through relief valve m 3 /s; uv output signal of fuzzy controller; V fluid volume subjected to pressure effect m 3 ; W i degree of firing of ith fuzzy rule; displacement angle of swashplate ; bulk modulus Pa; mm mechanical efficiency of hydraulic motor ; vp pump volumetric efficiency ; vm volumetric efficiency of motor ; angular velocity of motor 1/s; Delta1P m pressure drop in hydraulic motor Pa. 556 Ali Volkan Akkaya References Dasgupta K 2000 Analysis of a hydrostatic transmission system using low speed high torque motor. 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