拓展元模型在液压系统应用的探究

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1、2009 电机及电子学工程师联合会会议记录 机电工程与自动化国际会议 8 月 9 号至 12 号，中国，长春拓展元模型在液压系统中应用的探究拓展元模型在液压系统中应用的探究田军营和韩建海 河南科技大学机电工程学院 471000，中国，洛阳 摘要：在对液压元件和液压系统进行分析后，本文提出了利用拓展学中的物元模型对液压摘要：在对液压元件和液压系统进行分析后，本文提出了利用拓展学中的物元模型对液压 元件及液压系统的设计方法。由于任何液压元件包含以下三个性能特点：输入，输出和性元件及液压系统的设计方法。由于任何液压元件包含以下三个性能特点：输入，输出和性 质，所以质，所以液压元件可以说是一个物元。任

2、何液压系统都是通过液压元件之间的相互作用使液压元件可以说是一个物元。任何液压系统都是通过液压元件之间的相互作用使 一种能量输入并输出另一种能量的系统。由于一个液压元件不仅是一种特定类型的液压元一种能量输入并输出另一种能量的系统。由于一个液压元件不仅是一种特定类型的液压元 件，同时也是液压系统的一部分，因此，这篇文章创建了一个物元和关系元的液压系统模件，同时也是液压系统的一部分，因此，这篇文章创建了一个物元和关系元的液压系统模 型，这个模型是由三个部分组成：液压元件的模型，液压元件的物元和关系元模型，液压型，这个模型是由三个部分组成：液压元件的模型，液压元件的物元和关系元模型，液压 系统的物元和

3、关系元模型。因此，液压系统是一个有组织的具有对外输入系统的物元和关系元模型。因此，液压系统是一个有组织的具有对外输入/输出需求的拓展输出需求的拓展 元素系统并且包含具有内部函数特征信息的组件。液压系统的拓展元模型通过整合性能特元素系统并且包含具有内部函数特征信息的组件。液压系统的拓展元模型通过整合性能特 点，外部接口的液压元件及液压图可以得到。液压系统拓展元模型的研究提出了一个描述点，外部接口的液压元件及液压图可以得到。液压系统拓展元模型的研究提出了一个描述 和存储的液压系统的动态模型，这对设计液压系统自动化具有重要意义。和存储的液压系统的动态模型，这对设计液压系统自动化具有重要意义。 条件指

4、数：液压图，液压系统，物元，拓展，模型条件指数：液压图，液压系统，物元，拓展，模型.简介 液压系统是用来控制液压元件位置或加快其抗负荷的速度。液压系统的能量传递是采 用加压液体的方式将能源从能量源传输到能源使用的地方1。液压系统是由液压元件和具 有控制功能的液压回路组成2。 在 1983 年，蔡教授3 提出了一个解决不兼容问题的概念并宣布可拓学理论的诞生。 可拓学的目标是研究通过采用形式化的工具解决矛盾问题的方法和原理，也就是说，定性 和定量的分析。随着物元作为基本逻辑单元，物元理论和可拓集理论成为了可拓学的支柱。 虽然可拓学是一门新兴科学，但是近年来它已广泛应用于各个领域，例如，经济，管理，

5、 控制，人工智能等。4 5 6。由于物元框架提供了一个用形式化的语言来全面地分析问 题，本文应用物元理论初步描绘了水力学的功能和特性。 任何液压组件都有其本身的性能特点。液压元件的物元模型，包括它本身的性能特点， 以及由设计和制造决定的性能特征值。一个液压系统的拓展模型是由它的性能特点和液压 元件组成的。液压系统是一个能量传输和能量转换系统7 8。通常情况下，能量通过一个 来源，如主电源供应，柴油发动机，航空发动机等，并逐步转换并传输到负载机械上。能 量流建模，特别是其拓展的能量转换图，提供了动力控制系统设计中动态建模过程的根本， 并且可以更多的应用于系统设计1。本文采用结合性能特点，有外部接

6、口的液压元件及液 压图的研究方法。 用拓展理论研究液压系统可以创造出许多新的技术和设计用于改进液压系统。为了讨 论的方便，本文首先分析了液压系统的性质和液压组件的工作性能，然后构建物元模型。 最后，通过物元间的计算得到在物元理论中设计液压系统的方法。.液压系统可拓模型的实施要点 根据液压系统的特点，本文提出了在液压系统中构建可拓结构的步骤，如下所示： 1）液压元件模型的设计与构建。虽然由于设计和制造的特殊需要各个液压元件具有 不同的特点，但是液压元件在液压系统中有相同或相近的职能。因此，可以设计出液压元 件的模型。2）液压元件的物元模型和关系元模型。在这篇文章中通过液压元件的具体特征设计 液压

7、元件的物元模型和关系元模型，方便液压系统设计。 3）液压系统的描绘和构建。液压系统的描绘和构建描述了在液压系统中信息和能源 传递，并且包含了液压系统中的所有液压元件。.液压元件的分析 液压系统是由能源装置，驱动器，控制元件，辅助设备和工作介质组成。液压元件主 要是指能源装置，执行器，控制元件，辅助设备。工作介质在液压元件之间流动传递系统 的控制和位移信息8。 任何液压元件的性能特点都被它的设计原理，制造方法和材料决定。因此具有相同或 相似功能的液压元件往往有相同或相近的性能特点8。 A. 作为能源设备的液压元件 本文以液压泵作为能源设备元件。所有液压泵应具备的主要性能特点，如吸油压力， 工作压

8、力，额定压力，适应压力范围，输出压力，压力类型，位移，最大适应位移量，最 大位移，几何位移，理论排量，输出流量，驱动功率，速度范围，驱动力矩，功率消耗， 转速，机械效率，容积效率，总功率，输入功率，输出功率等。因为有这些性能之间的内 在关系，一些性能指数可以通过计算其它性能指数得到。因此，不同类型的泵的主要性能 特点是不同的。齿轮泵的性能指标是排量，额定压力，输出流量，驱动电源，调速范围等。 叶片泵的性能指标是几何位移，压力分类，旋转方向等。这就是说，泵的主要性能特点包 含的压力，位移和范围，旋转速度和范围，扭矩和范围，容积效率，总效率等8 9 10。 从能力转换角度看泵，它是将机械能转换成液

9、压能，因此，泵有输入机械能，输出液 压能，并有渗漏偏差和工作过程中摩擦力的损失1。机械能通常与转速和扭矩有关；液压 能量通常与压力和位移有关。 外部接口也是泵的主要特点。液压油从泵的进油口进入，从它的出油口流出2 7。机 械能通过与泵相连的电动马达输入。为了讨论方便，本文把它作为“机械能输入口”这种 工作模型。泄漏油从“出油口”流出。字母 P 代表进气道，字母 A 代表出油口，字母 M 代表“机械能输入口”，字母 T 代表“出油口”（见图 1）。图 1.外部接口模型和能源设备的简化图显然，泵的性能特点，包含以下三个方面： 1）输入特性：泵输入的性能特点描述称为输入特性； 2）输出特性：泵输出的

10、性能特点描述称为输入特性； 3）本质特征：设计和制造决定的性能特点称为本质特征。容积效率，总效率和泵的 传输性能都是本质特征。本质特征是内在的，固定的和不可避免的。 B. 作为执行机构的液压元件 本文以液压马达和液压缸来作为执行元件。液压马达的性能特点是位移，压力，速度 范围，额定输出等。液压缸的性能特点是输入压力，口径大小，杆直径，最大行程，输出 压力，流量等8 9 10。其中一些性能特点是由设计和制造决定的。机械能从一个与负载 连接的液压马达的轴上输出，也可以从一个与负载连接的液压缸上输出，本文把它们作为 “机械能输出口”这一工作模型，字母 M 代表有一个进油口和出油口，液压缸的端口不仅

11、是一个入口，也是一个出口。字母 P 代表进油口，字母 A 代表出油口，所以 A/P 代表一个 进油口的同时也代表一个出油口。双作用缸有两个端口，一个用字母 A 代表，另一种是由 字母 B 代表。显然，执行元件的性能特点，可以包含三个方面：输入特性，输出特性，本 质特点（见图 2）。(C) Simplified graph of double-acting cylinder图 2.简化执行机构 C 作为控制元件的液压元件 液压系统中的控制元件为液压阀。液压阀有很多类型。液压阀的主要性能特点有位移， 压力等。一些液压阀有用于控制液压阀的工作的手柄。手柄的工作可以是电子和液压两种 控制方式 8 9

12、10。液压阀的工作模式可以被抽象为一个“电子/机械/液压控制端口”模 型，由字母 C 代表。压力接口的代表字母是 P，出口端口和 A 位置出口的代表字母是 A，B 位置出口的代表字母是 B，中间位置端口的代表字母是 T。显然，控制元件的性能特 点，包含以下三个方面：输入特性，输出特性，本质特征。“电子/机械/液压控制端口” 的性能特点属于输入特性。有些液压阀有一个“电子/机械/液压控制端口”在 A 出油口和一个“电子/机械/液压控制端口”在 B 出口，前者称为 “A 电子/机械/液压控制端口”,代 表字母是 A/C, 后者称为 “B 电子/机械/液压控制端口”,代表字母是 B/C。在图 3 液

13、压阀 可分为以下五个类别： 1）只有一个入口和一个出口的液压阀被称为型液压阀，单向阀是型液压阀； 2）有一个入口，一个出口和一个“电子/机械/液压控制端口”的液压阀被称为型液 压阀，控制阀是型液压阀； 3）有一个入口，一个出口，一个中间端口和一个“电子/机械/液压控制端口”的液压 阀被称为型液压阀，溢流阀是型液压阀； 4）有一个入口，两个出口，一个中间端口和一个“电子/机械/液压控制端口”的液压 阀被称为型液压阀，换向阀是型液压阀； 5）有一个入口，两个出口，一个中间端口和两个“电子/机械/液压控制端口”的液压 阀被称为型液压阀，比例阀是型液压阀， “电子/机械/液压控制端口” 的变化可以 使

14、对应这个端口的液压信号发生变化。图 3.外部接口模型和控制组件的简化图 D.作为辅助设备的液压元件 辅助设备大多是简易的。管道可以被理解为一个有一个进油口和一个出油口的液压元(,)iiiRN c v件，蓄能器，过滤器，水库，热交换器，压力表，压力增强器也都是辅助设备8 9 10。 辅助设备全部可以由图 4 符号代表。进口端代表的字母是 P，出口端代表的字母是 A。显 然，配套设备的性能特点，可以包含三个方面：输入特性，输出特性，本质特点（见图 4）。P A图 4.简化的辅助设备.拓扑学中物元与关系元的概念 一个物元可以被三个有序的坐标确定如R= (N,c,v),是一个物质的基本要素，其中 N

15、代表物质，c 是 N 的特点，v= c(N)是关于特点 c 约束，并且（c,v）是物质 N 的特殊元素。一个物质可能有许多特殊元素，它可以由一个 n 维物元的表示：111222333RN,C,V.nnnvRN cvRcc vRc vR ,(i=1,2, . n)被称为 R 的分支元3 4 5。从关系元的定义可以得到如下概念即无论是物元或关系元，他们的约束可以是数字或非数字3 4 5。. 液压元件的模型建立液压元件的模型简称 PHC。液压元件的性能特点，可归入以下三类：输入特性，输出特性，本质特征。不仅输入特性， 而且输出特性和本质特征也是多方面的。这些性能特点可以反应出不同液压元件的特征。 定

16、义 1：任何一个物元都有一个特定点并且有一个约束这个物元的物元单元，简称 MEU。 这个物元单元被一组数据定义。显然，物元单元可以对液压元件的某些性能特点进行描述。 表 1 列出了液压系统的一些物元单元。 定义 2：如果物元单元没有特定点和约束，那么这种单元就被称为空单元，简称 EU。显然， 空单元是一种特殊的物元单元。表 2 给出了一些液压系统中的空单元。定义 3：,i,j=1,2, . ,n,是物元单元。,iiijjjNcvNcv中如果iiijjjijijijNcvNcvNNccvv，那么操作称为合并操作。ijijNNNNijijccc cijijvvvv显然， 有以下本质特征: 1) 物元单元合并后还是其本