19_0530 非圧縮流体仮定にもとづく油圧シリンダの準静的モデル

2019年春季フルードパワーシステム講演会講演論文集での発表資料．
数式導出の詳細は下記をご参照ください．
https://doi.org/10.1115/1.4051894
https://arxiv.org/abs/2102.11381

Transcript

1. 1 非圧縮流体仮定にもとづく 非圧縮流体仮定にもとづく 油圧シリンダの準静的モデル 油圧シリンダの準静的モデル ∗ 菊植亮 ，村田昂平 ，岡田共史†，吉原秀雄†， ∗ ∗ 土井隆行†，南條孝夫†，山下耕治† https://home.hiroshima-u.ac.jp/kikuuwe/ https://www.youtube.com/user/kikuuwe/ †
2. 2 背景 背景  建設機械の新しい制御技 術の開発のために，実時間 シミュレーション環境が有 効．  既存の油圧シリンダモデル は動特性を考慮したもので あり計算量が大きく，入出 力関係の見通しが立てづら い．  本研究では，油圧シリンダ の高速シミュレーション手 法の確立を目指す．
3. 3 モデル化対象： モデル化対象：典型的な１ポンプ複動型 典型的な１ポンプ複動型  レバー入力が正のとき：  レバー入力が負のとき： ブリードバルブ （開度 Ub ） ポンプリリーフ （リリーフ圧力PPm ） ロッド ヘッド 制御バルブ（開度Uph ，Upr ，Uth ，Utr ） タンク（圧力0） タンク （圧力0） タンク（圧力0） ポンプ （流量 Q） ロッド側 リリーフバルブ （リリーフ圧力 PRm ） ヘッド側 リリーフバルブ （リリーフ圧力 PHm ） ポンプ 逆止弁 タンク （圧力0） ロッド側吸引 逆止弁 ヘッド側吸引 逆止弁
4. 4 モデル化の基本方針 モデル化の基本方針  ロッドの慣性を無視  オイルの圧縮性を無視  オイルの慣性も無視  極端に単純化したモデ ルをまず確立し，性質を 精査して適用法を探る．  将来的に，必要に応じ て，現実的な要因を付 け足しながら，モデルの 精度を高める．
5. 5 シリンダ部の速度と外力 シリンダ部の速度と外力  シリンダロッドの慣性を無視  チャンバーへの流量がそのままシリンダ速 度に反映される．  シリンダに加わる外力＝シリンダの発生力  チャンバーの内圧差がそのまま発生力になる．  オイルの圧縮性を無視
6. 6 各バルブにおける流量と圧力差 各バルブにおける流量と圧力差  流量制御バルブ  逆止弁  リリーフ弁 （符号付平方根） （法錐）  オイルの圧縮性と 慣性を無視
7. 7 各部における流量と 各部における流量と圧力 圧力
8. 8 18 18本の式， 本の式，19 19個の変数 個の変数 流量保存 （連続の式） ポンプリリーフ・ ブリードバルブ 逆止弁 制御バルブ シリンダ部 リリーフバルブ
9. 9 シリンダ速度 シリンダ速度 v v と外力 と外力 f f の関係：導出 の関係：導出 ただし， f と v 以外の 変数を消去
10. 10 レバー入力が正のとき レバー入力が正のとき  のとき 外力 f （圧縮が正） ロッド速度 v （伸張が正） ただし， v f
11. 11 レバー入力の変化によって曲線が変化 レバー入力の変化によって曲線が変化 ただし， v f  のとき
12. 12 得られた曲線は物理的解釈が可能 得られた曲線は物理的解釈が可能 ヘッド側 リリーフ ロッド側 リリーフ ポンプリリーフ ロッド側 吸引 逆止弁 ロッド側 吸引 逆止弁 　　ポンプ逆止弁閉鎖 ポンプ 逆止弁
13. 13 状況：全正常 状況：全正常 外力 f （圧縮が正） ロッド速度 v （伸張が正）  正常な状態． すべてのリリーフ弁が 閉じ，ロッドは正方向 に運動．
14. 14 状況：圧縮１ 状況：圧縮１  圧縮力が強くなると， ポンプリリーフが開く．  ポンプ出口の圧力が 飽和した状態． ポンプリリーフ 外力 f （圧縮が正） ロッド速度 v （伸張が正）
15. 15 状況：圧縮２ 状況：圧縮２  もっと圧縮すると， ポンプ逆止弁が閉じ， ロッドは静止する． ポンプリリーフ ポンプ 逆止弁
16. 16 状況：圧縮３ 状況：圧縮３  さらに圧縮すると， ヘッド側リリーフが開き， ロッドは圧縮方向に 動き出す．ロッド側から 吸引が始まる． ポンプリリーフ ポンプ 逆止弁 吸引逆止弁 ヘッド側 リリーフ弁
17. 17 状況：全正常（再掲） 状況：全正常（再掲）  正常な状態． すべてのリリーフ弁が 閉じ，ロッドは正方向 に運動．
18. 18 状況： 状況：引張１ 引張１  引張力が強くなると ヘッド側チャンバーが ゼロ圧力になり，吸引 が始まる． 吸引 逆止弁
19. 19 状況：引張２ 状況：引張２  さらに引っ張ると， ロッド側リリーフが開く． 吸引 逆止弁 ロッド側 リリーフ弁
20. 20 レバー入力が負のときも同様 レバー入力が負のときも同様  のとき 外力 f （圧縮が正） ロッド速度 v （伸張が正） ただし， v f
21. 21 レバー入力の変化によって曲線が変化 レバー入力の変化によって曲線が変化 v f
22. 22 シミュレータ構築のための方策 シミュレータ構築のための方策  リンク間およびリンク・シリンダ間は仮想的なバネ・ダ ンパ要素＋クーロン摩擦で接続．  仮想バネによって，擬似的な過渡応答（振動）が発 生．⇒ 作動油の圧縮性や動特性に由来する振動 を模擬するようにチューニング．
23. 23 まとめ まとめ  作動油の圧縮性と動特性を無視した新しい油圧シ リンダの力学モデルを提案した．  回路内の圧力と流量の関係をあらわす多数の等式 と不等式から，外力と速度の関係式を定性的に理 解できる形で導出できた．  現在このモデルを用いて，油圧ショベルの実時間シ ミュレータを構築中． 外力 f （圧縮が正） ロッド速度 v （伸張が正）