基于AMESim氣液聯(lián)合式液壓沖擊器的建模與仿真解讀

1、第25卷第4期2011年12月上海工程技術大學學報J O U R N A L O F S HA N G HA I U N I V E R S I T Y O F E N GS C I E N C E V 0 I . 25N o . 4D ec . 2011文章編號：1009-444X (2011 04-0292-04收稿日期：2011-10-13基金項目：國家自然科學基金資助項目（50975169作者簡介：陳博（1985-,男，在讀碩士，研究方向為車輛液壓傳動與控制.E-m a i I :c h e n b o 2007163. c o m基于A M E S i m氣液聯(lián)合式液壓沖擊器的建模與

2、仿真博,楊國平，高軍浩（上海工程技術大學汽車工程學院,上海201620摘要：在分析液壓沖擊器工作原理的基礎上，利用多學科領域復雜系統(tǒng)仿真平 臺AM ES i m搭建了氣液聯(lián)合式液壓沖擊器的仿真模型通過設定不同仿真參數(shù)，得到不同工況下活塞的位移、速度、加速度及前后腔壓力變化曲線.仿真結果可為液壓沖擊器元件的選型和參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù).關鍵詞：液壓沖擊器；工作原理；AM E S i m仿真中圖分類號:T H137. 5文獻標志碼：A M 0 d e l i n gS i m u l a t i o n o f G a s -L i q u i dU n i t e d H y d r a u l i

3、cB a s e d o n A M E S i m C H E NB o , Y A N G G u o -p iJ u n -h a o (C o l l e g e o f A u t o m o t i v e E n g i n e e r i na i U n i v e r s i t y o f E n g i n e e r i n gS c i e n c e , S h a n g h a i201620, C h i n a A b s t r a c t :B a s e d o ne a n a l y s i s o f t h eo p e r a t i n

4、g p r i n c i p I e f o r t h ey d r a u l i c i m p a c t o r , o ne s i m u l a t i o n m o d e l o f g a s -l i qd u n i t e d h y d r a u l i ci m p a c t o r w a s b u i l t w i t h AM ES i m s o f t w a r e . B y s e t t i n g d i f f e r e n t s i m u l a t i o n p a r a m et e r s , c u r v

5、e s o f d i s p I a c e m e n t , v e l o c i t y , a c c e l e r a t i o n a nc a v i t y p r e s s u r e w e r e o b t a i n e d u n d e r d i f f e r e n t wr k i n g c o n d i t i o n s . T h es i m u l a t i o n r e s u l t s p r o v i d er e l i a b l e b a s i s f o rc o m p o n e n t s e l e

6、 c t i o n a n d pa r a m e t e r o p t i m i z a t io n o f h y d r a u l iw o r d s :h y d r a u l i c i m p a c t o r ; o p e r a t i n gp r i n c i p l e ; AM ES i m (A d v a n c e d M o d e l i n g E n v i r o n m e n tS y s t e m s s i m u l a t i o n液壓沖擊器是液壓破碎錘 、液壓鑿巖機等液壓沖擊機械的核心工作裝置，其以液壓為動力源，直

7、接或間接驅動活塞往復運動，靠活塞沖程時的動能沖 擊釬桿，對物體產生破碎作用.液壓沖擊器按驅動活塞沖程做功的動力來源可分為全液壓式 、氮爆式和氣液聯(lián)合式3 類；按配流方式可分為自配流和強制配流兩大類，強制配流是通過電子信號等控制配流 閥實現(xiàn)油路的轉換，自配流則是通過沖擊 器結構中的控制油路匹配實現(xiàn)配流1.對液壓沖擊器的研究 主要包括結構設計改進、控制方式、計算機仿真、性 能測試、制造工藝和基礎理論等，其研究成果對液壓沖擊機械的設計、制造與發(fā)展具 有重要意義.第4期陳 博,等：基于AM E S i m氣液聯(lián)合式液壓沖擊器的建模與仿真1 工作原理與動力學模型1. 1 工作原理前腔常高壓、后腔變壓回油

8、的氣液聯(lián)合式液壓 沖擊器是目前最為常用的結構 型式，基于行程反饋 控制的氣液式液壓沖擊器工作 原理，如圖1所示.其主要由沖擊機構、配油機構，以及連接它們的油 道、管路等構成.其中，沖擊機構由沖擊 活塞、氮氣室和缸體等部件組成，配油機構由換向閥閥芯和閥體等部件組成2-3.1回程（回程加速、回程制動回程包括 回程加速和回程制動兩個階段.如圖1所示，高壓油進入活 塞前腔時，活塞后腔通回油，活塞向上運動，壓縮氮氣室中的氮氣，在信號口C處通高壓油之前，活塞做回程加速運動；當活塞運動至信號口 C處并與前腔高壓油相通時，在高壓油作用下?lián)Q向閥換向，切換油路，活塞前后腔均 通高 壓油，后腔的作用面積大于前腔，活

9、塞在慣性作用下繼續(xù)上移，作回程減速運動， 直至運動到活塞上止點，回程結束.圖1 液壓沖擊器工作原理圖F i g . 1 O p e r a t i n g p r i n c i p I e o f h y d r a u l i c i m p a c t o2沖程（沖程加速、沖擊停頓沖程階段，活塞前后腔均通高壓油，構成差動回 路.在活塞前后腔油液和氮氣 室氣體的作用力下，活塞作沖程加速運動，直至沖擊停頓，沖擊過程結束，換向閥 換向，進入下一個周期的回程初始狀態(tài).1.2 動力學模型依據(jù)液壓沖擊器的工作原理（圖1 ,假設系統(tǒng)壓力恒定，油液不可壓縮，黏度不變，氮氣室絕熱，根據(jù)動力平衡、流體連續(xù)性

10、原理和氣體狀態(tài)方程，液壓沖擊機構運動的數(shù)理 方程可描述如下4: 1活塞動力學方程m P S P =s g n (S P mP g -Ei =1Pi -£ Pi(-1 i +1s g n (S21 P ip P i + p 1A P 1-p 2A P 2+s g n (S P p N A P 32換向閥閥芯動力學方程m V S V =s g n (S P mV g -刀i =1(-1 i +1s g n (S2l V ip V i -p 2A V 2+p 3A V 13氮氣室絕熱狀態(tài)下氣體狀態(tài)方程P N V 1.4N =p 0V 1.4式中：m P , m V為活塞、閥芯的質量；S P

11、 , S P , S P為活塞位移、速度、加速度；S V , S V , S V為閥芯位移、速度、加速度；S P i ,為活塞與缸體、閥芯與閥體的配合間隙；£ P i ,為活i塞、閥芯的偏心率；d P i , d V i 為活塞、閥芯各接觸柱面的直徑；為液壓油動力 黏度；I P i , I V i為活塞、閥芯各段密封長度；P N為氮氣室壓力； P為壓力差；P 1, P 2, P 3為活塞前腔、后 腔、換向閥前腔壓力；A P 1, A P 2, A P 3為活塞前腔、后腔、氮氣室的承壓面積；A V 1, A V 2為換向閥前、后腔的承壓面積；P 0為氮氣室充氣壓力；V N , V0為氮

12、氣室工作瞬時容積、氮氣室初始容積.1.3數(shù)值計算在上述數(shù)學模型的基礎上，忽略換向閥的換向 時間，忽略系統(tǒng)的泄漏以及配合 間隙對活塞運動規(guī) 律的影響.設系統(tǒng)壓力為14M P a ,活塞行程為60 m m ,代 入相關參數(shù)，利用M a t l ab軟件進行數(shù)值計 算，可得到在一個工作循環(huán)周期內活 塞位移與速度 變化曲線，如圖2所示.2 AM ES i m建模與仿真比利時L M S公司的AM E S i m提供了一個完整的,對多領域智能系統(tǒng)進行建模和分析的一維仿 真平臺，并預測其多學科專 業(yè)耦合性能，模型中的元件通 過代表系統(tǒng)中液壓、氣動、電子和力學性能的解析模型來描述.通過不 同的應用庫創(chuàng)建基于

13、392上海工程技術大學學報第25卷©ChinaAll rights reserved.Publishing House. ht:/Zkhnet 1994-2012Academic Journal Electronic圖2 活塞位移與速度變化曲線F i g . 2 D i s p I a c e m e n t a n d v e l o c i t y c u r v e s o f p i s to n物理學的系統(tǒng)模型，可以在給出詳細有效的C A D幾何模型之前，準確地仿真系統(tǒng)的性能5.2. 1仿真模型的建立根據(jù)液壓沖擊器的工作原理,假定系統(tǒng)壓力恒 定,綜合運用AM ES i m中

14、的液壓庫、液壓元件設計（H C D庫、控制庫,建立AM E S i m仿真模型,如圖3所示.其中,A為模擬沖擊器油缸部分,運用AM E S i m中的H C D庫 進行搭建；B為模擬氮氣室 作用力，由恒壓源提供系統(tǒng)供油壓力©ChinaAll rights reserved.Rublishing House. 1994-2012Academic Journal ElectronicAM E S i m仿真模型F i g . 3 S i m u l a t i o n m o d e l o f A M E S i m2. 2仿真結果與分析設定仿真模型中恒壓源分別 為10M P a和14

15、 M P a ,仿真時間為0. 2s ,仿真步長為10-5 s ,運行仿真,得到沖擊活塞位移、速度、加速度隨時間變化 的 曲線，如圖4所示.圖4 供油壓力為10和14 M P a時活塞的位移、速度與加速度變化曲線F i g . 4 D i s p I a c e m e n t , v e l o c i t y a n d a c c e l e r a t i o n c u r v e s o f p i s t o n u n d e r s u p p I y p r e s s u r e o f 10 M P a a n d 14 M P a由圖4可以看出，在系統(tǒng)供油壓力提高時，

16、活塞行程、沖擊速度明顯增大.供油壓力為10M P a時,活塞行程為54. 3m m ,沖擊末期速度為6. 51 m /S ;供油壓力為14M P a時,活塞行程為64. 7 m m ,沖擊末期速度為7. 69m/S .將AM E S i m仿真模型得到的活塞速度曲線與圖3所示的基于簡化 模型計算 得到的速度曲線對比可知,AM E S i m仿真得到的沖擊末期速度小于 M a t l a b數(shù)值計算所得 到的數(shù)值,主要原因是在AM E S i m仿真模型的參數(shù)設置 時，已將活塞與缸體 的摩擦阻尼、換向閥的影響等因素考慮進去了 .圖1中，信 號控制口 C處的位置固定，系統(tǒng)供油壓力提高時，活塞前腔液

17、壓作用力增大，回 程加速末期速度增大，即回程減速初始速度增大，故其行程增大.沖擊過程中，供 油壓力增大時，活塞受氮氣作用力和油液作用力所作的 功增大，故其沖擊末期速度 也增大.液壓沖擊器工作時活塞始終處于劇烈的變速運 動狀態(tài)6,當系統(tǒng)壓力為14M P a時，其最大加速度 接近600m /s 2,如圖4(c所示.沖擊器的活塞始終處 于劇烈的 變速運動狀態(tài)，驅動它的傳動介質的流動 屬于變化非常劇烈的非恒定流動，其壓力 變化也非 常劇烈，前后腔壓力隨時間的變化曲線如圖 5所示.第4期陳 博,等：基于AM E S i m氣液聯(lián)合式液壓沖擊器的建模與仿真圖5 供油壓力為10 M P a時前后腔壓力曲線

18、F i g . 5 P r e s s u r e c u r v e s o f f r o n t a n d b a c k c a v i t y i e s u n d e r s u p p I y p r e s s u re o f 10 M P a圖6為不同活塞質量的 液壓沖擊器的仿真曲線.從圖中可以 看出，活塞質量為13. 26k g時,沖擊末期最大速度為6. 48m /s ,沖擊能為E 1=0. 5 1826 >6. 482=278. 40J ;活塞質量為20k g時,沖擊末期最大速度為5. 41m /s ,沖擊能 為E 2=0. 5 285. 412=292. 6

19、8J .液壓沖擊器在其他 參數(shù)相同的情況下,適當 增加活塞質量，活塞的沖擊末期 速度將減小，周期變長，沖擊能變化并不明顯n 1|<N |r111.I %n© 用 J J活塞質量為13. 26和20k g時的速度曲線F i g . 6 V e l o c i t y co f p i s t o n m a s s13. 26 k g a n d 20 k g 3 結 語液壓沖擊器工作時，活塞處于劇烈的變速運動 狀態(tài)，其加速度可達重力加 速度 的幾百倍，產生很大的慣性力.沖擊器活塞和換向閥的反饋控制不是 確定的機械 反饋控制，而是基于活塞行程的反饋控 制，換向閥與活塞通過油液 傳遞相互控制， 通過沖擊器結構中的控制油路實現(xiàn)配流，液壓沖擊器是一個具有位置反饋的閥控 活塞系統(tǒng).在一個工作周期 中，活塞運動可分為回程加速、回程制動、沖程加速 和沖擊停頓等4個階段；換向閥閥芯的運動分為回 程換向、停頓、沖程換向