工程機(jī)械液壓系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)的動(dòng)態(tài)特性仿真研究_圖文

1、2009年3月第37卷第3期機(jī)床與液壓MACH I N E T OOL &HY DRAUL I CSMar 12009Vol 137No 13 收稿日期:2008-03-05基金項(xiàng)目:福建省科技重大專(zhuān)項(xiàng)專(zhuān)題資助(2006HZ0002230;福建省教育廳科技項(xiàng)目資助(JA07129;廈門(mén)市科技計(jì)劃項(xiàng)目資助(3502Z20073017作者簡(jiǎn)介:劉少輝(1983,男,碩士研究生,研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化及運(yùn)載工具。電話:0592-*,E -mail:lsh198307201261com 。工程機(jī)械液壓系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)的動(dòng)態(tài)特性仿真研究劉少輝,林少芬,劉國(guó)印,陳陪良(集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院,福建廈門(mén)361

2、021摘要:通過(guò)對(duì)工程機(jī)械液壓試驗(yàn)系統(tǒng)工作泵組的各元件進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,并采用Matlab 軟件中的Si m ulink 動(dòng)態(tài)仿真模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓試驗(yàn)系統(tǒng)的仿真分析;最后對(duì)溢流閥的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了優(yōu)化,并討論了有效液體體積彈性模量對(duì)系統(tǒng)性能的影響。關(guān)鍵詞:液壓系統(tǒng);動(dòng)態(tài)特性;Si m ulink;仿真中圖分類(lèi)號(hào):N945113;TP271+131文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1001-3881(20093-138-3S i m ul a ti on Study of D ynam i c Character isti cs i nHydrauli c Test System of Con structi

3、on M ach i n eryL IU Shaohui,L IN Shaofen,L IU Guoyin,CHEN Peiliang(Marine Engineering College,J i m ei University,Xia men Fujian 361021,China Abstract:The model of the components of the given hydraulic test system of constructi on machinery was set up and the syste m was si m ulated by the dyna m i

4、c si m ulati on module of Si m ulink in Matlab .The dynam ic characteristics of the overfl ow valve were op ti 2m ized and the influence elastic modulus on the perfor mance of the syste m was discussed 1Keywords:Hydraulic syste m;Dyna m ic characteristics;Si m ulink;Si m ulati on0引言隨著液壓技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步和應(yīng)用

5、領(lǐng)域與范圍的不斷擴(kuò)大,液壓傳動(dòng)與控制系統(tǒng)本身越來(lái)越復(fù)雜,要求的傳遞動(dòng)力范圍更大、控制精度更高,系統(tǒng)柔性化與系統(tǒng)各種性能要求更高,所有這些都對(duì)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了新的更高的要求。采用傳統(tǒng)的以完成執(zhí)行機(jī)構(gòu)預(yù)定動(dòng)作循環(huán)和滿足系統(tǒng)靜態(tài)性能要求的系統(tǒng)設(shè)計(jì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足上述要求。因此,對(duì)液壓傳動(dòng)與控制系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性研究,了解和掌握液壓系統(tǒng)工作過(guò)程中動(dòng)態(tài)工作特性和參數(shù)變化,以便進(jìn)一步改進(jìn)和完善液壓系統(tǒng),提高液壓系統(tǒng)的響應(yīng)特性,提高運(yùn)動(dòng)和控制精度以及工作可靠性,是非常必要的。運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析,是現(xiàn)代液壓系統(tǒng)發(fā)展的重要研究手段。在許多液壓技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)合,充分考慮到液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性,可以縮

6、短液壓系統(tǒng)或元件的設(shè)計(jì)時(shí)間,避免重復(fù)實(shí)驗(yàn)和加工帶來(lái)的損失,并且可以提前了解到系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)特性方面存在的問(wèn)題并加以改進(jìn),而這些可通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行預(yù)測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)不僅可以預(yù)測(cè)系統(tǒng)性能,減少設(shè)計(jì)時(shí)間,還可以對(duì)所涉及的系統(tǒng)進(jìn)行整體分析和評(píng)估,從而達(dá)到優(yōu)化系統(tǒng)、縮短設(shè)計(jì)周期和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的。1工程機(jī)械液壓系統(tǒng)性能試驗(yàn)臺(tái)工作原理工程機(jī)械液壓系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)采用模塊化、多接口、通用化設(shè)計(jì),整個(gè)系統(tǒng)組成包括:油箱、變頻工作泵組、二通插裝閥、電磁換向閥、比例溢流閥、管路等組成。由于系統(tǒng)變頻工作泵組和變頻轉(zhuǎn)向泵組的系統(tǒng)原理一樣,這里只對(duì)工作泵組系統(tǒng)原理進(jìn)行說(shuō)明。圖1工程機(jī)械液壓系統(tǒng)性能試驗(yàn)臺(tái)工作泵

7、組原理圖液壓油從油箱經(jīng)濾油器后進(jìn)入變頻工作泵,工作泵出口設(shè)有先導(dǎo)電磁溢流閥,電磁閥為H 機(jī)能,未通電時(shí),溢流閥卸荷,液壓油經(jīng)溢流閥直接回油箱。溢流閥正常工作時(shí),泵出口油進(jìn)入供油分流閥塊,分流閥塊中的二位四通電磁閥用于控制液壓油是否經(jīng)過(guò)流量計(jì),系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量時(shí),電磁換向閥導(dǎo)通,液壓油通過(guò)流量計(jì);不進(jìn)行測(cè)量時(shí),液壓油直接通過(guò)二通插座閥,從插裝閥出來(lái)的系統(tǒng)油經(jīng)管路進(jìn)入比例加載閥,通過(guò)改變比例加載閥來(lái)無(wú)級(jí)控制系統(tǒng)的壓力,液壓油經(jīng)比例加載閥流出后直接回油箱。試驗(yàn)臺(tái)的工作原理如圖1所示。2液壓系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)工作泵組各元件數(shù)學(xué)模型的建立211二通插裝閥數(shù)學(xué)模型的建立二通插裝閥是一種以二通型單向元件為主體,采用先導(dǎo)

8、控制和插裝式連接的新型液壓控制元件,以其特別適用于高壓大流量系統(tǒng)、組合方式靈活的特點(diǎn)在液壓系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。在工作過(guò)程中,通常伴隨著振動(dòng)、沖擊和噪聲,有時(shí)還出現(xiàn)爬行和動(dòng)態(tài)緩慢等問(wèn)題。在液壓技術(shù)不斷向前發(fā)展的今天,這種情況難以適應(yīng)高速、高壓、大功率和高精度的要求。所以有必要對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性的研究,了解它的主導(dǎo)因素和內(nèi)在的作用規(guī)律。二通插裝閥的數(shù)學(xué)模型:m d2xd t2=p1A1-p2A2-ks(x-x-R(1式中:R為摩擦阻力,N;m為插裝閥閥芯質(zhì)量, kg;x為插裝閥閥芯位移,m;k s為彈性剛度,N/m; x0為彈簧預(yù)壓縮量,m;A1、A2分別為插裝閥錐腔及控制腔的面積,m2;p1、p

9、2分別為插裝閥錐腔及控制腔的油壓,Pa。流量:Q=s v x+z v(p1-p0+S d xd t(2式中:p0為排出油壓,Pa;sv為流量增益;zv為流量-壓力系數(shù)1,3。212二位四通電磁閥數(shù)學(xué)模型的建立二位四通閥的數(shù)學(xué)模型4:Q=s v x+z v(p1-p2(3式中:sv 為流量增益;zv為流量-壓力系數(shù);p1,p2分別為閥進(jìn)、出口壓力,N;Fe =md2xd t2+(Bv+Bfd xd t+(kv+ksx+Rm(4式中:Fe為電磁力,N;m為閥芯質(zhì)量,kg,x為位移,m;ks ,kv分別為對(duì)中彈簧剛度和穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力系數(shù);Rm為庫(kù)侖摩擦力,N。213比例溢流閥數(shù)學(xué)模型的建立溢流閥是通過(guò)閥

10、口的溢流,調(diào)定系統(tǒng)工作壓力或限定其最大工作壓力,防止系統(tǒng)過(guò)載。當(dāng)系統(tǒng)的壓力達(dá)到溢流閥彈簧調(diào)定的壓力時(shí),溢流閥開(kāi)啟,系統(tǒng)中多余的油液從溢流閥溢出,使壓力不再升高,保障泵、閥和系統(tǒng)的安全。比例溢流閥的數(shù)學(xué)模型5-6: pa0+p1(a1-a0-p1a2-F E=0(5q x=41280l0(p-p1(6 q=q1+q x(7q1=sv+zv(p-p(8 p A-p1A1-Cd2D y sin2-k(y0+y=0(9式中:p、p分別為溢流閥出口和進(jìn)口壓力,N;p1為先導(dǎo)閥進(jìn)口壓力,主閥上腔壓力,N;a為反饋桿截面積,m2;a1,a2分別為先導(dǎo)閥左端(大端和右端面積(小端,m2;FE為比例電磁鐵吸力,

11、與電信號(hào)成正比,N;qx為流經(jīng)先導(dǎo)閥閥口的流量, m3/s;0為固定液阻的孔徑,m;l0為定液阻的長(zhǎng)度,m;為液動(dòng)力粘度,Pas;sv為流量增益;zv 為流量-壓力系數(shù);q1為流經(jīng)主閥的流量,m3/s;y為主閥閥口開(kāi)度;y為主閥復(fù)位彈簧預(yù)壓縮量;k為主閥復(fù)位彈簧剛度;為主閥閥芯半錐角。214液壓油泵數(shù)學(xué)模型的建立液壓油泵的數(shù)學(xué)模型:Q1=Q-G1(p1-p-V1Kp1(10式中:Q1為油泵的實(shí)際流量(流變量,m3/s;Q為油泵的理論流量,m3/s;G1為油泵的液導(dǎo);V1為泵的出口容積,m3;K為油泵體積彈性模量,Ns/m。3液壓系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)工作泵組動(dòng)態(tài)特性仿真311仿真模型的建立依據(jù)上述的數(shù)學(xué)模

12、型,并考慮到實(shí)際的物理系統(tǒng),將液壓系統(tǒng)分解為4個(gè)子系統(tǒng),在Si mulink 環(huán)境下,建立了各子系統(tǒng)的仿真模型之后,則可以對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行仿真。在確認(rèn)各子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)仿真模型的正確性以后,將各子系統(tǒng)依據(jù)輸入輸出關(guān)系連接起來(lái),然后根據(jù)狀態(tài)方程中變量間的傳遞關(guān)系將各個(gè)子系統(tǒng)仿真模型組合成一體,連接起來(lái)構(gòu)成一個(gè)大系統(tǒng),搭建整個(gè)液壓系統(tǒng)的仿真模型。如圖2所示。圖2液壓試驗(yàn)臺(tái)的仿真模型931第3期劉少輝等:工程機(jī)械液壓系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)的動(dòng)態(tài)特性仿真研究圖3系統(tǒng)流量-壓力動(dòng)態(tài)特性仿真曲線Si m ulink 為仿真提供了強(qiáng)有力的工具,結(jié)合加法、乘法、積分、常數(shù)和傳遞函數(shù)等模塊,根據(jù)數(shù)學(xué)模型就可以直接建立系統(tǒng)的仿真模

13、型,而無(wú)需將數(shù)學(xué)模型化為規(guī)范形式。從軟件元件庫(kù)中拷貝相應(yīng)功能模塊至仿真環(huán)境中,并按照信號(hào)流向依次連接各功能模塊,設(shè)置信號(hào)源,在適當(dāng)環(huán)節(jié)設(shè)置仿真示波器觀察仿真結(jié)果,如圖3所示。對(duì)總的仿真模型加一定的信號(hào)源,觀察輸出響應(yīng),就可以了解到總的系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性,改變各主要參數(shù),通過(guò)仿真曲線的變化,可為優(yōu)化參數(shù)和了解系統(tǒng)特性提供參考依據(jù)7。312仿真結(jié)果分析31211對(duì)比例溢流閥的動(dòng)態(tài)特性?xún)?yōu)化影響溢流閥動(dòng)態(tài)特性的因素是多方面的,通過(guò)改變某一參數(shù)的大小,從仿真得到的曲線可以看出具體的參數(shù)對(duì)溢流閥動(dòng)態(tài)特性的影響大小,把那些對(duì)所期望的動(dòng)態(tài)性能有較大影響的參數(shù)作為優(yōu)化的對(duì)象。根據(jù)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的具體要求選取適當(dāng)?shù)恼`

14、差函數(shù)作為目標(biāo)函數(shù),較常用的誤差函數(shù)有I SE 、ItSE 、I A E 、It AE 等。其中It AE 兼顧快速性和穩(wěn)定性,而液壓系統(tǒng)是剛性且通常是重載,對(duì)于階躍輸入,人們希望系統(tǒng)能抑制那種可能具有一些超調(diào)和振蕩的快速響應(yīng),所以It AE 2。Matlab 的優(yōu)化工具箱提供了一系列用于解決無(wú)約束和有約束問(wèn)題的優(yōu)化函數(shù),可以在對(duì)Si mulink 模塊中加入調(diào)用Matlab 的優(yōu)化函數(shù)的語(yǔ)句來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)某些參數(shù)的優(yōu)化。圖4為仿真模塊與優(yōu)化指標(biāo)函數(shù)結(jié)合的對(duì)Si mulink 模型。通過(guò)編程設(shè)定仿真參數(shù),對(duì)Si mulink 模型進(jìn)行仿真,然后利用有約束優(yōu)化命令f m incon (進(jìn)行尋優(yōu)。圖6為

15、優(yōu)化后壓力的階躍響應(yīng)仿真曲線,對(duì)比圖5優(yōu)化前可以看出,經(jīng)優(yōu)化后,壓力響應(yīng)速度提高、超調(diào)量減小。31212有效液體體積彈性模量e 對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響當(dāng)液壓系統(tǒng)壓力較小時(shí),液壓油體積變化很小,對(duì)系統(tǒng)的靜態(tài)分析結(jié)果影響不大。在研究液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性時(shí),由于液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)壓力變化很大,液壓油的彈簧效應(yīng)與機(jī)械部分的質(zhì)量相互作用而產(chǎn)生諧振頻率,同時(shí)液壓系統(tǒng)中可能混入了空氣以及液壓管路的變形,都會(huì)對(duì)液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的有效液體體積彈性模數(shù)e 產(chǎn)生很大的影響,從而影響液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。為了了解液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的有效液體體積彈性模數(shù)e 對(duì)其動(dòng)態(tài)特性的影響,通過(guò)改變液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)進(jìn)行仿真研究。如圖7所示的仿真

16、結(jié)果表明:當(dāng)提高液壓系統(tǒng)有效液體體積彈性模數(shù)e 后,液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性明顯改善,液壓系統(tǒng)在階躍輸入約5s 就趨于穩(wěn)定,并且振蕩的頻率也明顯減小,這說(shuō)明提高液壓系統(tǒng)的有效液體體積彈性模數(shù)e ,可大大改善液壓系統(tǒng)的動(dòng) 態(tài)特性。圖7不同液體體積彈性模量e 下的仿真曲線4結(jié)論闡述了工程機(jī)械液壓試驗(yàn)臺(tái)工作泵組的組成和工作原理,并建立了數(shù)學(xué)模型,基于數(shù)學(xué)模型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真,并對(duì)其流量-壓力動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行系統(tǒng)分析與研究,通過(guò)仿真曲線,得到了液壓系統(tǒng)流量-壓力的動(dòng)態(tài)特性,同時(shí)可以得到以下結(jié)論:(1利用Matlab 中的Si m ulink 模塊庫(kù)可以直接根據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型來(lái)構(gòu)建所液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的仿真模型

17、,并得出模型的數(shù)值解,而無(wú)需將數(shù)學(xué)模型作任何變換,也無(wú)需編制復(fù)雜的程序。直接利用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行時(shí)域仿真簡(jiǎn)單而又可靠,直觀而又逼真。(2通過(guò)設(shè)定參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)溢流閥動(dòng)態(tài)特性的優(yōu)化。(3提高液壓系統(tǒng)的有效液體體積彈性模數(shù)e ,可改善液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。(4在設(shè)計(jì)真實(shí)的系統(tǒng)之前進(jìn)行仿真,通過(guò)調(diào)整不同的參數(shù)以觀察仿真曲線的變化,可以知道諸參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)或現(xiàn)場(chǎng)選型設(shè)計(jì)過(guò)程中,系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù),如載荷、流量、壓力、(下轉(zhuǎn)第202頁(yè) 對(duì)生成的刀路做后處理轉(zhuǎn)換后程序如下,此時(shí)便可得到含有子程序的加工程序,如下所示。主程序:O0000N100G21N102G0G17G40G49G80G90N104

18、T1M6N106G0G90G54X 2291215Y 21051001S800M3N108G43H1Z501N110M98P0001N250G90Y 2651001N252M98P0001子程序:N392G90Y 2251001O0001N394M98P0001N112G91N534G90Y141999N114Z 244.N536M98P0001N116G1Z 251F100.N676G90Y541999N678M98P0001N244Z51F500.N818G90Y941999N246G0Z75.N820M98P0001N248M99N960M5N962G91G28Z01N964G28X01

19、Y01N966M303加工仿真在MasterCAM 中可以實(shí)現(xiàn)真實(shí)性加工仿真,具體操作過(guò)程如下:(1首先將模型加以改造,做成待加工前的造型式樣,如圖6 所示。(2將此模型存成【1ST L 】格式文件,存放到MasterCAM 的【DAT A 】文件夾中,加工仿真時(shí)在【實(shí)體驗(yàn)證之參數(shù)設(shè)定】對(duì)話框的【素材模式】里選擇【檔案】,找到剛剛存好的【1ST L 】文件,執(zhí)行后仿真結(jié)果如圖7所示。4結(jié)束語(yǔ)如果僅僅是上面這個(gè)簡(jiǎn)單電極槽的加工,采用手工編程也非常方便,但實(shí)際上碰到的問(wèn)題是以上的加工僅僅是復(fù)雜零件加工中的一個(gè)工步,采用手工編程和自動(dòng)編程混合編制程序并不方便。另外由于篇輻所限本文只討論粗加工方式,對(duì)于精加工的CAM 編程,尚未介紹。隨著加工中心的日益普及,對(duì)CAD /CAM 技術(shù)要求越來(lái)越高,采用Master CAM 進(jìn)行編程,可減少編程人員的工作量,縮短了在機(jī)床上的調(diào)試時(shí)間,提高了生產(chǎn)效率。參考文獻(xiàn)【1】唐立山.M aster CAM 數(shù)控銑加工仿真真實(shí)性研究J .制造技術(shù)與機(jī)床,2007(9:78-79.【2】何滿才.數(shù)控編程與加工Master CAM910實(shí)例詳解M .北京:人民郵電出版社,200413.【3】吳文君,張阿虎.用M aster C AM810作小型零件陣列模式加工J .CAD /C AM 與制造業(yè)信息化,20