基于AMESim氣液聯(lián)合式液壓沖擊器的建模與仿真

1、第 25卷第 4期 2011年 12月上 海 工 程 技 術(shù) 大 學(xué) 學(xué) 報(bào)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 G I N E E R I N G S C I E N C E V o l . 25N o . 4D e c . 2011 文章編號(hào) :1009-444X (2011 04-0292-04收稿日期 :2011-10-13基金項(xiàng)目 :國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (50975169作者簡(jiǎn)介 :陳 博 (1985- , 男 , 在讀碩士 , 研究方向?yàn)檐?chē)輛液壓傳動(dòng)與控制 . E -m a i l :c h e

2、 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仿真陳 博 , 楊國(guó)平 , 高軍浩(上海工程技術(shù)大學(xué) 汽車(chē)工程學(xué)院 , 上海 201620摘要 :在分析液壓沖擊器工作原理的基礎(chǔ)上 , 利用多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)仿真平臺(tái) AM E S i m 搭建 了氣液聯(lián)合式液壓沖擊器的仿真模型 .通過(guò)設(shè)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(jié)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(guān)鍵詞 :液壓沖擊器 ; 工作原理 ; AM E S i m 仿真 中圖分類(lèi)號(hào) :T H 137. 5 文獻(xiàn)標(biāo)志

3、碼 :A M o d e l i n g a n d S i m u l a t i o n o f G a s -L i q u i d U n i t e d H y d r a u l i c I m pa c t o r B a s e d o n A M E S i m C H E N B o , Y A N G G u o -p i n g, G A O J 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 n g , S h a n g h a i U n i v e r s i t y o f

4、 E n g i n e e r i n g S c i e n c e , S h a n g h a i 201620, C h i n a A b s t r a c t :B a s e d o n t h e a n a l y s i s o f t h e o p e r a t i n g p r i n c i p l e f o r t h e h y d r a u l i c i m p a c t o r , o n e s i m u l a t i o n m o d e l o f g a s -l i q u i d u n i t e d h y d r a

5、 u l i c i m p a c t o r w a s b u i l t w i t h AM E S 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 e t e r s , c u r v e s o f d i s p l 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 n d c 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

6、n d e r d i f f e r e n t w o r k i n g c o n d i t i o n s . T h e s i m u l a t i o n r e s u l t s p r o v i d e a r e l i a b l e b a s i s f o r c o m p o n e n t s e l e 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 i o n o f h y d r a u l i c i m p a c t o r . K e y w o r d s :h y d r a

7、u l i c i m p a c t o r ; o p e r a t i n g p r i n c i p l e ; AM E S 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 t f o r S i m u l a t i o n E n g i n e e r i n g S 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(jī)等液壓 沖擊機(jī)械的核心工作裝置 , 其以液壓為動(dòng)力源 , 直接 或間接驅(qū)動(dòng)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng) , 靠活塞沖程時(shí)的動(dòng)能沖 擊釬桿 , 對(duì)物體產(chǎn)生破碎

8、作用 . 液壓沖擊器按驅(qū)動(dòng)活 塞沖程做功的動(dòng)力來(lái)源可分為全液壓式 、 氮爆式和 氣液聯(lián)合式 3類(lèi) ; 按配流方式可分為自配流和強(qiáng)制配流兩大類(lèi) ,強(qiáng)制配流是通過(guò)電子信號(hào)等控制配流 閥實(shí)現(xiàn)油路的轉(zhuǎn)換 , 自配流則是通過(guò)沖擊器結(jié)構(gòu)中的控制油路匹配實(shí)現(xiàn)配流 1.對(duì)液壓沖擊器的研究 主要包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn) 、 控制方式 、 計(jì)算機(jī)仿真 、 性 能測(cè)試 、制造工藝和基礎(chǔ)理論等 , 其研究成果對(duì)液壓 沖擊機(jī)械的設(shè)計(jì) 、 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(dòng)力學(xué)模型1. 1 工作原理前腔常高壓 、 后腔變壓回油的氣

9、液聯(lián)合式液壓 沖擊器是目前最為常用的結(jié)構(gòu)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(jī)構(gòu) 、 配油機(jī)構(gòu) , 以 及 連接它們的油 道 、 管路等構(gòu)成 . 其中 , 沖擊機(jī)構(gòu)由沖擊活塞 、 氮?dú)?室和缸體等部件組成 , 配油機(jī)構(gòu)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(dòng) 回程包括 回 程 加 速 和 回 程 制 動(dòng) 兩 個(gè) 階 段 . 如 圖 1所示 , 高壓 油 進(jìn) 入 活 塞 前 腔 時(shí) , 活 塞 后 腔 通 回 油 , 活塞向上運(yùn)動(dòng) , 壓縮氮?dú)馐抑械牡獨(dú)?, 在信號(hào)口 C 處通高壓油之前 , 活 塞做 回

10、程 加 速 運(yùn) 動(dòng) ; 當(dāng) 活 塞 運(yùn)動(dòng)至信號(hào)口 C 處 并 與 前 腔 高 壓 油 相 通 時(shí) , 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 , 活塞在慣性 作用下繼續(xù)上移 , 作回程減速運(yùn)動(dòng) , 直至運(yùn)動(dòng)到活 塞上止點(diǎn) , 回程結(jié)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 l e o f h y d r a u l i c i m p a c t o r 2 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(gòu)成差動(dòng)回 路 . 在活塞前后

11、腔油液和氮?dú)馐覛怏w的作用力下 , 活 塞作沖程加速運(yùn)動(dòng) , 直至沖擊停頓 , 沖擊過(guò)程結(jié)束 , 換向閥換向 , 進(jìn)入下一個(gè)周期的回程初始狀態(tài) . 1. 2 動(dòng)力學(xué)模型依據(jù)液壓沖擊器的工作原理 (圖 1 , 假設(shè)系統(tǒng) 壓力恒定 , 油液不可壓縮 , 黏度不變 , 氮?dú)馐医^熱 ,根據(jù)動(dòng)力平衡 、 流體連續(xù)性原理和氣體狀態(tài)方程 , 液壓沖擊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的數(shù)理方程可描述如下 4: 1 活塞動(dòng)力學(xué)方程m P S ··P =s g n (S ·P m P g -4i =1d P i l P i ·P i -P i·P +(-1 i +1s g n (S

12、83;PP i2l P ip P i + p 1A P 1-p 2A P 2+s g n (S ·P p N A P 3 2 換向閥閥芯動(dòng)力學(xué)方程m V S ··V =s g n (S ·P m V g -4i =1d V i l V i ·V i -V i·P +(-1 i +1s g n (S ·PV i2l V ip V i -p 2A V 2+p 3A V 1 3 氮?dú)馐医^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(zhì) 量 ; S P , S 

13、3;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 ; P i , V i 為活塞與缸體 、 閥芯與閥體的 配合間隙 ; P i , V i 為活 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(dòng)力 黏 度 ; l P i , l V i 為活塞 、 閥芯各段密封長(zhǎng)度 ; p N 為氮?dú)馐?壓力 ; p i 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,

14、 A P 2, A P 3為活塞前腔 、 后 腔 、 氮?dú)馐业某?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?dú)馐页錃鈮毫?; V N , V 0為氮?dú)馐?工作瞬時(shí)容積 、 氮?dú)馐页跏既莘e .1. 3 數(shù)值計(jì)算在上述數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上 , 忽略換向閥的換向 時(shí)間 , 忽略系統(tǒng)的泄漏以及配合間隙對(duì)活塞運(yùn)動(dòng)規(guī) 律的影響 . 設(shè)系 統(tǒng) 壓 力為 14M P a , 活 塞 行 程 為 60 m m , 代入相關(guān)參數(shù) , 利用 M a t l a b 軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì) 算 , 可得到在一個(gè)工作循環(huán)周期內(nèi)活塞位移與速度 變化曲線 , 如圖 2所示 .2

15、 A M E S i m 建模與仿真比利時(shí) L M S 公司的 AM E S i m 提 供 了 一 個(gè) 完 整的 , 對(duì)多領(lǐng)域智能系統(tǒng)進(jìn)行建模和分析的一維仿 真平臺(tái) , 并預(yù)測(cè)其多學(xué)科專(zhuān) 業(yè)耦合性能 , 模 型 中的 元件 通 過(guò) 代 表 系 統(tǒng) 中 液 壓 、 氣 動(dòng) 、 電 子 和 力 學(xué) 性 能的解析模型來(lái)描述 . 通過(guò)不同的應(yīng)用庫(kù)創(chuàng)建基于 ·3 9 2· 上 海 工 程 技 術(shù) 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) 第 25卷 圖 2 活塞位移與速度變化曲線F i g . 2 D i s p l a c e m e n t a n d v e l o c i t y c u r v e

16、 s o f p i s t o n物理學(xué)的系統(tǒng) 模 型 , 可 以 在 給 出 詳 細(xì) 有 效 的 C A D幾何模型之前 , 準(zhǔn)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(yùn)用 AM E S i m 中的液壓庫(kù) 、 液壓元件設(shè)計(jì) (H C D 庫(kù) 、 控 制 庫(kù) , 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(yùn) 用 AM E S i m 中的 H C D 庫(kù)進(jìn)行搭建 ; B 為模擬氮?dú)馐?作用力 , 由恒壓源提供系統(tǒng)供油壓力 .圖 3 A

17、M 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(jié)果與分析設(shè)定仿真模型中恒壓源分別 為 10M P a 和 14 M P a , 仿真時(shí)間為 0. 2s , 仿 真 步 長(zhǎng) 為 10-5 s , 運(yùn) 行 仿真 , 得到?jīng)_擊活塞位移 、 速度 、 加速度隨時(shí)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(shí)活塞的位移 、 速度與加速度變化曲線F i g . 4 D i s p l a c e m e n t , v e l o c i t y a n d a

18、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 l 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(shí) , 活 塞行程 、 沖擊 速 度 明 顯 增 大 . 供 油 壓 力 為 10M P a 時(shí) , 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(shí) , 活 塞 行 程 為 64. 7 m m , 沖擊末期速度為 7. 69m /s . 將 A

19、M 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(jiǎn)化 模型計(jì)算 得 到 的 速 度 曲 線 對(duì) 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(jì)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(shè)置時(shí) , 已將活塞與缸體 的摩擦阻尼 、 換 向 閥的 影響等因素考慮進(jìn)去了 . 圖 1中 , 信號(hào)控制口 C 處 的位置固定 , 系統(tǒng)供油壓力 提高時(shí) , 活塞前腔液壓 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(guò)程中 , 供油壓 力增大時(shí)

20、 , 活塞受氮?dú)庾饔昧陀鸵鹤饔昧λ鞯?功增大 , 故其沖擊末期速度也增大 .液壓沖擊器工作時(shí)活塞始終處于劇烈的變速運(yùn) 動(dòng)狀態(tài) 6, 當(dāng)系統(tǒng)壓力為 14M P a 時(shí) , 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(yùn)動(dòng)狀態(tài) , 驅(qū)動(dòng)它的傳動(dòng)介質(zhì)的流動(dòng) 屬于變化非常劇烈的非恒定流動(dòng) , 其壓力變化也非 常劇烈 , 前后腔壓力隨時(shí)間的變化曲線如圖 5所示 .·4 9 2· 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(shí)前后腔壓力曲線 F

21、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 l y p r e s s u r e o f 10 M P a 圖 6為不同活塞質(zhì)量的 液壓沖 擊 器的仿 真曲 線 . 從圖中可以 看 出 , 活 塞 質(zhì) 量 為 13. 26k g 時(shí) , 沖 擊末期最大速度為 6. 48m /s , 沖擊能為 E 1=0. 5×13. 26×6. 482=278. 40J ; 活塞質(zhì)量為 20k g 時(shí) , 沖 擊末期最大速度為 5.

22、41m /s , 沖擊能為 E 2=0. 5×20×5. 412=292. 68J . 液 壓 沖 擊 器 在 其 他 參 數(shù) 相 同的情況下 , 適當(dāng)增加活塞質(zhì)量 , 活塞的沖擊末期 速度將減小 , 周期變長(zhǎng) , 沖擊能變化并不明顯 .圖 6 活塞質(zhì)量為 13. 26和 20 k g 時(shí)的速度曲線 F i g . 6 V e l o c i t y c u r v e s o f p i s t o n m a s s o f13. 26 k g a n d 20 k g 3 結(jié) 語(yǔ)液壓沖擊器工作時(shí) , 活塞處于劇烈的變速運(yùn)動(dòng) 狀態(tài) , 其加速度可達(dá)重力加 速度的幾百倍

23、, 產(chǎn) 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(jī)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(guò)油液 傳遞相互控制 , 通 過(guò) 沖 擊器結(jié)構(gòu)中的控制油路實(shí)現(xiàn)配流 , 液壓沖擊器是一 個(gè)具有位置反饋的閥控活塞系統(tǒng) . 在一個(gè)工作周期 中 , 活塞運(yùn)動(dòng)可分為回程加速 、 回程制動(dòng) 、 沖程加速 和沖擊停頓等 4個(gè)階段 ; 換向閥閥芯的運(yùn)動(dòng)分為回 程換向 、 停頓 、 沖 程 換 向 等 階 段 . 利 用 AM E S i m 建 立液壓沖擊器的仿真模型 , 可以較為直觀地體現(xiàn)液 壓沖擊器的構(gòu)造與工作原 理 , 同時(shí)可以考量泄漏 、 摩擦等因素 , 通過(guò)改變仿真 參數(shù) , 對(duì)液壓沖擊器的 性能進(jìn)行仿真分析 , 為液壓沖擊器的元件選