工程机械液压系统试验台的动态特性仿真研究_图文

1、2009年3月第37卷第3期机床与液压MACH I N E T OOL &HY DRAUL I CSMar 12009Vol 137No 13 收稿日期:2008-03-05基金项目:福建省科技重大专项专题资助(2006HZ0002230;福建省教育厅科技项目资助(JA07129;厦门市科技计划项目资助(3502Z20073017作者简介:刘少辉(1983,男,硕士研究生,研究方向为机电一体化及运载工具。电话:0592-*,E -mail:lsh198307201261com 。工程机械液压系统试验台的动态特性仿真研究刘少辉,林少芬,刘国印,陈陪良(集美大学轮机工程学院,福建厦门361

2、021摘要:通过对工程机械液压试验系统工作泵组的各元件进行数学建模,并采用Matlab 软件中的Si m ulink 动态仿真模块实现对液压试验系统的仿真分析;最后对溢流阀的动态特性进行了优化,并讨论了有效液体体积弹性模量对系统性能的影响。关键词:液压系统;动态特性;Si m ulink;仿真中图分类号:N945113;TP271+131文献标识码:A 文章编号: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引言随着液压技术的不断发展与进步和应用

5、领域与范围的不断扩大,液压传动与控制系统本身越来越复杂,要求的传递动力范围更大、控制精度更高,系统柔性化与系统各种性能要求更高,所有这些都对液压系统的设计提出了新的更高的要求。采用传统的以完成执行机构预定动作循环和满足系统静态性能要求的系统设计远远不能满足上述要求。因此,对液压传动与控制系统进行动态特性研究,了解和掌握液压系统工作过程中动态工作特性和参数变化,以便进一步改进和完善液压系统,提高液压系统的响应特性,提高运动和控制精度以及工作可靠性,是非常必要的。运用计算机仿真技术对液压系统进行仿真分析,是现代液压系统发展的重要研究手段。在许多液压技术应用场合,充分考虑到液压系统的动态特性,可以缩

6、短液压系统或元件的设计时间,避免重复实验和加工带来的损失,并且可以提前了解到系统在动态特性方面存在的问题并加以改进,而这些可通过对系统的动态特性进行预测来实现。计算机仿真技术不仅可以预测系统性能,减少设计时间,还可以对所涉及的系统进行整体分析和评估,从而达到优化系统、缩短设计周期和提高系统稳定性的目的。1工程机械液压系统性能试验台工作原理工程机械液压系统试验台采用模块化、多接口、通用化设计,整个系统组成包括:油箱、变频工作泵组、二通插装阀、电磁换向阀、比例溢流阀、管路等组成。由于系统变频工作泵组和变频转向泵组的系统原理一样,这里只对工作泵组系统原理进行说明。图1工程机械液压系统性能试验台工作泵

7、组原理图液压油从油箱经滤油器后进入变频工作泵,工作泵出口设有先导电磁溢流阀,电磁阀为H 机能,未通电时,溢流阀卸荷,液压油经溢流阀直接回油箱。溢流阀正常工作时,泵出口油进入供油分流阀块,分流阀块中的二位四通电磁阀用于控制液压油是否经过流量计,系统进行测量时,电磁换向阀导通,液压油通过流量计;不进行测量时,液压油直接通过二通插座阀,从插装阀出来的系统油经管路进入比例加载阀,通过改变比例加载阀来无级控制系统的压力,液压油经比例加载阀流出后直接回油箱。试验台的工作原理如图1所示。2液压系统试验台工作泵组各元件数学模型的建立211二通插装阀数学模型的建立二通插装阀是一种以二通型单向元件为主体,采用先导

8、控制和插装式连接的新型液压控制元件,以其特别适用于高压大流量系统、组合方式灵活的特点在液压系统中得到了广泛应用。在工作过程中,通常伴随着振动、冲击和噪声,有时还出现爬行和动态缓慢等问题。在液压技术不断向前发展的今天,这种情况难以适应高速、高压、大功率和高精度的要求。所以有必要对其进行动态特性的研究,了解它的主导因素和内在的作用规律。二通插装阀的数学模型:m d2xd t2=p1A1-p2A2-ks(x-x-R(1式中:R为摩擦阻力,N;m为插装阀阀芯质量, kg;x为插装阀阀芯位移,m;k s为弹性刚度,N/m; x0为弹簧预压缩量,m;A1、A2分别为插装阀锥腔及控制腔的面积,m2;p1、p

9、2分别为插装阀锥腔及控制腔的油压,Pa。流量:Q=s v x+z v(p1-p0+S d xd t(2式中:p0为排出油压,Pa;sv为流量增益;zv为流量-压力系数1,3。212二位四通电磁阀数学模型的建立二位四通阀的数学模型4:Q=s v x+z v(p1-p2(3式中:sv 为流量增益;zv为流量-压力系数;p1,p2分别为阀进、出口压力,N;Fe =md2xd t2+(Bv+Bfd xd t+(kv+ksx+Rm(4式中:Fe为电磁力,N;m为阀芯质量,kg,x为位移,m;ks ,kv分别为对中弹簧刚度和稳态液动力系数;Rm为库仑摩擦力,N。213比例溢流阀数学模型的建立溢流阀是通过阀

10、口的溢流,调定系统工作压力或限定其最大工作压力,防止系统过载。当系统的压力达到溢流阀弹簧调定的压力时,溢流阀开启,系统中多余的油液从溢流阀溢出,使压力不再升高,保障泵、阀和系统的安全。比例溢流阀的数学模型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分别为溢流阀出口和进口压力,N;p1为先导阀进口压力,主阀上腔压力,N;a为反馈杆截面积,m2;a1,a2分别为先导阀左端(大端和右端面积(小端,m2;FE为比例电磁铁吸力,

11、与电信号成正比,N;qx为流经先导阀阀口的流量, m3/s;0为固定液阻的孔径,m;l0为定液阻的长度,m;为液动力粘度,Pas;sv为流量增益;zv 为流量-压力系数;q1为流经主阀的流量,m3/s;y为主阀阀口开度;y为主阀复位弹簧预压缩量;k为主阀复位弹簧刚度;为主阀阀芯半锥角。214液压油泵数学模型的建立液压油泵的数学模型:Q1=Q-G1(p1-p-V1Kp1(10式中:Q1为油泵的实际流量(流变量,m3/s;Q为油泵的理论流量,m3/s;G1为油泵的液导;V1为泵的出口容积,m3;K为油泵体积弹性模量,Ns/m。3液压系统试验台工作泵组动态特性仿真311仿真模型的建立依据上述的数学模

12、型,并考虑到实际的物理系统,将液压系统分解为4个子系统,在Si mulink 环境下,建立了各子系统的仿真模型之后,则可以对各子系统进行仿真。在确认各子系统的数学仿真模型的正确性以后,将各子系统依据输入输出关系连接起来,然后根据状态方程中变量间的传递关系将各个子系统仿真模型组合成一体,连接起来构成一个大系统,搭建整个液压系统的仿真模型。如图2所示。图2液压试验台的仿真模型931第3期刘少辉等:工程机械液压系统试验台的动态特性仿真研究图3系统流量-压力动态特性仿真曲线Si m ulink 为仿真提供了强有力的工具,结合加法、乘法、积分、常数和传递函数等模块,根据数学模型就可以直接建立系统的仿真模

13、型,而无需将数学模型化为规范形式。从软件元件库中拷贝相应功能模块至仿真环境中,并按照信号流向依次连接各功能模块,设置信号源,在适当环节设置仿真示波器观察仿真结果,如图3所示。对总的仿真模型加一定的信号源,观察输出响应,就可以了解到总的系统的动态特性,改变各主要参数,通过仿真曲线的变化,可为优化参数和了解系统特性提供参考依据7。312仿真结果分析31211对比例溢流阀的动态特性优化影响溢流阀动态特性的因素是多方面的,通过改变某一参数的大小,从仿真得到的曲线可以看出具体的参数对溢流阀动态特性的影响大小,把那些对所期望的动态性能有较大影响的参数作为优化的对象。根据对系统动态特性的具体要求选取适当的误

14、差函数作为目标函数,较常用的误差函数有I SE 、ItSE 、I A E 、It AE 等。其中It AE 兼顾快速性和稳定性,而液压系统是刚性且通常是重载,对于阶跃输入,人们希望系统能抑制那种可能具有一些超调和振荡的快速响应,所以It AE 2。Matlab 的优化工具箱提供了一系列用于解决无约束和有约束问题的优化函数,可以在对Si mulink 模块中加入调用Matlab 的优化函数的语句来实现对某些参数的优化。图4为仿真模块与优化指标函数结合的对Si mulink 模型。通过编程设定仿真参数,对Si mulink 模型进行仿真,然后利用有约束优化命令f m incon (进行寻优。图6为

15、优化后压力的阶跃响应仿真曲线,对比图5优化前可以看出,经优化后,压力响应速度提高、超调量减小。31212有效液体体积弹性模量e 对动态特性的影响当液压系统压力较小时,液压油体积变化很小,对系统的静态分析结果影响不大。在研究液压系统的动态特性时,由于液压转向系统压力变化很大,液压油的弹簧效应与机械部分的质量相互作用而产生谐振频率,同时液压系统中可能混入了空气以及液压管路的变形,都会对液压转向系统的有效液体体积弹性模数e 产生很大的影响,从而影响液压转向系统的动态特性。为了了解液压转向系统的有效液体体积弹性模数e 对其动态特性的影响,通过改变液压动力转向系统的有关参数进行仿真研究。如图7所示的仿真

16、结果表明:当提高液压系统有效液体体积弹性模数e 后,液压系统的动态特性明显改善,液压系统在阶跃输入约5s 就趋于稳定,并且振荡的频率也明显减小,这说明提高液压系统的有效液体体积弹性模数e ,可大大改善液压系统的动 态特性。图7不同液体体积弹性模量e 下的仿真曲线4结论阐述了工程机械液压试验台工作泵组的组成和工作原理,并建立了数学模型,基于数学模型对系统进行了动态仿真,并对其流量-压力动态特性进行系统分析与研究,通过仿真曲线,得到了液压系统流量-压力的动态特性,同时可以得到以下结论:(1利用Matlab 中的Si m ulink 模块库可以直接根据系统的数学模型来构建所液压系统动态特性的仿真模型

17、,并得出模型的数值解,而无需将数学模型作任何变换,也无需编制复杂的程序。直接利用数学模型进行时域仿真简单而又可靠,直观而又逼真。(2通过设定参数实现对溢流阀动态特性的优化。(3提高液压系统的有效液体体积弹性模数e ,可改善液压系统的动态特性。(4在设计真实的系统之前进行仿真,通过调整不同的参数以观察仿真曲线的变化,可以知道诸参数对系统性能的影响。在液压系统设计或现场选型设计过程中,系统的技术参数,如载荷、流量、压力、(下转第202页 对生成的刀路做后处理转换后程序如下,此时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 中可以实现真实性加工仿真,具体操作过程如下:(1首先将模型加以改造,做成待加工前的造型式样,如图6 所示。(2将此模型存成【1ST L 】格式文件,存放到MasterCAM 的【DAT A 】文件夹中,加工仿真时在【实体验证之参数设定】对话框的【素材模式】里选择【档案】,找到刚刚存好的【1ST L 】文件,执行后仿真结果如图7所示。4结束语如果仅仅是上面这个简单电极槽的加工,采用手工编程也非常方便,但实际上碰到的问题是以上的加工仅仅是复杂零件加工中的一个工步,采用手工编程和自动编程混合编制程序并不方便。另外由于篇辐所限本文只讨论粗加工方式,对于精加工的CAM 编程,尚未介绍。随着加工中心的日益普及,对CAD /CAM 技术要求越来越高,采用Master CAM 进行编程,可减少编程人员的工作量,缩短了在机床上的调试时间,提高了生产效率。参考文献【1】唐立山.M aster CAM 数控铣加工仿真真实性研究J .制造技术与机床,2007(9:78-79.【2】何满才.数控编程与加工Master CAM910实例详解M .北京:人民邮电出版社,200413.【3】吴文君,张阿虎.用M aster C AM810作小型零件阵列模式加工J .CAD /C AM 与制造业信息化,20