精品毕业论文基于amesim的液压回路性能仿真分析

基于AMESim的液压回路性能仿真分析摘要现代工业的发展，对液压传动与控制系统的性能和控制精度等提出了更高的要求。以功率键和图为基础的AMESim仿真软件具有友好的人机交互界面，使用方便，大大减少了系统设计分析中人工工作量和对专业知识的要求，可以使用户能够迅速进行建模仿真，分析和优化设计，降低开发的成本和缩短开发的周期。本文首先对液压系统的基础知识和建模方法进行了简单介绍。然后，介绍了液压机械建模仿真软件AMESim的功能和特性，并以平面磨床液压驱动系统为例，详细分析了AMESim的应用。最后，以AMESim为仿真平台，对长钢轨铺轨机助推器的液压系统的加压缸回路和驱动马达回路分别进行了仿真研究。用AMESim软件对长钢轨铺轨机助推器的液压系统进行仿真研究，结果与理论分析情况相吻合，表明数字仿真方法是分析液压系统动态特性的有效途径。AMESim可以有效地对机械液压系统进行建模仿真，也可应用于液压系统的设计过程，以提高设计效率和水平。关键词：液压；仿真；助推器；AMESimISIMULATION AND ANALYSIS OF HYDRAULIC LOOP BASED ON AMESIMAbstractWith the development of present-day industry, it is demanded that the hydraulic transmission and control systems should have higher performance and control precision. The AMESim simulation software based on Power Bond Graph have a friendly interactive interface. It is convenient for using and can largely reduce the worklode and requirement of professional knowledge of workers, makes the users can modeling and simulate rapidly, analyse and improving the design, reduce the cost of exploitation and shorting design cycle. The paper firstly introduce the foundation of fluid drive and modeling methods. Then introduce the function and characteristic of AMESim, modeling and simulation software for hydraulic and mechanical systems. Labor the application of main software AMESim with an instance of a surface grinding machine hydraulic actuator system. Lastly, the press jar loop and the drive motor loop hydraulic system of hydraulic pusher for long rail was simulated and researched separately with AMESim.The simulation result of hydraulic pusher for long rail based on AMESim accord with the academic situation. It indicates: the method of numerical simulation is an effective approach to analyse the dynamic characteristic of hydraulic system. AMESim is a perfect choice to model and simulate for mechanic and hydraulic system, further more it can be used in the designing of hydraulic system to advance the efficiency and level of design.Keywords: Hydraulic; Simulation; Pusher; AMESimII 目 录摘要IAbstractII目 录III1绪论11.1液压传动技术11.2液压系统仿真技术21.3论文主要研究内容32液压系统及其建模42.1液压元件42.1.1液压泵和液压马达42.1.2液压缸42.1.3流量控制阀62.2系统仿真建模的几种主要方法82.3 液压机械建模仿真软件AMESim92.3.1 建模仿真软件AMESim的功能92.3.2 建模仿真软件AMESim的基本特性102.3.3 AMESim应用举例分析103长钢轨铺轨机助推器工作原理193.1主机功能结构193.2 液压系统及其工作原理203.3 部分参数列表214基于AMESim的长钢轨铺轨机助推器的仿真研究234.1创建所需元件234.1.1 M型三位四通电磁换向阀超级元件的建立234.1.2恒功率变量泵超级元件的建立234.2 搭建系统模型与仿真分析244.2.1 加压缸回路的建模与仿真244.2.2 驱动马达回路的建模与仿真315结论355.1研究结论355.2本设计不足35参考文献36致谢38外文翻译原文39外文翻译译文45 1绪论在现代工业中液压传动技术几乎应用于所有机械设备的驱动、传动和控制，例如利用液压技术控制飞机飞行；驱动和控制机床、推土机、收割机、采矿机械、食品机械以及医疗器械等等。时至今日，在尽可能小的空间内传出尽可能大的功率并加以精确控制这一点上，液压传动己稳居各种传动方式之首，几乎在各类现代化工业产品中都可以看到液压传动技术的应用1。各种机械设备性能要求和机电液一体化程度的不断提高，对液压传动与控制系统的性能和控制精度等提出了更高的要求。传统的以完成设备工作循环和满足静态特性为目的的液压系统设计方法已不能适应现代产品的设计和性能要求，而对液压系统进行动态特性分析和采用动态设计一方法，运用计算机仿真技术就具有重大的价值。计算机仿真技术不仅可以在设计中预测系统性能，减少设计时间，还可以通过仿真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2。因此本文将以长钢轨铺轨机助推器的液压系统为例，以AMESim软件作为液压系统仿真技术研究开发平台，对液压系统仿真方法进行研究，为以后更加深入的科研工作打下基础。1.1液压传动技术1975年英国人约瑟夫步拉默发明了世界上第一台水压机，标志着现代液压技术工程应用的开始。直到1850年英国工业革命之后，液压技术才逐渐应用到实际工业中。到1905-1908年威廉斯和詹尼两位英国工程师发明了用矿物油做工作介质的轴向柱塞式液压传动装置以后，矿物油代替了水作为工作介质，很大程度上解决了密封和锈蚀等问题13。20世纪30年代丁氰橡胶等新型密封材料的应用，使得液压传动逐步取代水压传动，并得到迅速的发展。液压传动与控制系统具有如下特点 1 4：1、易于控制且控制精确；2、理想的增力系统；3、可以输出恒定的力和扭矩；4、具有负载敏感特性；5、可以实现复合传动与控制；6、系统设计柔性化；7、与气动系统相比更易于控制；8、液压系统工作平稳、冲击小；9、简单、安全、经济。经过近半个世纪的进一步发展，液压技术已成为对现代机械装备的技术进步有重要影响的基础技术，己广泛用于各工业部门和领域、国外生产的95%的工程机械、90%的数控加工中心、95%以上的自动化生产线都采用了液压传动技术。液压技术的应用对机电产品质量和水平的提高起到了极大的促进和保证作用，世界上先进的工业国家均对液压技术的发展给予了高度重视，采用液压技术的程度已成为衡量一个国家工业水平的重要标志。1.2液压系统仿真技术随着液压技术的不断发展和应用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、柔性化与系统各种性能要求更高。所有这些都对液压系统设计提出了新的要求。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，对于现代液压系统得设计研究人员来说，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1 2 510。通过实验研究液压系统的动态特性可以直观地、真实地了解液压系统动态特性和参数变化，但用这种方法分析系统周期长、费用大，且往往不具有通用性。近年来，控制理论研究的进步及计算机技术的发展为液压系统动态研究开辟了新的途径。数字仿真法便是利用计算机技术研究液压系统动态特性的一种新方法。此方法先是建立液压系统动态过程的数字模型状态方程，然后在计算机上求出系统中各种主要变量字动态过程的时域解15。早在20世纪50年代，Hanpun(1953)和Nightingale(1957)就进行了液压服系统的动态性能分析，采用传递函数法，一般只分析系统的稳定性及频率响应。这种方法只能用于单输入-单输出的线性定常系统中，不足以描述系统内部各变量的特征，也不易处理液压系统中普遍存在的非线性问题。而液压系统一般都存在较多的非线性因素，用传递函数法对其动态特性进行分析具有一定的局限性。70年代初期，国外开始进行液压系统和元件的计算机数字仿真研究。第一个直接面向液压技术领域的专用液压系统仿真软件HYDSIM于1973年在俄克拉荷马州立大学研制成功。1984年，美国俄克拉荷马州立大学又推出了PERSIM；芬兰坦培尔工业大学推出了CATSIM。1994年德国亚琛工业大学推出了DSH+的测试软件，它对1974年推出的DSH进行了较大改进，具有面向液压原理图和模型丰富的优点，增加了人机交换功能，采用了WINDOWS的操作界面1-312。在我国，液压仿真研究是从20世纪70年代开始的。浙江大学于1981年引进了德国DSH软件，并配合国家“六五”、“七五”、“八五”科技攻关计划进行二次开发，推出了Simul/ZD液压仿真专用软件。大连理工大学在国内率先采用了功率键合图建模方法，实现了一种以键合图技术与液压系统基本特点相结合为特征的自动建模方法，开发出了SIM-1液压系统仿真通用软件包1-312。此外还有上海交通大学自主研制开发的针对液压原理图的仿真软件包HYCAD。但总体上国内的仿真软件同国外比还存在很大差距。当前液压系统仿真技术还存在以下的问题23：1、系统建模不易；2、系统仿真精度和可靠性不高；3、仿真模型库不完善；4、仿真软件的通用性不好；5、液压系统仿真技术对用户要求太高。目前，液压系统仿真技术的发展趋势有以下几个方向2：1、深入研究先进的建模方法，以建立更能反映实体的主要特征和运动规律的模型。2、进行面向对象仿真技术的研究。它根据组成系统的对象及其相互作用关系来构造仿真模型。从而弥补了模型与实际系统之间的差距，而且分析、设计和实现系统的观点与人们认识客观世界的自然思维一致，增强了仿真研究的直观性和易理解性。3、开展人机和谐仿真环境的研究。这种方法可以提供更直观的系统仿真框架，使研究主体人产生身临其境的感受。人与虚拟环境之间可以进行多维信息的交互作用，参与者可以获得客观事物的感性和理性认识，从而深化概念和建造新的构想和创意。4、在液压系统仿真技术中引入数据库技术。在液压系统仿真技术中存在大量元件模型，随着科技的发展液压元件又会出现大量新的品种。现代数据库引入可以对模型集中管理，实现数据共享，减少数据冗余。仿真技术作为液压系统或元件设计阶段的必要手段，已被业界广泛认识。液压仿真技术，从诞生到今天，己经有30多年的历史，在我国也有20多年的发展历史。随着流体力学、现代控制理论、算法理论、可靠性理论等相关学科的发展，特别是计算机技术的突飞猛进，液压仿真技术也日益成熟，越来越成为液压系统设计人员的有力工具。1.3论文主要研究内容本论文主要研究以下内容：1、首先将对液压系统常用元件的原理和性能进行分析，这些元件在平面磨床液压驱动系统和长钢轨铺轨机助推器的液压系统中有着十分重要的作用；2、对现代液压系统建模方法做一简单介绍，并以平面磨床液压驱动系统为例重点介绍液压机械建模仿真软件AMESim的应用；3、对长钢轨铺轨机助推器液压系统工作原理进行分析，并以AMESim为平台，对其进行分析建模与仿真。392液压系统及其建模2.1液压元件2.1.1液压泵和液压马达液压泵是液压系统的动力元件，它通过将机械能转化为液压能，向系统提供工作时所需的一定压力和流量的工作液体，使各液压执行部件完成各种规定的动作。液压泵组成密封容积的零件构造不尽相同，配流机构也有多种形式，除阀配流以外，还有轴配流、端面配流机构等，仅它们的工作原理本质上是相似的，都属容积式液压泵。液压马达的作用正好与泵相反，它是利用压力油驱动其中的转子，使马达向外输出旋转运动和扭矩，将液体压力能转化为机械能而驱动机械设备。常用的液压泵和液压马达都是容积式的，其工作原理都是利用容积大小的变化来进行吸油、压油的。图2-1所示为单柱塞泵工作原理图，当电动机带动凸轮1旋转时，柱塞2在弹簧3的推动下外伸，使柱塞与勺缸体4组成的密封容积V由小变大，产生部分真空，大气压力迫使油箱中的油液经吸油管顶开单向阀5进入油腔，这就是吸袖过程；当凸轮旋转驱动柱塞向上移动时，密封工作腔的容积V逐渐缩小，使其中的油液受挤而产生一定压力，顶开单向阀6流向系统中去，这就是压油过程。凸轮不断地旋转，泵就不断地吸油和压油。这样，单柱塞泵就将电动机带动凸轮转动的机械能转换为泵输出液体的压力能。图2-1 单柱塞泵工作原理图1凸轮； 2柱塞； 3弹簧； 4缸体； 5、6单向阀2.1.2液压缸液压缸是一种将液体的压力能转换成机械能，用来驱动工作机构作直线或摆动运动的液压执行元件。液压缸在结构形式上分为活塞式、柱塞式、回转式三大类。1、单活塞杆液压缸的工作原理单活塞杆液压缸又称差动液压缸，当高压油进入缸的无杆腔而使有杆腔通低压时，活塞杆伸出：当高压油进入有杆腔而使无杆腔通低压时，活塞杆退回；当采用差动连接即两腔相通时，就成了差动油缸。2、单活塞杆液压缸的参数计算图2-2 单活塞杆液压缸计算简图a活塞杆伸出； b活塞杆退回； c差动连接如图2-2 a所示：活塞杆向右伸出的速度为 (2-1)活塞杆输出的力为 (2-2)活塞杆向左退回的速度为 (2-3)活塞杆输出的力为 (2-4)当单活塞杆液压缸两腔同时进入相同压力的液压油时，这种连接方式称为差动连接，如图2-2c所示。由于压力油作用面积不同，活塞伸出的推力为 (2-5)因为，则可得活塞的伸出速度为 (2-6)可见，差动连接时，活塞杆的运动速度很大。3、液压缸的数学模型如图2-3为三通口工作缸，若不考虑缸出的排油背压，工作缸活塞的运动方程为 (2-7)图2-3工作缸结构示意图其出口流量方程为 (2-8)式中 F液压缸工作负载；、工作缸有杆腔面积和无杆腔面积；各种摩擦阻力之和；M、x运动部件质量和位移；、油缸进、出口油压；、油缸进出口流量；、进油腔、排油腔液体容积；K油液体积弹性模量。2.1.3流量控制阀流量控制阀是通过改变阀的通流面积大小来调节液阻和流量。流量阀包括节流阀、调速阀等。由流体力学知，流经各节流口的流量一压力特性方程可统一表示为 (2-9)式中 节流口的通流面积；截流口前后压差；节流系数，由节流口形状、流体状态、流体性质等因素决定(对薄壁锐边孔口，为流量系数，为液体密度)；节流指数，薄壁小孔，细长小孔。1、节流阀简式节流阀通过螺纹调节阀芯轴向位移，改变阀口通流面积(开口量)。在节流阀的进出口压力差一定时，流经阀的流量与阀的开口面积成正比。节流阀属于开环控制，在阀开口面积一定的情况下，实际流过阀的流量会随系统的工作负载变化引起的进出口压力差的变化而波动，不能保证流量的稳定。通过节流阀的流量可写成 (2-10)式中 ，节流阀进、出口油压；，系数。为简化系统模型，将节流阀看成一个线性液阻，其简化模型形式为 (2-11)式中 R液阻；G液导。节流阀的特性曲线如图2-4曲线1所示。图2-4 节流阀和调速阀的特性曲线2、调速阀调速阀是由定差减压阀与节流阀串联而成的组合阀。节流阀用来调节通过的流量，定差减压阀则自动补偿负载变化的影响，使节流阀前后的压差为定值，消除了负载变化对流量的影响。图2-5a、b、c所示为调速阀的工作原理图，图形符号和简化符号。图中定差减压阀1与节流阀2串联。若减压阀进口压力为，出口压力为，节流阀出口压力为，则减压阀a腔、b腔油压为，c腔油压为。若减压阀a、b、c腔有效工作面积分别为A1、A2、A，则AA1+A 2。节流网出口的压力由液压缸的负载决定。、图2-5 调速阀的工作原理l减压阀芯； 2节流阀当减压阀闽芯在其弹簧力Fs、油液压力和的作用下处于某一平衡位置时则有 (2-12) (2-13)由于弹簧刚度较低，且工作过程中减压阀阀芯位移很小，可以认为Fs基本不变。故节流阀两端的压差也基本保持不变。因此，当节流通阀流面积AT不变时，通过它的流量q(q=KATpm)为定值。也就是说，无论负载如何变化，只要节流阀通流面积不变，液压缸的速度亦会保持恒定值。调速阀的流量特性如图2-4中的曲线2所示。由图可见，当其前后压差大于最小值以后，其流量稳定不变(特性曲线为一水平直线)。当其压差小于时，由于减压阀末起作用，故其特性曲线与节流阀特性曲线重合。所以在设计液压系统时分配给调速阀的压差应略大于。调速阀的最小压差约为1MPa(中低压阀为0.5MPa)。2.2系统仿真建模的几种主要方法数学模型是人们通过对实际液压系统进行抽象、概括或综合后所得到的数学表达式。数学模型应该具有以下特征：首先它要能反映液压系统实际工作状况，能够准确地表达系统中各参数变量之间的相互关系；其次它要有一个简洁和便于求解的形式，应特别适用于计算机求解1。分析液压系统动态特性所采用的方法有经典的控制理论法、物理模拟法、实验研究法和数字仿真法等。采用经典控制理论一般先对描述系统的物理方程进行拉氏变换，写出传递函数。在复域里研究传递函数的属性，通过相频特性曲线和幅频特性曲线分析系统响应特性和稳定性。但是，这种分析方法只适用于单输入、单输出的线性定常系统，而实际中许多液压元件和系统都是非线性的、时变的。使用这种方法，必须对非线性环节进行简化和线性化，会给分析结果带来误差，因此，经典控制理论的方法有一定的局限性12。通过实验研究液压系统的动态特性可以直观地、真实地了解液压系统动态特性和参数变化，但用这种方法分析系统周期长、费用大，且往往不具有通用性。“灰箱”建模法是一种理论分析与实验辩实相结合的建模方法。它将液压大系统视为灰色系统，其中有些参数如元件或系统的结构参数是己知的，有些性能参数如阀口流量系数是待定的。首先利用数学分析方法根据元件在系统中的作用建立元件(子系统)模型，然后根据系统拓扑结构分析、节点拓扑约束条件和边界条件将子模型组合成液压大系统模型。子模型或大系统模型中的待定性能参数通过对元件或相关系统参数辨识获得。最后组成由状态变量形式表示的液压大系统模型3。数字仿真方法即计算机仿真，该方法首先是建立描述液压系统状态的数学模型，然后通过计算机对液压元件或系统进行数字仿真，求出它们的动态特性和稳定性。这种动态分析与设计方法的数学模型建立依据是元件及其组成的系统中力和运动方程、流体力学和热力学方程，同时还要考虑到油液的黏性变化、压缩性、摩擦特性和管道中非定常黏性阻力等因素，尽管也有一些不确定因素和在一定程度上的近似，但比起经典的控制理论，更能全面地反映系统的真实情况，完整地描述系统整个工作过程的状态变化。利用计算机对液压系统进行数字仿真和动态性能分析的步骤如图2-6所示： 图2-6 液压系统动态特性计算机仿真过程框图由于问题域的扩展和仿真支持技术的发展，系统仿真方法学致力于更自然地抽取事务的属性特征，寻求使模型研究者更自然地参与仿真活动的方法。在这些探索的推动下，系统仿真技术有了一些新的发展趋势，出现了面向对象仿真的技术、定性仿真、智能仿真、分布交互仿真、可视化仿真、虚拟现实仿真等。2.3 液压机械建模仿真软件AMESim2.3.1 建模仿真软件AMESim的功能对液压系统进行仿真首要任务就是建立数学模型，最困难的也是进行建模，然后才可能进行计算机仿真研究，而建模是一件相当复杂的工作。模型建立的好坏直接关系到仿真的结果，不恰当的模型有可能得出相反的结论，但建立者还有可能不知道，从而可能造成巨大的损失。AMESim是法国IMAGINE公司于1995年推出基于键合图的液压/机械系统建模、仿真及动力学分析软件。AMESim表示系统工程高级建模仿真平台(Advanced Modeling Environment for Simulations of engineering systems)。它是基于直观的图形界面的建模平台，在整个仿真过程中系统模拟可以显示在该平台中。AMESim为流体动力(流体及气体)、机械、热流体和控制系统提供一个完善、优越的仿真环境及最灵活的解决方案。使用户能够借助其友好的、面向实际应用的方案来研究任何元件或回路的动力学特性。面向工程应用的定位使得AMESim在航空航天工业、汽车制造和传统液压行业等领域得到了广泛的应用。它由一系列软件构成，其中包括AMESim， AMESet，AMECustom和AMERun，这四部分有其各自的功能和特性3。2.3.2 建模仿真软件AMESim的基本特性目前，AMESim已经成为用于车辆、航空航天以及重型设备工业的多课领域，包括流体、机械、热分析、电磁以及控制等复杂系统建模和仿真的优选平台。AMESim能够从元件设计出发，可以考虑摩擦、油液和气体的本身特性、环境温度等非常难以建模的部分，直到组成部件和系统进行功能性仿真和优化，还可以考虑有控制器构成闭环系统进行仿真，使设计出的产品完全符合实际应用环境的要求。该软件具有以下一些特点6：1、AMESim在统一的平台上实现了多学科领域的系统工程的建模和仿真，包括机械、液压、气动、热、电和磁等物理领域。不同的领域的模块之间的物理连接方式使得AMESim成为多科领域系统工程建模和仿真的标准环境。2、AMESim定位在工程技术人员使用，建模的语言是工程技术语言。仿真模型的扩充或改变都是通过图形用户界面(GUI)来进行，不需要编写任何程序代码。AMESim使得用户可以从琐碎的数学检模中解放出来，从而专注于物理系统本身的设计。3、AMESim保留了数学方程级、方块图级、基本元素级和元件级4个层次的建模方式，不同的用户可以根据自己的特点和专长选择适合自己的建模方式或多种方式的综合使用。4、AMESim提供了线性化分析工具(如系统特征值求解、Bode图、Nyquist图、根轨迹分析)、模态分析工具、频谱分析工具(如快速傅里叶变换FFT、阶次分析Order Analysis、频谱图Spectral maps)以及模型简化工具，以方便用户分析和优化自己的系统。5、AMESim提供了丰富的和其它软件的接口，如控制软件接口(Matlab/Simulink和MatrixX)、多维软件接口(Adams和Simpack, Virtual Lab Motion, 3Dvirtual), FEM软件接口(Flux2D)、编程语言接口(C或Fortran)、实时仿真接口(RTLab, dSPACE)和优化工具接口等。2.3.3 AMESim应用举例分析现以平面磨床的微机电液比例调速系统为例说明AMESim的应用。1、 平面磨床液压驱动回路电液比例调速系统工作原理如图2-7是平面磨床液压驱动回路原理图。该系统要求工作台的驱动装置平稳地进行无级调速，且在较低的工作速度下无爬行；驱动系统有更大的刚度以适应较大切削阻力。本电液比例容积调速系统用于缓进给平面磨床工作台的驱动，并由微型计算机实现对磨床驱动机构的自动控制。系统的油源为限压式变量泵1；其最高工作压力由溢流阀2设定，以防系统过载，单向阀3用于防止油液倒灌；系统的执行器为驱动磨床工作台8左右往复运动的双杆液压缸7，缸的运动方向由三位四通电液换向阀6控制(可调节换向时间)；溢流阀5作背压阀使用，以使工作台运动平稳无前冲；电液比例调速阀4用于液压缸亦即磨床工作台的速度控制。工作台8上设有感应同步器9，用以检测工作台的位移和速度。图2-7 平面磨床液压驱动回路原理图1限压式变量液压泵； 2、5溢流阀； 3单向阀； 4电液比例调速阀6三位四通电液换向阀； 7液压缸； 8磨床工作台； 9感应同步器图2-8所示为微机控制磨床调速系统的原理方框图。 其工作原理为：单片微机的速度设定信号与感应同步器、检测仪表的反馈信号相比较得出的误差信号经控制算法将控制信号由D/A转换器输出，功率放大器进行V/I转换后，通过控制比例调速阀开度大小，使液压泵的压力油进入液压缸推动磨床工作台运动，感应同步器冉将工作台速度信号反馈给微机系统，从而成一个闭环控制周期。图2-8 微机控制磨床调速系统的原理方框图2、模型的建立与仿真分析(1) 创建所需元件AMESim专门为液压系统建立的标准仿真模型库中缺少比例调速阀和中位机能为O型的三位四通电磁换向阀，需要自己创建。创建新元件有两种方法，一种是在AMESet中添加新的元件符号和新的子模型，但是这种方法仅适合于AMESim专家，因为它涉及的问题非常广泛而且相当复杂，要求创建者必须具备多种技能。第二种方法就是用液压元件设计库(HCD)中的模型来搭建新元件，然后设置参数，创建超级元件模型，在简易系统中进行仿真，如果达到性能要求即可将之应用到实际系统中。在此将用第二种方法来创建以上两个元件。首先，在AMESim中建立一个新的元件库；再在AMESet中分别绘制比例调速阀和中位机能为O型的三位四通电磁换向阀的元件图标并保存，以备建立超级元件后调用。元件图标可以自己画出，或是在原有模型图标的基础上修改；中位机能为O型的三位四通电磁换向阀是在标准库中H型换向阀的基础上修改的，比例调速阀是在可变节流阀基础上修改的，如图2-9分别为比例调速阀和O型中位机能的三位四通阀的图标： 图2-9 调速阀和O型中位机能的三位四通阀的图标根据调速阀的工作原理，可以用节流阀和减压阀组成其模型。在AMESim中建立的系统模型如图2-10所示：图2-10 比例调速阀超级元件的模型然后利用超级元件功能将如图所示的系统做成新元件的背后模型，此时，所画的新元件背后就有了数学模型，可以和标准库中的元件一样正常使用。用同样的方法建立中位机能为O型的三位四通电磁换向阀超级元件，其系统模型如图2-11所示：图2-11 中位机能为O型的三位四通电磁换向阀超级元件模型(2) 搭建系统模型根据系统原理图选择相应的元件，在AMESim中搭建系统模型，如图2-12所示：图2-12 平面磨床液压驱动回路电液比例调速系统模型左端的分段线性信号源(UD00-1)用来给定期望速度信号；分段线性信号源(UD00-2)用来控制电磁换向阀；分段线性信号源(UD00-3)用来模拟执行机构(液压缸)驱动的负载阻力。给定信号和速度传感器的反馈信号做比较得到偏差信号，然后输入PID调节器。因为PID调节器的输出信号范围可能会超过调速阀输入信号要求的范围，为了与实际情况相符，用饱和度元件(SAT0-1)将信号限定在01之间再输入给调速阀。各元件的子模型只需选择系统默认最简单的子模型即可。(3)系统参数设置系统的参数按照表2-1进行设置，其他参数使用默认值即可。表2-1 系统参数列表参数名参数值参数名参数值(液压缸)piston diameter60，mm(液压缸)diameter of rod port 1 end25，mm(液压缸)diameter of rod port 2 end25，mm(液压缸) total mass being moved100，kg(速度传感器)gain for signal output60，s/m(放大器)value of gain60(饱和度) minimum permitted value0(饱和度) maximum permitted value1(节流阀)corresponding pressure drop5，bar(减压阀)spring pretension5，bar(限压溢流阀)relief valve cracking pressure30，bar(背压溢流阀)relief valve cracking pressure10，bar (4) 仿真分析在运行模式(run mode)中的运行参数(run parameters)中设置运行时间为6s，采样周期为0.001s。将给定速度信号设为04s由0上升到0.001m/s然后保持不变；负载阻力设为1000N；分段线性信号源(UD00-2)设为1，即换向阀置于左位。下面要做的是仔细调整PID调节器的参数，使系统得到最优的动态响应。在proportional gain=10；integral gain=1；derivative gain=0.1时活塞杆输出速度及其与期望输出的关系如图2-13，图2-14所示。图2-13 活塞杆输出速度和期望输出速度图2-14 期望输出速度与活塞杆输出速度的差可见，系统在变速过程和匀速过程有较大的误差。在proportional gain=1000；integral gain=500；derivative gain=0.01时活塞杆输出速度及其与期望输出的关系如图2-15，图2-16所示。图2-15 活塞杆输出速度和期望输出速度图2-16 期望输出速度与活塞杆输出速度的差可见，此时系统不稳定，整个过程都有严重的震荡，而且变速过程的跟随性能较差。在proportional gain=10；integral gain=100；derivative gain=0.1时活塞杆输出速度及其与期望输出的关系如图2-17，图2-18所示。图2-17 活塞杆输出速度和期望输出速度图2-18 期望输出速度与活塞杆输出速度的差可见，此时系统没有稳态误差，但是变速过程的跟随性能较差。经过反复修改PID调节器的参数，最终确定为proportional gain=1000；integral gain=500；derivative gain=1。此时活塞杆输出速度及其与期望输出的关系如图2-19，图2-20所示。图2-19 活塞杆输出速度和期望输出速度图2-20 期望输出速度与活塞杆输出速度的差AMESim对液压系统进行仿真时，不仅系统整体结构的数学模型起着决定性作用，各个元件子模型中的结构参数也同样重要。尤其是在几个参数相互影响时，合理的设定这些参数往往比较困难。因此，设置参数、分析结果并修改参数是仿真中的重要环节。比如在这个系统中：增大积分增益有利于消除稳态误差，但是会降低跟随性能和造成不稳定；而增大微分增益有利于提高响应速度提高跟随性能，但是会产生稳态误差。增大比例增益有利于提高响应速度和减小稳态误差，但也可能造成不稳定。三个参数合理搭配才能得到合适的结果。3长钢轨铺轨机助推器工作原理铁路运输是国民经济的大动脉。为了适应现代铁路高速化的发展，在铁路建设装备和运输设备中大量使用了液压技术。液压技术在我国铁道工程中应用很广。特别是近些年引进的隧道施工中的液压凿岩台车、岩石掘进机、轮胎式装载机、立爪装渣机、喷浆机械手、混凝土衬砌模板台车以及养路机械中的轨行式道渣清筛机、起拔道捣固机、道床整形机、夯实机、连续闪光钢轨对焊机等成套设备，都大量采用液压技术，并向计算机控制的方向发展。本章将对本文要研究的长钢轨铺轨机助推器液压系统工作原理进行分析。3.1主机功能结构铺轨机组是一次性铺设跨区间无缝铁路的专用轨道工程机械设备如图4-1所示，对铁路列车平稳性和安全性起着重要的作用。钢轨助推器4是铺轨机的重要工作部件，具有钢轨推送和助推两种功能。推送钢轨时，将两根长钢轨2从铺轨专用平车(又称小车)3上平行推送到牵引车1的后端，待两根长钢轨与牵引车拖拉架连挂后，牵引车拖动两根长钢轨行走；助推钢轨中，当行走过程中路面阻力不断增加时，助推器对钢轨不断施加助推力，保证两根长轨顺利拖出平车。由于牵引车的牵引速度随牵引阻力不断变化而变化，要求助推器能够自动适应(跟踪)牵引车运行状态的变化，使牵引和助推速度保持同步。为此，助推器采用了液压驱动及恒功率调速。图3-1 铺轨机的结构示意图1钢轨牵引车； 2待铺设钢轨； 3钢轨专用平车(小车)； 4钢轨助推器； 5铺设的钢轨图3-2所示为助推器的结构示意图，底座1和机架7构成助推器的框架，底座上装有前、后托辊2、5，前、后导向辊3、6，驱动辊4由液压马达10通过齿轮机构驱动，加压辊9由装在机架7上的液压缸8驱动。工作时，长钢轨从前导向辊3经前托辊2进入助推器后，加压辊9将钢轨压紧在驱动辊4上；驱动辊产生摩擦驱动力使钢轨经后托辊5、后导向辊6离开助推器，向前运动。工作中，推力应能无级调节。图3-2 助推器的结构示意图1底座； 2前托辊； 3前导向辊； 4驱动辊； 5后托辊； 6后导向辊7机架； 8加压液压缸； 9加压辊； 10液压马达3.2 液压系统及其工作原理助推器的液压系统原理图如图3-3所示，系统的执行器为加压液压缸8(2个)和驱动辊双向定量液压马达12(2个)，液压缸和液压马达采用两个独立的液压回路，分别用双伸轴电动机M驱动的定量液压泵l和恒功率变量泵2供油。泵1和泵2的压力分别由溢流阀3和溢流阀4设定；缸和马达的运动方向分别由三位四通电磁换向阀5和6控制；立置液压缸7由单向顺序阀6防止加压辊自重的作用直接对钢轨造成冲击；蓄能器11用于系统保压；液控单向阀9用于保压后释压，电接点压力表10用于控制保压期间液压泵1向系统的自动补油过程。单向阀14(4个)和溢流阀13用于液压马达的双向缓冲。阀5、阀6均为M型中位机能，故泵1和泵2均可通过其中位实现卸荷。系统的工作原理如下：(1) 加压缸回路 当电磁铁1YA通电使换向阀5切换至右位时，定量泵1压力油经阀5和液控单向阀9进入加压液压缸7无杆腔(有杆腔经阀7的顺序阀和阀5向油箱排油)并向蓄能器11充液，缸7的活塞杆驱动加压辊下降对钢轨加压，当压力上升到电接点压力表10的上限触点设定值时发信，电磁铁1YA断电使换向阀5复至中位，泵1卸荷，系统由蓄能器11保压；保压过程中，如果因泄漏压力下降到压力表8的下限触点设定值，则电磁铁lYA通电，液压泵1又向液压缸7补油，使压力回升到上限调定压力。液压缸回程时，电磁铁2YA通电使换向阀5切换至左位，液压泵1的压力油经阀5和阀7的单向阀进入缸8的有杆腔，同时导通液控单向阀9使无杆腔释压，活塞杆驱动加压辊上升实现回程。图3-3 助推器液压系统原理图1定量液压泵；2恒功率变量泵；3、4、13溢流阀；5、6三位四通电磁换向阀；7单向顺序阀8加压液压缸；9液控单向阀；10电接点压力表；11蓄能器；12双向定量液压马达；14单向阀(2) 驱动马达回路 当电磁铁3YA通电使换向阀6切换至左位时，变量泵3的压力油经阀6进入双向定量马达12，马达正向转动，通过齿轮机构使驱动辊依靠摩擦力推送钢轨前进；电磁铁4YA通电使换向阀6切换至右位时，则反向推送钢轨。换向阀6中位马达12制动或因冲击负载作用时，高压油路压力升高，单向阀14和溢流阀13被打开，释放部分压力油回到低压油路，以保护管路及元件并避免了低压油路吸空。当牵引车速度小于驱动辊线速度时，驱动辊将打滑，导致液压系统压力上升、恒功率变量泵3压力上升，排量减少，直至液压马达与牵引车线速度相同，即助推器与牵引车自同步。当时驱动辊在钢轨的施动下转速增加，使恒功率变量泵压力下降，排量增加，直至助推器速度与牵引车速度相适应。3.3 部分参数列表助推器及其液压系统部分技术参数如表3-1所示。表3-1 助推器及其液压系统部分参数列表项目参数单位助推器推送钢轨型号60Kg/m钢轨长度300m加压辊直径150mm驱动辊直径300钢轨推送速度15m/min总下压力56.6kN总驱动力28总驱动力矩4.2Nm液压系统功率20kW4基于AMESim的长钢轨铺轨机助推器的仿真研究4.1创建所需元件AMESim专门为液压系统建立的标准仿真模型库中缺少中位机能为M型的三位四通电磁换向阀和恒功率变量泵模型。在建立系统模型之前先要自己创建这两个元件的超级元件模型。4.1.1 M型三位四通电磁换向阀超级元件的建立其元件图标和利用液压元件设计库(HCD)中元件建立的系统模型如图4-1所示。为方便，在将系统复制为超级元件之前，将flapper nozzle valve元件的opening corresponding to zero displacement参数设为6mm。以后在调用此阀模型时就不必在修改参数了。图4-1 M型三位四通电磁换向阀超级元件图标和系统模型4.1.2恒功率变量泵超级元件的建立1、其元件图标和系统模型如图4-2所示。 图4-2 恒功率变量泵超级元件的图标和系统模型其系统模型是在普通变量泵加压力反馈组成的。假设变量泵的额定流量为，输出压力为，其功率为，反馈函数为，则有： (4-1)所以 (4-2)为参数设置方便，将压力传感器增益设为，则函数应为： (4-3)修改P的值就可以方便直观地改变变量泵的功率。2、其功能的验证搭建如图4-3模型。按照式4-2，4-3将功率设定为15kW；分段信号源010s输出由1逐渐变为0.2；电机转速1000rev/min。 图4-3 验证方案模型 图4-4 系统功率曲线 点击开始仿真，发现无法运行。分析可知，0时刻系统压力为0bar，即x=0，此时式4-2没有意义。为了避开此错误，将压力偏差设为(-1e-006)。然后运行仿真，利用图形管理器根据式4-1得到功率曲线如图4-4所示。虽然系统功率在6s后开始出现偏差，但此时系统压力已经达到520bar以上，而仿真过程不需要达到如此高的压力，因此恒功率变量泵超级元件性能可靠。4.2 搭建系统模型与仿真分析因为助推器液压系统采用双泵双回路，加压缸和驱动马达的工作互不干扰。所以对加压缸回路和驱动马达回路单独建模仿真。4.2.1 加压缸回路的建模与仿真1、模型搭建与子模型的选择在AMESim中搭建加压缸回路模型如图4-5。用带有质量块的单杆双作用液压缸模拟加压缸，其质量用来模拟加压辊和活塞的质量。直线运动弹性接触模型用于模拟，加压辊与钢轨相对关系。加压缸下压的过程中，当加压辊与钢轨没有接触时，它们之间没有相互作用。一旦相接触就是一个刚性和阻尼都很大的弹簧阻尼系统。用压力传感器和触发器模拟电接点压力表。各元件的子模型选择系统默认最简单的模型即可。图4-5 加压缸回路模型图2、系统参数设置按照表4-1对模型各元件的参数进行设置。表4-1 加压缸回路参数列表参数名参数值参数名参数值(电机) shaft speed1000，rev/min(定量泵) pump displacement20，cm3/min(定量泵) typical speed of pump1000，rev/min(限压溢流阀) relief valve cracking pressure220