基于AMESim气液联合式液压冲击器的建模与仿真

1、第 25卷第 4期 2011年 12月上 海 工 程 技 术 大 学 学 报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 文章编号 :1009-444X (2011 04-0292-04收稿日期 :2011-10-13基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (50975169作者简介 :陈 博 (1985- , 男 , 在读硕士 , 研究方向为车辆液压传动与控制 . E -m a i l :c h e

2、 n b o 2007163. c o m基于 A M E S i m 气液联合式液压冲击器的建模与仿真陈 博 , 杨国平 , 高军浩(上海工程技术大学 汽车工程学院 , 上海 201620摘要 :在分析液压冲击器工作原理的基础上 , 利用多学科领域复杂系统仿真平台 AM E S i m 搭建 了气液联合式液压冲击器的仿真模型 .通过设定不同仿真参数 , 得到不同工况下活塞的位移 、 速 度 、 加速度及前后腔压力变化曲线 . 仿真结果可为液压冲击器元件的选型和参数优化提供依据 . 关键词 :液压冲击器 ; 工作原理 ; AM E S i m 仿真 中图分类号 :T H 137. 5 文献标志

3、码 :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 液压冲击器是液压破碎锤 、液压凿岩机等液压 冲击机械的核心工作装置 , 其以液压为动力源 , 直接 或间接驱动活塞往复运动 , 靠活塞冲程时的动能冲 击钎杆 , 对物体产生破碎

8、作用 . 液压冲击器按驱动活 塞冲程做功的动力来源可分为全液压式 、 氮爆式和 气液联合式 3类 ; 按配流方式可分为自配流和强制配流两大类 ,强制配流是通过电子信号等控制配流 阀实现油路的转换 , 自配流则是通过冲击器结构中的控制油路匹配实现配流 1.对液压冲击器的研究 主要包括结构设计改进 、 控制方式 、 计算机仿真 、 性 能测试 、制造工艺和基础理论等 , 其研究成果对液压 冲击机械的设计 、 制造与发展具有重要意义 . 第 4期 陈 博 , 等 :基于 AM E S i m 气液联合式液压冲击器的建模与仿真 1 工作原理与动力学模型1. 1 工作原理前腔常高压 、 后腔变压回油的气

9、液联合式液压 冲击器是目前最为常用的结构型式 , 基于行程反馈 控制的气液式液压冲击器工作 原理 , 如图 1所示 . 其主要由冲击机构 、 配油机构 , 以 及 连接它们的油 道 、 管路等构成 . 其中 , 冲击机构由冲击活塞 、 氮气 室和缸体等部件组成 , 配油机构由换向阀阀芯和阀 体等部件组成 2-3.1 回程 (回程加速 、 回程制动 回程包括 回 程 加 速 和 回 程 制 动 两 个 阶 段 . 如 图 1所示 , 高压 油 进 入 活 塞 前 腔 时 , 活 塞 后 腔 通 回 油 , 活塞向上运动 , 压缩氮气室中的氮气 , 在信号口 C 处通高压油之前 , 活 塞做 回

10、程 加 速 运 动 ; 当 活 塞 运动至信号口 C 处 并 与 前 腔 高 压 油 相 通 时 , 在 高 压油作用下换向阀换向 , 切换油路 , 活塞前后腔均 通高压油 , 后腔的作用面积大于前腔 , 活塞在惯性 作用下继续上移 , 作回程减速运动 , 直至运动到活 塞上止点 , 回程结束 .图 1 液压冲击器工作原理图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 冲程 (冲程加速 、 冲击停顿 冲程阶段 , 活塞前后腔均通高压油 , 构成差动回 路 . 在活塞前后

11、腔油液和氮气室气体的作用力下 , 活 塞作冲程加速运动 , 直至冲击停顿 , 冲击过程结束 , 换向阀换向 , 进入下一个周期的回程初始状态 . 1. 2 动力学模型依据液压冲击器的工作原理 (图 1 , 假设系统 压力恒定 , 油液不可压缩 , 黏度不变 , 氮气室绝热 ,根据动力平衡 、 流体连续性原理和气体状态方程 , 液压冲击机构运动的数理方程可描述如下 4: 1 活塞动力学方程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 换向阀阀芯动力学方程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 氮气室绝热状态下气体状态方程p N V 1. 4N =p 0V 1. 4式中 :m P , m V 为活塞 、 阀芯的质 量 ; S P , S 

13、3;P , S ··P 为 活塞位移 、 速度 、 加速度 ; S V , S ·V , S ··V 为阀芯位移 、 速度 、 加速度 ; P i , V i 为活塞与缸体 、 阀芯与阀体的 配合间隙 ; P i , V i 为活 塞 、 阀 芯的偏心率 ; d P i , d V i 为 活塞 、 阀芯各接触柱面的直径 ; 为液压油动力 黏 度 ; l P i , l V i 为活塞 、 阀芯各段密封长度 ; p N 为氮气室 压力 ; p i 为压力差 ; p 1, p 2, p 3为活塞前腔 、 后腔 、 换向阀前腔压力 ; A P 1,

14、 A P 2, A P 3为活塞前腔 、 后 腔 、 氮气室的承 压 面 积 ; A V 1, A V 2为 换 向 阀 前 、 后 腔 的 承压面积 ; p 0为氮气室充气压力 ; V N , V 0为氮气室 工作瞬时容积 、 氮气室初始容积 .1. 3 数值计算在上述数学模型的基础上 , 忽略换向阀的换向 时间 , 忽略系统的泄漏以及配合间隙对活塞运动规 律的影响 . 设系 统 压 力为 14M P a , 活 塞 行 程 为 60 m m , 代入相关参数 , 利用 M a t l a b 软件进行数值计 算 , 可得到在一个工作循环周期内活塞位移与速度 变化曲线 , 如图 2所示 .2

15、 A M E S i m 建模与仿真比利时 L M S 公司的 AM E S i m 提 供 了 一 个 完 整的 , 对多领域智能系统进行建模和分析的一维仿 真平台 , 并预测其多学科专 业耦合性能 , 模 型 中的 元件 通 过 代 表 系 统 中 液 压 、 气 动 、 电 子 和 力 学 性 能的解析模型来描述 . 通过不同的应用库创建基于 ·3 9 2· 上 海 工 程 技 术 大 学 学 报 第 25卷 图 2 活塞位移与速度变化曲线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物理学的系统 模 型 , 可 以 在 给 出 详 细 有 效 的 C A D几何模型之前 , 准确地仿真系统的性能 5.2. 1 仿真模型的建立根据液压冲击器的工作原理 , 假定系统压力恒 定 , 综合运用 AM E S i m 中的液压库 、 液压元件设计 (H C D 库 、 控 制 库 , 建 立 AM E S i m 仿 真 模 型 , 如 图 3所 示 . 其 中 , A 为 模 拟 冲 击 器 油 缸 部 分 , 运 用 AM E S i m 中的 H C D 库进行搭建 ; B 为模拟氮气室 作用力 , 由恒压源提供系统供油压力 .图 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 仿真结果与分析设定仿真模型中恒压源分别 为 10M P a 和 14 M P a , 仿真时间为 0. 2s , 仿 真 步 长 为 10-5 s , 运 行 仿真 , 得到冲击活塞位移 、 速度 、 加速度随时间变化 的曲线 , 如图 4所示 .图 4 供油压力为 10和 14 M P a 时活塞的位移 、 速度与加速度变化曲线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 由图 4可以看出 , 在系统供油压力提高时 , 活 塞行程 、 冲击 速 度 明 显 增 大 . 供 油 压 力 为 10M P a 时 , 活塞行 程 为 54. 3m m , 冲 击 末 期 速 度 为 6. 51 m /s ; 供 油 压 力 为 14M P a 时 , 活 塞 行 程 为 64. 7 m m , 冲击末期速度为 7. 69m /s . 将 A

19、M E S i m 仿真 模型得到的活塞速度曲线与图 3所示的基于简化 模型计算 得 到 的 速 度 曲 线 对 比 可 知 , AM E S i m 仿 真得到的冲击末期速度小于 M a t l a b 数值计算所得 到的数值 , 主要原 因 是 在 AM E S i m 仿 真 模 型 的 参 数设置时 , 已将活塞与缸体 的摩擦阻尼 、 换 向 阀的 影响等因素考虑进去了 . 图 1中 , 信号控制口 C 处 的位置固定 , 系统供油压力 提高时 , 活塞前腔液压 作用力增大 , 回程加速末期 速度增大 , 即回程减速 初始速度增大 , 故其行程增大 . 冲击过程中 , 供油压 力增大时

20、 , 活塞受氮气作用力和油液作用力所作的 功增大 , 故其冲击末期速度也增大 .液压冲击器工作时活塞始终处于剧烈的变速运 动状态 6, 当系统压力为 14M P a 时 , 其最大加速度 接近 600m /s 2, 如图 4(c 所示 . 冲击器的活塞始终处 于剧烈的变速运动状态 , 驱动它的传动介质的流动 属于变化非常剧烈的非恒定流动 , 其压力变化也非 常剧烈 , 前后腔压力随时间的变化曲线如图 5所示 .·4 9 2· 第 4期 陈 博 , 等 :基于 AM E S i m 气液联合式液压冲击器的建模与仿真 图 5 供油压力为 10 M P a 时前后腔压力曲线 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 图 6为不同活塞质量的 液压冲 击 器的仿 真曲 线 . 从图中可以 看 出 , 活 塞 质 量 为 13. 26k g 时 , 冲 击末期最大速度为 6. 48m /s , 冲击能为 E 1=0. 5×13. 26×6. 482=278. 40J ; 活塞质量为 20k g 时 , 冲 击末期最大速度为 5.

22、41m /s , 冲击能为 E 2=0. 5×20×5. 412=292. 68J . 液 压 冲 击 器 在 其 他 参 数 相 同的情况下 , 适当增加活塞质量 , 活塞的冲击末期 速度将减小 , 周期变长 , 冲击能变化并不明显 .图 6 活塞质量为 13. 26和 20 k g 时的速度曲线 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 结 语液压冲击器工作时 , 活塞处于剧烈的变速运动 状态 , 其加速度可达重力加 速度的几百倍

23、, 产 生 很 大的惯性力 . 冲击器活塞和换向阀的反馈控制不是 确定的机械反馈控制 , 而是基于活塞行程的反馈控 制 , 换向阀与活塞通过油液 传递相互控制 , 通 过 冲 击器结构中的控制油路实现配流 , 液压冲击器是一 个具有位置反馈的阀控活塞系统 . 在一个工作周期 中 , 活塞运动可分为回程加速 、 回程制动 、 冲程加速 和冲击停顿等 4个阶段 ; 换向阀阀芯的运动分为回 程换向 、 停顿 、 冲 程 换 向 等 阶 段 . 利 用 AM E S i m 建 立液压冲击器的仿真模型 , 可以较为直观地体现液 压冲击器的构造与工作原 理 , 同时可以考量泄漏 、 摩擦等因素 , 通过改变仿真 参数 , 对液压冲击器的 性能进行仿真分析 , 为液压冲击器的元件选