基于Matlab／Simulink的液压增力装置动态特性研究.pdf

2 0 1 1年 3月 第 3 9卷 第 5期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS M a r ． 2 01 l Vo 1 ． 3 9 No ． 5 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 0 5 ． 0 3 9 基于 M a t l a b ／ S i m u l i n k的液 压增 力装置动态特性研究 姜芳，葛汉林 辽宁石油化工大学 ，辽宁抚顺 1 1 3 0 0 1 摘要论述了液压增力装置的工作原理，推导出增力装置的状态方程，利用 Ma t l a b ／ S i mu l i n k对状态方程模型进行仿真 分析。重点研究不同负载、泄漏系数对系统动态特性的影响，为提高液压增力装置的性能提供参考。 关键词液压增力装置；动态特性；仿真 ；泄漏 中图分类号 T H 1 3 7 ． 7 文献标识码 A 文章 编号 1 0 0 I 一 3 8 8 1 2 0 1 l J 51 1 53 Re s e a r c h o n Dy na mi c Cha r a c t e r i s t i c s o f Hy dr a ul i c Fo r c e - i nc r e a s i ng De v i c e Ba s e d o n M a Ua b ／S i mul i n k J I ANG F a n g ， G E Ha n l i n L i a o n i n g S h i h u a U n i v e r s i t y ，F u s h u n L i a o n i n g 1 1 3 0 0 1 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e wo r k i n g p rin c i p l e o f t h e h y d r a u l i c f o r c e i n c r e a s i n g d e v i c e wa s n a r r a t e d ．B a s e d o n t h e ma t h e ma t i c mo d e l o f f o r c e i n c r e a s i n g d e v i c e s e t u p b y s t a t e e q u a t i o n， t h e s i mu l a t i o n a n a l y s i s o f s t a t e e q u a t i o n mo d e l wa s ma d e wi t h Ma t l a b ／ S i mu l i n k ．T h e i m p a c t s o f d i f f e r e n t l o a d s a n d l e a k a g e c o e f f i c i e n t s o n t h e d y n a mi c s c h a r a c t e ris t i c s o f t h e s y s t e m w e r e f o c u s e d O i l ． I t p r o v i d e s r e f e r e n c e f o r i mp r o v i n g t h e p e r f o r ma n c e o f h y d r a u l i c f o r c e i n c r e a s i n g d e v i c e ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c f o r c e i n c r e asi n g d e v i c e ； D y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s ； S i mu l a t i o n；L e a k a g e 液压增 力 装置 主要 由输 出缸 和增 压缸 两部 分组 成 ，其 增压原 理是 利用 活塞和柱塞 有效 面积的不同使 液压 系统 中的局部 区域获 得高压 。泄漏 是增力装 置最常见的问题之一 。作者首先推导了液压增力装 置的状态方程 ，建立了基于 S i m u l i n k的仿真模型，并 对其进行了动态特性仿真分析 ，为提高其性能和改进 设计提供参考 。 1 液压增力装置原理 图中缸 1 为输 出缸 ，其右 腔为增 压腔 ，缸 2为增 压缸。当换 向阀 3电磁 铁 2 D T通 电 ，油 口2进油 ，活 塞杆受液压推力向左快进至工作位置，此时缸 1 右腔 压力增 高。 当控 制 系统 监 测 到 压 力 达 到 一定 值 时 ， 2 D T断电，换向阀3处于中位 ，缸 1 左腔通过节流阀 5与油箱相连 ，右腔被液控单 向阀 1封闭 关 闭油 口 2的进油 。此时换 向 阀 4电磁 铁 4 D T通 电 ，增压 缸 2上的油 口 4 进 油 ，开始增压 行程 。缸 2的活塞 向左 运动，缸 1的右腔液体受到压缩，产生很高的液压 力。因此 ，缸 1活塞杆向左运动，并输出很大的力； 缸 1 活塞杆 的运动速度 由缸 2控制 ，可 以以很低 的速 度向前运动；在增压缸 2的活塞杆上安装位移传感 器 ，考虑油液压缩和泄漏 ，可 间接计算缸 l 活塞杆 的 位移 。 缸1 图 1 液压增力装 置液压系统图 2 液压增力装置的数学模型 根据 图 1 对 系统进行建模 。建模 时忽略缸 2右 腔 泄漏 ，缸 1 右腔和缸 2左腔压力较高 ，必须考虑其泄 漏 。节流 阀 5作用很小 ，可 以忽略其影响 。利用流量 和力平衡关 系得 到以下方程 1 输 出缸 1右侧 流量方程 考虑 泄漏 挚4 m一 c 挚。 1 收稿 日期 2 0 1 0 0 2 0 8 作者简介姜芳 1 9 7 6 一 ，硕士，讲师，研究方向为机电液一体化。电话1 3 5 0 0 4 3 3 6 0 1 ，E ma i l 5 o 8 j f 1 6 3 ． c o n。 1 1 6 机床 与液压 第 3 9卷 式中 D 2 为缸 2位移 ；A 为缸 2活塞杆 面积 ；A 为 缸 1 活塞 面积 ；V 为缸 1右腔 容积 ；P 为缸 1 右 腔 压力 ； P 2 2 为缸 2左 腔压力 ；5 e 为油 液 弹性 模量 ；C 。 为缸 1 右腔到缸 2左腔的泄漏系数 ；C 为缸 1 右腔至 缸 1 左腔的泄漏 系数 ；X 。 为缸 1 位移。 2 输 出缸 1 力平衡方程 PI l AI r n 1 d d 2 X p ____L B pl d X F 2 式 中 m 为缸 1 活塞质量 ；B p l 为缸 1 黏性阻尼系数 ； 为负载力 。 3 换 向阀 4出油 口的流量方程 Q c a √ p s _ p 2 3 式 中 C 为流量系数 ；A 为阀 4开 口通流量面积 ； P 为油液密度 ； P 为供油压力 ；P 。 为缸 2右腔压力 。 4 增压缸 2右腔 的流量方程 忽略泄漏 ， ㈩ 式 中X D 2 为缸 2 位 移 ；A 为缸 2活塞 面积 ；I ， 2 。 为缸 2右腔容积 ； P 为缸 2右腔压力 。 5 增压缸 2左腔 的流量方程 考虑泄漏 挚 V 22 alP 22 5 式 中 为缸 2左腔容积 。 6 换 向阀 4回油 口流量方程 Q zz a4 √ 6 7 增压缸 2的力平衡方程 p 2。 _ p l 警 7 式 中 m 为缸 2 活塞质量 ；B 。 为缸 2 黏性阻尼系数。 由式 1 得 V I I d pl 1 挚 _ c ll _ p 22 - C a p n 一 d X pj 8 由式 2 得 m d d 2 X ￡ p ip ， A，-B pl d Xp ] 一 F 9 由式 3 和 4 可得 ， 由式 5 和 6 可得 挚3 c l V 22 dp 22 c 【IA 1 1 由式 7 得 m _ p _ p 2 - p l xA 4 警 12 设 状态变量 XI P 2 1 ； p 2 ’ ； ； 警； 。； ； 墨 由式 8 一 1 2 可 得 控制 系 统 状 态方 程 如 下 C aA 6耔 13 c f A 1 4 墨 X 4 1 5 蜀 [ t X 2 A 一X 7 A 一 p 2 ] 1 6 1 7 X 6 - X 7 A 一B n X 6 一F t 1 8 葺 [ A 一C tl 一 一c 一 X 6 A 1 ] 1 9 3 控制系统仿真 M a t l a b ／ S i m u l i n k工具箱是一个动态仿真工具 ，它 可 以完成相 当复杂 的控制系统的模型构建 、仿真和分 析校正 ，能直观 、快捷地得 到希望的参数 。 3 ． 1 缸 1受阶跃 负载力时的响应 图 2是 缸 1 受 阶跃 负 载 力时 的 动态 响 廊 曲线 1 一 ● 重 曼 寇 ‘ 瑙一 1 ．1 f 时 I司， s 时 l司／ s a 位 移 响应 曲线 b 速度 响 应 曲线 图 2 缸 1 受 阶跃负载力时的响应曲线 图 2 a 是缸 1 的位 移响应 曲线 ，由于负载作 用和泄漏影响 ，缸 1 活塞杆瞬间后移 ，经过几次振荡 调整后 ，再 以线性 的趋势缓慢 前移 。图 2 b 是缸 1 的速度响应曲线 ，缸 1 突然遇 到负载 ，又被施 以高 压推力，其活塞杆速度先是反向减小，经过几次振荡 调整后稳定 在一个较小的值上。 3 ． 2 缸 1克服剪切 负载力时的响应 剪切力负载 ，即负载在剪切 过程 中不断增加 ，剪 第 5期 姜芳 等 基于 Ma t l a b ／ S i m u l i n k的液压增力装置动态特性研究 1 1 7 断后瞬间下降的情况。图3是缸 1 克服剪切负载力时 的动态响应 曲线 。 言 一 出 ／ 昌 三 越 姻 ． 时 间 ／ s 时 『司／ s a 右 腔压 力 曲线 b 速度 响应 曲线 图 3 缸 1受剪 切负载力时 的响应 曲线 可看 出 随着 负载力的不断增大 ，缸 1 右腔压力 不 断增 大 ，在克 服负载的瞬间油腔压力快速减小 ，振 荡后缸 1 右腔 的压力减小 到零 。液压缸 由于泄漏和油 ．液压缩 的原 因 ，活塞杆 刚开始 有微量后退 ，在克服负 载过程 中 ，油缸 位移 增大 。图 3 b 为缸 1的速 度 响应 曲线 ，刚开始 时缸 1的速度很低 ，速度经过调 整 之后又下 降到很小值 。3个参数 的变化有较 明显 的振 荡特性 。 3 ． 3 液 压缸 泄 漏 系数 改 变时 的响应 对液压系统来说 ，液压缸 的泄漏是 比较 常见 的故 障 ，泄漏系数是一个重要的参数 。图 4是改变液压 缸泄漏系数后 ，缸 l 活塞杆的位移响应 曲线 。 时 间， s a 泄漏 系 数较 小 时 间／ s b 泄漏 系数 较 大 图4不同泄漏系数时缸 1 活塞杆 的位移 响应 曲线 可看 出，泄漏系数较小 时 ，缸 1的活塞杆遇 到负 载后瞬 间后退 ，经过振荡调整 ，再 以线性趋势缓慢前 移 ；而 当泄漏系数较大时 ，缸 1 的活塞杆遇到负载后 由于泄漏，活塞杆将后退 ，使液压缸不能正常工作。 4结束语 Ma t l a b ／ S i m u l i n k 工具包是对液压 系统动 态特性进 行仿真研究 的强有力 的工具 ，特别是对各种负载 的加 载模拟具有很大的优越性 。从对 阶跃负载力和剪切负 载力进行仿 真得 到 的 曲线 图 2 、3 中可 以看 出 ， 负载不 同时系统的动态特性将发生很大 的变化 。 由于液压增力装置工作在超高压状态，泄漏是液 压系统工作特性的第一影响 因素 。泄漏达到一定程度 时 ，泄漏量的微小变化将会对活塞杆位移产生很大影 响 ，严 重时液压缸将不能正常工作 。所以解 决泄漏 问 题 ，合理选择 泄漏系数 ，将 有效改善液压增 力系统 的 工作特性 。利用 状态方程建立的数学模型和仿真试 验 所得到的曲线为液压增力系统的分析和设计提供了较 好 的参考依据 。 参考文献 【 1 】孙时建 ， 田敬刚， 石明． 液压缸结构设计探讨 [ J ] ． 山东 冶金 ， 2 0 0 1 ， 2 3 3 1 51 7 ． 【 2 】仇宏程． 一种新型气液增力缸及其应用[ J ] ． 液压与气 动 ， 2 0 0 2 6 2 7 2 8 ． 【 3 】 黄迷梅． 液压气动密封与泄漏防治[ M ] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 3 ． 【 4 】蔡廷文． 液压系统现代建模方法[ M] ． 北京 中国标准出 版社 ， 2 0 0 2 ． 【 5 】李成功， 和彦淼． 液压系统建模与仿真分析 [ M] ． 北京 航 空工业出版社 ， 2 0 0 8 ． 【 6 】 李大明， 王野牧． 液压位置、 力伺服系统的 S i m u l i n k 仿真 方法[ J ] ． 沈阳工业大学学报， 2 0 0 4 4 4 1 9 4 2 1 ． 【 7 】刘 白雁． 机电系统动态仿真 基 于 MA T L A B ／ S i m u l i n k [ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 6 ． 【 8 】薛定字 ， 陈阳泉． 基于 M A T L A B ／ S i m u l i n k的系统仿真技 术与应用[ M] ． 北京 清华大学出版社 ， 2 0 0 2 ． 【 9 】 杨文林 ， 廖生行， 周恩涛． 阀控非对称液压缸泄漏问题的 分析研究[ J ] ． 润滑与密封 ， 2 0 0 4 1 3 9 4 0 ．