基于溢流状态液压执行机构运动时间计算和仿真分析.pdf

液 压 气 动 与 罐p 封 ／2 0 1 5年 第 0 S期 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ． 2 0 1 5 ． 0 5 ． 0 0 2 基于溢流状态液压执行机构 运动时间计算和仿真分析 李玉顺， 路世奇， 陈 奇 北京航天发射技术研究所， 北京 1 0 0 0 7 6 摘 要 该文根据液压执行机构在运动过程中的近似力平衡， 并考虑到流体粘度、 运动速度与流体压力在运动过程中的关系， 建立液压 执行机构动作时的力平衡方程。根据该方程可以判断在不同粘度下系统是否已经达到溢流 ， 并求解出实际进入液压缸的流量 ， 进而 求解出液压执行机构的动作时间。该计算方法经过仿真分析和大量试验验证 ， 完全满足工程计算的需要 ， 可以对有时间控制要求的 系统在设计阶段做出准确的分析预估。 关键词 溢流状态； 运动时间； 计算及仿真 中图分类号 T H1 3 7 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 5 0 5 0 0 0 4 0 3 Ca l c u l a t i o n a n d S i mul a t i o n An a l y s i s o f Hy d r a ul i c Ac t u a t o r M o v e me n t Ti me Ba s e d o n Ov e r flO W S t a t e L I Y u s h u n ， L US h i q i ， C HE Nai Be i j i n g I n s t i t u t e o f S p a c e L a u n c h T e c h n o l o g y , B e i j i n g 1 0 0 0 7 6 ， C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e a p p r o x i ma t e f o r c e b a l a n c e o f h y d r a u l i c a c t u a t o r i n t h e mo v e m e n t p r o c e s s ， a n d t a k i n g i n t o a c c o u n t t h e r e l a t i o n s h i p a mo n g the v i s c o s i t y o f t h e fl u i d ， mo t i o n v e l o c i ty an d fl u i d p r e s s u r e i n t h e mo v e me n t p r o c e s s ， a f o r c e b a l a n c e e q u a t i o n o f t h e h y d r a u l i c a c tua t o r wa s b u i l t ． Ac c o r d i n g t o thi s e q u a t i o n ， we c a n d e t e r mi n e wh e t h e r the s y s t e m o v e r flo w o r n o t i n d i ffe r e n t v i s c o s i ty, a n d g e t the a c t u a l flo w i n t o th e c y l i n d e r , t h u s s o l v i n g the h y dr a u l i c e x e c u t i n g a c t i o n t i m e ． Th i s c a l c u l a t i o n me t h o d f u l l y me e t s th e n e e d o f e n g i n e e rin g c a l c u l a t i o n b y s i mu l a t i o n a n a l y s i s a n d e x p e rime n t s ． I n t h e d e s i g n s t a g e t h e me t h o d c a n g i v e a c c u r a c y an a l y s i s an d e s t i ma t e o f t h e s y s t e m wh i c h r e q u i r e t i me c o n t r o 1 ． Ke y wo r d s o v e rfl O W s t a t u s ； mo v e me n t t i m e ； c a l c u l a t i o n a n d s i mu l a t i o n 0 引言 通常情况下， 液压系统中泵出口安全阀或工作溢 流阀设定 的压力要 比执行机构液压缸工作压力要高 ， 因此执行机构 的运动时间仅取决于系统流量 和执行机 构动作 时容腔变化 的大小 。但对于在特殊工况下 例 如低温 或有平衡回路的系统， 由于油液粘度阻尼的作 用 ， 系统执行元件动作时 的压力会达到系统溢流阀设 定的压力 ， 系统执行机构运动时间将无法简单地通过 系统流量和执行机构容积的变化来求得。 本文根据两个完全相同的三级液压缸和一个普通 液压缸组成的定量系统为例 ， 由于该 系统液压缸运动 到位时间是 下一工步动作的必要条件且时间有严格限 制 ， 因此必须准确可靠的预i 贝 4 。通过对流体粘度、 运动 速度与流体压力在运动过程的关系分析 ， 建立液压执 行机构动作 时的力平衡方程 ， 根据该方程判断在不 同 粘度下系统是 否 已经达到溢 流 ， 同时根据该方程可 以 收稿 日期 2 0 1 4 1 0 2 2 作者简介 李玉顺 1 9 7 0 一 ， 男， 甘肃天水人， 研究员， 硕士， 主要从事液 压系统传动与控制研究工作。 4 求解出实际进入液压缸内部的流量 ， 进而求解出液压 执行机构 的动作时 间。同时根据系统工作原理 ， 对运 动过程进行了A ME S i m分析 ， 计算结果与仿真结果和 实际结果一致。下面介绍计算方法的推导过程和仿真 的结果 。 l 某系统工作原理介绍 某系统工作原理图如图1 ， 工作流程如下 假设液 压缸已经伸出到规定位置 ， 电机泵卸荷启动一溢流阀 建压 Y A 3 通 电 ， 控制两个三级缸的换向阀 Y A 2 通 电 同时通电， 两个三级缸开始通油动作回收 ， 最后回 收到位后执行下一工步 。液压系统参数如下 。 图1液压系统原理图 阀 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 0 5 ．2 0 1 5 1 D B 1 0 溢流阀设定压力 P 8 MP a ； 2 电机泵低温下的流量 Q1 ． 8 L ／ mi n 3 ． 0 1 0 m ／ s 3 工作介质 航空液压油 1 0 号 ， P8 5 0 k g ／ m 4 液压缸参数 Ll 0． 0 7m ，L2 0． 1 3 9m ，L3 0． 1 39 m d l 0 ． 0 4 m ， d 2 0 ． 0 7 m ， d 3 0 ． 1 m D1 0． 0 5m ，D2 0． 08 m ，D3 0 ． 1 l m 其中 厶三级液压缸各级运动的行程； D⋯ d三级液压缸各级 的活塞和活塞杆直径 ； 1 ， 2 ， 3 表示 三级液压缸的级数 。 Sl 7． 0 61 0 一 m ，S l 1 9 ． 6 1 0 一 m ，KI 2 ． 8 S 2 1 ． 1 71 0 I 3 m ， S 5 ． 0 2 1 0 I 3 m ， K 2 4 ． 3 S3 1 ． 6 5 1 0I 3 m。，．s 3 9． 5 1 0 I 3 m ， 5． 7 6 其中s 。 ，．s ； 各级的正反腔 面积。 ．s i ， S zi rl“等 耵 g i J Z i为各级正反腔 面积 比。 i 5 其他参数 进油管通径 D， 6 mm 回油管通径 D 8 mm 进油管和 回油管 的长度 L 1 2 m 2 常温非溢流状态下 回收时间计算 2 1 在没有溢流情况下 ， 进人各级液压缸的流量等于 泵的流量 Q Q Q Q 2 3． 3 s t 2 2x 1 0． 8s 2x 1 5 - 3 s 所以 系 统回 收 ∑ 2 9 ．4 s 。 3 低温状态系统回收时间分析计算 3 ． 1低温对拔回时间分析及公式推导 在低温状态下 ， 液压油粘度升高， 系统进油阻力和 回油阻力均增大， 系统工作压力达到了系统溢流阀设定 的压力， 部分油液溢流， 造成回收时间增大。由于油液 在低温下粘性力很大 ， 根据层流状态 ， 此时当三级液压 缸 回收时各级液压缸 的阻力表示 为 P 。 ， 取 P 。 0 ． 1 MP a ， P 1 M P a ， P 。 1 ． 5 M P a， 系统的管路损失可以表示为 进油路损失 --2 1 3 3 Q j x L 2 n ． 回 油路损失 卸 些 3 1 T - 第 级回收时， 设系统压力为 P 8 M P a ， 系统提供 的压力必须至少要克服进 回油管路损失和液压缸 的阻 力才可 以运动 ， 否则系统会产生溢流。即可以根据 P 一 △ p △ p 一 P i 是否大于零来判断系统是否达到 了溢流状态 。在没有 溢流的情况下 ， 进人 液压缸各 级 的流量应 为泵 的流量 ； 在溢流状态下 ， 根据液压缸 回收 时的力学平衡方程可以得到 不考虑质量惯性 P 一 P 一A p i Ki a p h 4 将系统各参数代入 4 可得实际进入液压缸的流 量表达式 Ql p x p 5 因此 即可得 出系统 回收时 ， 两个三级液压缸各级 回 收时 间 t ； 2 ， 系 统回 收时 间t ∑￡ 。 3 ． 2 - 3 0 。 C状态下回收时间计算举例 - 3 0 。 C时 ， 油液动力粘度约为 u p O ． 2 1 2 5 P a S； 将管路参数及粘度代人式 2 、 3 得 卸j i 2 ． 3 8 MP a 卸h 0 ．7 5 3 K iM P a 1 x q 于第一级 p 一 卸 一 K卸 一 P 一 0 ． 4 2 M P a 0， 即处于溢流 阀开启临界状态， 因此近似按没有溢流计算 ， 则第一 级 t 1 3 ． 3 s 2 对于第二级 P 一 a p __ - K卸 ； - p i - 9 ． 3 5 M P a 0， 将各参数代人 式 5 ，可 得 进 入 液 压 缸 第 二 级 的 实 际 流 量 为 Q 0 ． 1 l p - p i 0 ． 7 7 L ／ m i n 。 所以 2 2 2 5 ． 2 s。 V 2 3 对于第三级 P 一 △ p _广K i△ p 一 P 。 一 2 0 M P a 0， 将各参数代人 式 5 得 进 入 液 压 缸 第 三 级 的 实 际 流 量 Q ， 0 ．0 6 5 p - p ； 0 ．4 2 2 5 L ／ m i n 所 以 f 3 2 6 5 ． 5 s V 3 则系统回收时间t Zt ． 9 4 s 5 液 压 气 动 与 密 ／2 01 5年 第 0 5期 3 ． 3 - 2 0 。 C状态 回收时间计算举例 当温度 为- 2 0 。 C时 ， 0 ． 0 9 1 P a S ， 由 P 一△ p ．j -- K i2 △ p 。 一 p 可得 只有第三级产生溢流 ， 根据式 5 可得 Q 3 0 ． 1 5 p 一 P ， 0 ．9 ffm i n C r 2 27 ． 8 s Y 3 所以 系 统回 收 时间t Et 4 1 ．9 s 。 4 系统回收时间仿真分析 按照图1 液压系统原理图建立系统仿真数学模型 如图2 ， 其中1 代表多级液压缸的第 1 级， 2 代表第2 级， 3 代表第 3 级。 1 2 3 图2 液压系统仿真模型 分别将 0 。 c、 一 2 0 。 C、 一 3 0 。 C下 的动力粘度参数和各 级液压缸参数 、 管路参数代人仿真模型 ， 可以得 出如图 3 ， 图4 、 图5 各温度下各级液压缸位移运动时间曲线。 由于两个三级液压缸参数相 同且对称布置 ， 因此两个 液压缸运动 同步 ， 一个液压缸运动 曲线不影响下面 分析。 0 时间 ， s 0 0 g 0 、 0 0 键 0 0 O 图 3 0 。 C时三级 液压缸 图4 2 0 。 C时三级液压缸 位移运 动时间 曲线 位移运动 时间曲线 图中 l 代表第一级 回收 ， 2 代表第二级 回收 ， 3 代表 第三级 回收。根据上述 曲线分别将各温度下回收时间 与仿真数据进行统计可得出表 1 ， 从表 l 可以看出各级 回收时间及 总回收时间的计算结果与仿真结果非常吻 合 。与实际对 应温度 下记 录的时间相差不 大于 3 s ， 两 种方法均满足工程计算的要求 。 6 表1理论计算回收时间与仿真结果对 比表 对于本系统 ， 从 曲线可 以看出 ， 分析计算方法和仿 真结果一致性好 ， 均满足工程计算要求 ， 为了快速预测 在不 同温度下该系统 回收时间 ， 根据粘度和温度的对 应近似指数模型输入到仿真模 型 ， 可 以得到温度与 回 收总 时间的近似 曲线 如 图 6 ， 例如在一 3 7 ． 5 。 下 ， 根据 曲线可 以得到该 系统回收时间大约为 2 0 0 s 。 g ＼ 毯 图 5 - 3 0 。 C时三级液压缸 位移运动时间曲线 5 结论 温 度 ／ ℃ 图 6 不同温度下 系统 回收 时间曲线 本文采用执行机构运动过程力学平衡公式 ， 推导 出了一种在低温下 或其他情况下 系统溢流时液压执 行机构运动时间的计算方法。根据该方法不仅可 以较 方便 的验证系统是否处于溢流状态 ， 可 以较准确地计 算 出实际进入执行机构的的流量 ， 该方法具有通用性 并与仿 真和试验结果一致 。另外针对该 系统通过对油 液粘度 和温度的近似拟合通过仿真得出了温度与系统 回收时 间的关系 曲线 ， 可以有效预测不 同温度下该 系 统的回收时间。 参考文献 [ 1 ] 付永领． L MS l m a g i n e ． L a b A ME S i m系统建模和仿真参考手 册[ M】 ． 北京 北京航空航天大学出版社， 2 0 1 2 ． [ 2 ] 王积伟， 章宏甲， 黄谊． 液压传动【 M】 ． 北京 机械工业 出版社， 20 07． 【 3 ] 雷 天觉． 新编液压 工程手册[ M 】 ． 北 京 北京理 工大学 出版社 ， 1 9 9 8 ． [ 4 】 黄忠华 ， 等． 基于A ME S i m的新型液压抽油机系统仿真f J 1 ． 液压气动与密封， 2 0 1 3 ， 1 ． [ 5 ] 王成刚， 等． 基于A ME S i m冲击气缸二位五通气控阀的建模 与仿真研究『 J ] ． 液压气动与密封， 2 0 1 3 ， 1 ． [ 6 ] 闫炳洋 ， 等． 基于AM E S i m的恒压变频动力系统研究f J ] ． 液 压气动与密封， 2 0 1 4 ， 8 ． 【 7 】 熊明， 等． 多级液压缸的整体稳定性分析研究[ J 1 ． 液压气动 与密封， 2 0 1 4 ， f 1 0 ．