基于Simulink的冲床液压系统建模与仿真.pdf

2 0 1 2年 1 2月 第 4 0卷 第 2 3期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS De c ．2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 2 3 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 2 3 ． 0 4 3 基于 S i m u l i n k的冲床液压系统建模与仿真 赵新泽，汪杰，彭巍 三峡 大学水 电机械设备设计与维护湖北省重点实验室，湖北宜昌 4 4 3 0 0 2 摘要以某三腔复合缸冲床液压系统为研究对象，建立该液压系统的数学模型，采用 MA T L A B的 S i m u l i n k模块进行系 统建模 ，并在不同参数条件下对系统的动态特性进行仿真分析。结果表明该液压系统能对负载作 出快速响应 ，稳定性 好 ，泵的排量、负载力、负载质量、油液弹性模量等参数对其动态性能有一定的影响。研究结论为冲床液压系统的参数优 化提供了一定的理论依据。 关键词冲床液压系统；三腔复合缸 ；S i mu l i n k仿真；动态特性 中图分类号V 2 3 3 ． 9 1 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 2 31 6 1 3 M o de l i n g a nd S i mul a t i o n f o r Pu nc h Hy dr a uli c S y s t e m Ba s e d o n S i mu l i n k Z HA0 X i n z e ，WANG J i e ，P EN G We i Hu b e i K e y L a b o r a t o r y o f Hy d r o e l e c t r i c M a c h i n e ry D e s i g n Ma i n t e n a n c e ，C h i n a T h r e e G o r g e s U n i v e r s i t y ， Yi c h a n g Hu b e i 4 4 3 0 0 2，C h i n a Ab s t r a c t T h e ma e ma t i e M mo d e l o f p u n c h h y d r a u l i c s y s t e m w a s s e t u p ．T h e s i mu l a t i o n mo d e l o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m w a s b u i l t b a s e d o n MA T L AB ／ S i mu l i n k ．T h e d y n a mi c p e rf o r ma n c e s o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m u n d e r d i f f e r e n t p ara me t e w e r e s i mu l a t e d ．T h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e p ara me t e ，s u c h a s p u mp d i s c h a r g e c a p a c i t y ，l o a d b e a r i n g ，l o a d q u a l i t y a n d t h e o i l e l a s t i c mo d u l u s ， h a v e c e r 。 t a i n e f f e c t o n t h e d y n a mi c p e r f o rm an c e o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m．Th e c o n c l u s i o n s p r o v i d e t h e o r e t i c a l b a s i s f o r t h e p a r a me t e r s o p t i mi z a t i o n o f t h e p u n c h h y d r a u l i c s y s t e m． Ke y wo r d sP u n c h h y d r a u l i c s y s t e m；T h r e e c a v i t y c o mp o s i t e c y l i n d e r ；S i mu l i n k s i mu l a t i o n； Dy n a mi c p e rf o rm an c e 液压冲床主要用于工件的冲压加工 ，与机械式冲 床相比，其液压系统具有运动平稳、易调速、行程可 控、冲压力可调、易实现过载保护、振动低、噪声小 等优点，被广泛应用于金属加工行业。但是 ，随着工 业技术的不断进步和发展 ，对冲床液压系统 的稳定 性 、精确性、快速性、可靠性等方面提出了更高的要 求 ；与此同时，计算机仿真技术的飞速发展为冲床液 压系统的动态特性分析和动态设计提供了可能。而 M A T L A B软件中的 S i m u l i n k 模块是用来对动态系统进 行建模、仿真和分析的软件包，被广泛应用于液压系 统的仿真研究。作者以某冲床液压系统为研究对象 ， 建立各液压元件的数学模型 ，采用 S i m u l i n k模块对液 压系统进行建模，并对其动态特性进行仿真分析。 1 冲床液压系统的工作原理 某冲床液压系统的工作原理图如图 1 所示 。 该冲床的滑块由液压缸驱动，实现的工作循环为 快进一冲压一快退 停止。 1 快进时 ，电磁铁 1 Y A 和 3 Y A通 电 ，泵 1压 力油经 阀3 、5进人液压缸 C腔；A腔油一路经阀 6 进 B腔 ，多余油进 c腔；三腔相通，形成差动连接， 实现快进； 2 冲剪时，电磁铁均通 电，泵 1压力油一路 经阀4 、 7进 B腔，一路经阀 3 、5进 c腔；A腔油经 阀4接油箱；压力油作用面积为 B腔和 C腔之和，活 塞杆驱动滑块以较大推力慢速下降，实现冲压加工； 图 1 冲床液压系统原理图 3 快退时，电磁铁 3 Y A通电、1 Y A和 2 Y A失 电 ，泵 1压力 油经 阀 3 、4进 A腔 ； B腔 油经 阀 6进 A腔；c 腔油经阀5接油箱；A、B腔形成差动连接 ， 收稿 日期 2 0 1 11 1 1 7 作者简介赵新泽 1 9 6 4 一 ，男 ，博士 ，教授，主要研究方向为液压传动及摩擦学。Em a i l x h a o c t g u ． e d u ． c a 。 1 6 2 机床与液压 第4 0卷 实现快退； 4 停止时，电磁铁均失 电，泵 1 压力油经 阀 3 、阀 2 先导 口、阀9接油箱，泵卸荷。 2 冲床液压 系统各元件数学模型的建立 建立数学模型的主要目的是预测被驱动负载在控 制阀上的输入指令下的速度和位移响应。液压系统是 由液压元件、电气元件和管路组成 ，其主要理论依据 是流体力学中的帕斯卡原理、连续性原理和能量守恒 定律，可采用容腔节点法 建立液压系统 的数学模 型，并应用集中参数法对非线性数学模型进行合理的 简化。考虑到文中重点研究主要参数对其动态性能的 影响 ，对该系统提出如下假设 液压泵的驱动速度是 定值 ；忽略管路内流动液体的惯量和液阻对负载位置 响应的影响；滤油器 的液阻可忽略，其液容与液压 泵、阀之间的管道液容合并 。 1 液压容腔 液压系统的液压元件通常具有多个油口并与管路 相连 ，通过管路 相连 的多 个元件 之 间构成 液压 容腔 ， 把管路的汇交点定义为节点，对每个节点建立流量平 衡方程，以表达节点压力和进出该节点流量之和的关 系。 设∑Q 是进出 容腔流 量总和， 则容 腔压力 为 p 寺f ∑Q i d t d t 其中 为第 i 个容腔体积 ；E为油液体积弹性模 量 。 冲床液压系统被分为 ～ 四个容腔 ，为区分 各液压元件的不同油口，给各元件加上油口号，如图 1 所示，据此可建立各液压元件和容腔的数学模型。 2 定量泵 忽略泵的内摩擦和移动部分的惯性及液体可压缩 性 ，已知泵的进 口接油箱，泵的驱动速度 n 、排量 、 液导 G ，泵的输出油压P ，则定量泵的特性方程为 Q n V p G p 3 溢流 阀 忽略溢流阀开启时的动态特性 ，已知溢流阀的液 导 G、调定压力P ，进、出口油压分别为P 、P ，则 溢流阀的静态特性方程为 D 』 G p l P z P M P - 一 P z p M 0 【0 其他 4 换向阀 假设已知换向阀阀口综合系数 K、阀芯位移引起 的开口量 ，进、出口油压分别为P 。 、P ，则换向阀 的特性方程简化为 Q K X ／ I P 一 P { 5 二通插装阀 忽略插装阀的内摩擦阻力和控制腔流量变化及开 启时的动态特性，已知插装阀弹簧刚度 k 、预压缩量 。 ，液导 G ，进油腔和控制腔有效面积分别为 A 。 、 A ， ，进 、出口油压分别为P 、 P ，控制腔压力 P ， ，则 二通插装阀的特性方程为 Q f G p 6 三腔复合缸 该系统采用 双向 差动三腔复合缸，如 图 2所示。几何 条件 为 d 30 其他 图 2 复合缸 Q 。 Q 2 A 2 d x A 。p 百 V a , 2 Q 3 A ， A oP 3 誓 P 2 A2p3 A3-pl A1一F d 2 _ x 其中q 、q 、q 3 为 A、B 、C 3 腔油 口流量 ， P 、 P 2 、 P ， 和 、 、 分别为其对应油压和排量 ， 为活塞 杆位移，A 为缸体泄漏 系数，E为油液体积弹性模 量，m为活塞杆及负载的总质量，B为黏性阻力 系 数，F为外负载力。 3 仿真模型的建立及参数确定 图 3 冲床液压系统仿真模型 第 2 3期 赵新泽 等基于 S i m u l i n k的冲床液压系统建模与仿真 1 6 3 根据上述的各元件的数学模型，利用 S i m u l i n k 建 立各元件的子模块并进行仿真，在确认各子模块的正 确性之后 ，再由各子模块搭建整个液压系统的仿真模 型 ，如 图 3 所示 。 某 冲床液压系统相关参数如下定量泵 的排量 v 2 0 m L ／ r ，泵 的转速 n 1 4 5 0 r ／ m i n ， 泵 的液导 G 2 x 1 0 。 m ／ s P a ；液压缸 3个腔的有效面积 A 2 ． 1 9 81 0一 。m 、 A21 ． 1 7 7 51 0 。m 、A31 ． 9 6 2 5 x 1 0 ，黏性阻尼系数 B1 5 6 8 0 N s ／ n l ，泄漏系数 A 4 ． 4 7 x 1 0 m ／ S P a ，所受最大负载 F1 0 k N；活塞及负载的总质量 m 5 0 0 k g ；油液的体积弹 性模量 E 7 ． 51 0 P a ；溢流阀的液导 G21 0 ／ s P a ，调定压力P 1 0 M P a ；换向阀阀口综合 系数 k 2 x1 0 ～；油液密度 P 9 0 0 k g ／ m 3 。仿真时采 用 R u n g e K u t t a 四阶算法 ，时间步长参数设计为0 ． 0 0 1 。 4仿真结果及分析 将上述参数输入仿真模型进行仿真，并对仿真结 果进行分析 。 1 快进时液压缸活塞杆 的位移和速度 响应曲 线如图4 a 、 b 所示。由图4 a 可知在 t 0 ． 0 0 2 S 之前 ，由于液体压缩 ，位移呈现微小的负值 ； 由图4 b 可知 在空载条件下，液压系统输 出最 初有一个振荡，时间大约为 0 ． 1 5 S ，系统稳定运行 后 ，活塞杆速度为 0 ． 4 2 m ／ s 。 0． 6 o ． 5 一 o． 4 l呐 0 ． 3 邑 0 ． 2 0 ． 1 O ．0 ． 1 图4 快进时活塞杆的位移和速度响应 2 冲压时液压缸活塞杆的位移和速度响应 曲 线如图5 a 、 b 所示。由图 5 a 可知 在外 载荷输入初期 ，同样存在液体的压缩过程；由图 5 b 可知 液压系统能对较大的载荷作出快速的响 应 ，存在一个 0 ． 2 0 s 的振荡时间，系统稳定运行后， 活塞杆速度 约为 0 ． 1 m ／ s 。 0 ． 1 o． 一 一 叻O ． o ● 鲁 一0 ． 0 0． t ／ s b 速度响应 图5 冲压时活塞杆的位移和速度响应 3 在冲压工况下，分别改变排量、载荷、负 载质量、油液弹性模量等参数条件 ，得到液压缸活塞 杆速度响应曲线如图 6所示。由图 6 a 可知在 其他条件相同时 ，随着泵的排量的增加 ，系统稳定运 行速度逐渐增大 ，超调量呈减小的趋势 ；由图6 b 可知随着负载力的增加 ，稳态运行速度、超调量、 调节时间均呈现逐渐增大的趋势；由图6 C 可知 随着负载质量的增加，系统的稳定速度不变，但是超 调量和调节时间有所增大；由图6 d 可知 油液 的弹性模量对系统的动态特性和稳定值影响较小，但 适当地提高油液弹性模量可提高系统的动态性能。 0． 2 0． 15 0 ． 1 0． 05 0 ．0 ． 0 5 ．0 ． 1 ．0． 1 5 ．O ． 2 a 不同的排量 b 不同的负载力 c 不同的负载质量 d 不同的油液弹性模量 图6 不同参数下活塞杆的速度响应 5结论 1 建立了冲床液压系统的数学模型和 S i m u l i n k 仿真模型，对快进和冲压工况下的系统动态特性进行 了仿真分 析，结 果表 明快进时 系统 稳定速度 为 0 ． 4 2 m ／ s ，振荡时间为 0 ． 1 5 S ；冲压时其稳定速度为 0 ． 1 m ／ s ，振荡时间为 0 ． 2 S ；两种工况下的速度 比约 为4 1 ，振荡时间比约为 3 4 。 2 基于上述模型，对不同参数条件下的系统 动态特性进行仿真，分析表明泵的排量和负载力对 系统动态特性和稳态值均产生较大影响；负载质量和 油液弹性模量对系统动态特性影响较大，而对其稳态 值无影响。由此可知，通过对液压系统的各项参数进 行优化，可以改善其动态响应性能。 参考文献 【 1 】张利平． 现代液压技术应用2 2 0 例[ M ] ． 北京 化学工业 出版社 ， 2 0 0 4 7 77 9 ． 【 2 】张强， 姜毅， 傅德彬 ， 等， 基于容腔节点法的液压起竖系 统仿真[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 0 ， 3 8 1 1 7 9 8 2 ． 【 3 】高钦和， 黄先祥． 基于 S i m u l i n k的重物举升液压控制系 统建模与仿真[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 1 ， 2 9 1 6 1 6 2 ． 【 4 】 李永堂， 雷步芳， 高雨茁． 液压系统建模与仿真 [ M] ． 北 京 冶金工业出版社， 2 0 0 3 2 5 6 2 5 7 ． 【 5 】 刘少辉 ， 林少芬， 刘 国印， 等． 工程机械液压系统试验台 的动态特性仿真研究 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 9 ， 3 7 3 1 381 39．