蓄能器对同步液压缸影响的AMESim仿真计算.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 2年 第 5期 蓄能器对同步液压缸影响的 A M E S i m仿真计算 甄敬然， 时 伟 中州大学 工程技术学院， 河南 郑州4 5 0 0 4 4 摘要 该 文对 A ME S i m软件及其基本特征做了介绍 。 通过 A ME S i m对系统进行了仿真计算 ； 结果表明 ， 数值计算和实际工况有一定的 一 致性， 蓄能器有一定的吸收冲击和振动的功能 。 关键词 蓄能器 ； 液压缸 ； 仿 真； A ME S i m 中图分类号 I ’ H1 3 7 ． 5 2 ； T H1 3 7 ． 8 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 2 0 5 0 0 1 0 0 4 AM ES i r n S i mu l a t i o n o f Ac c u mula t or Ha v i n g Eff e c t i o n o f S y n c h r o no u s Cy l i n d e r Z HE Nn g - r a n， S HI - We i C o l l e g e o f E n g i n e e r i n g a n d T e c h n o l o g y ,Z h o n g z h o u U n i v e r s i t y ,Z h e n g z h o u 4 5 0 0 4 4 ,C h i n a Ab s t r a c t AME S i m s o f t wa r e a n d i t s b a s i c c h a r a c t e r i s t i c s a r e i n t r o d u c e d i n t h i s p a p e r ，h y d r a u l i c s y s t e m i s s i mu l a t e d b y AMES i m s o f t w a r e ． Re s u l t i s i n d i c a t e d ， N u me ri c a l s i mu l a t i o n r e s u l t a n d a c t u a l c o n d i t i o n h a s c e r t a i n c o mp a t i b i l i t y ． Ac c u mu l a t o h a s c e r t a i n a b i l i t y o f a b s o r t i n g s t r i k i n g a n d v i t r a t i o n ． Ke y wo r d s a c c u mu l a t o r ； c y l i n d e r ； s i mu l a t i o n； AMES i m U 日 lJ舌 随着现代工业的不断发展 。对液压机械设备性能 要求以及机电一体化程度的不断提高，传统 的通过反 复的样 品试制和试验来分析系统及设备性能是否达到 要求的试验方法在一定程度上既造成 了大量的人力物 力等科学研究成本 的增加 ， 又增加 了研究周期 ， 已不能 适应现代产品的设计和性能要求 。尤其在对液压系统 和产品的设计手段上 。由于要对系统及元件进行动态 特性分析和动态特性设计 ，就需要运用计算机仿真技 术 ，利用计算机仿真系统研究液压系统和元件的动态 特性 ， 不仅可 以在设计中预测系统及元件动态性能 ， 降 低研究成本 ， 缩短研究周期， 还可以通过仿真对系统进 行整体分析和评估 ， 从而达到优化设计 ， 提高系统稳定 性及可靠性的 目的。 A ME S i m作为一种非常优秀的仿真软件 。为流体 、 机械 、 控制、 电磁等工程系统提供了较为完善的综合仿 真环境和解决方案。 1 AME S i m介 绍 AM E S i m A d v a n c e d Mo d e l i n g E n v i r o m e n t f o r 收稿 日期 2 0 1 1 - 1 1 - 2 3 作者简 介 甄敬然 1 9 8 0 一 ， 女 ， 河北石家庄人 ， 讲师 ， 硕士 ， 主要从事机 电 一 体化及 自动控制研究。 1 O P e r f o r m i n g S i m u l a t i o n o f E n g i n e e r i n g S y s t e m s 是 法 国 I MA G I N E公 司于 1 9 9 5年推 出的基于键合图的液压／ 机 械系统建模 、 仿真及动力学分析软件 ， 至今天已发展到 7 ． 0版本 ， A ME S i m为用户提供 了一个 图形化 的时域仿 真建模环境 ， 使用 已有模型和建立新 的子模型元件 ， 构 建优化设计所需的实际原型，方便用户建立复杂系统 及用户所需 的特定应用实例 ，通过修改模型和仿真参 数 ， 进行仿真计算 、 绘制曲线并分析仿真结构。A ME S i m 使用户能够借助其友好的 、 面向实际应用的方案 ， 研究 任何元件或 回路的动力学特性 ，这可通过模型库的概 念来实现 ，而模型库可通过客户化 不断升级 和改进 。 A ME S i m的基本特性如下 1 多学科的建模仿真平台 A ME S i m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 同领域 的模块之间直接的物理连接 方式使得 A ME S i m成为多学科领域系统工程建模和仿 真的标准环境 。 2 图形化物理建模方式 A ME S i m定位在工程技术人员使用 ， 建模的语言是 工程技术语言．仿真模型的建立扩充或改变都是通过 图形界面 G U I 来进行 的， 使用者不用编制任何程序代 码 。这样使得用户可 以从繁琐的教学建模 中解放 出来 而专注于物理系统本身的设计 。 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ， N O ． 5 ． 2 0 1 2 3 强大的二次开发能力 A ME S i m系列产品 中的 A ME S e t 为用户提供了一 个标准化 、 规范化和图形化的二次开发平 台 用户不仅 可 以直接调用 A ME S i m所有的模型代码 ，而且可以把 自己的 C或 F O R T R A N代码模型 以图形化模块的方式 进 A ME S i m软件包。 4 鲁棒性极强的智能求解器 A ME S i m的智能求解器能够根据用户所建立 的模 型 的数学特性 自动选择最佳的积分算法 ，并根据在不 同的仿真时刻的系统特点动态地切换积分算法和调整 积分步长来缩短仿真时间和提高仿真精度。 5 齐全的分析工具 A ME S i m提供 了一个齐全的分析工具 以方便用户 分析和优化 自己的系统 线性化分析工具 系统特征值 的求解 ； B o d e图； N i c h o l s图； N y p u i s t 图；根轨迹分析 ， 模态分析根据 ， 频谱分析工具 ， 以及模型简化工具。 虽然 A ME S i m是一个 比较成熟的软件 ，但它 目前 也有部分缺点 1 元件模型也需要设置许多参数 ； 2 仿真软件 比较 固定 ， 当系统仿真人员需要一个 比较特殊的元件的时候 ， 就需要拥有非常专业的知识 ， 目前还不能应用到工程机械和其他领域 的更为广泛的 领 域 3 最后对信号的处理方面还是不够灵活， 比如对某 几个信号进行对 比或进行简单的操作就不那么简单了。 2 对 同步液压缸进行仿真研究 如图 1所示 ，系统 中的液压缸活塞杆带动负载同 步进行插合和回收动作 ， 系统压力为 8 MP a ， 柱塞泵流 量 为 2 5 mL ／ r ，泵的转速为 1 4 7 0 r ／ mi n ，蓄能器 的容积 4 0 L ； 液压缸活塞的直径为 6 3 m m， 活塞杆直径为 3 6 mm， 活塞行程为1 8 5 mm。 1 一 蓄能器2 一 液压缸3 一 三位四通电磁换 向阀 4 一 溢流阀5 一 柱塞泵 图 1 液压系统原理 图 2 ． 1 研 究 目的 该同步液压缸带动同步销 ，在筒盖开盖到位状态 下对筒盖进行 同步，其同步效果 的好坏直接影响到筒 盖是否安全 。同时其同步时间也直接关系到整个筒盖 系统的开关盖时间。 2 ． 2仿真 模型 的建 立与运 行 1 在草图模式下建立测试系统模 型 在 A ME S i m草图模式 S k e t c h M o d e 下 ， 运用液压 元件设计库 、 机械库 、 信号库选用液压缸 、 换 向阀、 蓄能 器 、 液压泵、 溢流阀和负载， 如图 2 所示。 图 2液 压 系统 AMESi m 模 型 图 2 在子模型下为每个图形模块选取数字模型 进入子模型模式 S u b m o d e l Mo d e ， 为系统中的每 个 图形模 型 选 取子 模 ， AME S i m 提供 了首 选 子模 型 P r e mi e r S u b m o d e 1 功 能 。 3 在参数模式下设定每个图形模块需要的特定参 数 在参数模式 P a r a me t e r s Mo d e 下 ， 设置液压环境 、 液压泵排量 、 电机转速 、 溢流阀调定压力 、 油缸尺寸 、 蓄 能器参数、 负载质量和阻尼 、 换向阀等一系列参数。 4 在运行模式下运行仿真 进入运行模式 R u n Mo d e ， 设置仿 真时间 、 仿真 步长和运行方式等运行参数后， 开始仿真。 3 仿真结果分析 1 系统压力对同步时间的影响 由图 3所示时间一 位移曲线可知 。 在 8 ～ 1 6 MP a系统 压 力下 ， 液 压 缸 同步 时 间为 2 ～ 2 ． 8 s ， 并 且 随着 系 统压 力 的增加 ， 在压力增加 1 倍 的情况下 ， 其同步时间减小了 2 9 ％， 说 明系统的压力变化也有一定的影响， 并且 。 随着 压力的增加幅度越来越小。并且其时间满足不大于 3 s 的实际指标要求 ， 说明系统的设计合理 ， 满足要求。同 时 ， 也说明仿真结果准确可靠 。 液 压 气 动 与 密 封／ 2 0 1 2年 第 5期 0 2 O 0 1 5 0 1 0 0 ．0 5 Oo o 0 ．0 1 ．0 20 30 40 5 0 60 t 旭 a 8 a 时为2 ． 8 s 以 c 1 2 搬a 时为2 ． 3 s O2 0 O l 5 砉0 o 0 ．0 5 0 0 8 t b1 O a 时为2 ． 5 s 如 d 1 4 a 时为2 ． 1 5 s S e1 6 a 时为2 s 图 3不同压 力下的时间一 位移 曲线 2 液压缸进出口压差 由图 4所示不 同系统压力下的液压缸进出 口压力 差发现， 其进口压力在 0 ． 0 5 s 时达到平衡状态 ， 这和实际 装置的反映是一致的， 具体表现为液压缸在开始运行的 瞬间有短暂的冲击现象 ， 当液压缸插合到位时 ， 由于不 再有位移变化 ， 其压力瞬间建立起来 ， 最好和系统压力 保持一致 ， 因此， 其仿真曲线和实际状态是相符的。 1 0 0 董 器 4 0 2 0 8 Hs a8 M P a 1 1 00 20 薰 2 0 0 ⋯ 注 1 ． 一 口1 的压力 2 ． ⋯- 口2 的压力 e 1 6 M P a 图 4不 同压力下的进 出口压力 3 蓄能器对系统的影响 由图 5 、 表 l负载加速度可以看出 ， 负载受力在有 1 2 蓄能器的工况下在 1 s 左右就达到平衡状态 ，而在没有 蓄能器的情况下在 1 ． 3 5 s 左右达到平衡状态 同时在有 蓄能器的工况下 ， 负载的加速度逐渐减弱 ， 直至最后为 零 ， 而在没有 蓄能器 的工况下 ， 负载的加速度波动比较 大。仿真结果说明 ， 蓄能器在系统中可以吸收一定压力 缓冲和脉动 ， 而这也是和实际情况相符合的。 H s b 无蓄能器 图 5有无蓄能器下的负载 加速度 表 1 负载加速度 比较 有蓄能器 无蓄能器 4小 结 通过运用 A ME S i m 7 ． 0对同步液压系统进行模型建 立 ， 同时对其进行仿真计算 ， 结果表明 1 计算结果 和试 验值有一 定 的一致性 ， 在试验 中。同步时间为 3 s 以下 。其形态也和试验观测形态一 致 ； 同时， 仿真计算表 明， 8 MP a压力就满足需要 ， 也符 合实际工况 ； 2 系统的压力对 同步时间有一定的影响 ， 同步时 间随着压力 的增加而逐渐增加 。这和实际情况是相符 合的； 3 无论 系统压力如何变化 ， 液压缸两腔的压力差 是恒定的， 这和负载决定压力差是一致的； 4 蓄能器对负载的加速变化有很大的影响， 在无 蓄能器的工况下 ， 负载加速度变化比较大 ， 对负载的冲 击也比较大 ； 而在有蓄能器的工况下 ， 负载加速度呈递 减趋势有规律的变化 ； 通过仿真计算 ， 再一次说 明蓄能 ▲ ●● ● ●●一 50 5 0 5 05 0 5 0 5 0 2 2 ● 1 O O O ● 1 2 2 一 一 一 一 一 ● ∞．目 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ， NO ．5 ． 2 01 2 基于流固耦合的液压缸碰撞研究 姚 雪明 ， 权 辉 第二炮兵工程学院， 陕西 西安7 1 0 0 2 5 摘 要 针对经典碰撞模型的局 限性 ， 通过采用缸筒弹簧模 型， 建立了新 型液压缸碰撞模 型 ； 通过构建描述液压缸碰撞 的流固耦合方程 组 ． 利用有限元软件 A D I N A分析了有无流体及不同负载力对液压缸碰撞位移 、 速度和应力 的影响 ， 分析结果 表明流体 对于液压缸碰撞 具有 明显的阻尼作用 。 关键词 液压缸 ； 流固耦合 ； 碰撞 ； A D I N A 中囤分类号 T H1 3 7 ． 5 1 ； T P 1 3 6 文献标识 码 A 文章编号 1 0 0 8 - 0 8 1 3 2 0 1 2 一 0 5 0 0 1 3 - 0 4 Co l l i s i o n Ana l y s i s o f t he Cy l i n d e r Ba s e d o n F l u i d S t r u c t u r e I n t e r a c t i o n Y A0 Xu e - mi n g ， Q U A N Hu i S e c o n d A r t i l l e r y E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y ， X i ’ a n 7 1 0 0 2 5 ， C h i n a Ab s t r a c t Ai me d a t t h e l i mi t a t i o n s o f t h e c l a s s i c a l c o l l i s i o n mo d e l ， a s i mp l i f i e d d e s c r i p t i o n o f t h e c y l i n d e r c o l l i s i o n i s ma d e w i t h t h e c y l i n d e r t u b e s p r i n g mo d e l ； e q u a t i o n s s e t o f t h e c y l i n d e r c o l l i s i o n i s e s t a b l i s h e d a n d t h e i n fl u e n c e s o f t h e c o n d i t i o n s wi th o r wi t h o u t l i q u i d an d d i ff e r e n t l o a d ， v e l o c i t y a n d p r e s s u r e o n d i s p l a c e me n t ， v e l o c i t y a n d s t r e s s o f c y l i n d e r w h e n c o l l i s i o n 0 C C 1 1 1 “S a re an aly z e d b y A DI NA， wh i c h s h o w t h a t l i q u i d h a s d a mp i n g e ff e c t o n t h e c y l i n d e r c o l l i s i o n ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c c y l i n d e r ； fl u i d - s t r u c t u r e i n t e r a c t i o n； c o l l i s i o n； ADI N A O 前 言 多级油缸与单级油缸相 比。在缸体初始长度相同 的情况下具有更长的行程 ，因此采用多级油缸完成结 构紧凑 的大型机 械装 置的起 竖运动是一种有 效 的方 法。含多级缸的液压系统在驱动负载时。 由于各级活塞 杆的依次伸 出是通过相互间的碰撞来实现限位的 ， 液 压缸运动过程中存在换级碰撞和到位碰撞 ，容易对负 载产生过大冲击。要提高起竖过程的快速性 ． 又要保证 收稿 日期 2 0 1 1 - 1 1 - 2 3 作者简 介 姚雪明 1 9 6 3 一 ， 男 ， 河北正定人 ， 高级工 程师 ， 主要从事控制 方面的科研工作 。 器不仅有提供流量和压力的作用 。其吸收系统冲击的 作用也比较明显 5 通过仿真计算说 明， A ME S i m 7 ． 0软件 的仿真计 算结果和实际工况基本接近 ，说明该软件仿真结果可 信度 比较高 ， 其运用必将越来越广泛。 参 考文 献 [ 1 】 祁晓野． A ME S i m系统建模和仿真【 M】 ． 北 京 北京 航空航天出 版社． 2 0 0 6 ． 其平稳性 ， 必须研究多级油缸运动过程的碰撞特性。当 前对液压缸碰撞的研究多采用刚体碰撞模型【 n ， 且很少 考虑流固耦合的影响 ，致使求解精度距实际情况有一 定差距 。本文在充分考虑流 固耦合的情况下对液压缸 碰撞的规律进行深人研究 。 1 经典碰撞模型研究 传统液压缸 碰撞 的研究 多采用基于 弹性 力学 的 He rt z 接触力模型[ 1 J 。碰撞期 间活塞杆与缸筒盖的碰撞 力可以表示为 D ， 1 式 中 碰撞力 ； [ 2 】 吴根茂， 丘敏秀， 王庆丰， 等． 实用电液 比例技术【 M】 ． 杭州 浙江 大学 出版社。 2 0 0 4 ． 【 3 ] 翟大 勇， 周志鸿 ， 林 嘉栋． 基于 A ME S i m的压路机振动液压系 统仿真研究[ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 1 0 ， 1 ． 【 4 】 雷天 觉等． 新编液 压工程 手册【 M】 ． 北 京 北京理 工大学 出版 社 ． 1 9 9 8 ． 【 5 】 刘龙 园， 傅连东 ， 王佳， 等． A ME S i m仿真技术在矫直机液压系 统 中的应用【 J ] ． 液压气动与密封， 2 0 0 9 ， 6 ． 1 3