液压系统动态特性研究方法分析.pdf

Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ， NO ． 0 4 ． 2 0 1 4 d o i l 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ． 2 0 1 4 ． 0 4 ． 0 0 4 液压系统动态特性研究方法分析 晁智强， 宁初明， 韩寿松 ， 刘相波， 朱奇龙 装 甲兵工程学院 机械工程系 ， 北京1 0 0 0 7 2 摘要 液压系统 由于其 工作环境 的复杂性 ， 受 到的外 部干扰较多等 因素的影响 ， 良好的动态特性能有效 保证系统 的稳定性 和过 渡品 质。利用计算机进行仿真分析和试验验证可有效掌握液压系统的动态性能 ， 为改进 系统设计和完善现有系统提供依据。 关键 词 液压系统 ； 动态特性 ； 仿真 中图分类号 T H1 3 7 ； U 4 6 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 4 0 4 0 0 2 1 0 3 The Ana l y s i s o f t he Re s e a r c h M e t h od o n Hyd r a u l i c S y s t e m Dy n a mi c Be h a v i o ur C H A0 Z h i q i a n g ， N I NG C h u m i n g ， H AN S h o u s o n g ， L I U Xi a n g - b o ， Z HU Q i - l o n g A c a d e my o f A r m o i r e d F o r c e s E n g i n e e r i n g Me c h a t r o n i c E n g i n e e r i n g ， B e i j i n g 1 0 0 0 7 2 ， C h i n a Ab s t r a c t Be c a u s e o f t h e c o mp l e x i t y o f wo r k i n g c o n d i t i o n s ， t h e i n fl u e n c e o f t h e e x t e r n al d i s t u r b a n c e t o the h y d r a u l i c s y s t e m i s mo r e ， a n d g o o d d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s c a n e ff e c t i v e l y e n s u r e the s t a b i l i t y a n d t r a n s i t i o n o f q u a l i t y s y s t e m． Us i n g c o mp u t e r s i mu l a t i o n an a l y s i s a n d e x p e r i me n t v ali d a t i o n c a n e ff e c t i v e l y g r a s p t h e d y n a mi c p e rf o r ma n c e o f h y d r a u l i c s y s t e m， p r o v i d i n g the b a s i s f o r i mp r o v i n g the s y s t e m d e s i g n a n d t h e e x i s t i n g s y s t e m． Ke y wo r d s h y d r a u l i c s y s t e m ； d y n a mi c b e h a v i o u r ； s i mu l a t i o n 0 引言 液压传动及控制技术[ - 卅由于具有输 出功率大 、 控 制精度高、 响应速度快等诸多优点 ， 液压系统在 国民经 收稿 日期 2 0 1 3 一I 1 1 9 作者简介 晁 智强 1 9 6 7 一 ， 男 ， 吉林辉南人 ， 教授 ， 博士 ， 主要从事流体传 动和控制方 面的研究 工作 。 济领域和军事装备中的应用越来越广泛 ．其性能的好 坏直接影响到整个系统的性能 由于液压系统其 自身构成的复杂性 ．负载变化的 多样性 ， 工作环境的恶劣性等诸多 因素的影响 ． 在实际 工程系统 中动态品质引起 的稳定 性等问题 日益严重 ． 仅进行 系统静态特性 的研究 已远不能满足现代工程实 际的要求 ， 必须对动态特性进行分析研究。针对不 同设 身垂直位移 、 加速度的幅值和达到平衡的时间情况 ． 得 到阻尼孔直径的最优值 。本例中 ， 阻尼孔直径的最优值 在 2 ～ 2 ． 5 mm之 间 4 结语 1 通过分析 单气 室悬 架油 缸 的结 构 和工作 原 理 ． 建立 了单气室悬架油缸 的数学模型 和重 型车辆悬 架 系统 的单 轮二 自由度振 动数学模 型并推导 出了悬 架油缸 的输 出力 的方程 ． 得 出悬架油缸 阻尼力是非线 性 的 2 基于 A ME S i m建立 了单气室油气悬架系统 的 二 自由度模型 ． 通过仿真 ． 分析了单气室油气悬架不同 阻尼孔 直径对车身垂直位移和垂直加速的影响 ．为单 气室油气悬架系统的深入研究建立 了基础 参考 文 献 李 占芳， 仝军令， 李 威． 单气 室油气 弹簧的优化设计研 究[ J ] ． 振 动与冲击。 2 0 1 1 ． 4 1 6 6 1 7 2 ． 秦家升， 安 静， 等． 油气悬架 的特征及其结 构原理分析[ J ] ． 工程 机械， 2 0 0 3 ， 1 1 7 1 0 ． 孙继勋， 赵 广俊 ， 吕建刚。 等． 基 于 A ME S i m 的单腔 油气悬架 阻 尼特性仿真分析【 J 】 ． 液压气动与密封， 2 0 1 0 ， 6 2 4 2 7 ． 刘雷， 阮春 红． 基 于 A ME S i m 的重 型车辆 油气悬 架振动 特性 仿真研究[ J ] ． 液压与机床， 2 0 1 1 ， 5 1 0 5 1 0 7 ． 蔡 福海． 全路面起 重机油气悬 架系统仿真 与优 化『 D 1 ． 大 连 大 连理工大学． 2 0 0 6 ． 杨 非， 雷金柱 ． 基 于 A ME S i m 的工程 车辆液 压悬架 系统仿 真 【 J 】 ． 液压气动 与密封， 2 0 0 8 ， 2 3 1 3 4 ． 曹瑞元， 张宏， 熊诗 波． 矿用 汽车油气悬 架系统建模 与仿真[ J ] ． 机械设计与制造， 2 0 1 1 ， 1 2 3 9 2 4 1 ． 21 Ⅲ 网 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 4年 第 0 4期 备系统 ．需重点对液压系统在运行中的压力和流量等 参变量与时间 的变化关系进行研究 ．分析系统 的动态 工作性能 。为系统 的优化设计提供理论依据和进一步 完善系统提 出改进意见和建议 ．从 而让系统的动态稳 定性 、 可靠性 和响应特性等迈上一个新台阶． 使 系统能 够应对各种复杂工作条件的要求[5 - 1 3 ] 液压系统 的动态过程因其影响因素较多 ．且非线 性 因素 占据主导地位 ．对其展开研究存在 比较 大的困 难 。随着控制理论和计算机技术的发展 ． 液压系统动态 特性研究也逐渐深入 ， 从早期的单输入 、 单输出和简单 的线性分析发展到现今 的多输入 、多输出和非线性研 究 ． 其研究方法主要包括传递 函数分析法 、 数字仿真法 和试 验研 究 法三种 1 液压 系统动态 特性 液压系统通常由液压泵、 马达或液压缸、 阀和管路 等其他液压元件组成 ．这些元件 的动态性能的综合作 用构成了整个液压系统的动态性能【 1 8 ] 液压系统在实 际的工作 中． 每经历一个动态过程 ． 系统的各个参量 间 原有的平衡将被打破 ， 并逐步过渡到新 的平衡状态 。 从 而保证液压系统连续平稳的运行 液压 系统 的动态特性I4 5 9 1 指原有系统在信 号激励 作用下失去平衡状态到形成一个新 的平衡状态的过程 所表现 出的特性 造成液压系统动态过程 的原因主要 有两种 ． 即传动和控制过程引起的和外界干扰引起的。 动态过程 中系统的各参变量均随时间在变化 ．液压系 统在这种变化过程 中所体现的特殊工作性 能品质 ． 如 响应速度 的快慢、是否收敛等和对系统扰动 的应变能 力 ， 即系统是否能够迅速 、 准确地 回复新平衡将直接决 定着整个系统的性能的好坏 液压系统工作过程中 ． 设备由于运行工况的变化 ， 需要经历换 向和制动等过程 ， 系统容易产生压力振荡 、 液压 冲击和噪声过大等 问题 ．同时要考虑部件间动作 的相互协调和动态精度等 ． 因此 ， 对液压系统动态特性 研究主要是系统动态稳定性和过渡过程品质 问题 。 2 传递函数分析法 基于古典控制理论 的传递函数分析法主要用 于分 析主要参变量对系统稳定性的影响和系统稳定裕量等 问题 ， 经过几十年 的发展 已是一种 比较成熟 的方法 。此 种方法主要适用于线性 系统和系统 中不存在本质非线 性因素或其他不宜进行线性化的因素的简单非线性系 统 ， 且要求 比较严格 ． 即系统须是 单输入 、 单输 出和初 始条件为零I 4 5 2 0 1 2 2 液压系统的非线性因素一般都 比较多 ．且很大一 部分的非线性因素都无法进行线性化或者线性化后会 出现严重的误差 ．且液压系统本身用于传输 的功率 就 是一种变量 ．因而传递函数分析法在多数情况下都不 便于用 于液压系统 的动态特性分析 ．但 由于其分析系 统稳定性相对方便 ．在一些相当简单的系统 中用来分 析系统的瞬态响应 ． 通常情况下该方法 的应用较少 。 3 数字仿真法 随着现代控制理论 和计算机技术在液压 系统动态 特性研究领域的应用 ．数字仿真分析法逐渐被人们用 来分析线性系统和非线性系统 的动态性能 ．可以便捷 地用于多输入 、 多输出 、 任意初始值和包含任何形式非 线性 因素的复杂系统分析『2 、 4 、 6 、 - - 、14 2 1 1 通过对液压系统的数字仿真分析 ．掌握液压系统 和液压元件结构参数对整个系统动态性能 的影响 ． 确 定最优匹配参数 ．为液压元件和系统 的设计提供理论 依据 ， 缩短开发周期 ， 降低生产成本 ， 保证 产品质量 ， 同 时可对已有系统进行数字仿真 ． 分析 出薄弱环节 ． 为完 善设计奠定理论依据并 由此提 出改进意见 和建议 ． 从 而实现系统性能的最优化 液压系统数字仿真主要包括两个过程 ．即建模 和 模型求解与结果分析 通常对液压系统进行数学建模 的方法包括状态空间法和功率键合图法 前者主要是 通过传递函数或者高阶微分方程来对状态方程进行推 导 ． 虽能够一定程度地把数学模型转化成状态方程 。 但 或多或少存在着一定的缺陷 ．如因不能准确地确定 系 统的传递函数就会存在一定的局 限性 ．无法完整地反 映各变量之间的关系 后者通过一定的规则将系统各 组成的动态关系以图示的形式表示其关系 ．如功率流 程 、 能量分配等 ， 利用这种方法可以在充分理解 系统各 物理量之 间的作用关系 ． 并能便捷 、 准确地完成复杂系 统各部件的数学模型分析。对于已掌握的数学模型 ， 需 要利用计算机技术对其进行相应的仿真实验 ，即模型 的求解分析过程 基于现代计算机技术 的快速发展 ． “ 外科手术式” 的仿真 已经得到 了广泛的应用 ， 多种功 能集于一体 的通用和专业仿真软件给液压系统动态性 能分析带来 了极大的便利 ．如 MA T L A B ／ S i m u l i n k不仅 能够对系统进行仿真建模 ．还能根据需要实时对仿真 参数作 出调整 ． 以获得理想 的仿真结果 ． 从而 为优化 系 统提供可视化的依据[ 2 2 - 2 4 1 E A S Y 5仿真软件可以直接利 用图形化的建模方法 ．从软件 自带的模型库里选取对 应各物理部件建立相应的模型 ．然后对模 型参数进行 相应 的设定并将各模型进行连接构成对应的液压系统 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e als ， N O ． 0 4 ． 2 O1 4 等其他仿真工具 通过建模与仿真这两个有效的分析 方法 ． 可以获得液压系统设计和改 良的坚强理论依据 ， 为成功开发 和升级设备起到不可估量的贡献[ z s - 。 4 试 验研究法 液压系统动态性能研究一般都是基于一定的实践 经验 ． 需要不断地对其进行实验验证 。 尤其是在早期理 论研究还相对不成熟 的情况下 ．这一方法显得尤为重 要 试验研究[ 4 、 2 7 】 即可用作一种单独的研究手段来对液 压系统进行研究 ．即通过各种传感器和记 录仪对所设 计的产 品不断试验 ．记录下各 主要参量动态过程的曲 线 ． 并对其进行分析 ． 为重要设备 的设计 与制造提供依 据 又可作 为理论和仿真分析的验证手段 ， 检验所作 的 研究是否正确 ， 提高工作效率 ， 保证研究质量。 通常对于复杂的液压系统 ．经验丰富的工程人员 也没 有百分之 百 的把 握能够 准确地对其 进行 数学建 模 。 如此就无法对其动态过程进行正确 的分析与研究。 通过与试验相结合 的办法 ．可以有效地验证所建模 型 的准确性 ．并可为其提供修改意见 ，以建立正确的模 型 ． 同时通过进行相同条件下的仿真和试验研究 ， 可将 两者的结果对 比分析 ．保证仿真和试验 的误差在可控 范围内． 由此便能在保证效率和质量 的基础之上 ， 缩短 研究 的周期 ． 提高效益。 5 结语 综上所述 ．研究液压系统动态特性不仅能在设计 阶段有助于合理地选择结构参数 ．优化 匹配系统的结 构 ． 还能对 已有系统进行薄弱环节分析 。 评估系统工作 的可靠性 ． 并提 出相应的改进措施。采用单一的方法已 难以实现对液压系统动态特性进行深入 的分析 ．为保 证能够准确地分析动态特性通常采用数字仿真和试验 研究相结合的手段 ．通常先建立设备液压系统的动态 数学模型和仿真模型 ． 仿真分析系统 的动态特性 ， 然后 建立 系统 的试验系统 ．通过研究试验理论和方法并进 行相应 的实验来对仿真结果进行验证对 比．从 而获取 理想 的设计和改进措施 ．使机械设 备能够满足不同复 杂环境的要求 参考 文 献 [ 1 ] 沙永 柏． J F K 一 1 5型非开 挖导 向钻机 的研 制及其 液压 动态特 性仿 真研 究[ D 】 ． 长春 吉林 大学， 2 0 0 7 ． 【 2 】 熊玉力． 装载机液 压系统动态性能仿 真与实验研究[ D 】 ． 济南 山东 大学．2 0 1 1 ． 【 3 】 徐立友． 拖拉机液 压机械无级变速 器特性研究【 D 】 ． 西 安 西安 理工 大学 ．2 0 0 7 ． [ 4 】 田树军， 胡全 义， 张宏． 液压系统 动态特性 数字仿 真[ M】 ． 大 连 大连理工大学 出版社． 2 0 1 2 ． [ 5 】 郑笑红． 液压 系统动态特性 数字仿真[ J ] ． 华北矿业高等专科学 校学报， 2 0 0 0 ， f 1 2 ． [ 6 】 李永 堂， 雷步芳， 高雨茁． 液压系统建模 与仿 真【 M】 ． 冶金工业 出 版社 ． 2 0 0 3 ． [ 7 】 邓 习树， 李 白光． 当前液压 系统仿 真技术发 展现状及 趋势[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 3 ， f 1 ． 『 8 1 陆元 章． 液压 系统 建模 与分 析『 M1 ． 上海 上 海交 通大 学 出版 社 ． 1 9 8 9 ． 『 9 ] 逢振旭． 考虑 能耗 的大功率复杂液压系统仿真 与控 制技 术的 研究[ D 】 ． 上海 上海交通 ， 2 0 0 1 ． 【 1 0 ] 蔡廷 文． 液压 系统现代 建模方 法【 M】 ． 北 京 中 国标 准 出版社 ， 2 o o 2 ． 『 1 1 ] 万理想周 保华， 周洲， 等． 基于 A ME S i m和 S i m u l i n k的液压伺 服系统动态仿真[ J ] ． 煤矿机械， 2 0 0 7 ， 9 ． 【 1 2 ] 关雪梅． 冷滚轧机床液压传动 系统 的动态特性分析[ J ] ． 燕 山大 学学报， 2 0 0 5 ， f 1 1 ． [ 1 3 ] 刘 国印． 装载机液压系统动 态性 能仿真研究【 D 】 ． 厦 门 集 美大 学． 2 0 1 0 ． 【 1 4 ] 晁智强， 刘相波， 孟 爱红． 装 甲车辆液压传动[ M] ． 北京 兵器工业 出版社． 2 0 0 5 ． [ 1 5 】 李壮云． 液压元件与系统[ M 】 ． 北京 机械工业 出版社， 2 0 0 5 ． 『 1 6 1 吴万荣， 程度 旺， 曹中一． 多功 能液压挖 掘机泵控 系统动态 特 性仿真研究[ J 】 ． 机床与液压， 2 0 0 7 ， 9 ． [ 1 7 】 B e n n o S t e i n ，E l ma r V i e r ． S t r u c t u r al A n a l y s i s i n C o n t r o l S y s t e ms D e s i g n o f Hy d r a u l i c D n v e s ] ． E n g i n e e r i n g A p p l i c a t i o n s o f A r t i fi c i a l I n t e l l i g e n c e ． 2 0 0 0 ， 6 ． 『 1 8 1 葛振亮， 侯友 山， 姜 勇． 工 程车辆 全液压 转向系统管 路特性 分 析【 J ] ． 振动与 冲击， 2 0 1 1 ， 3 ． [ 1 9 】 张庆永． 液驱混合动力车辆液压 系统研究[ D 1 ． 南京 南京 理工 大学． 2 0 0 9 ． 『 2 O 1 夏必忠． 功率键合 图在液压 系统 动态特性数字仿真研究 中的 应用 [ J ] ． 湛江师范学 院学报， 1 9 9 7 ， 6 ． 『 2 1 1 冯双 昌． 挖 掘机工作装置液压 系统的动态特性 的建模与仿 真 研究[ D ] ． 贵阳 贵州大学， 2 0 0 7 ． 『 2 2 1 原思 聪， 王丹， 刘 道华 ． 功率 键合 图和 MA T L A B ／ S i mu l i n k在 液 压系统动态仿真分析中的应用[ J ] ． 煤矿机械， 2 0 1 0 ， 3 ． 『 2 3 1 杨红艳瑚 格金， 雷秀， 等． 旁路节流调速液压系统动态特性数 字仿真[ J ] ． 煤矿机械， 2 0 1 1 ， 2 ． 『 2 4 ] 项 昌乐， 符升平． 车辆综合传动系统过渡工况仿真及试验验证 [ J ] ． 机械工程学报， 2 0 1 1 ， 1 ． [ 2 5 】 孙 成通， 陈国华， 蒋 学华， 等 ， 液压 系统仿真技术 与仿 真软件研 究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 8 ， 1 O ． [ 2 6 】 潘 东升， 陈松茂 ， 丘宏扬， 等． 液压仿 真技术的现状及发展趋势 [ J J ． 新技术新工艺 数字设计与数字制造， 2 0 0 5 ， 4 ． 【 2 7 】李和言． 综合 传动液压 转 向动态特性 与试验方 法研究 【 D ] ． 北 京 北京理工 大学． 2 0 0 4 ．