基于Modeliea和Dymola的飞机液压能源系统动态特性仿真.pdf

2 0 1 0年 4月 第 3 8卷 第 7 期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAULI CS Ap r ． 2 01 0 V0 l I 3 8 No ． 7 I N I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 0 7 ． 0 3 8 基于 Mo d e l i c a 和 D y m o l a 的飞机液压能源系统动态特性仿真 丁华，曹克强，李永林，任博 空军工程大学工程学院，陕西西安 7 1 0 0 3 8 摘要在建立液压能源系统元件动态数学模型基础之上，利用 D y m o l a软件实现液压能源系统动态特性分析通用模型库 的构建，并对某型飞机的液压能源系统进行建模和仿真。仿真结果表明，该模型符合实际系统的管路压力和流量脉动特 性 ，在模型 中能够获得时域范围内系统任一点 的流量压力脉动情况 。 关键词Mo d e l i e a ；D y m o l a ；液压能源系统 ；动态特性；仿真 中图分类号 T H 1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 71 2 03 M o d e l i n g a nd Pe r f o r ma nc e S i mula t i o n f o r Ai r c r a f t Hy d r a u l i c Ene r g y Sy s t e m Ba s e d o n M o d e l i c a a nd Dy mo l a DI NG Hu a， CAO Ke q i a n g， L I Yo n g l i n， REN Bo E n g i n e e r i n g C o ll e g e ，A i r F o r c e 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 S h a a n x i 7 1 0 0 3 8 ，C h i n a Abs t r a c tBa s e d o n t h e f o u n de d d y n a mi c ma t h e ma t i c a l mo d e l s f o r c o mp o ne nt s o f h y d r a u l i c e n e r g y s y s t e m， t he g e n e r a l mo de l l i b r a r y for d y na mi c pe rfo r ma n c e a n a l y s i s o f h y d r a u l i c e n e r gy s y s t e m wa s c o n s t r uc t e d u s i n g Dy mo l a ． Mo d e l i n g a nd s i mul a t i o n we r e ma d e f o r hy dr a ul i c e n e r g y s y s t e m o f n i l a i r c r a f t ． Th e s i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e mo d e l c a n r e fle c t t h e p u l s e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e a c t u al h y d r a u l i c s y s t e m a n d t h e t i me do ma i n pu l s e s i t u a t i o n o f s y s t e m r a n do m po s i t i o n c a n b e o b t a i ne d i n t h e mo de l o f h y d r a u l i c e ne r gy s y s t e m o f a n a i r c r aft ． Ke y wo r ds Mod e l i c a； Dy mo l a； Hy dr a ul i c e ne r g y s y s t e m ； Dy n am i c p e r f o rm a n c e； S i mul a t i o n 现代飞机液压能源系统一般都属于恒压力变量泵 式液压能源系统，脉动式的流量输出是其固有属性。 脉动式 流量作用 于管路阻抗产生压力脉动 ，压力脉动 不仅使流体管道发生周期性的强迫振动，而且使管道 支承结构发生周期性 的强迫振动 ，造成导管与支 承结 构表面产生微 动磨损 ，支承刚度逐渐下降 ，从而 降低 管道固有频率 ，直至与压力脉动频率接近或者重合 ， 则产生流固耦合振动 ，影响整个液压系统的性能和降 低 了设备的使用寿命 ，甚至可能导致整个飞机液压系 统功能失效，造成严重的飞行事故。 因此 ，很 有必要对液压 系统 的流量和压力脉动的 产生和传播 机制进 行理论研 究并分析 不 同液 压元件 、 不同外界负载对整个系统动态特性的影响，在此基础 之上研究对压力流量 脉动 的抑制措施 。作者介绍 了利 用 Mo d e l i c a 语 言和 D y m o l a 环境 建成 的液 压能 源系统 动态特性分析 通用模 型库 ，搭建 了液压能源系统 的仿 真模型， 在时域上对其动态特性进行仿真。 1 D y m o l a 软件简介 D y m o l a 是瑞典 D y n a s i m公司开发的用于复杂综合 系统建模 和仿真 的集成环境 ⋯，建立在 M o d e l i e a面向 对象语 言的基础 之上 ，在 D y m o l a 面 向原 理图 的可视 化交互 建模仿真集成环境下通过 M o d e l i c a面向对象语 言强大继承能力 ，可以实现模块化 的建模过程 ，模 型的建立 、继 承 和扩展 非 常方便 。对 于液压 系 统而 言，存在着压力和流量的耦合关系，为了实现建模过 程中模 型的相容性 ，可以定义具有不 同接 口类型的模 块 ，在可视化 的仿真环境 下 ，软件可 以根据模块之间 的连接关 系 自动生成模块之间的输入输 出关系 。而在 M A T L A B ／ S i m u l i n k中 ，这种多变量且相互耦合 的输入 输出关 系很容易产生代数环 。 D y m o l a中描 述模 型 的方 程 式采 用 自然 的形 式 ， 即用代 数微 分方 程 D A E D i f f e r e n t i a l A l g e b r a i c E q u a - t i o n 来表示模型 ，在模型构建 过程 中可 以避免将 隐 式函数转化为显式 函数所需的大量工作 ，方程可 以以 其原 型出现在用 M o d e l i c a 语言编写的程 序代码 中 ，减 少了模 型实现 的工作量 ，同时避 免了人 为的在方程转 化时出现的错误 。 D y m o l a 仿真软件平台采用 M o d e l i c a 语言对其仿 真的对象进行建模。采用 D y mo l a 平台进行仿真主要 分 3步 1 模型编辑，采用 已有的模型组合出新 的模 型或通 过方程 建立新 的模 型 ； 2 采 用已有 的模 型 收稿 日期 2 0 0 9 0 41 5 、 作者简介丁华 1 9 8 5 一 ，男，硕士研究生，研究方向为飞机流体传动与控制。电话1 3 7 5 9 9 9 6 7 9 2 ，Em a i l t h e m i l k w a y 1 63 ．c o m。 第 7期 丁华 等基于 Mo d e l i c a和 D y m 。 1 a的飞机液压能源系统动态特性仿真 。1 2 1 组合 出所需 要 的系统并进行 系统 的仿 真 ； 3 仿真 结果 的可视化和结果分析。 D y m o l a 包括 建模 环境 和仿 真 环境 ，在建 模 环境 中实现模型构建和模型管理，在仿真环境中实现对模 型的仿真。图 1 为 D y m o l a 软件构架 。 u r 观 化 分 析 图 1 D y m o l a 软件架构 2能源系统主要元件数学模型 2 ． 1 管路数学模型 管路数学模型采 用集 中参数法建立 ，考 虑油液 的 液 阻 、液 感 、液 容 效 应。 } 互至 图 2 集中参数系统 考虑 图 2所示的管路模型 ，可得 截面 1和 2之间 轴向力平衡方程式 d ” p 一 P 2 A一 m ． 1 液体在 圆管 中作稳定和非稳定层流运动时 ，黏性 引起 的压力损失与速度的一次方成正 比，可得 卸 3 2 V , 2 P 2 管壁处 的液层间摩擦切应力 r 。 为 r 。 3 。一4 J 则摩擦力 为 盯d i n “ 。 簪 p L p L Q R f 4 其中 R 3 2 v ／ d 。 ，为层流黏性摩擦系数 。 将式 4 代入式 1 可得 到 一鱼Q 5 A A d D V 一t ＼ ／ 根据流体的连续性 ，在 d 时间内，流人截面 1 和流出截面2的液体体积之差 ，应等于截面 1 、2间 流体被压缩减少了的体积和导管膨胀后增大了的体积 之 和 ，亦 即由此管段表观容积弹性系数所决定的体积 增量 ，即 筹 6 公式 5 和 6 即为在 集 中参数 模 型下 的管 路动态特性基本方程，式 5 考虑 了油液在传输过 程 中的液阻和液感效应 ，式 6 则 考虑 了油液 的液 容效应 。对不 同类型的管道还可 以对上式的管路动态 性能进行简化处理，例如对液压元件之间的连接件可 以只考虑其 液 容效 应 ，对短 管 可 以不考 虑其 液感 效 应 E 。 2 ． 2恒压 变量泵数 学模型 恒压变量泵数学模型包括流量脉动模型和流量调 节模 型 。对柱塞泵而言 ，流量脉动包括 固有脉 动和由 于泵 出口压力和油液预升压力之间的压力差引起的回 冲脉动。为简化处理，该模型库中变量泵的流量脉动 只考 虑其 固有脉动。 单个柱塞的瞬时流量 Q 孚d D w t a n t s i n l 7 式中 d为柱塞腔 直径 ；D为 柱塞分 布 圆直 径 ； 为 油缸体旋转 角速度 ； 为斜盘倾 角 ； ， 为柱塞旋转位 置 。 因此 ，泵 的瞬 时流量 Q - 6 J Q 詈 d D to ta n y sin n 一 K 。 8 式 中 m为位于排油过程 的柱塞 数 。当泵 的柱塞 数 为偶数 时 ，m 2 ；当泵 的柱塞数 为 奇数时 ，m 1 ／ 2 ，当 0 ≤西≤订 时 取正 ；盯 ≤ ≤2 r ／ z 时 取负 。 为变量泵的排量梯 度 ， ． 为调 压机构位 移 ， 当泵 出口压力 P 小于 变量泵 调定 压力 P 。 时 ，调压 机 构不工作 ， 。 为 0 。当P 。 超过调定压力 p 时 ，调压机 构工作 ，此时 ，对 ． 有 K 。 p 一P 9 其 中 K 为经线性 化处理 后 的调压机 构敏感 度 ，文献 [ 7 ] 中详细描述 了精确 的调压机构模型 。 据上述分析可得泵出 口压力腔的流量连续方程 c 1 0 式 中 Q 为泵实 际 出 口流量 ； 为泵 出 口压力 腔 的 容 积 ；C 为包括泵 和阀门等 的泄漏 系数 。 2 ． 3其他元件数 学模型 蓄压器数学模型 Q o 警 警 ⋯ 式 中 R为 液 阻 ，R 1 2 8 ／ ．L ／ “ r r d ／x为 动 力 黏 性 系 数 ；P为油的密度；卢 为油液的体积压缩性系数。 节流 阀模型 Q A o 1 2 1 2 2 机床 与液压 第 3 8 卷 1 3 m 日改 诃定 压 式中 C 为流量 系数 ；C 为 速度系数 ，反 映 了液 流 通过节 流孔两截面之 间的能量损 失 ；C 为收缩 系数 ， 是 流体 流束 面积 和节 流孔 面积 的 比值 ； 为节流 孔 面积 ；A ． 为节 流 阀管 道截 面积 。将 节流 阀作 为能 源 系统管路末端边界条 件 ，通过调 节流量 系数 的大小 ， 可以模拟不 同的外界负载以得到在不 同外界负载条件 下的能源系统动态特性 。 液压元件种类较多 ，一般 可分为阻性元件和容性 元件 ，例如 油滤 属 于容 性元件 ，节流 阀属 于阻性 元 件 ，在 Mo d e l i c a模 型 的创 H ／ T E S i m 建过程 中 ，通 过 为 容性 和 s i s i c 阻性元 件编 写不 同的接 口 。 油 。 n e n t 对 筝 譬 p 哪 性 划 分 。 除 了 上 述 元 件 模 ‘ 型之外 ，还有别的液压附 。囝 乱∽。 m p 件 ，其 模 型较 为 简 单 ，比 如 油 箱 、油 液 、汇 流 器 、 单向阀 ，在此不再写 出。 知道 了各 个 液压 元 件 的模 型 后 ，就 可 以 在 D y m o l a中利 用 M o d e l i c a语 言 编写元件模块代码并进行 模块 管理。图 3 是用 M o d e l i c a 语 言 编 写 的 液 压 能 源 系统元 件模 型库 。 3仿真实例及结果分析 ￡t 啦 a 氇 r 如 le p t m p c o n 罨 p p v L r p Lw p v a r H p 瑚 p 鼋 r L 圆 v a ] ．v e e o m p 团 a c c e s s o r y c o m p 图3 液压能源系统 元 件 模 型 库 建立了基本模 型 库后 ，就 可 以在 D y m o l a 模 型构 建环境下通过拖放元件 、元件接 口连接 、元件参数设 置实现对仿真实例 的建模 ，检查无误后在仿真环境下 通过编译器将 用 M o d e l i c a 语言编写的代码编译成可执 行文件 ，然后设 置仿 真参数对实例进行仿真。图 4是 针对某型飞机液压能源系统构建 的仿真模型 。 图4 能源系统仿真模型 柱塞泵主要参数 转速为 2 0 0 0 r ／ m i n ，供油 流量 针对该仿真实例 ，可 以通过设置能源系统末端 节 流 阀的流量系数来模 拟不 同的外界负载 。设置流量 系 数为 0 ． 5得如下仿真结果。 图 5给出了脉动源柱塞泵的流量脉动情 况 ，此 流 量脉动通过管路阻抗生成压力脉动 ，流量和压力脉 动 通过管路系统在能源系统中传播。图6和图7给出了 能源系统 1 处 的压力和流量脉动情况。 图 9 油滤 入 口压力脉动 图 1 O 油滤 出口压力脉动 图 8～l 0给出了能源 系统 2处即油滤入 口、出 口 处的压力 流量 脉动 比较 情况 在 系统建模 中，规 定 了元 件出 口流量 为负 ，入 口为正 ，可 以看 出 ，滤 油 器具 有低通滤波器 的特征 ，可以大幅度地衰减 高频 的 压力流量脉 动。通过在管路系统 中安装 滤油器 ，可 以 大幅度地降低压力流量脉动 。 4结论 以建立 的具有可扩展性 的通用模型库为基础 ，充 分利用 D y m o l a 软 件 的图形 化建模 特点 ，根 据实 际能 源系统的结 构 ，成功搭建 了用于分析其 动态特性 的液 压能源系统模 型。仿真结果表明 ，模 型符合实 际系统 的管路压力 和流量脉动特性 ，在模型中能够获得在时 域范围 内的系统任一点 的流量压力脉动情况 。同时通 过修 改模 型参数和 系统组合结构 ，可以很方便地得知 特定 液压元 件对整个能源管路动态特性 的影 响 ，该模 下转第 1 3 3页 商 第7期 陈宏 等旋转机械不对中形式的新分类及其故障诊断研究 1 3 3 轴承 向左偏 了0 ． 1 9 m m，严重超过 了标准要求 。通过 把测点 3轴承 中心往右调 整 0 ． 1 9 m m，启机后 测点 3 振 动 峰 幅 值 由原 来 的 大 于 2 5 0 m 仪 器 量 程 为 2 5 0 m，该振动值 已经超过仪器量程降到 4 0 m 左右 如图 5 所示 ，达到机组振动要求 。 0 9 0 1 8 0 2 7 0 t ／ ms a 水 平 方 向波形 图 0 9 0 1 8 0 2 7 0 t ／ ms b 竖 直方 向波 形 图 图 5处理后该空压机测点 3在 X和 ‘Y 方向轴振动的波形频谱图 4结论 与展望 作者从工程实际 出发 ，把原来的转子系统不对 中 和轴承不对 中融合在一起 ，提出了一种基于轴承状态 的不对 中分类方法 ，把旋转机械不对 中故障分为同侧 轴承不对中 、异侧轴 承不对 中和 混合不对 中 3种不对 中形式 ，并把新 的 3种不对 中形式与传统 的不对 中形 式进行了 比较 ，给出了新 的不对 中形式 的振动机理及 特征 ，具体结论 如下 1 对 于 同侧 轴 承不对 中，在 传统 的不 对 中形 式 中并没有特别指 出 ，因此没有现成的振动特征 ，作 者通 过理论分析和现场诊断实例证 明，对于 同侧轴承 不对 中 ，轴振动往往不会 表现 出 明显 的 2倍 频特 征 ， 轴振 动不能作为诊断 同侧轴承不对 中的可靠依据 ，而 壳振 或轴承座振动 表现 的不对 中特征 比较 明显 ， 因此在实际诊断中应充分考虑轴 承座振 动特征 ； 2 对 于异 侧轴 承不对 中，实 际上 就是 传 统不 对 中形式 中的平行位移不对 中 ，其振动特征可 以参考 原来 的研究 结果 ； 3 混合不对中实际上就是传统不对中形式 中 的混合不对中，振动特征与传统的混合不对中相同。 作者仅仅从频率特征方面主要对同侧轴承不对中 故障进行了较详细的研究，为了进一步提高故障诊断 的准确率，还需要在相位、轴心轨迹等方面进行深入 研究 。 参考文献 【 1 】韩捷， 石来德． 转子系统齿式联接不对中故障的运动学 机理研究 [ J ] ． 振动工程学报 ， 2 0 0 4， 1 7 4 4 1 6 4 2 0 ． 【 2 】L O R E N Z E N H， N I E D E R MA N N E A， WA T T I N G E R W． S ol i d c o u p l i ng s wi t h fle x i b l e i nt e r me di a t e s h a f t s f o r h i g h s p e e d t u r b o c o m p r e s s o r tr a i n s [ C ] ／ ／ P r o c e e d i n g s o f t h e 1 8 t h T u r b o - ma c h i n e r y S y mp o s i u m． Da l l a s ， 1 0 11 1 0 ． 【 3 】S E K H A R A S ， P R A B H U B S ． E ff e c t s o f C o u p l i n g M i s a l i g n m e n t o n V i b r a t i o n s o f R o t a t i n g Ma c h i n e ry[ J ] ． J o u r n a l o f S o u n d a n d v i b r a t i o n ， 1 9 9 5 ， 1 8 5 6 5 56 71 ． 【 4 】X U M， MA R A N G O N I R D ． V i b r a t i o n A n al y s i s o f A Mo t o r fl e x i b l e C o u p l i n g r o t o r S y s t e m S u b j e c t t o Mi s a l i g n m e n t a n d U n b al a n c e ． P a r t I T h e o r e t i c a l M o d e l A n a l y s i s [ J ] ． J o u rnal o f S o u n d v i b r a t i o n， 1 9 9 4， 1 7 6 6 6 36 7 9． 【 5 】X U M， MA R A N G O N I R D ． V i b r a t i o n A n a l y s i s o f a M o t o r - fl e x i b l e C o u p l i n g r o t o r S y s t e m S u b j e c t t o Mi s a l i g n m e n t a n d U n b a l a n c e ． P a r tⅡ E x p e r i m e n t a l V ali d a t i o n l J 1 ． J o u rna l o f S o u n d v i b r a t i o n， 1 9 9 4， 1 7 6 6 8 16 91 ． 【 6 】韩捷， 张瑞林 ， 等． 旋转机械故障机理与诊断技术[ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 1 9 9 7 ． 【 7 】刘占生， 赵广， 龙鑫． 转子系统联轴器不对中研究综述 [ J ] ． 汽轮 机技 术 ， 2 0 0 7 ， 4 9 5 3 2 1 3 2 5 ． 上接 第 1 2 2页 型库作为一个很有川f f r 忻工具 ，对液压系统压力脉 动研究具有一定 的意 义。 参考文献 【 1 】M o d e l i c a A s s o c i a t i o n ． D y m o l a U s e r M a n u a l [ M] ． S w e d e Dy n a s i m AB， 2 00 8． 【 2 】M o d e l i c a A s s o c i a t i o n ． M o d e l i c a L a n g u a g e S p e c i fi c a t i o n V e r s i o n 3 ． 0 [ M] ． S w e d e n D y n a s i m A B ， 2 0 0 7 ． 【 3 】王延兴， 李防战， 孟光， 等． 基于 M o d e l i c a 和 D y m o l a 的压 气机系统 的建 模 与仿 真方 法 [ J ] ． 燃 气 涡 轮 实验 与研 究 ， 2 0 0 4 ， 1 8 3 3 53 9 ． 【 4 】 任志彬 ， 孟光， 李防战， 等． 基于 M o d e l i c a 和 D y m o l a 的航 空发动机建模与性能仿真[ J ] ． 燃气涡轮实验与研究， 2 0 0 4 ， 1 8 4 4 0 4 4 ． 【 5 】 李培滋， 王占林． 飞机液压传动与伺服控制 上 [ M] ． 北京 国防工业 出版社 ， 1 9 7 9 ． 【 6 】郭卫东， 王占林． 斜盘式轴向柱塞泵实际流量的分析研 究[ J ] ． 北京航空航天大学学报， 1 9 9 6 ， 1 1 2 2 2 3 22 7． 【 7 】王占林． 飞机高压液压能源系统[ M] ． 北京 北京航空航 天大学出版社 ， 2 0 0 4 ．