基于AMESim的多级液压缸建模与仿真.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 1 ． 3 8 No ． 7 D OI 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 4 0 基于 A M E S i m的多级液压缸建模与仿真 谢建，罗治军，田桂，李良 第二炮兵工程学院，陕西西安 7 1 0 0 2 5 摘要提出一种在 A ME S i m软件中利用液压元件设计 H C D 库和机械库中的元件、采用单级液压缸级联方式构建多 级液压缸模型的新方法，用该方法构建四级液压缸模型，从液压力、摩擦力、碰撞力等方面对实物和模型进行理论对比分 析，并对模型进行了仿真。结果表明采用单级缸级联法构建的多级液压缸模型能较好地模拟多级液压缸的实际情况 ，该 方法较以往的编程建模方法和多软件协同建模方法更为简便、有效。 关键词 单级缸级联 ；多级 液压缸 ；建模 ；仿真 中图分类号 T P 1 3 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 ～3 8 8 1 2 0 l o 】71 2 6 4 M o de l i n g a nd Si mu l a tio n o f Te l e s c o pi c M ul ti- s t ag e Cy l i n de r Ba s e d o n AM ESi m X I E J i a n ，L U O Z h i j u n ，T I A N G u i ，L I L i a n g T h e 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 C o l l e g e ，X i ’ a n S h a a n x i 7 1 0 0 2 5 ，C h i n a Ab s t r a c t A d o p t i n g s i n e s t a g e c y l i n d e r s c a s c a d e ，a n e w m e t h o d f o r m o d e l i n g o f t e l e s c o p i c m u l t i s t a g e c y l i n d e r w a s p r e s e n t e d ， w h i c h t o o k a d v a n t a g e o f t h e c o m p o n e n t s o f H C D h y d r a u l i c c o m pon e n t d e s i g n l i b r a r y a n d m e c h a n i c a l l i b r a r y i n A M E S i m s o f t w a r e ．A mo d e l o f t e l e s c o p i c f o u r s t a g e c y l i n d e r wa s b u i l t ， t h e o r e t i c a n a l y s i s e s t h a t c o n t r a s t e d mo d e l w i t h p r a c t i c a l i t y f r o m h y d r a u l i c f o r c e，f r i c t i o n． c o l l i s i o n f o r c e a n d o t h e r as p e c t s we r e a c c o mp l i s h e d， a n d s i mu l a t i o n o f t h i s mo d e l W as c o mp l e t e d ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e mod e l b u i l t b y t h i s me t h o d c o r r e s po n d s t o t h e r e al c o n d i t i o n o f t e l e s c o p i c mu l t i s t a g e c y l i n d e r a n d t h i s me t h o d i s mo r e c o n v e n i e n t a n d e f f e c t i v e t ha n t he me t hod of p r o g r a mi n g o r us i n g s o f t wa r e c o l l a bo r a t i o n． Ke ywo r ds S i ng l e - s t a g e c y l i n de r s c asc e；Te l e s c o pi c mul t i s t a ge c y l i n de r ； Mo de l i ng； S i mu l a t i o n 与单级液压缸相 比 ，在缸体初始长度相同的情况 下 ，多级液压 缸具有更长 的行程 ，因而被广泛运用于 大型起 竖装备 中。多级液压缸 的运行受到液压力 、静 摩擦力、动摩擦力、黏性摩擦力、换级碰撞 、负载等 多种因素的影 响 ，因而其数学模型 比较复杂 ，采用单 一 软件编程建模 ⋯的方法工作量很大 ，这给研究基于 多级液压缸的双缸 同步起竖 、快速起竖等问题带来了 困难 。 为了减少编程建模 的工作量 ，文献[ 2 ]对此做 了积极有效的研究 ，提 出了多软件 协 同建模 的方 法 ， 然而该建模 方法的工 作量依然很大 。作者 以四级液压 缸为例 ，提出了一种在 A ME S i m软件中利用液压元件 设计 H C D库和机 械 库 中 的元 件 ，采用 单级 液压 缸级联方式构建多级液压缸模 型的新方法 ，该建模方 法具有模型构建简单、参数设置方便 、能充分考虑到 各种摩擦力等优点，比以往的编程建模方法和多软件 协 同建模方法更为实用。 1 模型构建与建模方法介绍 用单级缸级联法构建的某 四级液压缸模 型如 图 1 所示。图中 B A P 1 1 、B A P 1 2为 H C D库 中缸体 固定 的 活塞模块，B A P 1 1与 B A P 1 2组合，构成一个缸体固 定的单 级缸 ；B R P 1 7 、B R P 1 8为 H C D库 中缸体 可 移 动的活塞模 块 ，B R P 1 7与 B R P 1 8组合 ，构 成一 个缸 体可移 动的单 级缸 。MA S 3 0为机 械 库 中带 可移 动套 筒的有 固定外 壳 的质量 块 ，M A S 3 1为仅有 可移 动套 筒的质 量块 。四级液压缸模 型由 3个缸体可移动的单 级缸 和一个缸体 固定 的单级缸级联组成 。前一级单级 缸的活塞杆与下一级单级缸的可移动缸体连接 ，可移 动缸体 与相应 的质量模块 中的质量块连接 ，以此来模 拟多级缸中作 为下一级活塞套筒的活塞 。各单级缸的 正反两腔分别连接两个动态容积模块 B H C 1 1 ，以 此来模 拟四级液压缸正反两腔的流量压力特性 。 图 1 A M E S I M中构建的四级液压缸模型 缸 体固定 的单级缸 和缸体 可移动 的单 级缸级 联 ， 外壳固定的带移动套筒的质量块 M A S 3 0和仅有可移 收稿 日期 2 0 0 9 0 3 2 3 作者简介谢建 1 9 6 7 一 ，男，博士，教授，研究方向为复杂机电液设备控制。Em a i l l z j r m s n ． c n 。 第 7期 谢建 等基于 A ME S i m的多级液压缸建模与仿真 1 2 7 动套 筒的质量 块 M A S 3 1 级 联 ，单 级缸 的级 联将 受 到 的液压力传 递给对应 的具有 碰撞 力 、摩擦 力 、质量 、 位移 等多种 属性 的带移动套筒 的质量块 。该方 法的核 心为质量块 的级联构成 了多级液压缸 的刚体 ，单级缸 的级联构成 了多级液压缸 刚体 的液压力 源 ，刚体 与相 应 的力源联 系 ，构成 了具有液压流体特性 、摩擦力特 性 、碰撞力特性等完整 的多级液压缸模 型。通过增加 或减少缸体可 移动 的单级缸 和 M A S 3 1质量 块 的数 目 就可 以构建 出不 同级数 的多级液压缸模 型。 2实物和模型对比分析 为了证 明单级缸级联法构建 的模型 的有效性 ，下 面将对 四级液 压缸 模 型 和实物 从 主要 受力 、附加 受 力 、流体力学等方面进行对 比分析 。 2 ． 1 主要 受力分析 2 ． 1 ． 1 实物 主要受力分 析 该 四级液压缸伸缩顺序为 伸 出时 ，各级活塞受 到液压力作用依次伸 出，直径大 的活塞先伸 出；缩 回 时 ，各级活塞反腔受力依次缩 回，直径小 的活塞先缩 回。各活塞的面积几何关系保证各活塞依次伸缩 。 为 了简化分析过程 ，下面 以原理相 同的双作用二 级液压缸为例进行 分析。双作 用二级液压缸受力如图 2所示 。 r 伯 体 ． ． 3 F b 第 一级 c 第 二 级 图2 伸出时一二级活塞的受力图 Js 、Js 分别为一 二级活 塞无杆 腔有 效面 积 ，s ， 、 分别为一二级活塞有杆腔有效面积， P 、 P 分别为 正反腔压力 。 由受力平衡 ，可 以得到方程 P 1 S l p 2 S 2 f p 2 S l f 1 P l S 2 p 2 S 2 f ， 2 由式 1 、 2 可 得 ，二级 液压缸 在任何 状 态 下绝对依 次伸 出的面积 几何条 件为 ≥ 3 对 回缩过程进行分析可 以得 到相 同的结论 。 2 ． 1 ． 2 模 型主要受力 分析 以单级缸级联法构建的二级液压缸模型如图3所 刁 o 模型中 B A P 1 2与 B A P 1 1 两活塞模块构成 固定缸 体 的单级缸 缸 1 ，B R P 1 8和 B R P 1 7构 成有 可移动 图 3 二级液压缸模 型 缸体的单级 缸 缸 2 。缸 1的活塞 杆连 接到 缸 2的 可移动缸体，可移动缸体连接到可在固定壳体中移动 的质量 块 M 2上 ，以此来模 拟二 级液压 缸 的第 一级 ； 缸 2活塞杆直接连到可在 M2中移动的质量块 M1 上 ， 以此来模拟二级液压缸第二级 。设缸 1 活塞的直径为 D ，杆径 为 d 。 B A P 1 2的杆 径设 置为 0 ；缸 2直径 D ，杆径 d B R P 1 8的杆径设 置为 0 。 由受力平衡可得方程 P 。 2 一 D p IT L 2 一 d ； P ,-iT D 一 d 4 P。 D22p 2 “ ff L 22 一 d ； F 5 式 中 为 M1给 M 2的阻力 ，F为外 力。 与式 1 、 2 进行 比较 ，可 以得到 Sl一 “ d ff { 、 D2 。一D S 2 “ IT 22 ’ -t 6 S。 “ff 、D 2 一 S 2 - d 1 对式 6 观察 可 得 D 。 、D 即 为实物 中一 、二 级活塞 的外直径 ，d 、d 即为实 物中一 、二级活塞的 活塞杆外直径 。只需要将实物各级 的活塞 和活塞杆外 直径复制到模型就可 以对实物 的主要受力进行模拟 。 将式 6 代人式 3 可得 妄 ≥ 3 2 为二级液压 缸在 任 何条 件 下依 次 伸缩 的 几何 条 件。若 多级液压缸各级之间都有这样的几何关系 ，那 么多级液压缸将 依次伸缩 。由此可得到多级液压缸任 何条 件下依 次伸缩 的几何条件 d d． ≥ l ， 2， ⋯一 7 从上述分析 中可 以得 出 所建模型 的受力与实物 的受力相同，依次伸缩的几何条件也相同，模型参数 的设置可按实物尺寸复制 ，参数设置方便 。 2 ． 2附加 力 分析 2 ． 2 ． 1 实物 附加力分析 液压缸各级活塞运动时是通过缸体、活塞相互间 的碰撞而实现限位的。碰撞力是多级液压缸模型中必 须考虑的因素 。较好的处理碰撞 的方法是将碰撞考虑 1 2 8 机床与液压 第 3 8卷 为 自由运动一 接触变 形两种状态 的两状态模型 ，采用 等效弹簧和阻尼力模 型对碰撞过程进行等效 J 。 对摩擦力的分析 过于粗糙是 以往多级缸建模方法 的缺点之一 ，实 际上 摩擦 力 对液 压缸 的影 响不 容忽 视。静 摩擦力 和动摩擦力会影 响液压缸在低速运行下 的状态 。多级 液压 缸 由 于行程 较 长 ，当倾 斜 工作 时 ，会 由于重力 、弯 曲挠度 等原 因产生 较 大 的摩擦 力 。随着液压缸运行速度 的增大 ，液压油的黏性会产 生较大影响 ，黏性摩擦力是液压缸摩擦力的一个 重要 来源，文献 [ 5 ]中为了精确地控制液压缸，对摩擦 力进行了详细的理论与实验分析。多级液压缸的摩擦 力是多级液压缸 同步控制等需要精确控制的场合 必须 要细致考虑 的因素 。 2 ． 2 ． 2模型附加力分析 模型中 采用的 M A S 3 0和 MA S 3 1模 块 能 对碰 撞 力 、摩 擦 力 进 行 模 拟。 图 4为 机 械 库 中 的 MA S 3 0模 块 ，该 模 块 由质量块 m l 、m 2和 固定 外壳 组成 。ml被 限制 在 m 2中移动 ，m 2被限制在 ● - m ／ s _． m ／ s -_ ． m ． - -m ／ S 2 ． m ／ s 2 _ ●N 一 N ● 一 m ／ s - ●m ／ S - m ／ s 2 - m ／ s 2 - ●N ● N 图 4 MA S 3 0模块 外壳中移动 ，M A S 3 1 模块与 M A S 3 0相比仅少了一个 固定外壳 。 MA S 3 0 模块 中 ，当 ml 、m 2 、外壳 3个 刚体接触 时 ，便会产生具有弹 性 一阻尼特性 的碰撞 力。其 中 ， 2对发生在 m l 、m 2之 间，2对 发生 在 m 2与 外 壳之 间。公式 8 为模块 采用的碰撞力 函数 』 ≥ o 8 ～ 【 0 0 式中 为碰撞力， 为碰撞形变，k为等效弹簧刚 度 ，r 为等效阻尼系数 ，为了避免 0处 出现不合实 际的突变 ，r 改为 r 1 一p 9 选 择合适 的 e 值 ，使得 当变形 超过 e 时 ，阻尼 系 数达到给定值的 9 5 ％。从 函数中可以看到，模型采 用了线性弹簧和阻尼的碰撞模型 ，这与对实物的碰撞 力分析结果相 同。 模 块 MA S 3 0 、MA S 3 1采 用 K a r n o p p摩 擦 力 模 型 ] ，充分考虑了静摩擦、动摩擦、黏性摩擦以及静 摩擦 和动摩擦转换时 出现的 S t r i b e c k摩擦力 和偏差产 生的摩擦力 ，并考虑了质量块的倾斜角度对其受力的 影响。模 型中采用此模块能对多级液压缸运行中的摩 擦力进行更 为准确 的模拟 。 以上分析表 明 模型所采用的碰撞力 函数符 合实 物分析结果 ，对摩擦 力的考虑 优于 以往 的建模 方法 ， 能为多级液压缸同步等精确控制的仿真提供条件。 2 ． 3 流量 压力特 性分析 2 ． 3 ． 1 实物的流量 压力特性 由流体连续性方程可得 O l, l Q 一 1 3 1 S l V 2 S 2 B 一 山 。 1 O d p 2 Q f 一 1 S 1 f v 2 S 2 f B ， ， ， 、 一 d t 一 L 式中 Q 、Q 分别 为正反腔流量 ； s ．s 分别为一二级 活塞反腔有效面积 ； 分别为正反腔 的可变容积 ； 、 分别为正反腔的 固定 容积 ； 曰为液压油体积 弹性模量 。 2 ． 3 ． 2 模 型的流量压力特性 由于 H C D库 中的活塞 不具 备动 态容积 特性 ，所 以 增 加 动 态 容 积 C H 模 块对 液压缸 的动态容 积 效应 进 行 模 拟 ，C H模 块 如图 5所示。 动 态容 积模块 可用 来 计 算可 变容腔 中净流量 和 图5 动态容积模块 压力 的动态关 系，模型采 用 的流量 方程如公式 1 2 所示 。 韭 1 2 d t ∑VV o ～ 式中 B P 为压力为 P时的液压油体积弹性模量 ； q P 为压力为 P时流入 或流 出的液压 油体积 ， 对其求 和可得流经容腔的净流量 ； 为不变的容腔体积 ； 为可变化的容腔体积。 3 仿真分析 图 6四级液压缸运行 回路 前边的分析说明，单级缸级联法构建的多级液压 缸模型的几何关系、各种受力、压力流量特性与实物 相同。为了更 好地说 明该建模 方 法 的合 理性 、有 效 性，在 A ME S i m软件中搭建完整的多级液压缸运行回 路对四级液压缸模型进行仿真 ，图 6为完整的液压 回 第 7期 谢建 等基于 A ME S i m的多级液压缸建模与仿真 1 2 9 路 图。 由于起竖油缸一般在倾斜状态工作 ，设置液压缸 倾斜角为 3 O 。 ，摩擦力参 数采用 默认设 置 ，伸 出时负 载 1 0 N，缩回时负载 1 0 N，控制信号 4 0 m A，压力 2 0 M P a ，等效 刚度 1 0 。 N ／ m m，等效阻尼 1 0 N ／ m m s ，最大阻尼距离 式 9 中 e值0 ． 0 0 1 m m。 主要几何参数设 置如表 l 所示 ，几何 比例关系符合式 7 。 表 1 四级液压缸模型主要几何参数 m m 3 ． 1 位移 分析 图 7 、8分别为伸缸 运动 与缩缸 运动 时各级 活塞 的位 移曲线 。从位移 曲线 中可 以看到 ，四级液压缸模 型的各级 活塞依次伸缩 。 8． 0 6． 0 皇 蠢4 ． 0 2． 0 0． 0 8 ． 6． 蠢 ． 2． 0． 0 5 0 l 00 l5 0 200 0 1O0 200 3 00 400 时 间， s 时间， s 图7 伸缸运动位移曲线 图 8 缩缸运动位移曲线 位移分析表明 ，仿真结果与 实物理论分析结果相 符合 。 3 ． 2加速 度分 析 第四级 活塞 的加 擦力进行更准确 的模拟 ，能 为双缸 同步等精确控制 的 仿真提供条件 。 3 参数设置方便 ，对于与文 中结构相 同的多 级液压缸 ，模型的几何参数设置只需要对实物几何参 数进行简单的复制 即可；对于不 同结构 的多级缸 ，可 将模型变换为文 中的标准模 型 ，然 后复 制参数 即可 ； 对于用节流 口控制各级运动 的多级缸 ，可增加节流 口 模块进行控制 ，几何参数设置方法不变 。 参考文献 【 1 】高钦和， 黄先祥． 多级缸起竖系统运动过程的建模与仿 真[ J ] ． 系统仿真学报， 2 0 0 5 ， 1 7 7 1 5 6 31 5 6 8 ． 【 2 J马长林， 黄先祥 ， 李锋， 等． 基于软件协作 的多级液压缸 起竖系统建模与仿真研究 [ J ] ． 系统仿真学报， 2 0 0 6 1 8 5 2 3 5 2 5 ． 【 3 】于贵文， 臧克江． 双作用多级液压缸的设计[ J ] ． 中国机 械工程学报 ， 2 0 0 7 ， 5 4 4 3 04 3 3 ． 【 4 】刘喜平， 陈树海． 液压执行器爬行的机理、 原因和排除措 施[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 1 9 2 6 2 7 ． 【 5 】A l e x a n d e r H e i n z e ． Mo d e l i n g ， S i mu l a t i o n a n d C o n t r o l o f a H y d r a u l i c C r a n e[ D] ． V 6 U n i v e r s i t y ， 2 0 0 7 7 0 9 4 ． 【 6 】KA R N O P P D ． C o m p u t e r s i m u l a t i o n o f s t i c k s l i p f r i c t i o n i n me c h a n i c a l d y n a m i c s y s t e m s [ J ] ． J o u r n a l o f D y n a m i c S y s t e ms Me a s u r e me n t a n d Co n t r o l ， 1 98 5， 1 07 1 0 0 1 03． 【 7 】王海洋， 高钦和． 大型装置起竖过程视景仿真系统研究 [ J ] ． 计算机仿真， 2 0 0 7 ， 2 4 3 1 8 41 8 6 ． 【 8 】姚晓光、 郭晓松， 冯永保， 等． 导弹起竖系统的仿真研究 [ J ] ． 兵工学报 ， 2 0 0 7 ， 2 8 1 2 3 2 7 ． 【 9 】张宝生， 何润生， 等． 大型起竖设备双缸同步问题研究 [ J ] ． 机械工程师， 2 0 0 8 2 9 09 1 ． 【 1 0 】郑久强， 龚国芳， 邢彤 ， 等． 盾构刀盘变转速液压驱动系 统节能仿真分析[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 7 ， 3 5 4 1 0 5 1 O 6． 上接第 8 4页 【 2 】Y o k o k o h j i Y， Y o s h i k a w a T ． B i l a t e r al c o n t r o l of ma s t e r - s l a v e ma n i p u l a t o r s f o r i d e a l k i n e s t h e t i c c o u p l i n g f o r mu l a t i o n a n d e x p e r i m e n t[ J ] ． I E E E T r a n s o n R o b and A u t o ， 1 9 9 4， 1 0 5 6 0 5 6 1 9 ． 【 3 】N e l s o n B， P r a d e e p K h o s l a ． I n t e g r a t i n g f o r c e and v i s i o n f e e d - ba c k wi t hi n v i r t u a l e n v i r o nme n t s for t e l e r o b o t i c s y s t e ms [ C] ／ ／ P r o c e e d i n g s o f I E E E I n t e ma t i o n a l C o n f e r e n c e o n Ro b o t i c s an d Au t o ma t i o n， 1 9 9 7 ． 4 2 02 5． 【 4 】S t o n e R J ． A d v a n c e d H u n a n ． s y s t e m I n t e r f a c e fo r T e l e r o b o t - i c s Us i ng Vi r t ua l Re a l i t y ＆Te l e pr e s e n e e Te c h n o l o gi e s [ C ] ／ ／P r o c ． o f I E E E 5 t h I C A R， 1 9 9 1 ． 7 1 6 81 7 3 ． 【 5 】Y a m a d a H， M u k o t a S ， Z h a o D， e t a1 ． C o n s t r u c t i o n T e l e r o b o t S y s t e m w i t h V i r t u a l R e a l i t y D e v e l o p m e n t o f a b i l a t e r a l c o n s t r u c t i o n r o b o t [ C ]／ ／ [ r o e ． o f V S MM 9 8 ， 1 9 9 8 1 5 2一 】 57．