蓄能器在液压试验台中的参数分析与仿真.pdf

2 0 1 0年 8月 第 3 8卷 第 l 5期 机床与液压 MACHI NE T 00L ＆ HYDRAULI CS Au g ． 2 01 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 1 5 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 5 ． 0 2 8 蓄能器在液压试验台中的参数分析与仿真 王纪森，王海涛，李仕辉 西北工业大学，陕西西安 7 1 0 0 7 2 摘要 蓄能器在液压系统 中被广泛 用于 吸收压 力 冲击。根据 工况正 确地 选择蓄 能器 的参数 ，能充分 发挥蓄 能器 的作 用 。建立皮囊式蓄能器和连接蓄能器管路的数学模型 ，从 理论上分析影响蓄能器性能的参数。利用 A MS i m软件建立包括 蓄 能器在内的液压试验台的仿真分析模型，仿真结果表明合理选取蓄能器的体积、预充气压力能有效降低液压试验台的压 力冲击，同时连接蓄能器管路的通径和长度也是影响蓄能器性能的重要因素。 关键词 蓄能器 ；A M E S i m；压力冲击 中图分类号 T P 2 7 1 ． 3 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 1 5 0 8 9 3 Th e Pa r a me t e r An a l y s i s a nd S i mu l a t i o n o f t he Ac c u m u l a t o r i n Hy d r a ul i c Te s t ． b e d WANG J i s e n ．WANG Ha i t a o ．L I S h i h u i N o r t h we s t P o l y t e c h n i e a l Un i v e r s i t y ，Xi ’ a l l S h a a n x i 7 l 0 0 7 2．C h i n a Abs t r a c tI n t h e hy d r a u l i c s y s t e m ， t h e a c c u mu l a t o r h a s b e e n wi d e l y u s e d i n a s s i mi l a t i n g i mp u l s i o n ． Ac c o r di n g t o wo r k i ng c o n d i t i o ns ， t he p a r a me t e r s o f t h e a c c umu l a t o r s h o ul d be c h o s e n c or r e c t l y， i t wi l l b e a b l e t O g i v e f u1 1 p l a y t o t he a c t i o n o f t he a c c u mul a t o r ． Th e ma t h e ma t i c a l mo de l s o f b l a d d e r a c c umu l a t o r a n d t h e pi pe l i ne whi c h c o nn e c t e d t h e a c c u mul a t o r we r e e s t a b l i s h e d． Th e pa r a n l e t e r s whi c h i n f l u e n ce d t he pe r f o r ma n c e o f t h e a c c u mul a t o r we r e a na l yz e d i n t h e o r y． Us i n g AMESi m s o f t wa r e．a s i mul a t i o n mo d e l o f t he hy d r a u l i c t e s t b e d wh i ch i nc l u de d t h e a c c umu l a t o r wa s s e t u p． Th e s i mu l a t i o n r e s u l t s i n d i c a t e t h a t pr o p e r v o l u me a n d p r e c h a r g e p r e s s u r e o f t h e a c c u mu l a t o r c a n e f f e c t i v e l y r e d u c e t h e i mp u l s i o n o f t h e h y d r a u l i c t e s t b e d， t h e d i a me t e r a n d t h e l e n g t h o f t h e p i p e l i n e w h i c h c o n n e c t t he a c c umu l a t o r a r e t h e i mpo r t a n t f a c t 0 r s whi c h i n flu e n c e t h e pe r f o r ma n c e o f t h e a c c u mu l a t o r ． Ke ywor ds Ac c umu l a t o r ；AMES i m ； h np ul s i o n 蓄能器 是液压 系统 中的重 要辅 助元 件 ，也 是 使 用和研 究最多 的一种 元件 ，其响 应 能力对 改善 系 统 性能有 很重要 的作用 ，其基 础理 论 的正确 及 完善 与 否对 系统 分析 和设 计有 很 大影 响 。 目前广 泛采 用 的 蓄能 器基础理论 成熟 于 2 0世 纪 7 0年 代 ，大 多是 通 过经验 总结 的方 式得 到 的 ，比较 陈 旧，同时也 不 够 准确 ，理论价值较小。基于以上原因，作者建立 了 蓄能器 的数学模 型 ，从 理论 上分 析 了影 响蓄 能器 性 能的参数 。 在液压 系统 中由于换 向阀 的突然 换 向或执 行 元 件突然停止运动等原因，会使 系统产生压力 冲击 ， 此时溢流阀来不及动作，轻则引起管路震动，严重 时会 导致液压管 路破 裂 ，造成 安 全事故 。通 常在 换 向阀前安装 蓄能器来 吸收 压力 冲击 。但在 实 际使 用 中，由于蓄能器的参数选择不 当，其吸收压力冲击 的效果并 不理想 。作 者在 理论 分析 的基 础 上 ，利 用 A M S i m软件对液压试验台系统进行仿真分析，得 出 了影 响蓄能器性 能的参 数 ，对蓄 能器 的参 数选 取 具 有一定 的指导意义 。 1 系统介绍 液压试验 台是 对液压 元 件 进 行 校 验 、性 能 测 试 、故 障诊断及 维护保 障 的主要检测设备 。液压试 验 台原理 如图 1 。 蓄能器 9用 于吸收电 磁 换 向 阀 1 0打 开或 关 闭 时的压力 冲击 。快换接 头 1 1用 于 连 接 被 试 液 压 元 件。溢流阀8为系统的压 图1 液压试验台原理图 力保安。缓冲瓶 5吸收柱塞泵引起的压力脉动。 液压 试验 台各元件 的具体参数见表 1 。 此外系统的管路选用 6 2 5 m n l 3 m m 外径 壁厚 的无缝 不 锈 钢 管 ；油 液 采用 1 5号航 空 液 压 油 。 收稿 日期 2 0 0 9一 O 7 2 7 作者简介 王纪森 1 9 6 6 一 ，男 ，博士 ，教授 ，主要研 究方 向为非线性控制 、机动车防抱制 动控 制 、电液控制系统及工业 过程控制 。电话 1 3 5 7 2 8 6 7 6 9 4，Em a i l h a 1 ． t a o 0 7 1 6 3 ． c o rn。 9 O 机床与液压 第 3 8卷 表 1 液压试验 台主要元件及其参数 2蓄能器的数学模型分析 在建立蓄能器的数学模型时 ，蓄能器在工作点附 近工作时皮囊近似做轴 向运动 ，忽略其径向运动 。将 蓄能器分为气腔 、油腔两个部分 。通过研究各部分的 数学模型 ，并将这些模型通过其中的相关参数联系起 来 ，得出蓄能器的整体数学模型。 2 ． 1 蓄能 器的 气、液腔 受力分析 图 2为蓄能器受力简化模 型 。 喜 A 图 2 蓄能器简化模 型 分析气腔受力 ，可得受力方程 1 ， 4 C e 1 式 中 P 为蓄能器液腔油液压力 P a ； P 为皮囊任意时刻气体压强 P a ； 为皮囊任意时刻气体体积 I n ； A 为液腔横截面积 m ； 为皮 囊 在 任 意 工 作 时刻 的气 体 刚 度 系 数 k g m ／ s ； C 为皮囊在任意工作时刻的等效气体阻尼系数 P a S m 。 k 一 AF 一 -A2ke V ／ A 一 一 一 一 a a c 一 c 。 z ㈡] 3 2 式 中c ．． 8 W z Z ，c 8 Z 。 ， A 为进油阀横截面积 n l ； 为气体 黏度系数 P a S ； 忽略油液弹性模量 ，分析油腔受 力可得受力方程 为 4 一 1 B o 壬 1 ㈩ p A n - p h4 a e ’ ‘ 4 式中 P ． 为蓄能器进油 口压力 P a ； m 为液腔油液等效质量 k g m 一 A m 其中 m l ， m l 。 B 为液腔油液等效黏性阻尼系数 P a s m 日 8 『 f『1 z ㈡ ] 其 中 为油液动力黏度 ； 令 A r a 4 5 结合式 1 -- 5 可以得到蓄能器的受力方程 一 】 6 n p - 一 p a _ 【 m e e e e n J 【 0 2 ． 2 蓄能器整体模型的建立与分析 设蓄能器的预充压力为 P ， ，根据气体状 态方程有 P 8 0 V a 0h P 7 得出蓄能器的连续方程 。 一 南 Q。 一 kp a o d t 8 Q ， s F a O as 9 将式 8 、 9 代 入式 6 ，整理可得 出蓄能 器进口压力P 和蓄能器内气体体积 的关系式 ⋯、 n A 暑 C辆 o 一 f ． ．e1 。 1 0 式中 m m k e 一 2√ 訾 m 第 1 5期 土纪森 等 蓄能器在液压试验台 中的参数分析与仿真 9 1 以看 出，蓄 能器 的性 能 和蓄 能器 的 预充 气压 力 、体 积以及 系统工作压力 、气体多变指数 、油液的黏性阻 尼系数 、气体 的黏性阻尼系数等参数有关 。 3连接蓄能器管路的分析 连接 蓄能器 的简化管路如 图 3 。 图 3 连接蓄能器 的管路 管路中的压力和流量方程为 Q 一 警 一 尺 Q 一 1Td 丌 n u ￡ u 1 1 Q。 Q 一 Q 一c 1 2 式 中R、C和 分 别 为 管路 的液 阻 、液容 和液 感 。 可见液压油流过管路 时的压力 和流量 的变化与管路 的 管径、管长以及液体的黏性 、压缩性有关。 4系统的仿真与分析 借助 于 A M S i m软件 ，对 液压试 验 台所 选蓄 能器 的连接管路 、体积和预充气 压力进行仿真分析 ，得 出 了上述不 同参数 对压 力冲击 的影 响。其 A MS i m仿 真 模型如图 4 。 图4 液压试验台的 A MS i m仿真模型 表 2系统主要 A MS i m仿真 参数 电机转速／ r m i n 变量泵额定流量／ L m i n 变量泵额定压力／ MP a 变量泵脉动百分 L L ／ ％ 不锈钢管管径 外径 X壁厚 ／ m m 泵 出口软管管径 外径 X 壁厚 ／ m m 换 向阀流量／ L mi n 作 动简无杆腔直径／ m m 作 动筒有杆 腔直径／ m r n 系统仿真参数见表 2 。 1 选用 体积 为 2 L的 N X Q系列 蓄能 器 ，预充 气压力为 l 6 ． 8 M P a ，连接 蓄能器 管路 的长度 分别 选 用 0 ． 1 m和 0 ． 5 1T I 的 4 , 2 5 m m X 3 m m的不锈钢管 。观 察管长对蓄能器吸收压力冲击的影 响。其仿真结果如 图 5 。 从仿真结 果可 以看 出，在 其 他条 件相 同的情 况 下 ，管长为 0 ． 1 m 的没 有 压 力 冲击 。管 长 为 0 ． 5 m 时 ，系统 的压力峰值为 2 2 ． 2 M P a 。 在蓄能器 体积 、预充 气压 力 和管 长相 同的情 况 下 ，连接蓄能 器 的管 径选 用 6 2 5 m m3 m m 和 t h l 0 m m 1 ． 5 m m的不锈钢管 。观察管径对 蓄能器吸收压 力 冲击 的影响 。其仿真结果如图 6所示 。 21 ． S 2 0 ． 5 1 9 ． s 崩 l 8． S i 管 长0 ． I m l 2管长0 ． 51 11 ； 2． 990 3． 0l 0 3． 0 30 时间／ s 图 5 不 同管长时 图 6连接 蓄能器 管径 换 向阀 P口 不同时换 向阀 P 处压力对 比 口处 压力 对比 从仿真结 果 可 以看 出 ，在其 他条 件 相 同的情 况 下 ，管径为 q 5 1 0 m m 1 ． 5 m m时 ，系统的压力峰值为 2 4 ． 3 M P a 。管径为 q 5 2 5 m m 3 m m的压力峰值为 2 2 ． 1 M P a 。上述仿 真结 果 可 以得 出加 大 连 接蓄 能 器 的管 径 、减小管长可 以有效 的减小压力冲击 。 2 在预 充 气压 力 和 连接 管 路相 同的 情况 下 ， 分别对2 L和 1 0 L的蓄能器进行仿真，换向阀P口的 压力如图 7和 图 8所示。 25 目20 皇1 5 杂1 0 5 0 0 2 4 6 8 l 0 时 间／ s 2 2 要 z l l 3． O0 3． 10 3 ． 2 0 时间／ s 图 7 蓄能器不同体 图 8 蓄能器不同体积 积 时换 向阀 P 时换 向阀 P口处 口处压力对 比 压力局部放大 图 从仿真结果可以看出 ，安装 2 L与 1 0 L的蓄能器 时 ，系统的压力 峰值 相差 无 几 ，1 0 L蓄 能器 系统充 液时 间为 3 S ， 2 L蓄能器充液时 间为 0 ． 8 S ，响应 速度 较 1 O L的快 。 3 在蓄能器体积和连接管路 相同的情况下 ，分 别对 1 1 ． 8 MP a 、1 6 ． 8 MP a 、 2 1 ． 0 M P a充气压力 的蓄能 器进行仿真 ，换 向阀 P口的压力如图 9和图 1 O所示 。 下转第 3 4页 ， 3 舳 ∞ 如 3 4 机床与液压 第 3 8卷 1 静态的 描述 ，主 要 提供 服务 节 点 的静 态特 性 ， 包括机床的物理位置 、机床 的型号 、加工范围 、需要 提供 的原始数据等 ，此类信息既面向服务需求客户又 面向服务工厂 ； 2 动态描述 ，提供服务 节点 的服 务状态信息 ，包括当前机床的加工任务信息 、当前的 工装 、机床的负荷 、预计 等待时间等。 3 ． 4 基于网格服务 G r i d S e r v i c e 的服 务搜 索、 管理等具体算法和机制 基 于网格 服务 的服务 搜索 、作 业计 划 的调度 等 具体 算 法 和机 制 的研 究 一 直是 网格 计算 的研 究 热 点 ，快速 、可靠是 使网格 能够满 足制造 系统要 求 的 关键 。在基 于网格 的数控 系统 中需 要解决 数控 服务 节点 的快速搜 索 、数控 服务作业 的管 理 、数控 服务 作业的监控 。同时数控 服务节 点本 身需要从 制造 网 格 中快速地 获得 进行 数 控 服务 所需 的 数据 、知识 、 资源等服务 。 4结论 制造网格是 解决 网络化 制造瓶 颈 问题 的关 键技 术 。基于制造网格 的数控加工服务技术是将数控加工 资源化的过程。将网格的通用技术和数控加工的特殊 性结合起来，构建一种可以在网格架构下提供数控加 工服务的数控系统 ，可以为网络化制造 向网格制造 的 转变奠定基础 。 参考文献 【 l 】L i u L i l a n ， Y u T a o ， S h i Z h a n b e i ， e t a 1 ． R e s o u r c e m a n a g e me n t f r a m e w o r k f o r m a n u f a c t u ri n g g r i d [ J ] ． J o u rna l o f S o u t h e a s t U n i v e r s i t y E n g l i s h E d i t i o n ， 2 0 0 4 ， 2 0 3 3 4 6 3 5 1 ． 【 2 】 刘丽兰， 俞涛， 施战备． 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