基于AMESim的液压系统压力脉冲模拟器仿真.pdf

2 0 1 1 年 7月 第 3 9卷 第 1 3期 机床与液压 MAC HI NE T0OL HYDRAULI CS J u 1 ． 2 0 1 1 Vo 1 ． 3 9 No ． 1 3 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 1 3 ． 0 3 2 基于 A ME S i m的液压系统压力脉冲模拟器仿真 李军 ，罗战强 1 ．西北工业大学自动化学院，陕西西安 7 1 0 0 7 2 ； 2 ．西安 交通大学电气工程学院，陕西西安 7 1 0 0 4 8 摘要液压系统压力脉冲模拟器是一个分布参数的复杂非线性系统，要产生符合规范的压力脉冲波形难度很大。针对 这一问题 ，应用 A ME S i m软件建立了液压系统压力脉冲模拟器的仿真模型，进行脉冲波形的仿真计算。分别研究油液体积 弹性模量 、油液黏度、蓄能器容腔大小和换向阀通流能力等参数对波形的影响。仿真和分析表明压力脉冲的形成与多种 因素有关 ，在系统设计中必须根据被试件特性和压力波形参数对管路的配置和阀件的动态特性等进行优化设计。 关键词水锤波；压力脉冲；可靠性；液压系统 中图分类号T P 2 7 1 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 1 31 0 6 4 S i mu l a t i o n o f Pr e s s u r e I mp u l s e S i mu l a t o r f o r Hy d r a u l i c S y s t e m Ba s e d o n AM E S i m L I J u n ，L UO Z h a n q i a n g 1 ． S c h o o l o f A u t o m a t i o n ， N o r t h w e s t e r n P o l y t e c h n i c a l 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 7 2 ，C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f E l e c t ri c a l E n g i n e e ri n g ， X i ’ a n J i a o t o 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 4 8 ，C h i n a Ab s t r a c t P r e s s u r e i mp u l s e s i mu l a t o r f o r h y d r a u l i c s y s t e m h a s th e c h a r a c t e r i s t i c o f d i s t ri b u t i n g p a r a me t e r a n d n o n l i n e r s y s t e m． I t i s d i f f i c u l t y for p r e s s u r e i mp u l s e s i mu l a t o r t o g e n e r a t e s t a n d a r d p r e s s u r e i mp u l s e w a v e f o r m．T o s o l v e t h i s p r o b l e m ，a mo d e l o f a p r e s s u r e i mp u l s e s i mu l a t o r for h y d r a u l i c s y s t e m wa s b u i l t a n d s i mu l a t e d u s i n g AMES i m．T h e e f f e c t s o f i mp o r t a n t p a r a me t e r s ，w h i c h w e r e o i l b u l k mo d u l u s ，o i l v i s c o s i t y ，c a v i t y o f h y d r a u l i c a c c u mu l a t o r a n d t h r o u g h fl o w c a p a c i t y o f d i r e c t i o n a l v a l v e ， we r e d i s c u s s e d ．T h e r e s u l t s d e mo n s t r a t e t h a t p r e s s u r e i mp u l s e wa v e f o r m i s a f f e c t e d b y v a r i o u s e l e me n t s ． S t a n d a r d p r e s s u r e i mp u l s e w a v e f o r m c a n b e g e n e r a t e d b y o p t i ma l d e s i g n o f p i p e l i n e c o n f i g u r a t i o n a n d d y n a mi c c h a r a c t e ri s t i c s o f v a l v e a c c o r d i n g t o t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t e s t p a rts a n d p a r a me t e r s o f p r e s s u r e i mp u l s e wa v e f o r m． Ke y wo r d s W a t e r h a mme r w a v e ；P r e s s u r e i mp u l s e；Re l i a b i l i t y；Hy d r a u l i c s y s t e m 液压系统的压力脉冲可以导致阀门损坏、管接头 断开或管道破裂等事故。但是液压系统中的压力脉冲 又难以完全避免 ，为了提高飞机液压系统的可靠性 ， 航标制定了相应的规范，要求对飞机液压系统管路 、 接头连接件及液压附件都必须进行压力脉冲试验。液 压系统压力脉冲模拟器是模拟发生液压系统循环压力 脉冲波形的试验设备 ，通过它产生周期的压力脉冲， 对液压元件进行可靠性试 。但是液压系统压力脉 冲模拟器是一个分布参数的复杂非线性系统，影响脉 冲波形的因素很多，如液压管道的设计与布管、试件 容腔、系统功率配给和阀件的动态特性等，很难产生 符合规范的压力脉冲波形。有效的解决方法是根据被 试件的特性和设计要求 ，建立液压系统压力脉冲模拟 器的精确数学模型。通过模型分析系统的动、静态特 性 ，预测系统性能，优化设计。 液压系统压力脉动模拟器建模的关键是管路内流 体波动方程的求解。可以用特征线法进行数值迭代求 解 。目前可供选择的建模方法有 基于高级语言 的微分方程求解和基于图形界面的交互式建模平台。 前者需要严密的系统建模、细致的程序设计和非常专 业的理论知识 ，工作量大，周期相对较长 ；而后者则 只需要通过简单的交互式界面操作和参数设置就可完 成建模，工作量大大减少 ，效率显著提高 。目前国 内可供选择 的基于 图形 界 面的交 互式建 模平 台很多 ， 如法 国的 A M E S i m、美国的 E a s y 5和德 国的 D S H p l u s 等。其 中 A ME S i m是一款 多学科领域复杂系统建模 与 仿真平 台。在 液压 系 统仿 真 方 面，A ME S i m 具有 H y d r a l i c 库 和 H y d r a u l i c C o m p o n e n D e s i g n H C D库 ， 利用这两个库可以非常方便地建立液压系统的数学模 型并进行仿真分析， A M E S i m也因此成为液压系统建 模与仿真的优选平 台之一 。 根据实际工程的设计需要 ，作者应用 A M E S i m软 件建立了液压系统压力脉冲模拟器的仿真模型 ，并进 行了仿真分析 ，为实际工程的实施提供设计依据。 收稿 日期 2 0 1 0 0 7 2 8 作者简介李军 1 9 7 1 一 ，男，博士，讲师，主要研究领域为检测技术与自动化、液压伺服控制。电话1 3 3 8 9 2 0 9 5 6 5 E ma i l l i ha n mi a o mi a o 1 63 ．c o m。 第 l 3期 李军 等基于A ME S i m的液压系统压力脉冲模拟器仿真 “ 1 0 7 1 压力脉冲模拟器 系统组成及原理 液压系统压力脉冲模拟器由油泵 、溢流阀、蓄能 器、比例流量阀、电磁换 向阀、增压缸、管路 L l L 4和管路连接件等组成 ，如图 1 所示。该系统可通 过计算机控制产生压力脉冲波形 ，对飞机液压系统的 导管、软管 、作动筒 、蓄能器和压力容器等元件进行 循环压力脉冲试验。 蓄 能 器 比例 溢 流 阀 油箱 图 1 系统组成框 图 进行压力脉冲试验时，首先启动主油源 ，升压至 试验规定的工作压力。在这个阶段 ，换向阀处于关闭 的位置，泵输出的流量不流人增压器及被试件 ，蓄能 器到换向阀这一段管路压力等于泵输出的压力，流量 为零 ；而换向阀到被试件末端这一段管路的压力和流 量均为零。当需要产生压力脉冲时，控制换向阀迅速 开启 ，使蓄能器内的压力油经过比例阀、换向阀通至 增压 器的低压腔 ，推动增压器 的活塞迅速运动 。增压 器的高压端通过管路与被试件相连，其连接管路有一 定的长度，由于试验段的末端是封闭的，同时被试件 及管路具有一定的弹性 ，于是形成液压撞击并由此产 生水击现象 Wa t e r H a m m e r ，同时 由于流体 的黏 性，压力脉冲波迅速衰减并稳定到系统压力。当控制 换向阀关闭时，增压器的低压腔接通回油路，增压器 的活塞退回至原来的位置，试验段的压力亦下降到接 近零，如此循环往复。压力脉冲峰值和升率的大小可 通过调节比例流量阀的开度来实现 ，开度越大压力峰 值和升率就越大，反之就越小。因此液压系统压力脉 冲模拟器的控制脉冲波形主要由换向阀和比例流量阀 的阀门尺寸大小、开启速度、供油压力、管路的布 置、油液的物理特性和被试件的容腔大小等因素综合 决定 。 此外系统设计中采用了小功率液压泵加高效大容 腔蓄能器的功率匹配方法，满足高压大容腔试验件对 脉冲系统的瞬间大功率要求。此外，由于瞬间产生的 压力峰值很高，在对被试件进行可靠性试验的同时， 试验设备也经受着同样的压力脉冲的冲击 ，考虑到 系统的可靠性和使用寿命 ，设计中应用 了隔离缸增 压技术 ，降低了系统的冲击压力 ，提高了系统的可 靠性 。 2 基于 A ME S i m的液压 系统压 力脉动模拟器 的建 模与仿真 A M E S i m软件是基于键合 图的液压／ 机械系统建 模、仿真和动力学分析软件。其图形化的物理建模方 式使用户不需要面对繁琐的数学模型。仿真模型的扩 充或改变都是通过图形用户界面来进行，不需要编写 任何程序代码。其建模与仿真可按以下步骤 进行 首 先在 A ME S i m草图模式 S k e t c h M o d e 下搭建系统 模型；其次在子模型模式 S u b m o d e l Mo d e 下给每 个元件分配一个数学模型；再次在参数模式 P a r a m - e t e r Mo d e 下为每个子模型设置参数 ；最后运行仿 真 。 2 ． 1 建立液压 系统压 力脉动模拟器的 A ME S i m模 型 A R M E S i m的建模过程非常友好，只需要将元件 所对应的图标拖入建模区域 ，A M E S i m自动应用功率 键合图理论完成系统的建模。进入 A M E S i m的 S k e t c h M o d e 模式下，应用 A ME S i m的 S i g n a l 、C o n t r o l【 a n d O b s e r v e r s库、 M e c h ani c a l库 、 H y d r a u l i c 库 和 H y d r a u l i c C o m p o n e n t D e s i gn 库的相关模型，根据液压系统压力脉 动模拟器的原理建立其 A M E S i m模型，如图2 所示。 号 图2 压力脉动模拟器的 A ME S i m模型 液压系统压力脉动模拟器的A M E S i m模型中除增 压缸外都是 A M E S i m的标准元件，通过鼠标拖拽就可 实现建模。由于 A M E S i m中没有现成的增压缸模型可 用，因此需要利用 A ME S i m的液压元件设计库 H C D 库的基本单元进行专门设计。液压元 件设计库 H C D 库采用结构单元的细分来处理物理元件的多样性，为 液压元件特性的研究提供了极大的方便。H C D库中 包含了最基本的液压模型单元 ，通过合理组合可以搭 建出各种结构的液压元件。增压缸的 A ME S i m模型完 全依据增压缸的实际结构，应用 H C D库提供的标准 液压配件模型搭建而成。增压缸的A ME S i m模型中应 1 0 8 机床与液压 第 3 9卷 用 H y d r a u l i c C o m p o n e n t D e s i g n库 的 P i s t i o n w i t h F i x e d B o d y 模块搭建了增压缸的缸体部分 ；应用 Me c h a n i c a l 库的 L i n e a r M a s s w i t h 2 P 0 r t s a n d F r i c t i o n搭建 了带有 阻尼的不对称活塞及活塞杆的模型；应用 N u l l t o F o r c e U n i t s 模块和 S i g n a l ，C o n t r o l a n d O b s e r v e r s 库的 C o n s t a n t S i g n a l S o u r c e 模块模拟了活塞杆所承受的负载。 2 ． 2给 元件分 配子 模型 A M E S i m的每一个元件都有若干个数学模型与其 对应，可以根据建模需要从中任选一个数学模型与其 关联。完成 系统建模后，进入 A M E S i m的 S u b m o d e l Mo d e 模式，为每一个元件关联一个数学模型。水锤 波试验中，管路中的流体运动属于非恒定流，其流态 非常复杂，所以对管路 内流体 的数学模型应慎重考 虑。对于长的液压管道以及压力冲击过程，需要考虑 到流体压缩性、黏性和质量等因素对压力波的影响， 因此管路的数学模型选择 了液压管路复杂数学模型 M o s t C o m p l e x Wa v e E q u a t i o n H y d r a u l i c P i p e ／ H o s e 。其 他元件的数学模型采用P r e m i e r S u b m o d e l 优选模型。 2 ． 3设 置参数 进入 A M E S i m的 P a r a m e t e r M o d e 模式，设置系统 的模型参数。根据系统静态计算确定的部分参数、被 试件参数、液压油的物理特性以及经验数据等内容， 对各元件数学模型进行参数设置，仿真参数见表 1 ， 其他参数选默认值。 表 1 仿真参数 2 ． 4仿 真 与分析 为了分析系统的动态特性和预测系统性能，达到 缩短设计周期、降低成本 、优化设计和提高系统稳定 性和 可靠性 的 目的，对 系统进行仿 真试 验。进 入 A ME S i m的 S i m u l a t i o n Mo d e 模式，设置仿真时间 0～ 6 S 。运行仿真。A M E S i m的求解过程应用变步长、变 阶数、鲁棒性强的智能求解器 ，根据所建模型 自动选 择最佳的积分算法，其算法选择不需要人为干预自动 完成。通过 A ME S i m的仿真试验得到压力脉冲模拟器 被试件脉冲压力波形的时间 一压力曲线和时间 一 流量 曲线如图3 所示。由于蓄能器需要预先储存压力能， 所以水锤波仿真波形从第 3秒才开始显示 ，在此之 前泵源一直给蓄能器 冲压。由图可见液压系统压力 脉冲 模 拟 器 产 生 的 脉 冲 波 峰值 达 到 了 1 5 0 ％P 4 1 ． 8 MP a ／ s ，升率 2 0 7 8 MP a ／ s 。说明液压系统 压力脉冲模拟器的液压系统设计合理 ，其性能满足 技术要求 。 4O 3 0 丢 2 0 10 0 Z ． 3 3． 5 4 4 ． 5 5 5 ． 5 t l s a 压力波形 一 5 00 ．鲁 自 0 3 3． 5 4 4． 5 5 5． 5 t ／ s b 流量波形 图 3 仿真波形 观察曲线可以发现，水锤波形成瞬时所需的流量 为6 4 5 L ／ m i n 。这是由于采用增压缸隔离技术，虽然 降低了系统压力 ，但却带来了系统流量的成倍增长。 所以系统供给流量需要高达 1 2 9 0 L ／ m i n ，阀件和管 件的通流能力必须要满足这一要求，在阀件和管路的 选择中必须考虑这些因素。 压力脉冲的形成过程是一个压力能和动能的相互 转换过程 ，压力脉冲波形从打开换向阀的的那一刻开 始是不可控的，如果要实施控制，只能从下一个压力 脉冲开始。除调节比例流量阀的节流开度外，脉冲压 力波形也受到多方面因素的影响。为深入分析其他因 素对波形产生的影响，下面分别改变油液弹性模量、 油液黏度、蓄能器容腔大小和换向阀通流能力等仿真 参数对系统进行进行仿真试验，仿真曲线如图4所示。 图4 a 显示 了流体 的体积弹性模量分别为 1 2 0 0和7 0 0 MP a的脉冲波形。可见流体 的体积弹性 模量越小，压力升率和峰值压力就越低。这是由于流 体的体积弹性模量越小，可压缩性越大，单位时间所 需的流量也越大 ，而目前的压力脉冲模拟器液压系统 的配置不能够提供如此大的流量 ，从而导致了升率和 峰值的减小；图4 b 显示 了流体的黏度分别为 1 0 0 第 1 3期 李军 等基于 A ME S i m的液压系统压力脉冲模拟器仿真 1 0 9 和 4 0 m P a S的脉冲波形。表 明黏度越小，压力升 率 、压力峰值和震荡幅度越大。这是 由于黏度越小 ， 管路的沿程损失越小 ，从而导致上述结果 ，在系统设 计重要需考虑黏度对波形的影响；图4 C 显示 了 蓄能器容积分别为 5 0和 5 L的脉冲波形 ，蓄能器容 积越小压力升率和压力峰值下降越明显。这是由于脉 冲波形的瞬时流量主要是靠蓄能器提供的，如果蓄能 器的容积太小 ，不能够提供充足的流量补给的话 ，就 不能形成脉冲波形 ；图4 d 显示 了换 向阀额定流 量分别为6 0 0和 2 0 0 L ／ m i n 0 ． 5 MP a 的脉冲波形， 显然阀的通流能力越低 ，压力升率和压力峰值就越 小。产生这一结果的主要原因与蓄能器容腔的影响类 似，换向阀的额定流量太小 ，瞬间不能够让足够的流 量通过 ，从而严重影响水锤波的升率和峰值。 皇 2 0 0 3 3 ． 2 3 ． 4 3 ． 6 t l s a 弹性模量 t ／ s b 黏度 l 一换 向阀流量压力比 d 换 向阀额定流量 图4 其他因素对波形的影响 3 结束语 以上的研究表明液压系统压力脉冲模拟器产生 脉冲的过程与很多因素有关 ，包括蓄能器大小、流体 的体积弹性模量、流体的黏度、阀的特性以及管路的 布置等等。在设计中应充分依据试验件特性和脉冲波 形的特征参数进行详尽的综合考虑。仿真和 分析结论 包括 1 蓄能器的容积需足够大，能够提供充足 的瞬时流量； 2 鉴于黏度对波形 的影响，可 以通 过对油液温度的控制 ，间接保证油液黏度的相对稳 定； 3 油液的含气量对综合体积弹性模量影响较 大，需尽量控制油液的含气量 ，保证系统的综合体积 弹性模量相对较大； 4 被试件的容积和综合体积 弹性模量决定了产生压力脉冲所需的瞬时流量 ，针对 不同的试验件应分别进行系统设计 ； 5 被控波形 参数的选取应科学合理 ，不应与被试件的物理特性相 矛盾； 6 A ME S i m以其简便的操作和强大的仿真分 析能力，为液压系统的设计提供了一条效果 良好且方 法简单的仿真途径。 参考文献 【 1 】 李军， 陈明． 飞机液压系统的压力脉冲试验仿真研究 [ J ] ． 系统仿真学报， 2 0 0 7 ， 1 9 2 3 5 3 8 0 5 3 8 2 ． 【 2 】I Z Q U I E R D O J ， I G L E S I A S P L ． M a t h e m a t i c a l M o d e l i n g o f H y d r a u l i c T r a n s i e n t s i n S i m p l e S y s t e m s [ J ] ． M a t h e m a t i c a n d C o m p u t e r Mo d e l i n g ， 2 0 0 4 ， 3 5 7 8 0 1 8 1 2 ． 【 3 】S T R E E T E R V L ． W a t e r H a m m e r A n a l y s i s[ J ] ． J o u r H y d D i v ， A S C E， H Y 3 S 1 0 8 4 - 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