基于Simulink的液压破碎锤的仿真研究.pdf

2 0 1 1 年 4月 第 3 9卷 第 8期 机床与液压 MACHI NE T 0OL ＆ HYDRAUL I CS Ap r ． 2 01 1 Vo 1 ． 3 9 No ． 8 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 0 8 ． 0 1 8 基于 S i m u l i n k的液 压破碎锤的仿真研 究 许 同乐 ，李峻光 ，郎学政 1 ．山东理工大学精 密制造与特种加 工省级重点实验 室，山东淄博 2 5 5 0 4 9； 2 ．兖矿集团综机管理 中心，山东济宁 2 7 3 5 0 0 摘要利用 S i m u l i n k系统仿真模块对液压破碎锤的活塞、阀芯、容腔及管道建立了相应的数学模型，得到了液压破碎 锤的活塞位移和速度 的变化 曲线及换 向阀位移和速度 的变化 曲线 ，找 出了活塞 和换 向阀的工作 特性 。应 用 S i m u l i n k仿 真系 统方便简洁直观，采用可变阶次的数值微分公式，避免烦杂的刚性算法编程 ，节省仿真时间。通过改变参数可以改变液压 破碎锤的性能，为液压破碎锤的设计提供了参考。 关键词 液压破碎锤 ；S i n ml i n k仿真 中图分类 号 T H1 3 7 ． 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 8 0 7 3 3 S i mul a t i o n St u dy o f a Hy d r a u l i c Ha mme r Ba s e d o n S i mu l i n k XU T o n g l e ，L I J u n g u a n g ，L ANG Xu e z h e n g 1 ． S h a n d o n g P r o v i n c i a l Ke y L a b o r a t o r y o f P r e c i s i o n Ma n u f a c t u r i n g a n d N o n t r a d i t i o n a l Ma c h i n i n g ， S h a n d o n g Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y，Zi b o S h a nd o ng 2 5 5 0 4 9，Chi n a； 2 ． C o m p r e h e n s i v e Ma c h i n e r y Ma n a g e me n t C e n t r e o f Y MC ． L t d ． ，J i n i n g S h a n d o n g 2 7 3 5 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t Ma t h e ma t i c a l mo d e l s i n r e l e v a n t a b o u t p i s t o n ， c u b a g e c a v i t y ， p i p e a n d v a l v e s p o o l a r e e s t a b l i s h e d i n a h y d r a u l i c h a mme r b y u s i ng S i mu l i nk． Th e d i s p l a c e me n t t i me c h a ng e d c ur v e s a n d v e l o c i t y t i me c ha n g e d c u r v e s o f p i s t o n a nd t h a t o f v a l v e we r e g o t t e n i n o r d e r t o g e t o p e r a t i n g c h a r a c t e r i s t i c s ． T h e a d v a n t a g e s o f S i mu l i n k w e r e s i mp l e a n d i n t u i t i v e i n v i e w，s u c h a s i t c o u l d s a v e t i me a n d a v o i d c o mp l e x r i g i d p r o g r a mmi n g a l g o r i t h ms b y a d o p t i n g v a r i a b l e o r d e r n u me r i c a l d i f f e r e n t i a l e q u a t i o n s ． T h e p e rf o r ma n c e o f h y d r a u l i c h a mme r c a n b e c h a n g e d wi t h d i f f e r e n t p a r a me t e r s a n d p r o v i d e d r e f e r e n c e f o r d e s i g n o f h y d r a u l i c h a mme r ． Ke y wo r ds Hy d r a u l i c h a mme r；Si mu l i n k s i mul a t i o n 液压破碎锤是 以液压泵 为动力源 ，液压油作为工 作介质的阀控活塞系统，它是由液压能转换为机械冲 击能 的破碎工具 。从工作原 理知 ，液压破碎锤工作时 活塞在缸体 内运动 ，活塞与换 向阀受 力 ，必须考虑液 压破碎锤前腔和后腔液压油 的作用 力。所 研究的液压 破碎锤其换 向阀在 缸体 的 内部 ，工作 原 理如 图 1 所 1 2 4 示 ，包括活塞 回程运 动阶段 、活塞 回程制动 阶段 、活 塞冲程运动阶段及活塞打击停顿阶段 ，当活塞进入瞬 时停顿 阶段后活 塞结 束 了一个工作循环 。其广泛应 用 于冶金 、矿 山开采 ，国防施工 、公路 和铁路建设 、市 政工程 、建筑等行业 。 t 一 活 塞2 一 缸 体卜 缸 体 前腔4 一信 号孔s 一 换 向阀6 ～换 向阔后 腔7 一氮 气室8 一 缸盖 图 1 液压破 碎锤 工作原理 图 1 S i mu l i n k系统仿真原理 和分析的软件包。其提供了一种图形化的交互环境 ， S i m u l i n k是一个用来对动态系统进行建模 、仿真 只需要用鼠标拖动的方法便能迅速地建立起系统框图 收稿 日期 2 0 1 0 0 4 0 9 作者简介 许 同乐 1 9 6 5 一 ，男 ，博士 研究 生 ，教授 ，主 要从 事液 压 与监 测 方 面的教 学 与研究 。电话 1 3 9 6 4 4 1 3 2 2 8 ， Ema i l x ut o n g l e 1 6 3．c o m。 7 4 机床与液压 第 3 9卷 模型 ，甚至不需要 编写一行代码 。可 以利用 MA L T A B 丰富的资源 ，建立仿真模型，监控仿真过程 ，分析仿 真结果。S i m u l i n k在仿真领域 中已经得到广泛 的应 用，许多专用的仿真系统都支持 S i m u l i n k 模型，这非 常有利于代码的重用和移植。 S i m u l i n k 仿真是按照数值积分法不同的特点、仿 真性能与适用范围，正确选择计算方法并确定适当的 仿真参数 ，以得到最佳的仿真效果 。 S i m u l i n k 提供的常微分方程数值解的两大类仿真 算法，即可变步长类型与固定步长类型。可变步长类 型仿真算法可以让程序修正每次仿真计算 的步长大 小，并提供错误控制以及零点检测的功能。属于可变 步长的仿真算法有 o d e r 4 5 、o d e r 2 3 、o d e r l 1 3 、o d e r l 5 s 、 o d e r 2 3 s 。在这些算法中又可分单步法、多步法 以及 梯 形法几种。其 中 o d e r l 5 s 采用可 变 阶次的数值 微分 公式的方法，也称为吉尔 G e a r 方法，用于解决刚 性问题 ，o d e r l 5 s法 为多 步法 ，通 常运 算精 度低 ； o d e r 2 3 t 采用 自由内插法实现 的梯形法 ，适 用于解决系 统有适度的刚性并要求无数值衰减的问题；o d e r 2 3 t b是 采用 T R ． B D F 2实现的方法 ，即龙格 一库塔公式的第一 级采用梯形规则 ，第二级采用吉尔法。对于解算误差 容 限比较宽的问题效果较好 ，适合于解决 刚性问题 。 2液压破碎锤的 S i m u l i n k模型的建立 在基 于 S i m u l i n k的液压破碎锤仿真过程 中 ，采用 建立活塞和阀芯运动数学模型、容腔数学模型和管道 数学模型 ，把活塞和阀芯、容腔、管道作为一个独立 的模块 ，根据数学模型建立其 S i m u l i n k图形化模型。 由于 B H 6 5液压破碎锤 S i m u l i n k模 型包含 的功能 模块较多 ，输入输 出关 系复杂 ，有必要将每个模块封 装成一个子 系统 中 ，留出输入输 出引线 ，作 为对外界 的接 口，必要的时候可以建立多级子系统 ，使得模型 层次分 明，以利于理解和调试 。 下面 以活塞和换 向阀为例建立 的数学模 型。 2 ． 1 活塞运 动数 学模 型 如图 2 所示 为活塞 S i m u l i n k 模 型 。 图2 活塞 S i m u l i n k 模型 活塞的 S i m u l i n k 模型中，各参量取值是根据仿真 程序的计算结果得来的，也可以把计算公式用 F u n c t i o n a n d T a b l e s 模块库 中的 F u n c t i o n 模块建 立 S i m u l i n k 模型 ，或 者用 F u n c t i o n a n d T a b l e s 模 块 库 中 的 M A T - L A B F u n c t i o n 模块建立模 型 ，以调用 M A T L A B函数来 实现一定的功能。 对于存 在约束条件的状态变量 ，要 附加适 当的模 块或者对模块进行参数设置。例如，活塞位移 。 ， 约束条件 X I0 ，则 将输出为 的 I n t e g r a t o r 积分 模块参数 L o w e r s a t u r a t i o n l i m i t 设 为 0 ；而对 于阀芯位 移 ，约束条件 0 ≤X ≤1 5 ，则在 输 出为 的 I n t e gra t o r 模块后面附加一个 N o n l i n e a r 模块库中的 S a t u r a ． t i o n 模块 ，并将其 U p p e r l i m i t 和 L o w e r l i m i t 分别 设为 1 5和 0。 如 图 3为封装后 的活塞 S i m u l i n k模型，有4个输人参数 1 缸体前腔压力 P ， 2 缸体后前 压力 P ， 3 黏 性 摩擦 力 ， 4 密 封 阻力 F ；两 个 输 出参 数 1 活塞 位移 ， 2 活塞 速度 。 作为 一 个 单 独 的子 系 统 ，如 果输入量随时 间的变化 曲线确定 ， 则输 出量也是确定 的。 2 ． 2 换向阀运动数学模 型 图 3 封装后 的活塞 S i mu l i n k 模 型 如 图4是换 向阀阀芯通过 S i m u l i n k 建立 的运动数 学模型 。它有 5个输人 1 C 腔压力 P ， 2 C 腔压力 P v b ， 3 c 。 腔压力 P 4 黏性摩擦 力 ， 5 液动力 F h ，两 个输 出即阀芯位移 与 阀芯速度 。由于阀芯质 量 m 是一个常量 ，在此不 将其 作 为输 人 ，而是 封装 到 子系统 内部 ，如果 需要 经 常改 变 m ，求 出不 同阀芯 质量 m 对液压破碎锤工作性能 的影响 ，则可将 m 作 为一个输入 ，原始数据可 以直接在 S i m u l i n k 模 型 中以 C o n s t a n t 模块的形式输入，或者通过与 M A T L A B工作 空间的交互，从 MA T L A B中输入参数。 对于一般定长的数值积分，积分步长是固定的， 一 个积分步长可能跨越间断点 ，即不能准确捕捉到间 断点，这就造成计算误差，而固定步长仿真算法没有 误差控制功能，这样得到的结果误差较大。解决的办 法是减小步长，但这样会造成仿真时间增加，而且步 长 过小 ，会带来 舍入误 差 。 各子系统模 块建立 以后 ，将它们联接起来 ，输入 参 数均采用 C o n s t a n t 模块输入 。设置 S i m u l i n k P a r a m e t e r s ，设 置开 始时 间 S t a r t t i m e 为 0 ，终止 时间 S t o p t i m e 为 1 0 0 0 ，分别采用算法类型 T y p e 为 F i x e d ． s t e p ，算法为 o d e r l E u l e r 法以及算法类型为 V a r i a b l e s t e p ，算法 为 o d e r l 5 s 对 系 统进 行 仿 真计 算 ， 给需要输出的信号连入 S c o p e 模块，输出其 随时间变 第 8期 许同乐 等 基于 S i m u l i n k的液压破碎锤的仿真研究 7 5 图4 换向阀阀芯 S i mu l i n k 模型 化曲线。采用 o d e r l算法时 ，仿真步长 F i x e d s t e p s i z e 设为 0 ． 0 0 0 1 S 。采用 o d e r l 5 s 算法时，最小步 长 M i n s t e p s i z e 设 为 0 ． 0 0 0 1 S ，最大 步长 Ma x s t e p s i z e 设 为 0 ． 0 1 S ，初 始 步 长 I n t i a l s t e p s i z e 设 为 0 ． 0 1 S ，相 对 误 差 R e l a t i v e t o l e r a n c e 设 为 0 ． 0 1 ，绝对误 差 A b s o u l a t e t o l e r a n c e 设为 0 ． 0 1 ，最 大阶次 M axi m u m o r d e r 设为 2 。 o d e r l S s 算法是基于 1～ 5阶 N D F 数值积分公 式的。虽然高的阶次仿真结果更精确 ，但其稳定 性下 降。如 果 系统 模 型是 刚性 的 ，而且 要 求 其稳 定 性 ，把最高 阶次设为 2 A稳定 。 3 仿真结果 3 ． 1 活塞位 移 变化 曲线 如图 5所示活塞位移时 间曲线 ，可 以看 出 ，在 一 个周期的开始阶段 ，有一段时 间活塞 位移为零 ，因为 此时换 向阀还没有完成换 向，回油腔 与后腔 液压油是 不相同的 ，后腔的液压油仍处在高压状态 ，所 以活塞 会一段 时间内处于静止 ，一旦换 向阀换 向完成 ，后 腔 与回油 腔的液 压油相通 。这时作用在活塞 的两端 的油 压不 同，活塞 一端 处 在高 压 状态 ，一 端处 在 低 压状 态 ，活塞在始 终 处 于高 压状 态 的前 腔 油液 压力 作 用 下 ，开 始 做 回 程 运 动 ， 当活 塞 运 动 到 达 信 号 孑 L 腔 活塞位 移 X 6 5 m m时 ，前 腔 中的高压 油进入 信 号孔 ，从而进 入 换 向 阀腔 内 ，使换 向 阀两端 形 成 压 差 ，于是换向阀迅速切换到下极限位置 ，使得系统高 压油通 过换 向阀进入缸体后腔 ，此 时缸体前 腔 、缸体 后腔均通系统高压油，缸体前腔油液对活塞的有效作 用 面积小 于缸体后 腔油液对活塞 的有效作用 面积 ，加 上氮气室气体对 活塞 向下的作用力 以及活塞本 身的重 量 ，活塞受到 向下 的合力 作用 ，迫 使活塞 向上 的速度 迅速减小 ，速度很快 减 为零 ，活塞就 处 于制动 阶段 。 制动结束后 ，由于活 塞仍 然受到 向下的合力作用 ，活 塞在氮气室压力的作用下做加速运动并打击钎杆，此 时位 移变为零 ，开始下一 个新 的周期 。在活塞 回程过 程中 ，因活塞后端高压氮 气的持续作用 ，所 以活塞 回 程时问很长 ，大 约 占 9 0 ％ 。冲程 时 活塞 速度 迅 速增 加 ，在很 短时间 内完成 冲程运 动过程。 3 ． 2活 塞速度 变化 曲线 如 图 6所示 为活塞速度变化 曲线 ，活塞 的速度 以 回程 为正 ，冲程为负 ，在活塞 回程 阶段 ，活塞 速度呈 正弦脉 动变 化 。在 一 个周 期 开始 时 ，活 塞 的速 度 为 零 ，当换 向阀换 向后 ，活塞前 腔 和后 腔的油 液相 通 ， 活塞在合力作用下 ，速度迅速减为零 ，完成制 动 ，接 着开始做 冲 程运 动 ，活塞 立 即加 速并 最 终速 度 达 到 9 m ／ s左右，打击钎杆，速度从反 向最大值 降为零 ， 完成冲程 。 昌 昌 罄 鞫 螟 昌 瑙 确 燠 0 4 50 5 00 550 600 65 0 700 750 时 间／ ms 图 5 活塞位移变化 曲线 图 图 6 活塞速度变化 曲线 3 ． 3 换 向阀 的位移 变化 曲线 从如 图 7所示 的 换 向阀位 移 与换 向 阀 速 度 曲 线 可 以看 出， 当活塞上 一次 冲程 已 经 结束 ，并处 于 瞬时 停顿 阶段 ，换 向 阀下 端油 腔 的压力 高于 上 端 油腔 的压 力 ，换 向 阀在 压差 作 用下 ，到 达位 移为 8 m m ，使 一 阀速 度一 阀位 移 时间／ ms 图 7 换 向阀位移 与换 向 阀速度变化 曲线 下转第7 8页 7 8 机床与液压 第 3 9卷 面时 ，说 明泵的负荷能力下降 、发动机未能输 出额定 功率。其原因是泵 的压力或泵 的流量不能达到规定 值。应排查引起泵的压力和流量下降的原因，如溢流 阀、压力传感器 、泵比例阀和泵调节器等部件是否正 常工作。 2 ． 3 ． 3卸载阀调整 卸载 阀调整顺序如 下 1 泵 调整 完 成 后 自 动转移到卸载阀调整。在 卸载 比例阀卸载时，对应 检测泵 的压力 。 显示屏 图 l 0 显示 卸 载 阀调整 中 转 速 2 000 r ／ rai n 挑 力 C． 1 2 ． 0M Pa C． 2 2 ． 0M P a 比例 阀 D． 1 3 0 0 I nA D2 3 0 0mA 发动 机 转 速、双 泵 压 力 图1 0 卸载阀调整中 P 、P 、双泵卸载比例 阀电流值 显示屏 中用 D - 1 ， D - 2表示 。 2 卸载 比例 阀卸 载 至规定值 ， 卸载 阀调整 自 动终止。显示屏 图 1 1 显示 “ 卸 载 阀 调 整 完 成 ” 的界面 ，并 显示 发 动 机 转 速 、双 泵 压 力 P 、P 、双 泵卸载比例阀电流调整值。 卸载 阀调 整 完成 转速 2 0 0 0 r ／ rai n 压 力 C． 1 2． 0 M Pa C． 2． 0 M Pa 比例 阀 D- l 3 0 0mA D2 3 0 0mA 图 1 1 卸载阀调整完成 最后关闭发动机 ，泵 阀控制器 自动记忆调整记录。 3 当显示 屏显 示 “ 不 能进行 卸载 阀调 整 ” 的 界 面时 ，表 明卸载 阀对泵的压力调 节功能失效 ，卸载 阀调整无 意义 。调整失效 的具 体表 现 在卸 载阀逐渐 关 断的测试调整 中 ，泵 的压力不增加 或无变化 。此 时 应排查泵的压力不增加的原因①液压系统溢流阀是 否打开 ；②液压回路是否存在压力释放 i③压力传感 器是否正 常。 3结束语 详述 了神钢 S K 一 8系列挖掘 机控制 系统 的三项 重 要调整功能。控制系统的调整目的是保障发动机的额 定功率能被液压泵充分吸收； 液压泵向执行机构传递 功率时，通过调节卸载阀的开度提高对工作速度的控 制能力，同时减少系统溢流损失。发动机、液压系 统 、控制 器每个 环节存 在故障时 ，进行匹配 、调整都 无意义。只有将各个部分都维护修理至正常状态后再 实施 匹配 、调整作业 ，才能充 分发挥 挖掘机 固有 的工 作性 能。 参考文献 【 l 】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 2 1 2 2 1 4 ． 【 2 】 成都神钢工程机械 集团 有限公司产品销售培训部． S K 2 0 0 ， 3 3 0 8服务研修手册． 【 3 】 赵波 ， 刘杰， 王亚美． 液压挖掘机工作装置控制方案研究 [ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 9 2 4 2 4 4 ． 【 4 】 雷廷强 ， 刘强． 液压挖掘机节能控制系统的研究 [ J ] ． 机 床与液压， 2 0 0 9 8 7 1 7 2 ． 【 5 】张德胜， 郭勇． 液压挖掘机典型液压控制系统分析[ J ] ． 建筑机械， 2 0 0 7 1 1 8 68 7 ． 上接第 7 5页 活上极 限位置 换 向阀塞在压差 的作用下开始 回程 。 当活塞端面 s 越过信号孑 L 腔时，缸体前腔 中的 系统高压油通过信号孔 ，进入换向阀腔内，换向阀在 压差的作用下，迅速到达下极限位置 ，换向阀到达下 极限位置的时间比到达上极限位置所用的时间短 ，当 换 向阀位移为零时 ，活塞冲程开始 。 3 ． 4 换 向 阀速度 变化 曲线 如 图 7 所 示 ，换 向阀 速度 以向上 为 正 ，向下 为 负。当换向阀开始 换 向时，换 向阀的速度增 大很 快 ，从图中换向阀的速度 曲线可以看出，是近似矩 形 ，然后又开始下降，直到负值 ，这是 由于在换向 阀与信号孔腔前腔接通时，从当换 向阀移动到使前 腔和回油管油液相通 ，到活塞运动把换 向阀信号孔 腔与前腔隔开这很小的一段时间内，此时换 向阀信 号孔腔 与 回油 路 相 通 ，造成 高压 油泄 压 ，使 换 向阀 速度变为负值。当活塞在冲程运动中，信号孔腔和缸 体后腔的油液相通，换向阀信号孔腔中油液处于低压 状态 ，换 向 阀开始 冲程 换 向，换 向 阀在 高压 油 作用 下，速度很快降为 一 9 ． 1 5 m ／ s ，直到换向阀撞击下阀 盖 ，速度变为 0 。 4结 论 通过应用 S i m u l i n k建模仿真，得到了液压破碎锤 的活塞位移变化 曲线和换 向阀位移变化 曲线 ，采用可 变阶次的数值微分公式的方法，避免烦杂的刚性算法 编程 ，节省仿 真时间。通过改变参数可 以改变液压破 碎锤的性能，为分析和研究液压破碎锤冲击功、工作 状态提供 了参考 ，并为最终设计或优化液压破碎锤参 数提供理论依据，同时也缩短了设计周期。 参考文献 【 1 】许同乐， 张新义． 液压容腔的仿真研究 [ J ] ． 煤炭学报 ， 2 0 0 8 8 1 0 7 21 0 7 4 ． 【 2 】 许同乐． 液压破碎锤的主要技术参数对性能影响的研究、 [ J ] ． 建筑机械， 2 0 0 5 6 6 7 6 8 ． 【 3 】 刘能宏 ， 田树军． 液压系统动态特性数字仿真 [ M] ． 大 连 大连理工大学出版社 ， 1 9 9 3 ． 【 4 】王秀峰， 卢桂章． 系统建模与辨析[ M] ． 北京 电子工业 出版社 ， 2 0 0 4 ． 【 5 】陆元章． 液压系统的建模与分析[ M] ． 上海 上海交通大～ 学出版社， 1 9 8 9 ．