快速运动液压回路动态特性的仿真分析.pdf

快速运动液压 回路动态特性 的仿真分析 王欣欣马少杰 南京理 工大学机械3 - 程学院 南京2 1 0 0 9 4 摘要采用液压传动方式，完成运动的快速传递。建立基于蓄能器的快速运动液压回路模型，同时通过 建立数 学模 型分析得到影响该液压 回路运行速度 的 因素 主要有 蓄能 器的初始 状态 、系统工作 预定压 力等 。利用 A M E S i m软件仿真分析该液压 回路的动态响应，验证了该回路可实现系统的要求。分析了系统各主要影响因素对 该快速运动液压回路短行程运动工作的影响，为工程应用提供了理论指导和参考。 关键词蓄能器；动态分析；影响因素 中图分类号 T H1 3 7 ． 7 文献标 识码 A 文章编号 1 0 0 1 0 7 8 5 2 0 1 5 1 0 0 0 3 7 0 5 Abs t r ac tTh e h y d r a u l i c driv e i s a d o p t e d f o r f a s t t r a n s mi s s i o n．Th e f a s t mo v i ng h y dr a ul i c c i r c ui t mo de l i s d e v e l o p e d b a s e d o n t h e e n e r g y a c c u mu l a t o r ．T h e ma t h e ma t i c a l mo d e l l i n g i s u s e d t o g e t t h e f a c t o r s a f f e c t i n g t h e mo v i n g s p e e d o f t h e h y d r a u l i c c i r c u i t ，i n c l u d i n g i n i t i a l s t a t e o f t h e e n e r gy a c c u mu l a t o r ，p r e d e t e r mi n e d wo r k i n g p r e s s u r e ，e t c ．T h e d y n a mi c r e s po n s e o f t he h y d r a u l i c c i r c ui t i s a na l y s e d i n AMESi m ，p r o v i n g t ha t t he c i r c u i t c a n me e t t he s y s t e m r e q u i r e me n t s ．I n a dd i t i o n，t h e p a p e r a n a l y z e s t h e e f f e c t o f v a r i o u s i n fl u e n c i n g f a c t o r s o n t h e s h o r t s t r o k e mo t i o n o f t h e f a s t mo v i n g h y d r a u l i c c i r e ui t ，p r o v i d i ng t h e o r e t i c g u i d a n c e a nd r e f e r e nc e t o e n g i n e e rin g a pp l i c a t i o n ． Ke y wo r dse n e r g y a c c u mul a t o r；d y na mi c a na l y s i s ；i n flue n c i ng f a c t o r 0 引言 目前快速运动机构 主要 通过机械传 动、电力 传动 、气压传动 、液压传动等方式实现。对以上 4 种传动方 式工作特点进行 比较发 现，液压传动惯 性小 、调速性更优 良、容易操作 ，而且 液压 系统 元件类别较多 ，回路形式 多样 ，通过合 理选用液 压元件 以及 回路设计 ，可完 成动力源瞬 间大 流量 输出 ，实现快速运动传递。 本文针对某 多次 间歇式 冲击测试 设备 ，建立 以蓄能器为动力源 的液压 回路 模型 ，采用 蓄能器 的快速液压 回路完成 瞬时大流量输 出，实现短行 程快速运动传递 。快速液压 回路要实现对 一定质 量负载短距离快速运动传递需满足如下参数要求 的模拟数据 与 Y a m a m o t o解 析法得 出的数 据一致 ， 这为后期 动态 载荷下螺纹松动机理研究提供 了前 期研究基础。 [ 4 ] 参考文献 [ 1 ] M a d u s c h k a L ． B e a n s p i u c h u n g y o n s c h I la u b e n v e r b i n d u n g e n u n d z w e c k m a“ B i g e G e s t a l t u n g d e r G e w i n d e t r a ”g e r [ J ] ． F o r s ch u ng a uf d e mGe bi e t e d es I n g e n i e u r we s e ns， 1 9 3 6，7 62 9 93 0 5 ． [ 2 ]S o p w i t h D ． T h e d i s t r i b u t i o n o f l o a d i n s c r e w t h r e a d s [ J ] ． Pr o c e e d i n g s o f t h e I n s t i t u t i o n o f Me c h a n i c a l Eng i n e e r s， 1 9 4 8 ，1 5 9 1 3 7 3 3 8 3 ． [ 3 ] Y a z a w a S ，H o n g o K ． D i s t r i b u t i o n o f l o a d i n t h e s c r e w t h r e a d o f a b o l t n u t c o n n e c t i o n s u b j e c t e d t o t a n g e n t i a l f o r c e s a n d b e n d i n g m o m e n t s [ J ] ． J S M E I n t e r n a t i o n a l J o u r 一 起重运输机械 2 0 1 5 1 O [ 5 ] [ 6 ] n a l I ，S o l i d Me ch a n i cs ，S t r e ng t h o f Ma t e ria l s，1 9 88 ，3 1 2 1 7 41 8 0 ． O’ Ha r a P． Fi ni t e e l e me n t an a l y s i s o f t h r e a de d c o n n e c t i o ns i n P r o c e e d i n g s o f t he Ar my S y mpo s i u m o n So l i d Me c h a n i c s [ C ] ．D T I C D o c u me n t ， 1 9 7 4 9 91 1 9 ． Ya mmo t o A． T he t h e o r y a n d c o mpu t a t i o n o f t h r e a ds c o n ． n e e t i o n [ M] ． T o k o y Y o k e n d o ， 1 9 8 0 ． 颜鸣皋 ．工程材料实用手册 [ M] ．北京中国标准出 版社 ，2 0 0 1 ． 稿 日 倪佩韦 ． 山东济南临港区凤鸣路 1 0 0 0号山东建筑大学 2 5 0l 01 201 5 0 4 ．1 0 3 7 一 者址 编 期 作 地 邮 收 行程位移 2 0～ 3 0 mm，时问 5 0 m S以下 ，负载物体 质量 1 0～ 2 0 k g 。本文应用数学模型分析得到影响 该液压回路动态特性的因素，利用 A M E S im液压 仿真软件进行工作状态仿真分析 ，验证 了影 响该 液压 回路运动的因素 。所建立的液压 回路数学 模型与相应的仿真分析对该液压 回路的工程应 用 具有指导意义 ，为对该液压 回路做进一步 的动力 学分析奠定了基础。 1 快速运动液压 回路原理 图 1为所述液压 回路设 计简 图，其 中，液压 缸 由气囊式蓄能器供能 ，其工作过程 为 液压 泵向蓄能器 5供油储能，液压传感器 4检测蓄能器 端 口压力 ；当蓄能器端 口压力达到系统设定工作 压力时 ，液压泵 电机停止转动 ，蓄能器压力维持 在系统设定 的工作压 力值 ；电磁换 向阀 8左位通 电，电磁换 向阀左位工作 ，蓄能器与液压缸无杆 腔导通并供油，推动活塞以及所连接负载至限定 位置处 ，此 时液压缸 活塞运 动停 止 ，蓄能器停止 供油 ，压力维持在某一定值并延 时完成 负载的多 次冲击 检测试 验 ；切换 电磁 换 向阀 8右 位供 电， 电磁换 向阀右位工作 ，蓄能器 向液压缸无 杆腔供 油推动液压 缸活塞及 所连接 负载 回到起点位 置 ； 打开 电磁换 向阀 7完成 蓄能器 系统卸荷 ，蓄能器 恢复至初始状态。 1 ．液压泵2 ．单向阀3 、6 ．溢流阀4 ．压力传感器 5 ．蓄能器7 、8 ．电磁换 向阀9 ．液压缸 图 1 蓄能器快速运动液压 回路 简图 在该液压 回路中，液压缸活塞位移 以及速度 随时间 t 的变化规律反映了回路的动态特性。蓄 一 3 8 一 能器储能与快速运动 回路的运 动时间很短 ，可认 为蓄能器 内气体状态 的变化为绝热过程 ，即气 体 状态方程满足Jp C 由充气气体决定，所述 蓄能器采用氮气 ，查看相关手册 ，取值 1 ． 4 ，忽 略油液的压缩性及 内外泄漏。当蓄能器供油 推动 活塞以及所连接部件运动时，其受力平衡方程为 ， P一△ P k 一△ P 1 A m F 1 式中P为蓄能器的油液压力 ，约等于蓄能器 内的气体压力 ；A p 为 电磁换 向阀换 向时进 出 口 压降；A P 为油液通过管道至液压缸活塞工作腔压 降 ；m为活塞以及连接部件的质量 ；c为粘性 阻尼 系数 ；F为负载 力 ，包括被测物体 的重力 ；A 为 液压缸工作腔面积，有杆腔作用面积为 A ． ，无杆 腔工作面积为 4 。 ， 同时 ，由于液压缸活塞速度 Q ／ A 。 ，带 U 人 式 1 得 1 P 一 △ P k 一 △ P 1 m c 警 F 2 I _1 u D 根据气态方 程可知 ，蓄 能器 的油液压 力与系 统初始状态相关 ，通过对式 2 进行分析可以得 出，对于该液压快速运动 回路 ，液压缸 的运动特 性与蓄能器 的初始状态 P 。 、V o 、系统设定工作压 力 P 、液压 回路管道 以及 电磁换 向阀的阀 口特性 相关 。因管路及 电磁 阀的 阀 口与具 体 回路 状态 、 元件设计相关，应通过具体试验验证分析 ，因此 ， 本文主要对蓄能器初始状态 、系统负 载以及系统 设定工作压力等因素进行仿真分析。 2 快速运动液压 回路动态仿真 A ME S i m是一款运用于液压系统以及液压元件 仿真的系统仿 真软件 ，本文利用其独特 的液压库 与机械库模 型构建该蓄能器快速运动液压 回路模 型。输入相关 的初始参数 ，可以观察到该液压 回 路在相应 的参 数条件 下发生的运动响应。仿 真模 型回路中的主要元件初始参数见表 1 。 通过 A ME S i m软件 的 H Y D和 Me c h a n i c a l 库搭 建的回路模型如图 2 ，由于该液压回路响应时间较 短 ，运动时间可达到 I n s 数量级别 ，因此 ，应考虑 液压 电磁换向阀的换 向时问。通过调查分析可知 ， 市场 中电磁阀换 向时间一般在 1 5～3 0 m s 之间，复 起重运输机械 2 0 1 5 1 O 表 1 主要元件初始参数 蓄能器充气压力／ MP a 6 蓄能器初始体积几 6 ． 3 液压 缸活塞直径／ mm 5 0 液压缸活塞杆直径／ m m 2 5 活塞限定运动位移／ m m 2 5 活塞质量／ 0 ． 5 油泵额定流量／ L m i n 1 O 溢流 阀调定压力 MP a l 6 负载／ k g 1 0 系统预定压力／ MP a 1 0 位时间为 3 0～5 0 m s ，仿真中选用北京华德液压的 一 款三位 四通 电磁换向 阀为模 型 ，换 向时 间为 3 0 m s ，复位时间为 5 0 m s ，误差范围为 1 0 ％ ，电磁换 向阀阀芯 的运动行程为 4 m m，在这个时 间段 内电 磁换 向阀阀 口开度是从 0运 动到最大开度 ，所 以 回路模型中通过信号元件 1 2将 电磁阀换 向转变为 线性变化过程 。在仿 真分析 中首先输入 表 1中参 数 ，验证该液压 回路可实 现系统设计要求 ，同时 影响该液压 回路运动过程 的因素主要有蓄能器初 始状态 、蓄能器工作系统 预定压力 即蓄能器储 能 压力 、负载等 因素 ，对这几个影 响因素进行单 变 量仿真，得到这些因素对于该液压 回路动态特性 的影响 。 1 4 1 ．油箱2 ．滤 油器3 ． 液压泵4 、8 ．溢流阀 5 ．单向阀6、9 ．电磁换向阀7 ．液压压力传感器 l 0、l 2 ．信号输入端l 1 ． 气囊式蓄能器l 3 ．液压缸 1 4 ．被测实验体1 5 ．电机控制端1 6．电机 图 2 A ME S i m液压快 速运 动系统 回路模型图 3 仿真结果及 其因素分析 首先在该模 型中输入表 1所 示的参数得 到液 压缸活塞进 程和 回程过程 中蓄能器压降、负 载运 动位移以及蓄能器输 出流量随运动过程变化曲线 ， 起重运输机械 2 0 1 5 1 O 见 图 3～图 8 。 图 3 液压 缸进程 一蓄能器端 口油压图 图 4 液压缸 回程 一蓄能器端 口油压图 0 3 0 O 2 5 O 2 O 01 5 0 1 0 0 0 5 o 0 0 图5 液压缸进程 一活塞位移图 根据仿真 图可知 ，蓄能器 在储能后 ，气 压达 到系统设定工作压力 1 0 MP a后 ，信号端 1 2分别在 3 0 s 和 3 5 ． 0 8 s 给出相应的换向信号 ，液压缸在进 程时物体移动 2 5 mm的时间为 2 9和 3 1 ． 3 m s ，蓄 Ⅲ／ 簿丌 I 硪蜒 图6 液压缸进程 一活塞位移图 - ＼ ． 。 ． ． ． 2 9 ． 9 8 3 0 ．0 0 3 0 ． 0 2 3 O ． O 4 3 0 ． O 6 3 0．O 8 时间／ s 图 7 液压缸进程 一蓄能器端 口流量 图 图 8 液压缸进程 一蓄能器端 口流量图 能器端口压降分别为0 ． 1 5 6 9和 0 ． 1 1 5 5 M P a ， 液 压缸进油腔最大流量分别为 2 2 4 ． 9 5 0和 1 5 8 ． 0 3 6 L ／ mi n。 分别以蓄能器 的初始状态 和系统预定工作压 力进行单 因素分析 1 以蓄能器的充气压力为单因素 自变量 ，蓄 能器额 定 气 体 工作 体 积 为 6 ． 3 L，系统 负 载 为 1 0 ， 系统设定工作压力为 1 0 MP a ，负载限定位 移 0 ． 0 2 5 m，分 别 对 蓄 能 器 充 气 压 力 5 、6 、7 、 8 M P a 按照以上仿真过程进行仿真分析， 仿真结果 如表 2 。 ．．． 40 ．．．． 表 2 以蓄能器的充气压 力为单因素 自变量 的仿真结 果 蓄能器充气 最大流量 端 口压降 响应时间 压力／ MP a ／ L mi n ／ MP a ／ mS 2 2 5． 5 42 0．1 78 0 2 9． 2 5 1 57 ． 7 23 0 ．1 3 0 6 31 ．3 2 2 4． 9 50 0．1 5 6 9 29 ．1 6 1 58 ． 03 6 0 ．1 1 5 5 3 1 ．3 2 25 ．1 49 0 ．1 41 0 2 9 ．1 7 1 57 ． 7 45 O．1 0 4 0 31 ． 2 2 25． 3 0 6 0．1 28 5 2 9．1 8 1 57 ． 93 0 0 ．0 9 5 0 31 ． 2 2 以蓄能器的系统设定工作压力为单 因素 自 变量 ，蓄能器充气压力为 6 M P a ，气体额定工作体 积为 6 ． 3 L ，系统 负 载为 1 0 k g ，负 载 限定位 移 0 ． 0 2 5 m，分别对蓄能器系统设定工作压力 8 、1 0 、 l 2 、1 4 MP a ，按 照 以上 仿真 过程进 行仿 真分 析 ， 仿真结果如表 3 。 表 3 以蓄能器 的系统设定工作压力 为单因素 自变量的仿真结果 系统 设定工作 最大流量 端 口压降 响应时 间 压力／ M P a ／ L m i n ／ M P a ／ mS 2l 3． 2 5 9 0．1 O7 6 3 0． 6 8 1 4 8． 0 4 9 0． 0 79 4 32 ． 8 2 2 4． 9 5 0 0．1 5 6 9 29 ．1 1 0 1 5 8． 0 36 0 ．11 5 5 31 ．3 2 3 6．1 4 0 0 ． 21 3 7 27 ． 9 1 2 1 6 5．1 63 0 ．1 5 6 9 3 0 ． 0 2 4 4． 8 69 0 ． 27 7 5 2 7． 0 1 4 l 7． 6 02 0 ． 20 3 2 2 9． O 3 以系统负载为单因素 自变量 ，蓄能器额定 气体体积为 6 ． 3 L，充气压力为 6 MP a ，系统设定 工作压力为 1 0 MP a ，负载限定位移 0 ． 0 2 5 m，分别 对系统负载 1 0 、3 0 、6 0 、1 0 0 k g按照以上仿真过 程进行仿真分析 ，液压缸 活塞进程 与回程运动时 的蓄能器压降 、蓄能器端 口流量 以及 系统运动响 应时间仿真结果如表 4 。 本文采用双作用液压缸 ，缸径为 5 0 mm，活塞 直径 2 5 m i l l ，该液压缸进程与回程过程运动位移均 为2 5 m m，通过计算得到液压缸工作腔体积变化分 别为0 ． 0 4 9 0和 0 ． 0 3 6 8 L ，根据以上仿真数据统计 起重运输机械 2 0 1 5 1 0 0 铷 瑚 _ u 强． 1 ／ 嘲 Ⅱ磐 加加。咖 枷哪 啪 一 愚 目． ， I ／ 哦器Ⅱ骥 表 4 以系统负载为单因素 自变量的仿真结果 系统负载 最大流量 端 口压降 响应时间 ／ k g ／ L m i n ／ M P ／ m S 22 ． 95 0 0．1 5 6 9 29． 1 1 0 1 5 8 ． 3 4 9 9 0 ．1 1 5 5 3 1 ． 3 21 8． 6 83 0 ．1 5 6 9 2 9． 7 3 0 1 5 4． 9 0 6 0 ．1 l 5 5 31 ． 8 21 3． 2 0 0 0 ．1 5 6 9 3 O． 6 60 1 5 0 ． 5 7 9 0 ． 1 1 5 5 3 2 ． 6 24 0． 0 38 0 ．1 5 6 9 31 ． 9 1 00 1 45． 2 48 0． 11 5 5 3 3． 7 分析可知，该液压 回路 系统动态特性与 蓄能器初 始状态以及系统负载是密不可分的 ’ 。 J 。 蓄能器系统预定工作压力对 活塞运动 时间具 有一定影 响，当其他 因素保 持不变 ，系统设 定工 作压力越大 ，则蓄能器 的瞬间流量越大 ，这主要 因为在同等条件下蓄能器设定工作压力越大，电 磁换向阀的进 出油 口的压差会增大 ，引起瞬问 的 流量增大 同时也会相 应增 大液压缸工作腔 的液体 压力 ，从而提升了液压缸的运动速度 。 充气压力对 系统 响应速度几乎 没有 影响 ，但 它会影响蓄能器工作压 降。当蓄能器型号确定后 系统预定工 作压力不变 ，蓄能器初始充气压力发 生变化引起 蓄能器储 能至系统预定工作压力 时气 体体积发 生变化 ，根据气体状 态方程可得 出蓄能 器压降与其初始状态息息相关 ，蓄能器初始充气 压力越大 ，蓄能器工作压降越小 。蓄能器 的初始 充气压力影响系统 的安全稳 定性 ，工程应用 中应 综合考虑合理选用蓄能器的充气压力。 对于该液压 回路 的负载特性 ，从 表 4中可以 看出 ，当负载质量较小 小于 3 0 k g 即为小质量 负载时 ，负 载对 于整个系统 的影 响很 小 ，所 以该 液压回路适用于小负载短距离传动。 4 总结 本文建立蓄能器快速运 动液压 回路模 型及数 学运动模型 ，通过专业液 压软件 A ME S i m动 态仿 真分析该液压 回路运动特性 ，可 以看 出该 液压 回 路运动性 良好 ，可实现快速 的运动传递。结果分 起重运输机械 2 0 1 5 1 0 析表明该液压回路具有 以下 3个工作特点1 蓄 能器 回路在小 负载短程快速运动 中可实现快速 的 运动传递 ，对于 3 0 k g以下小质量物体运行时间可 控制在 3 0～ 4 0 ms 之间 ；2 蓄能器储 能后执行一 次液压缸活塞进 回程循环运动 ，蓄能器压降较小 ， 因此 ，蓄能器单次储能后 ，可完成 液压 缸活塞 的 多次进回程 运动 ，直到蓄能器压力 降到蓄能器 的 充气压力 ；3 可瞬间大流量输出 ，与大流量液压 泵液压 回路相 比，该液压 回路传动效率 高，同时 可节约成本。 对于该液压 回路 ，进行 蓄能器一次储 能操作 可完成液压 系统的多次操作测试 ，运 动时间可通 过调整参数 基本维持在一定值 附近。所 以在搭建 该液压系统 完成一定负载 的快速运 动时，可在安 全范围内提高系统的预定压力，蓄能器充气压力 在安全范围内可适当提高，从而提高系统的响应 速度并且减 小蓄能器单次运行 时的压降，这样 既 可以实现 系统 的快速性 也可 提高 系统 的安 全性 。 本文中的动态仿真没有考虑 系统 的泄漏，但在 实 际试验 中发现系统 的泄漏对于系统运动具 有一定 的影响，与 系统 的运 动以及蓄能器工作压 降有一 定 的关 系，所 以，在实际工程 中应用该液 压 回路 时应综合考虑这一因素。 参考文献 [ 1 ]张增猛，周华，孙健，等 ．基于压差控制的蓄能器压 力调 节方 法及 其 A ME S i m仿 真 [ J ] ． 机 床 与液 压， 2 0 0 7，3 5 6 ． [ 2 ]曹义忠 ．蓄能器辅助供油快进 系统实现方法的研 究 [ J ] ． 液压与气动，2 0 0 9 7 ． [ 3 ]王磊 ．皮囊式蓄能器在液压系统中的应用[ J ] ． 能源研 究与信息，2 0 0 5 ，2 1 2 ． [ 4 ]赵琦 ．蓄能器及其工作回路的计算机辅助设计[ D] ． 秦 皇岛燕山大学，2 0 0 1 ． [ 5 ]刘宝军，郑学明，甄凯 ，等 ．蓄能器作为辅助动力源 的动态分析及其参数确定 [ J ] ． 中国电力 ，1 9 9 8 ，3 1 2 ． [ 6 ]刘专 ．液压高速回路中蓄能器的分析和计算[ J ] ． 液压 与气动 ，2 0 0 4 ， 5 ． 作 者 王欣欣 地 址江苏省南京市南京理工大学 邮 编2 1 0 0 9 4 收稿 日期2 0 1 5 0 4 2 9 41