基于AMESim的压路机振动液压系统仿真研究.pdf

Hv dr a ul i c s Pn e uma t i c s S e a l s ／ No． 1 ． 2 01 0 基于 A M E S i m 的压路机振动液压 系统仿真研究 翟大勇 周 志鸿 林 嘉栋 北 京科 技大 学土 木与 环境 工程 学 院， 北 京 1 0 0 0 8 3 摘 要 通 过对压路 机开式振 动液压系统原理的分析 ， 利用仿真软件 A ME S i m建立 了液 压系统 的模 型 ．并 对 液 压 系统 的丁 作 过 程 进 行 了动态仿真分析 ， 得 出了压路 机起振和换向时 ， 系统压力 、 流量变 化情 况 ， 并分析 了产生原 ，对 以后大 吨位压路机 的设计具有 指导意 义 。 关键 词 压 路 机 ； 振 动 液 压 系 统 AME S i m 动 态 仿 真 中图分类号 T H1 3 7 ． 9 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 0 0 1 一 o 0 1 3 0 5 S t ud y 0 1 “1 t h e Hy d r a u l i c S y s t e m o f R o l l e r Ba s e d O n A M ES i m Z HAI Da y o n g Z HOU Z h i h o n g L l N j t a - d o n g C o l l e g e o f Ci v i l a n d E n v i r o n me n t a l En g i n e e r i n g ， U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ，C h i n a Ab s t r a c t T h r o u g h t h e a n a l y s i s o n t h e h y d r a u l i c s y s t e m o f p r i n c i p l e o f t h e r o l l e r w i t h o p e n e d v i b r a t i o n ， t h e u s e o f s i mu l a t i o n s o f t w a r e AME S i m e s t a b l i s h e d mo d e l o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m， h y d r a u l i c s y s t e m a n d t h e wo r k o f d y n a mi c p r o c e s s s i mu l a t i o n a n a l y s i s ， a n d d r e w d r a w n f r o m t he r o l l e r an d v i br a t i o n t o c ha n g e ， s y s t e m pr e s s u r e ， flo w a nd a n a l y s i s o f t h e c a u s e s o f f u t u r e l a r g e t o n na g e o f t h e r o l l e r wi t h a d e s i g n g u i d e ． Ke y W o r ds r o l l er ； h y dr a u l i c v i b r a t i o n s y s t e m ； AMESi m ； d yn a mi c s i mul a t i o n 0 引言 振动压路机振动系统路线发动机振动 目前 ．压路 机 的 振动 液 压 系统 有 阀控 制 开式 系统 和泵 控制 闭 式 系统 两 种形 式 由 于开式 系统 不 能进 行 流量 调节 ． 起 振 时液 压 冲击 较 大 ． 而 闭式 系统 能利 用 变 量泵进 行 流量调 节 ． 起振 时 冲击较 小 但 闭式 系统所 需 的 液 压 元 件 成 本 以 及 油 液 清 洁 度 比 开式 系 统 要 高 的 多 因此 ． 对 开 式振 动 液 压 系统 进行 仿 真分 析 ． 有 助 于 提高压路机性能与可靠性 ． 降低成本 S R1 2压路 机 的振动 液 压系统 图 见 图 1 所示 2 3 4 1 一 双联 泵2 一 过滤器3 一 油 冷器4 一 油箱 5 一 振动马达6 一 振动补油阀7 一 振动 阀8 一 先导溢流阀 图 1 振动压路机的振动液压系统原理 收 稿 日期 2 0 0 9 0 6 1 6 作者简 介 翟大勇 1 9 8 5 一 ， 男 ， 北 京科技大学 土木与环境 丁 程学 院车辆 T程专业 ． 硕 f 研究生 ． 从事车辆 结构及液压系统方面的研究 。 泵 振 动 阀 振动 马达 振动 轮 在 系统 中 ， 先 导溢 流 阀 为系 统提 供 保护 功 能 ． 限制 系统 的最 高压 力 ． 振 动 阀 为 系统 提供 换 向功 能 ． 使 振 动 马达 实现正 反转 ， 从 而使 振动 轮产 生不 同 的振 幅 缓 冲 补 油 阀对 系 统 中 的液 压元 件 提供 保 护 功能 ．当振 动 马 达突然停止工作或换向时 ． 马达的进油腔将形成高压 ． 而排 油腔 将 形成 低 压甚 至 形 成一 定 的真 空度 ． 这 时 ． 缓 冲补 油法 可 同 时对 高 压腔 进 行缓 冲降低 压 力 ．对 低压 腔 进行 补油 防止 产生 气蚀 现象 l AME s i m软件介绍 AM E S i m 为 多学 科 领 域 复 杂 系统 建 模 仿 真 解 决方 案 英 文缩 写 Ad v a n c e d Mo d e l i n g E n v i r o n me n t f o r S i mu l a t i o n o f e n g i n e e r i n g s y s t e ms ． A ME S i m 软件最 初 于 1 9 9 5年 由法 国 I MA G I N E公 司 推 出 ．至今 已经历 了十 多年 的丰 富 和完 善真 过 程 近 年来 开 始在 我 国机 械 液 压行 业 中应 用 ．该 软 件 以 完全 图 形化 界 面 和积分 算 法 自动 选择 为主 要特 色 ．在整 个 仿 系统都 是 以图形 的形式 显 示 的 ． 在表 示元 件 方 面 ． 对 于液 压元 件 采 用基 于工程领域的标准 I S O符号 对于控制系统 ， 则采用图 表符号 对 于没有标准符号的 ． 则采用能代表系统的容 易 识别 的 图画符 号 A ME S i m 软件 采 用 的建 模 方 法 类 似 于 功 率键 合 图 法 ． 但要 比功 率键 合 图法更 先进 一些 相 似之 处在 于二 者都采用图形方式来描述系统 中各元 件的相互关 系 ， 1 3 液 压 气动 与 密 刻“／ 2 0 1 0年 第 1期 能够反映元件间的负载效应及系统中功率流动情 况 ， 元件间均可双 向传递数据 ，规定 的变量一般都是具有 物 理 意 义 的 变 量 ．都 遵 从 因 果关 系 。不 同 之 处 在 于 A ME S i m 更能 直观 地反 映 系统 的工作 原 理 ， 用 A ME S i m 建立 的系统 模 型与 系统 工作 图形 符号 几乎 一样 ，而且 对元件之间传递的数据个数没有限制 ．可 以对更多参 数 进行研究 A ME S i m仿 真 软件 与 其 他仿 真 软件 的最 大 区别 在 于 可 以在 仿 真过程 中监视 方程 特性 的改 变并 自动变 换 积分算法以获得最佳结果。系统的数学模型实质上就 是一些代数方程 、 普通微分方程 以及偏微分方程 ． 有时 还包括微分一代数方程。仿真软件的一个重要任务就 是为这些方程提供一个有效的求解环境 传统的仿真 软件往往给出一个典型方法列表 ．开始仿真前必须从 中选定 积分 方法 ．即使是 专业 的数 学人 员 要做 出一 个 正确的选择也是很 困难的．而且错误的方法会导致仿 真的失败或是较长的仿真时间 A ME s i m将积分算法的 选择变为 自动． 而且可以在仿真过程中根据方程特性的 改变而采用与之相适应的积分算法 ．极大地提高 了微 分方程 的求解效 率 A ME S i m 软件的液 压元件 模型 库如 图 2所 示 ． 液压 元 件设计 库如 图 3所示 图 2 A ME s i m软件的液压元件模型库 ， r 鞠 簿 j j 每 溉 j 睁 i ； ≯ 0 3液压 兀 件 1 殳计厍 A M E S i m根 据仿 真 步骤 自然 地分 为 4个工 作模 型 草图模式 、 子模型模式 、 参数模式和运行模式 见图 4 在草图模式下根据实际工程系统的工作原理利用 元件库中的元件图标搭建系统模型 ．系统搭建完成后 便可进入子模型模式 ． 这时需要 为每个元件选择合适 1 4 的子模 型f 即数学模型 ， 对于不同的元件 ， 子模 型可能 不止一个 ． 需要根据实际情况选择最合适的。接着在参 数模式下为每个元件设定必要的参数 ． 如活塞直径 、 滑 阀开度 、 所加 控制 信 号等 。最 后在 运行 模式 下 ， 设置好 仿真时间 、 采样间隔等初始条件后进行仿真。仿真结束 后可 以对需要的参数进行绘图以进行分析研究 ，也可 以对系统进行线性化． 并进行时域和频域的相关分析。 S k t h 草 图模式从不同的应用库中选取现存 的图形 模块来建立系统的模 型。 m S u b m o d ,e l s 为每个图形模块选取合适的数学模型 给 定合适 的建模假设 。 P a r a m e t e r s 为每个模型设定参数。 礁 m u k n I运 行 仿 真 并 分 析 仿 真 结 果 。 图 4 工作状态 2 系统模型的建立 在 A ME S i m环境下．利用 S k e t c h模式并调用系统 提供的液压库 、机械库和信号库建立如图 5所示的液 压系统仿真建模图。 图 5振 动 液 压 系 统模 型 1 发动机部分 F X A 0 1是一个循环子模型 ， 它是 根据 A S C I I 数据文件中定义的规则 ．定义输出输入 的 函数值 根据发动机的外特性参数 ． 预先建立好一个发 动 机 的扭 矩 随转 距 呈 单 调关 系 变 化 的 A S C I I 数 据 文 件 ． 就可 以实 现发 动机 转 速随扭 矩 变化 的模 拟 输 入扭 矩信号， 输 出转速信号 ， 输入输出信号都是量纲一的 。 P MV 0 0是一个发动机的模型 ．它将一个量纲一的输人 信号转换成旋转端的转速输 出．可以将 F X A 0 1 输出的 量纲一信号转换为旋转信号。 T F 0 1 是一个负载传感器． 通常在旋转负载和旋转轴之间．输出负载的值 R N 0 0 是一个一级机械变速齿轮 这四者的组合． 实现了发动 机及变 速箱 的模拟 2 液压 泵部 分 P U 0 0 1 是 一个 理 想 的定量 泵模 型．其机械效率可认为是定值 ．设定液压泵的排量为 6 5 mL ／ r 一． I } u ～ 船 f l 毒蚤 耕 拳 一姆 玲 ～。_耘豪 量 3 起 振 高 压峰 值 出现在 起 振初 始 时 ． 因 为此 时 偏 心块 的角加 速度 最大 ， 马 达驱 动扭 矩也 最 大 根据以上三个过程对振动轮 的负载进行加载如图 7所示 ，并绘出马达转距随负载扭矩的变化的曲线 ． 如 图 8所示 3 限压 溢 流 部 分 R V 0 1 是 一 个 简单 的 溢 流 阀 模 型 ， 没有考虑动力学因素 。打开时 ， 溢流阀的流量压力 特性是线性 的． 系统的最高压力设定为 ． T K 0 0 0是一个 液压油箱模型 ． 它作为一个压力为零的恒压源 F P 0 1是 液压 油模 型 ， 它 考虑 了液 压 油的 黏性 C V 0 0 0是一 个理 想的单 向阀模型没有考虑动力学模型 ． 当它打开时 ． 单 向阀 的流量 压力 特性 是线 性 的 4 液 压 阀 部分 HS V 3 4 1 2是 一 个 三 位 四通 先 导 阀 ， 它 的开 闭 由 阶段 信 号 U D 0 0来控 制 ． 主 阀 是 由液 压 元 件 设 计 库 H C D 组 建 成 的 ， 其 中 MA S 0 0 5是 阀 芯 的 质量模型 ， 考虑 了阀芯 的惯性 ． 提高 了仿真 的准确性 先导阀的 A、 B V I 与主阀的弹簧腔连接 ．通过先导阀控 制 主阀 的开 闭 5 液 压 马达 部分 MO 0 0 1是一 个 理想 的双 向定 量 马 达模 型 ．设 定液 压 马达 的 排量 为 mL ／ r ．流 速 由轴 转 速 ， 冲击损失 、 马达排量和进 口压力共同决定 。 6 振动轮部分 R L 0 4是 一个简单 的旋转 负载动 力学模型 ． R N 0 0 1 是一个理想的齿轮减速器模型 ． 它没 有考虑机械效率 ， F R1 R 0 0 0是一个旋转负载产生器 ． 摩 擦力 仅 为 库伦 摩 擦 力 ．这几 个 子模 型共 同组 成 了振 动 轮模 型 3 仿真分析 系统仿真时间为 6 0 s ． 设定振动阀在 5 s时开启 ． 为 了能 显 示 出先 导 溢流 阀和缓 冲补 油 阀在 系 统换 向时 的 工作 状 态 ． 设 定 3 0 s 时 换 向 ． 此 时 阀 芯 的位 移 曲线 如 图 6所 示 图 6阀芯 位 移 曲线 振 动压 路机 整个 起振 过程 特 点 1 整个 起 振过 程 中 ． 负载 扭 矩是 动态 变 化的 ； 2 起 振 初 始 时 ． 驱 动 扭 矩 主要 由振 动轴 和偏 心块 作加速运动的惯性力矩 ． 以及偏心块 的重力矩决定 起 振 过 程 中期 ． 惯 性力 矩 、 偏 心 块 的重 力 矩 和偏 心 块 随振 动 轮 的振 动力 矩 决定 了所 需 的驱 动 力矩 起振 终 了时 ， 所 需 驱 动扭 矩 由偏 心 块 的振 动 力 矩 和 重 力 矩 确 定 。 负 载扭 矩趋 于 稳定 8振 动 马 达扭 距 随 负载 变 化 曲线 从 曲线 图中看 出， 工况变化 时 ． 系统 的冲击较大 ， 并 且 出现较 大波 动 振 动 压路 机 的起 振过 程 属 于有 载起 动 ．在这 个 过 程中管道液体流动受阻 ． 振动液压系统将产生冲击 振 动 马达 因负 荷 作 用 对 液 压 油 的流 动 产 生 阻力 ． 其流速下降 根据流体动力学 的理论可知 ． 流速下降必 然引起压力的提高 ．流速下降的越大则 系统压力升高 的越大 流体的总能转化为压力能． 产生急剧的压力变 化 ． 出现 瞬 时高压 而形 成 液压 冲击 振 动 马达 的压 力 曲线 如 图 9所 示 图 9 振动马达正反转时的压力 曲线 振动马达的流量曲线如图 l O所示。 1 5 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 0年 第 1期 图 l O振 动马 达 流 量 曲 线 从 曲线 中 可看 出在振 动 轮起 振时 马达 端 口出现 压 力 峰值 ． 在 2 9 s时振 动换 向阀 开始 换 向 ， 到 3 l s时换 向 结束 ． 从图中可看 出在 2 9 s的时候 ， 马达的端 口产生压 力峰 值 先导溢 流阀 的工 作 曲线 如 图 l l 所示 ＼ ． 0 l 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 时In ] ／ s 图 1 1 溢 流 嘲 工 作 曲线 由曲线 图 中可看 出 ．当振 动压 路机 起 振 和换 向时 出现压力峰值 ， 此时先导溢流阀打开 ， 开始溢流 。 但先 导溢流阀在工作时压力 的变化要经主阀上阻尼孑 L 后再 反 映到先 导 阀上 ，然后 才 能改 变主 阀上 、下腔 油液 压 差 ．来 控 制主 阀芯 的动作 ．压差 的建 立 需要 一定 的 时 间． 因此先导溢流阀反应滞后 ． 使系统产生的压力峰值 对 马达产生 很大 的危害 振 动 液 压 系 统 缓 冲补 油 阀 工 作 曲 线 如 图 1 2所 示 刁 。 1 6 图 l 2 振动 回路缓冲补油阀溢流曲线 振 动 液 压 系 统 缓 冲 补 油 阀 工 作 曲 线 如 图 l 3所 图 1 3 振动回路缓 冲补油阀补油曲线 从 缓 冲补 油 阀 曲线 图中可 看 出 ．在 振 动压路 机 的 起振 和换 向 时缓 冲补 油 阀起 到 溢 流缓 冲 的作 用 ．在换 向和制动停振时起到补油的作用 。 振动马达转速曲线如图 l 4所示。 幽 l 4振 动 与达 转 速 曲 线 4 结语 通过对压路机的振动液压系统分析． 我们可以得 到以下结论 1 由于工况的变化时 ， 系统的冲击较大． 这就对 液压元件的耐冲击 、 耐高压性能提出了更高的要求 ． 而 工作元 件也 必须在 满足稳 定工 况作业 的 同时 留有 一定 的转矩裕度 ． 以抵抗换向时的转矩冲击 ． 我们可以看到 液压系统 的不 稳定 因素 和不安全 因素是 出现在 工况发 生 改变 的时候 ． 这对 以后设计 大 吨位 压路 机具有 一定 的指导 意义 2 3 2 程机 械在工 作时 负载是经 常变 化 的 ， 负载 的 较大 变化 引起液压 系统 中的液流迅 速换 向或滞止 ． 系 统 内就会产生压力的剧烈变化 ． 形成瞬时的压力峰值 ． 产生液压冲击 ． 液压冲击的压力峰值往往比正常工作 压力高好几倍 ． 且常伴有巨大的振动和噪声． 并使某些 液压元件产生误动作 ． 导致设备的损坏 。 更为常见的是 击穿液压密封件油路产生泄漏 ． 使得系统无法正常工 作 ， 特别 是对 开式液 压 系统进行 起振 液压 冲击 防治 ． 可 以提高工程机械的性能与可靠性 ， 降低成本。 Hy dr a u l i c s P ne u ma t i cs S ea l s ／ No ． 1 ． 2 01 0 嵌入式数控 系统 冯 习宾 的研究 桂林 电子 科技 大 学机 电工 程学 院 ． 广西 桂林5 4 1 0 0 4 摘 要 将嵌入式技术与数控技术相结合 ， 提 出了一种新的基于 A R M 与 D S P的嵌入式 四轴数控系统的设计 。该设计采用 A R M处理器 为主 C P U， D S P运动控制芯片为从 C P U， 并采用 L i n u x操作系统 ， 使 系统更好 的进 行多任务处理 ，保证 运动控制的实时性。该嵌人式数 控系统具有软硬件可裁剪 、 结构精简优化 、 插补控制实时性强 、 系统工作可靠 等优 点。最后通过仿真验证 了该嵌入式数控 系统的可行 性 。 关键词 A R M； D S P 嵌入式数控 中图分类号 T P 2 1 1 文献标 示码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 0 0 1 0 0 1 7 0 3 R e s e a r c h 0 1 3 t he Em b e dd e d N u m e r i c a l Co n t r o l S y s t e m FENG Xi -b i n E l e c t r o me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g C o l l e g e o f G u i l i n U n i v e r s i t y o f E l e c t r o n i c T e c h n o l o g y ，G u i l i n 5 4 1 0 0 4 ，C h i n a Ab s t r a c t B y c o mb i n i n g t h e e mb e d d e d t e c h n o l o g y a n d n u me ric a l c o n t r o l t e c h n o l o g y ，t h e p a p e r p u t f o r w a r d s a n e w d e s i g n f o r f o u r a x e s c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n ARM a n d DS P ． I n t h i s d e s i g n ， ARM i s ma i n CP U mo t i o n c o n t r o l c h i p i s o r d i n a t i o n CP U ， B y u s i n g L i n u x o p e r a t i n g s y s t e m， s y s t e m c a n b e g o o d a t d e a l i n g wi t h mu h i t a s k a n d t h e r e a l t i me o f s y s t e m c o n t r o l l i n g ．T h i s e mb e d d e d n u me ric a l c o n t r o l s y s t e m h a s c h a r a c t e ris t i c s o f c o n fi g u r a b l e a n d s i mp l i fie d i n s t r u c t u r e ， r e l i a b l e i n e x e c u t i n g ， a n d h i g h r e al t i me for r e s p o n s e for i n t e r p o l a t i o n c o n t r o 1 ． At l a s t ， t h r o u g h s i mu l a t i o n v e ri f y t h i s n u me r i c a l c o n t r o l s y s t e m i s f e a s i b i l i t y ． Ke y W o r d s ARM； DS P ； Emb e d d e d NC； 0 引言广 ] 近 年来 ．嵌入 式 技术 已经 广泛 的应 用 于各 种 控制 领域。以 A R M、 MI P S等为代表的基于精简指令 的新一 代 3 2位嵌入式微处理器具有体积小 、 功耗低 、 主频 高 等特点 。具 有 多级指 令执 行流 水线 、 处 理 速度快 和 硬件 浮点运 算功 能 嵌 入式 数控 系统 兼备 嵌入 式技 术 和数 控技术结合的巨大优势 ．必将符合新一代数控系统 的 各项性能要求【3 I 本文研究 的嵌入式数控系统 ． 基于三 星公 司的 A R M9微控 器 和 日本 N O V A 电子有 限公 司研 制的 D S P运动控制专用芯片 ， 结合源代码开放 的 L i n u x 操 作 系统 ． 通 过 软硬 件 自主开 发 ． 操 作 系统 和 系统 模 块 的裁剪设计 ． 充分发挥 A R M 与 D S P专用运动控制芯片 MC X 3 1 4 A s 各 自的优势 ． 设计 出一种新 的高性能的嵌入 式 数控 系统 1 基于 AR M 的嵌人式数控系统模 型 基 于 A RM 的嵌入 式 数控 系统 模 型如 图 1 所 示 收稿 E l 期 2 0 o 9 0 6 1 8 作者简 介 冯习宾 1 9 8 3 一 ， 男 ， 桂林电子科 技大学硕士 研究生 ， 专 业 机 械电子工程研究方向为嵌入式 数控系统。 - 一 一 一 一一 - -一 一 一 十一 一 一 一一 - ‘ 一 。 _ 一一 参 考 文 献 [ 1 】 秦 四成． 振动压路机【 M】 ． 北京 化学 工业 出版社， 2 0 0 6 ． [ 2 J 王海 飞． 振动压路机 起振 液压冲击机 理及 防治措施研 究[ D 】 ． 图 1 基 于 ARM 的嵌 入 式 挖 掘 机 控 制 系 统 模 型 该嵌入式数控 系统 由下到上三部分组成 ．分别是 硬件层 、 操作系统层和运动控 制软件层 。底层硬件层 的 A R M 处 理 器采 用 三 星公 司 的 3 C 2 4 1 0 ． 嵌 入式 数 控 系统的操作 系统层 中间层 采用源代码开放 的 L i n u x 最上层是运动控制系统的匹配软件 ．主要包括编写 的 各种控制函数 ， 如运动控制芯片的控制库函数等 1 ． 1 数控 系统 的硬 件结 构 A R M 处 理 器 选 用 S AMS U M 公 司 的 3 C 2 4 1 0处 理 芯 片 3 C 2 4 1 0是 一 款 基 于 A R M9 2 0 T内 核 的 3 2位 R I S C架 构 的处理 器 。体 积小 、 功耗 低 、 成 本低 、 性 能 高 ， 它 的最 高运 行频 率 达 到 2 0 3 MHz ． 这样 的 工作 频率 使 处 理器能轻松 的运行 Wi n d o w s C E、 L i n u x等操作系统 以及 进行较为复杂的信息处理 ．从而使嵌入式数控系统能 够保持极高的工作效率 长安大学硕士学位论文． 2 0 0 3 ． 【 3 】 付永 领 ， 祁 晓野． A ME s i m 系统 建模 和仿真一从 入 门到精通 [ M】 ． 北京 北京航空航天大学 出版社， 2 0 0 6 ． 1 7