液压破碎锤系统的联合仿真.pdf

2 0 1 3年 3月 第 4 1 卷 第 5期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS Ma r ． 2 01 3 Vo 1 ． 41 No ． 5 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 0 5 ． 0 3 5 液压破碎锤系统的联合仿真 杨 国平 ，王聪 ，王亮 上海工程技术大学汽车工程学院 ，上海 2 0 1 6 2 0 摘要以某型号液压破碎锤为研究对象，基于 A D MA S和 MA T L A B两大软件 ，针对破碎锤系统虚拟样机进行联合仿真， 详细介绍了联合仿真的意义和仿真过程中注意事项以及操作方法；同时初步验证将虚拟样机技术应用于破碎锤研究与开发 的可行性，为液压破碎锤的产品开发搭建一个良好的平台。 关键词 A D MA S ；MA T L A B；液压冲击器；联合仿真；虚拟样机技术 中图分类号U 4 5 5 ． 3 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 51 3 6 6 Th e Co - s i mu l a t i o n o f Hy d r a u l i c Br e a ki n g Ha mme r S y s t e m YAN G G u o p i n g ，W AN G C o n g，WAN G L i a n g C o l l e g e o f A u t o mo b i l e E n g i n e e r i n g ，S h a n g h a i U n i v e r s i t y o f E n g i n e e r i n g S c i e n c e ，S h a n g h a i 2 0 1 6 2 0 ，C h i n a Ab s t r a c t B a s e d o n ADMAS a n d MAT L AB， t h e c o s i mu l a t i o n o f h y d r a u l i c b r e a k i n g h a mme r s y s t e m wa s d i s c u s s e d i n d e t a i l ． T h e i mp o r t a n c e ， t h e n o t i c e s a n d t h e o p e r a t i o n a l me t h o d o f t h e C O s i mu l a t i o n we r e i n t r o d u c e d ． T h e f e a s i b i l i t y o f t h e a p p l i c a t i o n o f v i r t u a l p r o t o t y p i n g w a s p r e l i mi n a r i l y p r o v e d a n d a g o o d p l a tf o r m w a s b u i l t f o r t h e r e s e a r c h a n d d e s i g n o f h y d r a u l i c b r e a k i n g h a mme r s y s t e m． Ke y wo r d s ADMA S； MAT L AB；Hy d r a u l i c b r e a k i n g h a mme r ； C o s i mu l a t i o n ； Vi rtu a l p r o t o t y p i n g 在基于多体系统动力学软件 A D A MS C o n t r o l s 模 块的联合仿真中，MA T L A B以其强大的计算 和可视 化编程功能以及极高的编程效率 ，迅速成为从事科学 研究和工程设 计不 可缺少 的软件 ；A D A M S软 件具有 十分强大 的运动学和动力学分析功 能 ，为工程领域用 户提供了强大的建模、仿真环境，使用户能够对各种 机械系统进行建模、仿真及分析；而把 A D A MS和 MA T L A B联合起来仿真 ，可以将机械系统与控制设 计仿真分析有机地连接起来 ，实现机电一体化的联合 分析 联合仿真流程图如图 1 所示 。 l 构造 I hl 确定模型的I J 构造控制1 I 系统 l I 机械模型广 l 输入和输出r 1 系统框图广 I 联合仿真I 图 1 联合仿真流程图 1 联合仿真概述 1 ． 1 联合 仿真技 术 的 实现 过程及 关键 问题 的研 究 1 建立机 械系统模型 可以在 A D A M S ／ V i e w下直接建立机械系统模型， 也可 以输人外部建立好的模 型。 2 确定 A D A M S的输入与输出变量 确定输入与输出变量后 ，可以在 A D A M S和控制 软件之间形成一个闭合回路。 3 在 MA T L A B中建立起控制系统模型 建立起控制系统模型后 ，将其与 A D A MS的机械 系统模 型联接起来 。 4 仿真模型 可以使用交换式或批处理方式仿真机械系统和控 制系统在一起 的模 型。 基于 A D A M S ／ C o n t r o l 模块的联合仿真 系统框 图 2 如下。 图2 联合仿真系统框图 在进行联合仿真的过程中，常常因为没有设置正 确的路径，找不到所需要的文件而遇到仿真失败的错 误提 示。联合 仿 真 中，A D A M S ／ C o n t r o l模 块 生 成 ．d l l 、． c m d 、． n l 文 件 ，把文 件全 部拷 到 M A T L A B的 当前工作目录下 ，经过这样设置，一般就不会再出现 仿真失败 的错误提示 。 2 基于 A D A M S和 MA T L A B的联合仿真 2 ． 1 联合仿真通信联 系的建立 在进 行联 合仿 真 之前，首 先要 在 A D A M S和 M A T L A B两个软件之间建立起通信联系。首先，将 收稿 日期 2 0 1 2 0 2 0 9 基金项 目国家 自然科学基金项 目 5 0 9 7 5 1 6 9 作者简介杨国平 1 9 6 2 一 ，男，工学博士，教授 ，硕士生导师。E 第 5期 杨国平 等液压破碎锤系统的联合仿真 1 3 7 A D A M S软 件 所 生 成 的“ h a m m e r t e s t ． m” 文 件、 “ h a mme r _t e s t ． c m d ”文件、“ h a m m e r t e s t ． a c f ”文件和 “ h a m m e r t e s t ． a d m”文件导入到 M A T L A B当前的工作 目录下，然后启动 M A T L A B软件 ，在 MA T L A B调 出 A D A M S子系统模型，具体步骤如下 1 在 M A T L A B的命令提示符下键入h a m m e r t e s t ，然后回车，M A T L A B系统会 自动调用 A D A MS 软件所设置的输入和输出变量。响应如下 ADAMS p l a n t a c t u a t o r s n a me s Pr e s s u r e n i t r o g e n Pr e s s u r e ．L o we r Pr e s s u r e ．Up p e r Pr e s s u r e ．v a l v e．uppe r Pr e s s u r e v alv e l o we r ADAMS p l a n t s e n s o r s n a me s p i s t o n v p i s t o n ．S c o n t r o l ．1 c o n t r o l 2 c o n t r o l 3 c o n t r o l _4 2 在 命 令 提示 符 下键 入 w h o ，然后 回车， MA T L A B命令窗口如图3所示。 图3 Ma t l a b 命令窗口 M A T L A B系统显示 A D A M S软件中定义的变量列 双击图4所示 A D A M S s u b模块，便可以清楚地 表 ，选择其中任意变量名可进行检验。 看到其内部的具体组成 ，如图5 所示。 艇 ； 』 ＼ piston v／- ＼ De mu x 坐 M n x Ms cs ～ 卜 _1● control_l ／一 ＼ ／ c o n t ro 厂 、 A。 AM 。 u t 1 ． c o n tr o l 3 ADAM S s u b c o n t r o l 一 4 图4 A D MA S 控制模版 2 ． 2 建立 S i m u l i n k环境 下液压破碎锤 系统 的控制 模 型 2 ． 2 ． 1 液压破碎锤运动微分方程 一 个仿真模型应能尽量全面反映被仿真对象的实 际物理过程。但要完全做到不 “ 失真”是不可能的， 为此必须建立一些适当的假设条件。这里假设 1 泵的供油量及系统压力恒定 ，回油被压为 定值 ，阀芯和活塞的运动对压力没有影响。 2 换 向阀阀芯 的运动状态变化按开关量考虑 。 3 流体的黏度不受压力影响并且机器工作过 程中的温度处处一致 。 4 除进油胶管外 ，其他构件都视为不变形的 绝对刚体。 5 油液中压力波的传递时间忽略不计 ，大部 分情况下忽略油液的质量 ，流动为不可压缩流体的层 流。 _ ． 固 Cl o c k TT oWo r k s p a c e 图5 A D M A S子模板 6 活塞与液压缸、换向阀芯与阀箱 的机械摩 擦阻力、密封圈的阻力和黏性阻力均为零。 7 活塞运动过程中氮气室中气体不与外界发 生热交换。 根据上述假设条件及物体运动所必须遵守的牛顿 第二定律、流体连续性原理、气体状态方程，可以列 出破碎锤冲击机构运动的基本微分方程组，即得到活 塞和阀芯的运动微分方程。 液压冲击器结构示意图见图6 。 1 活塞回程加速阶段 mp 一 g P1 A1一P 2 A2一P3 A3 mp 一 mp 1 A12 A2 3 d x P3 C 儿 1 2 3 4 目盈 1 3 8 机床与液压 第 4 1卷 图6 液压冲击器结构示意图 活塞制动和冲程阶段 mp警 m p P 一一 A P 3 Ag P l A 2 A 1 P 3A 3 m p m p 一 。 d P 式中 m 为活塞质量 ，k g ； 为活塞位移，i n ； 5 6 7 为活塞运动速度 ，m ／ s ； A 、 A 、 A 分别为活塞前后腔和氮气室有效作 用面积 ，in ； P 。 、 P 、 P ， 分别为活塞前后腔和氮气室压力， P a ； 为绝热膨胀时的氮气容积，m ； 为原始氮气容积，in ； P 为氮气室充气压力，P a ； k为气体多变指数 ，这里取 k1 ． 4。 2 阀芯 回程换向阶段 警 一 m g A P s Am p 4 A 4 P s A 5 8 了 一 m g 一 L U 9 df 阀芯 冲程换 向阶段 警 m g p 4 A p s Am m g p 4 A 4 p s A 5 1 0一 一 U 譬 1 1 d 式中 m 为 阀芯质量 ，k g ； 为 阀芯位移 ，m； V 为阀芯运 动速度 ，m ／ s ； A 、 A 分别为换 向阀前后腔有效作用面积， in 2 ； P 、 P 分别为换向阀前后腔压力，P a 。 3 活塞和阀芯运动状态的划分 状态 A阀在下止点 ，活塞回程加速 。 状态 B活塞下端 面越过 信号 口，阀回程换 向， 活塞继续 回程加速。 状态 C 阀孔 接通 高压 管 路 ，活 塞 回程 减 速 运 动 。 状态 D阀继续 回程换 向，活塞继续 回程制动 。 状态 E阀到达上止点 ，活塞继续 回程制动。 状态 F 阀不动作 ，活塞冲程加速。 状态 G活塞上端面越过信号 口，阀冲程换 向， 活塞继续加速 。 状态 H阀孔接通回油管路，活塞冲程制动。 状态 I 阀到达下 止点 ，活塞 撞击钎 杆 ，活塞 冲 击钎杆后进入下一个循环。 根据上面的分析 ，列 出活塞和 阀芯的运动状态判 别式如表 1 所示。 表 1 活塞 、阀芯各运动状态判别式 状态分类 判别式 A B B C C E h a mme r ． p i s t o n _ v 0； ． h a mme r ． c o n t r o l _l0； ． h am me r ． c o n t r o l _30； ． h a mme r ． c o n t r o l 一10； ． h a mme r ． c o n t r o l _30 h a mme r ． p i s t o n _v 0； ． h a mme r ． c o n t r o l_40 h am me r ． p i s t o n v 0 ． h a mme r ． c o n t r o l _ 20 h a mme r ． p i s t o n _ v 0； ． h a mme r ． c o n t r o l _ 20； ． h a mme r ． c o n t r o l _ 40 注 ． h amm e r ． p i s t o n v为活塞速度 ； ．h a mme r ． c o n t r o l 一1 为活塞下端面距离换向阀信号 口 下端面的距离； ．h a mme r ． c o n t r o l一 2 为活塞上端面距离换向阀信号 口 上端面的距离； ．h a mme r ． c o n t r o l 一3为阀芯圆孔上端面距离高压 口下端面的距离； ．h a mme r ．c o nt r o l一4为阀芯圆孔下端面距离高压 口上端面的距离 ～ 第 5期 杨国平 等液压破碎锤系统的联合仿真 1 3 9 2 ． 2 ． 2 搭建控制系统模型 根据上文对液压破碎锤运动状态的分析，将活塞 和阀芯的关联运动细分为 9 个步骤 ，并用判别式将整 个运动过程划分为 6个状态过程 ，针对各个状态 的运 动特征 ，在 MA T L A ／ S i m u l i n k中建立基 于开关 控制 的 液压破碎锤的仿真模型，如图7所示。图7中的 A D ． AMS s u b模块即为 A D A MS 子系统模块。 S FORCE 一 4 S wi t c h 5 图7 A D A MS和 MA T L A B联合仿真模型 进行联合仿真前，须先将模型初始化。这些初始 真结果，如表3所示。 化参数需要根据厂家提供的基本参数或按某些规则、 表3 仿真结果文件类型 经验给出。液压破碎锤的联合仿真系统输入的参数是 压力，输出参数是活塞与阀芯的速度、位移及加速 度。这些参数设定如表2所示。 表 2 初始值的设定表 名称 初始值 设定的名称 ⋯⋯ 氮气室初始压力P o 0 ． 8 M P a 氮气室初始体积 V o 11 4 6 9 7 1 ． 8 m m 氮气室作用面积 S 3 3 4 1 9 ． 4 6 m m 活塞前腔作用力 S F O R C E 一 1 5 8 9 5 ． 4 3 N 活塞回程加速阶段后腔作用力 S F O R C E _ 4 2 2 4 3 ． 5 7 N 活塞回程制动及冲程阶段后腔作用力 S F O R C E _ 2 9 7 5 4 ． 6 5 N 换向阀后腔作用力 S F O R C E ．_ 7 1 0 7 1 ． 6 0 N 阀芯回程换向前腔作用力 S F O R C E ． _6 1 5 0 2 ． 0 7 N 阀芯冲程换向前腔作用力 S F O R C E _ 3 3 4 5 ． 4 8 N 2 ． 2 ． 3 设置仿真参数 1 在 A D A MS s u b子模块中，双击 M s c S o ft w a r e 模块，弹出参数设置对话框，在 O u t p u t F i l e s P r e fi x 栏 输入 “ h a m m e r t e s t ” ，名 字用单引号括 起来。A D ． A MS ／ C o n t r o l s 用包含改名字的3种文件格式来保存仿 2 在 B l o c k P a r a m e t e r s A D A MS P l a n t 对话框 C o m m u n i c a t i o n I n t e r v a l 栏中的数值表示 A D A M S ／ V i e w 仿真的实际步长，应大于或等于 M A T L A B最大仿真 步长，否则联合仿真时可能出现警告信息。在此设置 A D A MS的仿真步长为 0 ． 0 0 1 ，所 以在后 面 S i m u l i n k P ara m e t e r s 对话框设置的最大步长应该小于 0 ． 0 0 1 。 为了实时动态显示仿真动画，在 A n i m a t i o n下拉 表中选择 I n t e r a c t i v e 模式。若选取 B a t c h模式，可不 用打开 A D A MS ／ V i e w程序也能执行联合仿真，但此 时只能通过 M A T L A B仿真框图中的示波器观察输出 结果的变化情况。 3 运行模型仿真 在 MA T L A B S i m u l i n k窗口选择 S i m u l a t i o n菜单下 的 C o n f i g u r a t i o n P a r a m e t e r s 菜单项 ，弹出 C o n fi g u r a t i o n P ara m e t e r s 对话 框。 1 4 0 机床与液压 第4 l 卷 首先 ，设置仿真时间，及设置 S t a r t T i m e 为 0 ． 0 ， 设 置 S t o p T i m e 为 0 ． 1 5 ；然后 ，在 S o l v e r O p t i o n s 选项 组中，选择 T y p e 为 V a r i a b l e s t e p ，此处的 S i m u l i n k仿 真的最大步长应该小于 A D A M S的仿真步长，此处取 0 ． 0 0 0 5 ；最后，求解函数的选择 ，因为文 中研究的 液压冲击器属于刚性系统，所以采用 o d e l 5 s s t i f f ／ N D F ，o d e l 5 s 是一个多步骤指令，是以数值微分方 程 N D F s 为基础的可变顺序指令。可选择 向后微 分方程 B D F s 或称为 G e a r 法 。至此即完成参数仿 真的设 置。 2 ． 3 仿真结果分析 联合仿真结束后 ，得到活塞和阀芯的运动规律曲 线，以此作为分析液压破碎锤系统运动特性的依据。 为了更好、更便利地处理、分析数据，将通过两个软 件分别输出仿真结果。 1 在 MA T L A B中获取仿真结果 系统仿真完成后 ，利用 MA T L A B的绘 图命令 ， 给出A D A MS u o u t 的仿真结果，A D A M S u o u t 数据隐 含在 A D A MS s u b模块中。 在 MA T L A B提示符下输入 P l o t A D A M S _ t o u t ， A D A M S u o u t 得到活塞和阀芯的运动规律曲线如图 8 1 3 所示。 4 2 0 l砷 - 2 旦 ． 4 ．6 8 ．1 0 昌 昌 卜 。 ≈ 图8 活塞位移 图9 阀芯位移 图 1 0 活塞速度 6 4 2 0 旦 ． 2 ．4 -6 ．8 0． h蓦 o ‘ 2- 0 ． -0 0 0 ． 0 5 0 ． 1 0 ． 1 5 t ／ s 图1 1 阀芯速度 0 0 ． 0 5 0． 1 0 ． 1 5 t ／ s 图 1 2 活塞加速度 图 1 3 阀芯加速度 2 A D M A S ／ P o s t P r o c e s s o r 中的仿真结果分析 作者将联合仿真生成的数据仿真结果文件 ． r e s 、要求文件 ． r e q 和图形文件 ． g r a 运用 A D A M S的后处理模块 P o s t P r o c e s s o r 进行分析。液压 破碎锤活塞和阀芯的动力学仿真结果如图 1 4 1 6所 示。 75 ． 0 60 ． 0 E 4 5 ． 0 昌 3 0 ． 0 1 5． 0 0 ． 0 精 器 一- 阀芯 ／ ／ t O 0 ． 05 0． 1 0 ． 1 5 0 0 ． 05 0． 1 0． 1 5 t ／ s t ／ s 图1 4 活塞和阀芯 的位移曲线 l O ． 0 5 ． 0 暑 0 ． 0 姿 5 ． 0 - 1 0 ． 0 图 1 5 活塞和阀芯 的速度曲线 图1 6 活塞和阀芯的加速度曲线 由图 1 4可以看 出活塞的行程为 s 7 1 ． 0 7 m m， 阀芯的行程 s 1 2 m m，整个 运动过程 比较平稳 ，一 直保持在一个恒定的范围内。 由图 1 5可以看 出 活塞碰撞时的速度为 8 ． 3 7 m ／ s ，由末 速度法 可以算 出系统此 时的 冲击 能为 4 6 3 ． 4 8 J ，与东 空公 司通 过 A E M 的应 力波 法得 到 的 4 5 4 ． 7 J的试验结果相比，误差为 1 ． 9 3 ％，误差较小。 当活塞撞击钎杆的那一瞬间，活塞的反弹速度很小 ， 一 方面说明，碰撞时的能量传递效果好，大部分能量 都传递给钎杆用来打击物体；另一方面，活塞回弹速 度小可 以减小对挖掘机的冲击 。 从 图 1 5还 可 以看 出阀 芯 的 换 向 时 间 只 有 0 ． 0 0 4 s ，而最大速度达到 5 ． 7 5 m ／ s ，所以阀芯的换 向冲击还很大。活塞后腔的压力是通过换向阀周围的 4个中心口分别与高压管路、回油管路的结合来控制 的，因为换向时间极短，所以作者在 S i m u l i n k中建立 的液压破碎锤控制系统中采用开关控制。 在 图 1 6看 出过高 的加速度使 阀芯在换 向过程 中会跟换向阀箱有激烈碰撞 。所 以液压破碎锤系统在 保证钎杆和活塞强度的同时 ，也要确保换向阀箱和换 向阀芯的强度从而提高机器的使用寿命和精度。 仿真数据与官方数据对 比见表 4 ，各项输出参数 第 5期 杨国平 等 液压破碎锤系统的联合仿真 1 4 1 均在合理范围内，说明液压破碎锤的虚拟样机模型在 一 定程度上还是真实反映实际的运动状态，输出的各 项参数有一定的参考价值。 表4 数据对比表 从两组数据对比来看原虚拟样机的输出运动参 数还有很大提升空间，冲击能有优化的可能，仿真得 出的冲击能之所以比说明书上提供的值大，主要是因 为仿真是建立在一些假设条件下系统压力 、流量恒 定；不考虑氮气与空气的热量交换；认为运动部件之 间摩擦阻力和黏性阻力为零。把这些因素考虑进来 ， 仿真结果应该更加接近实际值。 3结论 通过对液压破碎锤系统运动规律的分析 ，在一定 假设条件下，建立了活塞和阀芯运动过程的数学模 型，同时对活塞和阀芯的运动状态进行了划分，通过 MA T L A B和 A D MA S两大仿真软件对 以东空 4 M型液 压破碎锤的结构参数为基础建立的虚拟样机进行联合 仿真，得到的各项参数与厂家提供的数据相近，从理 论上验证了在一定假设条件下的液压破碎锤虚拟样机 模型的可靠性 ，同时体现了联合仿真优于传统的机电 系统设计中控制模型和机械模型相互独立的仿真形 式，为研究与设计液压冲击系统提供了新的方法。 参考文献 【 1 】 何清华． 液压凿岩机的设计与研究基本公式的导出 [ J ] ． 中南矿冶学院学报 ， 1 9 8 8 ， 1 9 2 1 9 6 2 0 2 ． 【 2 】B E R G M A N R， B A K E R J D ． E n a b l i n g C o 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控制参数能够实时变化使系统的响应速度增快 ，系统 震动幅值可以控制在非常小的范围之内，且系统可以 很快恢复到稳定状态，并且液压缸上升速度比单回路 经典P I D控制下的快。由图6 、图 7看出在液压缸 上升阶段，位置环的 不断增大，K 不断减小 ；在 t 7 s 冲击力作用时， 、K， 不断 自适应调节， 以达到快速稳定实验台的目的。 4总结 在控制液压缸时采用模糊 自适应 串级控制策略， 建立了液压缸速度环和位置环双闭环控制模型，速度 环采用经典的 P I D控制器，位置环采用模糊 自适应 P I D控制器，利用模糊控制器在线实时调 声P I D的参 数。仿真结果表明在冲击载荷下 ，模糊 自适应串级 控制器相较于单回路传统 P I D控制器 ，能； 效地减小 系统的震荡时间和震荡幅度，增强系统鲁棒性。 参考文献 ～ 【 1 】卢红影， 姜继海 ， 王崾． 模糊 自 适应 P I D控制控制策略的 液压变压器驱动直线负载系统研究 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 9， 3 7 9 5 8 6 1 ． 【 2 】丁国锋， 王孙安， 林延圻， 等． 模糊 P I D串级控制在电液 伺服系统中的应用[ J ] ． 机床与液压， 1 9 9 6 2 1 01 1 ． 【 3 】 王启志， 王晓霞， 王永初． 一种自适应模糊串级控制仿真 [ J ] ． 计算机仿真， 2 0 0 3 3 6 56 7 ． 【 4 】 刘长年． 非对称伺服油缸的动态研究[ J ] ． 机床与液压， 1 9 8 5 1 1 1 0 ． 【 5 】 江玲玲 ， 张俊俊． 基于 A M E S i m与 M a d a b ／ S i m u l i n k 联合 仿真技术的接口与应用研究[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 8 ， 3 6 1 1 4 81 4 9 ． 【 6 】肖晟， 强保民． 基于对称四通阀控非对称液压缸的电液 比例位置控制系统建模与仿真[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 9 ， 3 7 6 9 6 9 7 ． 【 7 】 冯永宝， 常钰． 基于 F u z z y - P I D控制的调平支腿精确定 位的仿真研究[ J ] ． 液压气 动与密封， 2 0 1 1 1 9 1 9 2 2． 【 8 】 凌轩， 曹树平， 朱玉泉， 等． 基于模糊 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