基于DSHplus的机床速度换接回路建模与仿真.pdf

2 0 1 1 年 1 1月 第 3 9 卷 第 2 1 期 机床与液压 MACHI NE TO0L ＆ HYDRAUL I CS No v ． 2 01 1 V0 1 ． 3 9 No ． 21 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 ． 2 1 ． 0 3 6 基于 D S H p l u s 的机床速度换接回路建模与仿真 高军浩 ，杨 国平 ，陈博 上海工程技术大学汽车工程学院，上海 2 0 1 6 2 0 摘要为了分析基于行程节流阀的机床速度换接回路的动态特性并探求改善系统性能的途径，建立了调速回路的数学 模型，并在 D S H p l U S 环境下建立了回路仿真模型。仿真结果表明 用行程节流阀控制的速度换接回路能够实现执行元件的 快速准确速度切换；通过在泵出口增设单向阀和蓄能器的办法，进一步减小了活塞速度的波动和泵出I 1 的压力脉动，从而 提高了整个系统的效率和寿命；改变节流阀开口大小能进一步调节执行元件速度。 关键词行程节流阀；速度换接；D S H p l u s 软件； 蓄能器；仿真 中图分类号T H 1 3 7 ～ 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 2 11 2 5 3 M o d e l i n g a n d S i mu l a t i o n o f M a c h i n e S p e e d S wi t c h Ci r c u i t Ba s e d o n DS Hp l u s GAO J u n h a o，YANG Gu o p i n g ，CHEN B o C o H e g e o f A u t o m o t i v e E n g i n e e ri n g ，S h a n g h a i U V e r s i t y o f E n g i n e e r i n g a n d S c i e n c e ，S h ang h a i 2 0 1 6 2 0 ，C h i n a Ab s t r a c t T o a n aly z e t h e d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s o f ma c h i n e s p e e d s w i t c h c i r c u i t wit h t r i p t h r o t t l e a n d t o s e a r c h t h e me t h o d o f i mp r o v i n g s y s t e m p e rf o r manc e ，t h e ma the ma t i c a l mo d e l o f t h e s p e e d r e g u l a t i n g c i r c u i t w a s e s t a b l i s h e d ．T h e s i mu l a t i o n mo d e l o f the c i r - c u i t wa s a l s o e s t abl i s h e d i n t h e s o f t wa r e D S Hp l u s ．Th e s i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e s p e e d s wit c h c i r c u i t wi t h t ri p t h r o t tl e a c h i e v e s s p e e d s w i t c h i n g o f a c t u a t o r r a p i d l y a n d a c c u r a t e l y ．B y me ans o f s e t t i n g c h e c k v alv e and a c c u mu l a t o r a t p u mp o u t l e t ，s p e e d fl u c t u a t i o n o f p i s t o n and p r e s s u r e p u l s a t i o n o f p u mp o u t l e t are r e d u c e d，w h i c h e n h a n c e s t h e e ffi c i e n c y a n d l i f e t i me o f t h e w h o l e s y s t e m．Th e v e l o e i c y o f a c t u a t o r c a r l b e a d j u s t e d f u r t h e r b y v a r y i n g o p e n i n g o f t h e throt tl e ． Ke y wo r d sT r i p thr o l e ；S p e e d s wi t c h；DS Hp l U S s o f t w a Y e；Ac c u mu l a t o r ；S i mu l a t i o n 速度换接回路的功能是使液压执行元件在一个工 作循环中根据预定的要求顺序实现运动速度的切换。 这种回路本质上是调速回路与换向控制 回路的结合。 常用的调速 回路有节流调速回路和容积调速回路，其 中节流调速适用于小流量的定量泵系统，在机床液压 系统中应用很广⋯。行程控制的换向阀常用于自动化 机床的换向动作。因此，节流阀和行程阀结合的速度 换接回路得到广泛应用。然而，随着液压 系统向高 压、高速和高精度的方向发展 ，液压速度平稳性要求 E l 益 提 高，压力 脉 动 问题 也 日益受 到 人 们 的重 视 。作者用建立仿真模型的办法，分析这类 回路 的动态性能，并尝试采用蓄能器来提高速度平稳性、 降低压力脉动。 1 用行程节流阀的速度换接回路的数学模型 用行程节流阀的速度换接回路原理如图 1 所示。 该回路可实现机床快速运动、工作进给运动和快 速复位 3种不同速度的切换。在图示位置，液压缸右 腔的回油可经行程阀4和换向阀 2 流回油箱 ，使活塞 快速向右运动；当快速运动到达所需位置时，活塞上 挡块压下行程阀4 ，将其通路关闭，这时液压缸 3右 腔的回油就必须经过节流阀6 流回油箱 ，活塞的运动 转换为工作进给运动；当操纵换 向阀 2使活塞换 向 后，压力油可经换 向阀 2和单向阀5进入液压缸 3右 腔，使活塞快速向左退回 。 1 --液压泵 2 --换向阎 3 一液 压缸 4 一行程 阀 5 - - 单 向 阀 6 “ --节流 阀 7 _ 溢流 阀 图 1 用行程阀的速度换接回路原理图 以下数学模型基于假设 回路内油液温度、黏 度、密度处处一致 ；不计管路损失和膨胀性影响；蓄 收稿 日期 2 0 1 01 0一l O 基金项 目国家自然科学基金项 目 5 0 9 7 5 1 6 9 ；上海高校知识创新工程 0 8 5工程 建设项目 J Z 0 9 0 1 ；上海工程技术 大学研究生创新项 目 A一 0 5 0 3 1 0 1 8 作者简介高军浩 1 9 8 4 一 ，男，在读硕士，研究方向为车辆工程。E m a i l b d y z g z 1 6 3 ． t o m 。 1 2 6 机床与液压 第 3 9卷 能器中的气体状态变化为绝热过程。 1 ． 1 液 压 缸 1 ． 1 ． 1 活塞动力平衡方程 m 邶罟 k y A lP l A 2p 2 1 式中m 。 为活塞质量 ；B为黏性阻尼系数；k为负载 弹簧刚度 ； P 。 、 P 分别为缸左、右腔压力 ； A 、A 分 别为活塞左、右腔有效面积；Y为活塞杆位移。 1 ． 1 ． 2 左右腔流量平衡方程 A ， 警 C p 2 C p 。 2 一 A2 d _ z C p 2 3 式中q 、q 分别为 流入左 腔、流出右腔的流量； C C 分别为缸内、外泄漏系数； 、 分别为缸 左、右腔体积； 为有效体积弹性系数。 1 ． 2 节流阀 流量平衡方程 c 4 式 中 q 为 流过节 流 阀的流 量 ；C 为流 量 系数 ；A ， 为通流面积； P为油液密度 ；卸 为节流阀前后压差， 等于P 2 一 P 3 。 1 ． 3 蓄能器 1 ． 3 ． 1 热力学方程 P 。 p C 5 式中i P 。 为蓄能器充气压力 ；V o 为充气压力下的气 囊体积； P 为工作状态下的气体压力 ； 为工作状 态下的气囊体积 ；C为常数 ，多变指数 r t 1 ． 4 。 1 ． 3 ． 2 流量 方程 蓄能器进口流量 q 与气囊体积变化的关系为 d g a 一 百 6 式中负号表示气腔体积的变化和油液流量的变化相 反。 2 速度换接回路仿真模型 D S H p l u s 是国际流体动力学会与德国亚琛工业大 学共同开发的液压 一 气动 一控制系统仿真软件。通过 搭建图形化的仿真模型，可以方便地对液压、气动控 制系统进行设计和分析，并可以与物理硬件连接，实 现实时仿真 。 2 ． 1 仿真模型 此次仿真要求实现如下过程执行元件 以 0 ． 1 m ／ s 的速度快进 1 2 0 m m，以0 ． 0 5 m ／ s 的速度工进 8 0 m m，以0 ． 1 2 m ／ s 的速度快退2 0 0 m m。活塞在缸左右 终点需要短时停顿。 根据行 程节流 阀速度换 接 回路原 理 图 1 ，在 D s H p l u s 环境下搭建的仿真模型如图2所示。 图2 速度换接回路仿真模型 第 2 1 期 高军浩 等基于 D S H p l u s 的机床速度换接回路建模与仿真 图中控制信号 C o n t r o l l 是阶跃信号，用来控制主 换向阀前进与后退两个方向运动的切换，通过重复输 入实现周期切换。周期内已考虑了活塞停顿时间。常 值信号 C o n l 设为 1 2 0 m m，此值为快进转工进时的行 程。这个信号与活塞实际行程信号 S i g n a l 2比较后经 C o n t r o l 2输出的信号控制换向阀换向，实现快进速度 向工进速度的切换。元件 C o n t r o l 2 ． 的特性 曲线如图标 所示。当活塞行程 到达 1 2 0 ra i n时，比较运算元件 S u m输出0 ，C o n t r o l 2输出高电平 1 ，使 V a l v e 2 换 向切 换到工进回路。常值信号 C o n 2用来控制节流阀通流 面积，进而调节工进时活塞速度值。 2 ． 2 仿 真结果及分析 关键元件参数设置如下泵流量 5 0 L ／ m i n ；溢流 阀开启压力 1 0 ． 0 M P a ；换 向阀额定流量 5 0 L ／ m i n ； 活塞直径 1 0 0 m i l l ，左杆直径0 ，右杆直径5 0 m i n ，活 塞最大行程 2 0 0 m m；参考信号 C o n l 1 2 0 ra i n ，节流 阀开 口控制信号 C o n 20 ． 0 1 5 ；主换 向阀控制信号 C o n t r o l l 为阶跃信号 ，低电平 0持续 3 s ，高电平 1持 续 2 s ，重复 3次；蓄能器容积 2 0 L ，充气压力 8 ． O MP a ；其他元件参数根据配合要求设置。各元件的机 械摩擦 、泄漏等因素影响依从默认值。仿真参数时 间 1 5 s ，步长 0 ． 0 0 0 1 s ，算法 O D E 4 5 。 设置好相关参数后 ，选取活塞行程、速度 、缸 左腔进 口流量、泵出口压力 4个关键输出变量，在 无蓄能器 、有蓄能器、有蓄能器且增大节流 阀开 口 值的条件下各仿真运行一次 ，输 出结果 如图 3 ’ _ 5 所示 。 a 活塞行程 t 缸左腔进口流量 l晴 宣 b 活塞速度 图3 无蓄能器下的仿真曲线 图5 有蓄能器且增大节流阀开口量时仿真曲线 由图4可知，行程节流阀速度换接回路有效实现 了执行元件快进一工进一快退的速度切换过程快进 行程 1 2 0 i D ．m，速度 0 ． 1 1 m ／ s ，历时 1 ． 2 s ；工进行程 8 0 m l n ，速度 0 ． 0 5 m ／ s ，历时 1 ． 5 s ；快退行程 2 0 0 m m，速度 一 0 ． 1 2 5 m ／ s ，历时 1 ． 6 s 。为了切换平稳， 在缸左右终点均有短时停顿，各历时0 ． 4 s 。不过切 换瞬间活塞速度、泵出口压力均有较大波动。还可以 看出缸左腔流量与速度变化趋势一致，切换瞬间也有 较大波动。这是由于流量和速度的正比关系及油液本 身压缩性所致。 对比图3可知，在泵出 口增设单 向阀和蓄能器 后，在实现原有功能的情况下，降低了速度波动和流 量波动，基本消除了瞬间峰值。泵出口压力脉动状况 下转第 1 4 1页 第 2 1 期 王文娟 等 轨道路基动力响应液压激振系统仿真 1 4 1 2 5 0 2 O O Z 1 5 o 1 o o 50 0 图 l 0 激振器液压控制模型 o ． o 0．2 o ． 4 o ． 6 o ． 8 1 ． o t ／ s 图 1 1 激振频率 4 0 H z 时 ， 活塞杆输出力值曲线 参考文献 【 1 】 梁波 ， 罗红， 孙常新 ， 等． 高速铁路振动荷载的模拟研究 [ J ] ． 铁道学报， 2 0 0 6 ， 2 8 4 8 9 9 4 ． 【 2 】 孙文质． 液压控制系统 [ M] ． 北京 国防工业出版社， 1 9 8 5 ． 【 3 】陈新元， 陈奎生， 曾良才， 等． 电液伺服激振系统设计与 仿真[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 6 1 2 1 0 8 1 0 9 ． 【 4 】 陈新元， 曾良才， 陈奎生， 等． 液压压下伺服缸动态特性 测试系统研究[ J ] ． 液压气动与密封 ， 2 o 0 4 3 3 03 1 ． 【 5 】 A M E S i m用户使用手册[ M] ． 上接第 1 2 7页 削弱也较 明显 ，压力值基本稳定在溢流阀调定压力 1 0 ． 0 MP a 左右 。 将节流阀开口量增大为最大值 的0 ． 0 3倍 ，仿真 曲线如图5所示。与图 3相比，活塞工进速度变大， 反映在行程曲线上到达终点时刻提前，停顿时间延 长。可以通过改变 C o n t r o l 1的值调节停顿时间。工进 所需流量也变大。泵出口压力状况与图3相比变化不 大 。 3结论 对液压系统进行建模与仿真，是研究改善系统动 态特性的有效方法。根据以上仿真分析，可得出如下 结论 行程节流阀速度换接回路能够满足速度快速准 确切换的性能要求；在泵出口增设节流阀和蓄能器能 够有效降低系统速度波动和压力脉动，从而提高系统 平稳性和寿命 ；通过改变节流阀开口大小可以进一步 调节执行元件速度 ，从而可以适应不同行程下对时间 的要求 。 参考文献 【 1 】罗静 ， 柳雪春， 云飞． 一种新型的节能低热耗液压调速回 路[ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 5 1 1 81 0 ． 【 2 】 姚黎明， 邹灵琳． 节流阀节流调速系统速度平稳性分析 [ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 7 1 1 2 0 - 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