阀芯螺杆螺距对数字液压缸性能影响的仿真分析.pdf

2 0 1 4年 6月 第 4 2卷 第 1 1期 机床与液压 MACHI NE T0OL HYDRAUL I CS J u n ． 2 01 4 Vo 1 ． 4 2 No ． 1 1 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 1 1 ． 0 4 2 阀芯螺杆螺距对数字液压缸性能影响的仿真分析 江海军 ，宋飞 ，王传辉 ，杨 哲辉 1 ． 9 2 2 1 3部队，广东湛江 5 2 4 0 6 4； 2 ．海军工程大学动力工程学院 ，湖北武汉 4 3 0 0 3 3 ； 3 ．海军 9 2 1 9 6部队 5 2分队 ，山东青岛 2 6 6 0 0 0 ； 4 ．海军 9 1 2 5 1部队，上海 2 0 0 9 4 0 摘要利用 A ME S i m软件建立了数字液压缸模型，仿真分析了阀芯螺杆螺距对数字液压缸性能的影响。结果表明在 其他条件都相同的情况下，阀芯螺距增加 ，液压缸的位移滞后量减小，位移幅值增大，系统的动态跟踪误差及静态误差减 小明显，数字液压缸的精度提高。 关键词 数字液压缸 ；阀芯螺杆 螺距 ；A ME S i m 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 A 文章编 号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 1 11 5 0 3 Si mu l a t i o n An a l y s i s o n I n flue nc e o f Pi t c h o f t h e Va l v e Co r e Sc r e w o n Pe r f o r ma n c e o f Di g i t a l Hy d r a ul i c Cy l i nd e r J I A N G H a i j u n ，S O N G F e i ， WA N G C h u a n h u i ，Y A N G Z h e h u i 1 ． U n i t 9 2 2 1 3 o f P L A， Z h a n j i n g G u a n g d o n g 5 2 4 0 6 4 ，C h i n a ； 2 ． Co l l e g e o f Na v a l Ar c h i t e c t u r e a n d Ma r i ne P o we r ，Na v a l Un i v e r s i t y o f En g i n e e r i n g， W u ha n Hu b e i 43 0 0 3 3， Ch i n a； 3 ． S e c t i o n 5 2 ，U n i t 9 2 1 9 6 o f P L A， Q i n g d a o S h a n d o n g 2 6 6 0 0 0 ，C h i n a ； 4 ． Un i t 9 1 2 5 1 o f P L A，S h a n g h a i 2 0 0 9 4 0，C h i n a Ab s t r a c t T h e mo d e l o f t h e d i g i t a l h y d r a u l i c c y l i n d e r w a s e s t a b l i s h e d b y AME S i m s o f t wa r e，a n d e f f e c t s o f t h e p i t c h o f t h e v Mv e c o r e s c r e w o n t h e p e r f o r ma n c e s o f t h e d i g i t a l h y d r a u l i c c y l i n d e r we r e a n a l y z e d ．T h e r e s u l t s d e mo n s t r a t e w i t h t h e i n c r e a s e o f t h e p i t c h o f t h e v a l v e c o r e s c r e w．t h e l a g g e d v a l u e o f t h e d i s p l a c e me n t o f t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r i s d e c r e a s e d ．t h e a mp l i t u d e o f d i s p l a c e me n t i s i n ‘ c r e a s e d，t h e d y n a mi c a n d s t a t i c e o r s o f s y s t e m a r e b o t h d e c r e a s e d d i s t i n c t l y ，a n d t h e a c c u r a c y o f t h e d i g i t a l h y d r a u l i c c y l i n d e r i s e n h a n c e d． Ke y wo r d s Di g i t a l h y d r a u l i c c y l i n d e r ；P i t c h o f t h e v a l v e c o r e s c r e w；AME S i m 早期 的数 字液压缸 由于机械结 构不完 善 ，导致 液 压缸 的行程短 、速度 不高 、性价 比不好 ，均没有得 到 广泛 的应用 。2 0世纪 9 0年代 以来 ，随着微计 算机技 术及步进 电机 细分驱动技术的迅猛发展 ，数字液压缸 获得 了新 的活力 。美 国 V i c t o r y C o n t r o l s 公 司 、V i c k e r s 公 司 、德 国 H e r m a n n H e m s c h e i d t M a s c h i n e n f a b r i k 海 姆施德特机械制造 公司、日本 I H I 石川岛播磨重 工公司均有成熟的系列数字液压缸产 品提供 。 。 国内亿美博科技有限公司解决了数字液压缸高速、长 行程 、廉价 的难题 ，使 其能够 适用 于不 同 的需 求 。 重庆大学机械工程学院的学者们在磁耦合传动数字液 压缸的理论与实验研究方面作 了大量工作 ，积 累了丰 富 的经验 。 数字液压缸可直接用数字脉 冲信号进行控制 ，具 有控制简单 、定位精度高 、抗污能力强 、维护容易 等 优点 。常见数字液压缸 的阀芯驱动形式及反馈 方式多 采用螺旋传动方式 ，该传动方式有利于实现数字液压 缸 的小型化集成化 ，且决定着数字液 压缸 的性能 ，因 此对数字液压缸 的螺旋传动机构进行研究是 必要的 。 1 数字液压缸 A ME S i m模型 1 ． 1 仿真模型的建立 数字 液压缸模 型采 用 A M E S i m软件搭建完 成 ，模 型主要 由油源 、液压缸 、四通 滑阀 、螺旋传 动机构 四 部 分组成 ，完整 的模 型如图 1 所示 。数 字液 压缸 系统 收稿 日期 2 0 1 3 0 4 2 6 基金项 目十二五预研课题 4 3 1 4 2 1 1 1 1 31 作者简介 江海军 1 9 7 6 一 ，男 ，学士 ，工程师 ，从事机电装备使用 与管理 。Em a i l s o n g f e i 8 8 0 8 0 6 1 2 6 ． c o n。 第 1 1期 江海军 等阀芯螺杆螺距对数字液压缸性能影响的仿真分析 1 5 1 模型的难点在于螺旋传动机构模型的搭建，主要利用 A M E S i m软件的机械库完成螺杆螺母副 图1中H e l i c a 1 P a i r 和滚 珠丝 杠 图 1中 B a l l s c r e w模 型 的搭 建 。螺杆螺母副与滑阀阀芯直接相互作用 ，其螺 纹间隙及摩擦不能忽略 ，自建模型需要考虑间隙及摩 擦的影响。滚珠丝杠的螺纹间隙是可以忽略的，因其 本身间隙很小，加之中间经过减速齿轮的减速，对阀 芯运动的影响甚微 ，可使用软件 自带的螺杆螺母副模 块来简单地表示 。 辎 Ⅲ l f 帮 f I ⋯ va - v - 。li l J X 令e 篷 j - ⋯ 山 L L 图 1 数字液压缸 A ME S i m模型 1 ． 2 仿真模型参数 为方便研究 ，设定数 字 液压缸 中位启 动 ，规定 活塞位移及负载方 向如 图 2 所示；另外设定负载随 活塞位移线性变化，变化 规 律如图 3所示 。 图 2 活塞位移及负 载方向定义 贝 飘 ，k 一 164 ／ Z5 ／ 0 225砬 一 16 4 图3 活塞位移与负载对应关系 模型 中其他 主要参 数如表 1 所示 。 表 1 系统 主要参数 2 仿真结果与分析 阀芯螺杆螺距影响数字液压缸的增益，为了研究 阀芯螺杆螺距对数字液压缸的具体影响规律 ，将阀芯 螺杆螺距 P分别设为 2 、3 ． 5 、5 m m进行仿真。在步 进电机角位移输入信号相同的情况下 ，理论位移计算 公式为 ． st 式 中 s 为 理论 位移 m ；i 为 减速 比，i 1 ／ K ；s 为滚珠丝杆螺距 I n ；0 为步进电机角位移 。 。 由式 1 可知阀芯螺杆螺距 P不影响活塞的 理论位移 3种螺距下的活塞理论位移应该是相 同。仿真设置 的步进 电机角位移输 入信号 为周期 4 0 S 、幅值 1 0 8 0 。 的三角波 型 ，对应 的活塞理论 位移 曲线如 图 4中曲线 4所 示 ，为 周期 4 0 S 、幅值 0 ． 2 2 5 m 的三角波型 。由图 4可知 3种螺距 下 的活 塞实 际 位移曲线与理论位移 曲线频率相同，相位分别滞后 0 ． 4 、0 ． 2和 0 ． 1 5 s ，可见 随着 阀芯 螺 杆螺 距 的增 加 即系统增益增大 ，位移曲线滞后量减小，活塞位 移幅值增大。 l P 2 m i l l 2 一 P3． 5 I l l s 1 一 f 2 m m卜f k 3． 5 m m 3 一 P 皇 5 mm 4 一理 论位 移 3 5 n l m 4 一理 论位 移 昌 暑 窭 趟 确 蜞 S0 50 O 50 0 1 0 2 0 3 O 4 0 5 06 0 7 0 8 0 9 时间， s 量 210 1 a 位移 曲线 b 局部放大 图4 活塞位移 一时间曲线 1 5 2 机床与液压 第 4 2卷 图5为 3种螺距下液 压缸的跟踪误差曲线 ，观 。 。 察单个跟踪误差曲线可 l 分析了螺旋传动机构中阀芯螺杆螺距对数字液压缸性 能的影响。结果表明在其他条件都相同的情况下 ， 阀芯螺距 P增加 即增益增大 ，液压缸的位移滞后 量减小 ，位移幅值增大，系统的动态跟踪误差及静态 误差减小 明显，数字液压缸 的精度提高。从本质上 说 ，阀芯螺距的增大增大了数字液压缸 的系统增益， 使得系统频响提高，液压缸位移跟踪效果改善。但值 得注意的是过大的增益可能导致数字液压缸系统的不 稳定，在设计螺旋传动机构应进行稳定性分析。 参考文献 [ 1 ]李良福． 国外动力液压缸的发展状况[ J ] ． 机械工程师， 2 0 0 2 ， 1 1 9 91 1 ． [ 2 ]邱法维， 沙锋强， 王刚， 等． 数字液压缸技术开发与应用 [ J ] ． 液压与气动， 2 0 1 1 7 6 0 6 2 ． [ 3 ]吴文静， 刘广瑞． 数字化液压技术的发展趋势[ J ] ． 矿山 机械， 2 0 0 7 ， 3 5 8 1 1 61 1 9 ． [ 4 ]魏祥雨． 闭环控制数字液压缸研究[ D] ． 重庆 重庆大 学， 2 0 0 5 ． [ 5 ]魏祥雨 ， 王世耕， 胡捷， 等． 闭环控制数字液压缸及实验 研究[ J ] ． 液压与气动 ， 2 0 0 5 7 1 9 2 2 ． [ 6 ] 潘易龙 ， 张毅， 魏祥雨． 闭环控制数字液压缸及其控制系 统[ J ] ． 液压气动与密封 ， 2 0 0 5 3 3 43 6 ． [ 7 ]宋飞， 邢继峰 ， 黄浩斌． 基于 A ME S i m的数字伺服步进液 压缸建模与仿真[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 2 ， 4 0 1 5 1 3 3 1 3 6 ． [ 8 ]肖志权， 彭利坤 ， 邢继峰， 等． 数字伺服步进液压缸的建 模分析[ J ] ． 中国机械工程， 2 0 0 7 ， 1 8 1 6 1 9 3 51 9 3 8 ． 上接第 1 4 1页 4结论 A d a m s 具有多体动力学仿真分析 的优势，E a s y 5 具有液压和控制仿真分析的优势。A d a m s 与 E a s y 5的 联合仿真可以更有效地进行复杂机械振动系统动力学 研究 。 实现了液压减振器的联合仿真，数据通过 T C P ／ I P 在 两个软件 之 间传递 ，联合 仿真 的结 果 与实 际试 验数据基本 吻合。基于 A D A MS和 E a s y 5的液压减振 器联合仿真研究 ，可以更准确地描述液压减振器的内 部物理结构与工作特性的关系，更深入研究复杂机械 振 动系统动力学特性 。 参考文献 [ 1 ]杨国桢， 王福天． 机车车辆液压减振器[ M] ． 北京 中国 铁道 出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 2 ]A L O S O N A， G L M E N E Z J G ． D a m p e r M o d e l l i n g a n d I t s I m p l e me n t a t i o n i n R a i l w a y S i m u l a t i o n P r o g r a m [ M] ． N o n s mo o t h Pr o b l e ms i n Ve hi c l e S y s t e m Dy n a mi c s， 2 01 0． [ 3 ]A L O N S O A， G I M N E Z J G， G O ME Z E ． Y a w D a mp e r Mo d e l l i n g a n d i t s I n fl u e n c e o n R a i l w a y D y n a m i c S t a b i l i t y[ J ] ． V e h i c l e S y s t e m D y n a m i c s S 0 0 4 23 1 1 4 ， 2 0 1 1 ， 4 9 9 1 3 6 71 3 8 7． [ 4 ]曾恒 ， 杨建伟， 李捷． 基于 A D A MS ／ H y d r a u l i c s的减振器 设计与特性仿真研究[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 1 1 ， 3 9 7 7 4 7 6． [ 5 ]张玉东， 董丽君． 铁道机车车辆液压减振器系统仿真研 究[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 4 1 0 1 0 81 1 0 ． [ 6 ]周新建 ， 陈北平． 基于 E A S Y 5和 A D A MS的双筒式液压 减振器扫频研究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 9 ， 3 7 1 2 1 8 6 1 8 8． [ 7 ]P I E R S O L A G， P A E Z T L ． S h o c k a n d V i b r a t i o n Ha n d b o o k [ M] ． T h e Mc G r a w Hi l l c o m p a n i e s ， 2 0 1 0 ． [ 8 ]MS C ． S O F T WA R E公司． U s i n g A D A MS ／ S o l v e r C w i t h AD AMS ／ C o n t r o l s i n a n MS C ．E AS Y5 C o ． s i mu l a t i o n [ M] ． MS C ． S O F T WA R E公司， 2 0 1 0 ． 『 9 ]MS C ． S O F 1 WA R E公 司． E A S Y 5 2 0 1 0 R e f e r e n c e M a n u a l [ M] ． MS C ． S O F T WA R E公司 ， 2 0 1 0 ．