基于Matlab和AMESim的M8阀组的建模与仿真.pdf

年月 第卷 第期 机床与液压 收稿日期 基金项目 年四川省科技支撑计划 作者简介 佘俗君 男 硕士研究生 工程师 研究方向为流体与液压 基于 和 的 阀组的建模与仿真 佘俗君 贺元成 洪震 自贡运输机械集团工业泵有限公司四川自贡 泸州职业技术学院四川泸州 摘要以力士乐的 阀为研究对象对其进行测量获得相关几何参数推导了 阀的半圆形 形节流槽的最小 过流面积并利用 对其相应函数表达式进行了编程将 阀 口的节流槽几何参数代入 编辑的函数表达 式得到了半圆形 形节流槽的过流面积与阀芯位移的特性曲线分析了 阀的工作原理并根据其原理建立 模型以三联 阀分别控制挖掘机的动臂斗杆及铲斗油缸建立挖掘机工作装置的 仿真模型以某企 业大型挖掘机的相关参数对仿真模型进行参数设置通过仿真得到模型工作装置中相关液压元件的压力流量相关参数 给出了动臂联的压力流量等相关参数曲线最后用实测数据和仿真结果进行了对比结果证明该方法是可行的 关键词 阀最小过流面积 中图分类号 文献标志码 文章编号 前言 国内 的高端液压产品依赖进口 特别是在 高端工程机械中 的液压件受制于人 的利润给了国外液压产品制造商 国内生产的 液压元件还很难保证工程机械长时间正常工作 因 此 有必要对国外的液压元件进行研究 来提高我 国液压行业技术水平 软件是机电液一体化 的系统高级建模与仿真平台 尤其在液压仿真方 面优势明显 软件是科学计算 可视化以及交 互式程序设计的高科技计算平台 阀是国际上 著名的液压元器件生产商德国力士乐的产品 利用 这两种软件对 整体多路阀组进行研究 系列多 路阀主要在 回路液压系统中用于履带驱动和轮式挖 掘机的标准功能控制如动臂 铲斗 行走 斗杆及回 转等 另外还可以用于钻机和起重机械的控制 阀主要用于是基于阀的正流量控制的多路换向 阀组 阀节流槽过流面积计算数学建模及 编程 如图 所示 阀的节流槽是由半圆形节流槽 和 形节流槽组成 测试 阀相关几何参数备用 设 为阀芯台肩半径 大径 为节流槽前端半 圆槽的半径 槽宽为 为节流槽长度 为节流 槽深度 这里 为表示阀口在 内任一位 置的开度 为表示节流槽数量 图 阀组阀芯的实体照片 半圆型节流槽过流面积计算 如图 所示三维直角坐标坐标系建立方程 { 可以得到阀芯面上相贯面微圆面积 槡 面积 槡 式中 表示阀芯开口槽数量 当然也可以计算开口槽线与阀芯形成的曲面面 积 可以求出 与 的函数 槡 图型节流槽和半圆形节流槽 在 平面内用积分的方法求出曲线 的长度 然后再用积分的方法算出曲面面积 在这里不去计 算 的长度及曲面的面积了 因为 显而易见节流槽 与阀芯台肩的相贯面在垂直液体流动方向的投影面 面积要小于 或 的面积 在上面的坐标系中计算推到出 面积 槡 或 槡 同样在上面的坐标系里可以计算出截流槽在阀 芯台阶半径 的面积 在上面同一坐标系里有方程 在 轴截面有 槡 在这里省去具体的推导过程直接给出函数表 达式 槡 槡 槡 槡 槡 当 时有 槡 槡 槡 槡 其中 表示相同形状开口槽数目 则圆形开口槽的过流面积 因为 显然小于 所以 可以在 里编程来比较 的大小 得出 的取值 得出流量与过流面函数特性 半圆型节流槽过流面积计算 编程代 入 阀 口参数计算 由于 阀芯的节流槽都是大小均等的半圆形及 型节流槽 半圆型节流槽过流面积计算 编 程如下 取参数 节 流槽个数 说明 程序中取的 或 第期佘俗君 等基于 和 的 阀组的建模与仿真 或 图 是半圆型节流槽 的过流面积计算曲线 其中上面那条曲线是表达式 的曲线 下面那条 是表达式 的曲线 图中横坐标是阀芯 的位 移 纵坐标是过流面积 计算过程中步长 图 中的两条曲线是表达式 在阀芯位移 和 两种情况下得到的 的过流面积曲线 图中 横坐标是阀芯 的位移 纵坐标是过流面积 计 算过程中步长 半圆型节流槽过流面积 图半圆型节流槽 的 过流面积曲线 图半圆型节流槽 的 过流面积曲线 型节流槽口过流面积计算 型阀口结构简图如图 所示 节流槽前段是半 圆槽 后端为等截面流道 等截面流道长度为 等 截面面积为 建立如图 所示的坐标系 表示阀 口开度 可以得出圆柱面相贯线方程 { 当 时 其所有 的推导原理和过程和上面 半圆形完全相同 当 时 槡 槡 型节流槽口过流面积计算 编程代 入 阀 口参数计算 图形节流槽过流面积 计算过程 图形节流槽 的过 流面积曲线 图 是 节流槽 的 过流 面 积 表 达 式 曲 线 图中横坐标是阀芯 的 位移 纵坐标是过流面积 计 算 过 程 中 步 长 机床与液压第卷 当 时 为一恒值与 的变化无关 图形节流槽 的 过流面积曲线 图 是 节流槽 的 过流面积表达式 曲 线 图中横坐标是阀芯 的位移 纵坐标是过流面 积 计算过程中步长 当 时 的过流 面积为恒值 与阀芯位移 无关 基于 对 阀工作原理物理建模 阀体和阀芯的装配结构如图 所示 其工作 原理如图 所示 图 阀体阀芯装配结构 图 阀对应的个 及流道原理 图中箭头表示液压油的流向 其中 为油缸大腔 为油缸小腔 其中 是 个台肩面及台阶面的开 槽口 它们与阀套形成 个节流口如图 上部所示 对应于图 中下面 个 或 子 模型 三联 阀挖掘机工作装置 建型及参数设置 三联阀的 建模 众所周知 挖掘机挖掘过程是挖掘机主阀控制 各工作油缸实现的 以 阀组中的 联阀来模拟挖 掘机的工作装置即动臂 斗杆 铲斗的工作过程 阀组阀体的流道如图 所示 图 阀组阀体的流道示意图 根据 阀阀芯的结构和阀内流道流通的控制方 式 建立挖掘机工作装置的 模型 三 联 阀 如图 所示 图挖掘机工作装置 模型三联 阀 参数设置 进入 参数模式及 对 每一个能其液压元件进行参数设置 主要是验证 的能否正常工作 也就是搭建的模型的正确性 所 以 不用考虑油路的压力损失 就不必考虑油管的长 度 开始设置参数 首先定义液压油特性 如图 左上角油滴 第期佘俗君 等基于 和 的 阀组的建模与仿真 符号打开它的参数界面如图 所示 图 液压油属性界面 这个界面可以定义液压油的属性即密度 质量 黏度 饱和压力等 通常情况就用系统自带的默认值 定义电机 泵 油缸 一次溢流阀 二次 溢流阀 背压阀 先导压力及信号加载等 这里给出 一些参数 这些参数都是四川邦立重机有限公司 液压挖掘机正常工况下的实际参数 电机转速 功率 每台电机负载三个泵工作 泵 的转速和电机的一样 单泵的排量 挖掘机共有 个泵 一次溢流阀开启压力 二次溢流阀开启压力 回油背压阀开启压力 先导压力一般在 加载时间 设定 油缸无杆腔直径 有杆腔活塞杆直 径 活塞杆最大行程 死区容积 其他参数保持系统默认 负载加载 负载力本 身是动态变化的变量 应该在挖掘过程中大量实测 并采集 建立数据库才是比较接近实际工况的 但 这里主要验证模型的工作情况 以长江挖掘机 挖掘机试车时的最大载荷 动臂单根油缸受到的压 力大约为 图 模块阀芯参数设置界面 图 复合型节流槽定义界面 三联 阀挖掘机工作装置的 模型仿真结果 模拟油缸在先导压力控制下的工作过程 油缸 活塞杆伸出停止收回 这样一个过程 左右先动 压力加载时间及中间保压时间均为 先导压力变 化为 仿真时间定为 采样频率 次 三联 阀中的动臂联的 模型仿真结果如图 所示 图 模型阀芯位移随时间变化曲线 图 模型先导压力随时间变化曲线 图 模型油缸活塞杆位移曲线 机床与液压第卷 图 模型油缸大腔压力曲线 图油缸大腔流量曲线 图油缸小腔压力曲线 图油缸小腔流量曲线 结束语 对 阀的过流面积计算建立了数学模型 并对 其半圆形和 形节流槽的过流面积进行了计算 采 用 软件编程获得了 阀的过流面积和阀芯位 移曲线 此外 采用 软件对 阀进行了 建模并仿真 得出了 阀先导压力与阀芯位移 及时间的曲线 也得到了在 阀控制下油缸撑长量 与时间曲线 油缸大小腔压力和流量随时间变化曲 线 由于篇幅的关系没有将样机测试的内容加进文 章中去 经过将仿真结果与测试结果进行对比发现 整体基本是吻合的 有些环节是完全吻合 由此证明 了 阀的 模型的正确性和可靠性 也 证明了本项目的研究取得了一定的成果 同时还有 很多不足 本研究还不够深入 还没得出 阀中位 的过流面积特性曲线图 因为挖掘机工作负载是动 态变化的 没有建立挖掘机工作负载数据库 仿真模 型与样机的控制方面的差异 及动态数据的设置与 加载 以后的研究将从这几个方面重点突破 参考文献 聚焦工程机械我国七层高端液压产品依赖进口中国工 程机械商贸网 百度百科 百科 博世力士乐行走机械产品样本 佘俗君贺元成屈冲冲常见滑阀最小过流面积分析与 计算 液压气动与密封 翼宏傅新杨华勇几种典型液压阀口过流面积分析及 计算 机床与液压 叶鹏飞郭勇王勇刚等一种三位六通阀仿真分析研 究 液压气动与密封 上接第页 任洪亮多模型控制理论在 运动控制中的应用研 究 哈尔滨哈尔滨工程大学 周焕银基于多模型优化切换的海洋机器人运动控制 研究 沈阳中国科学院沈阳自动化研究所 第期佘俗君 等基于 和 的 阀组的建模与仿真