利用鍵合圖和20-sim實現(xiàn)液壓系統(tǒng)動態(tài)仿真

李前

摘要：本文以帶有溢流閥旁通油路的液壓泵—液動機為例，利用功率鍵合圖和動力學仿真軟件20-sim，不需要推導出狀態(tài)方程，直接建立液壓動態(tài)仿真模型。研究了溢流閥由關閉狀態(tài)到打開狀態(tài)直到系統(tǒng)達到新的靜態(tài)平衡狀態(tài)，溢流閥閥芯位移和溢流閥油壓變化。

關鍵詞：鍵合圖;20-sim;仿真

中圖分類號：V233.91 文獻標識碼：A

與傳統(tǒng)的振動微分方程相比，鍵合圖方法能夠方便靈活地構建系統(tǒng)狀態(tài)方程和傳遞函數(shù)，并且能夠直接運用于仿真的靜態(tài)和動態(tài)特性的計算機系統(tǒng)中，而不需要轉換微分方程使用降階的處理。荷蘭Twente大學控制工程系研發(fā)了機電一體化建模、仿真軟件20-sim。運用鍵合圖法建立的系統(tǒng)模型修改方便，鑒于鍵合圖方法的特點和上述優(yōu)點，使得鍵合圖在復雜電、磁、機械、液壓、氣動、電器和自動控制等多個領域得到了廣泛而成功的應用。

結合功率鍵合圖的液壓動態(tài)仿真，大都是根據(jù)功率鍵合圖來推導狀態(tài)方程，然后通過狀態(tài)方程進行數(shù)字仿真，但對于復雜的系統(tǒng)，參數(shù)較多，推導狀態(tài)方程比較復雜，且容易出錯，基于這一點，可以利用20-sim動力學仿真軟件。本文以直動式溢流閥為例，運用兩種方法，即：根據(jù)功率鍵合圖推導狀態(tài)方程;通過功率鍵合圖運用20-sim動力學仿真軟件[1-2]。

1 液壓系統(tǒng)功率鍵合圖的建立

如圖1所示，表示帶有溢流閥旁通油路的液壓泵（液動機組）。假定泵是一個流源，溢流閥和液動機兩者都是阻性原件，油箱處于大氣壓力之下。若不考慮泵和液動機兩者對液壓和機械功率進行轉換，也把濾油器忽略掉。圖2為簡化后的系統(tǒng)鍵合圖。

事實上，由于連接泵和負載的軟管中有流體的存在，有必要把管壁的柔度、管內流阻等作用都包括在模型里。圖3為具有長的柔性管道的溢流閥調壓系統(tǒng)的結構簡圖，圖4為直動式溢流閥的結構簡圖，圖5為具有長的柔性管道的溢流閥調壓系統(tǒng)的功率鍵合圖[3-4]。

2 狀態(tài)方程的建立

圖5所示的鍵合圖為已增廣定向的鍵合圖。鍵1、鍵2、鍵3、鍵4、鍵5表示流體功率并具有P、Q變量。鍵6、鍵7、鍵8、鍵9、鍵10表示機械功率并具有F、V變量。TF的面積模數(shù)為A，它將兩種范疇的功率耦合起來。圖中已經(jīng)標明了輸入能量變量和共能量變量。X變量，流體體積;，彈簧伸縮量;，動量。表示的三階系統(tǒng)，輸入U是一個控制流量和一個負載力[5]。

3 仿真參數(shù)的設定

元件參數(shù)可以根據(jù)系統(tǒng)中元件的實際結構來確定，例如：

阻尼孔的液阻可以根據(jù)細長孔的流量公式及細長孔的實際結構尺寸計算出，;彈簧的柔度;溢流閥的泄漏液阻;考慮到系統(tǒng)中有軟管和油液，根據(jù)軟管的彈性及管內油液的可壓縮性取;輸入量為溢流閥中彈簧的預緊力;輸入量為泵的輸入流量，參數(shù)如表1所示[6]。

4 動態(tài)特性的仿真

本文研究當液動機突然發(fā)生故障或卡死時，溢流閥的瞬態(tài)響應。節(jié)流閥液阻在實際系統(tǒng)中由節(jié)流閥的調節(jié)開度而定，并由它確定系統(tǒng)中壓力的初始值。在液動機突然發(fā)生故障或卡死之前，液壓系統(tǒng)正常工作時，節(jié)流閥液阻為一定開口的液阻值。當確定時，考慮到當溢流閥閥芯的位移量未超過閥芯的搭合量時，此時無溢流，應取，即。只有當時，才有溢流。建模時，未考慮溢流閥的閥芯位移為0時，閥的端面給閥芯的支持力，列出約束條件補充建模時的不足：①當時，令;②當且時，令;③當且時，令（表2，圖6至圖8）。

5 結論

從圖7、圖8可以看出，過渡過程開始時，系統(tǒng)壓力很快升高，閥芯因要克服彈簧的作用力及自身的慣性力，在0.005 s時才開始有位移，但因閥芯有搭合量，閥口尚未打開，所以系統(tǒng)壓力仍在升高，直到閥芯的位移量超過其搭合量2 mm，閥口才打開。此時系統(tǒng)壓力開始下降，壓力最高值達5.5×106 Pa。隨著閥芯位移的增加，閥口繼續(xù)開大，最大位移量達2.4 mm，而后閥芯位移量隨即減小。壓力值及閥芯位移量經(jīng)過幾次衰減振蕩后逐漸達到穩(wěn)定值，壓力穩(wěn)定值為3.4×106 Pa，即溢流閥的調定壓力。閥芯位移的穩(wěn)定值為1.6 mm，即閥芯開口量穩(wěn)定在0.4 mm，過渡過程時間約為0.09 s。

對流體力學系統(tǒng)的動態(tài)行為進行模擬、分析和預測是困難的，而流體力學系統(tǒng)的一個分支——液壓系統(tǒng)在工程實踐中是非常重要的，用鍵合圖做出液壓系統(tǒng)的模型是比較簡單的。另外，利用動力學仿真軟件20-sim進行仿真，具有簡單、直觀的特點，同時有利于對系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化，實踐表明，利用鍵合圖建模，運用動力學仿真軟件20-sim仿真，是分析液壓系統(tǒng)的一種優(yōu)良方法，同時也是研究液壓系統(tǒng)的一種新思路。

參考文獻

[1] 周兵.鍵圖理論簡介[J].液壓與氣動，1988（4）：7-9.

[2] 劉能宏，田樹軍.液壓系統(tǒng)動態(tài)特性數(shù)字仿真[M] .大連：大連理工大學出版社，1993.

[3] 黃洪鐘，祖旭，張陽.基于Matlab/Simulink的鍵合圖仿真[J].大連理工大學學報，2003（5）：96-99.

[4] 雷軍波.基于鍵合圖和Simulink的定壓閥的建模仿真[J] .機床與液壓，2006，（1）：153-154.

[5] 卡諾普，羅森堡著.系統(tǒng)動力學：應用鍵合圖方法[M].胡大宏，鄧延光，譯.北京：機械工業(yè)出版社，1985.

[6] 李利.面向功率鍵合圖的液壓仿真技術及應用研究[D].大連：大連鐵道學院，1999.