基于20sim的典型液压系统建模仿真解读文档格式.docx
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液压系统液容液感液阻负载体积压动量压力流量键合图元
C
I
R
Se
q（t
p（t
e（t
f（t
2.1液压泵键合图模型
液压泵是液压系统中的能量转换元件，将机械能转换成液压能。
变量泵的动态模型用图2所示的键合图模拟，其中，Rl表示泄漏液阻，Rf表示转动部分的摩擦，Cy表示压油腔的液容，MTF是一个调制变换器，其变换比1/k是可变参数
C的函数，对于径向柱塞泵，C是斜盘的倾角。
Cb
R1
00Sf
Sf1
图2泵的键合图模型
在液压泵中，产生泄漏的缝隙一般很小，泄漏都是层流流动，泄漏液阻可以看作与泵的输出压力成正比。
根据泵的容积效率的定义可以求得泵的泄漏液阻
qnP
RV1（1η-=
（1
式中，P，ηV，q，n分别代表泵的输出压力、容积效率、排量和转速。
假设液压泵的泄漏系数KL=1/Rl，泵的液容
K
V
Cy=（2
其中V，K分别是液压泵的容积和油液体积弹性模量。
2.2电磁溢流阀键合图模型
溢流阀的响应速度比较快，在此可以忽略它的动态特性，只考虑它的静态特性。
建立键合图模型如图3所示。
电磁溢流阀在回路中起安全阀的作用，因为其常闭，系统正常工作时，可将其视为一个无穷大的液阻。
当溢流阀工作时，忽略其流量与压力的非线性关系，认为油液流经安全阀时流量随压力呈线性变化，则其液阻
⎪⎩⎪
⎨⎧>
-<
∞
=Say
s
tS
ayPPqPPPPR（3
式中P，Ps，Pt，qay
分别代表系统压力、溢流阀的开启压力、调定压力、额定溢流量。
图3溢流阀键合图模型
2.3油管键合图模型
在管道较长、管径较小并且受到高频激励时，管道动态特性对系统动态特性的影响不容忽视，同时考虑管道的液阻、液感和液容，采用如图4所示键合图模型。
泵与比例阀之间的油管比较长，同时管径比较小，可以看做是一个液压腔，在分析中需要考虑其液阻Rg、液容Cg和液感Ig。
Rg
Ig
Cg
1
图4管道键合图模型
1液体通过管道时会受到阻碍作用，称为液阻效应，是关联着压力和流量两个变量的一种物理效应。
液体在管道中流动时，其流量-压力特性与流道的几何形状、同流截面的大小、液体的流态等有关。
对于长圆直管，在层流情况下，有
pl
dQμπ1284
=（4
式中，Q为流量，l为管长，μ为液体的动力黏度，d为管道内径，p为管道进、出口压力差。
由此求得液体在长圆形直管中作层流流动时的线性液阻
4
128dlRgπμ=
（52液体在压力作用下体积缩小，这种效应称为液容效应，是关联着压力和液体体积两个变量的一种物理效应。
液体的可压缩性所形成的液容Cg与受压液体的初始体积Vg和液体的体积模量K有关，根据体积模量的定义可求得液体的线性体积液容
VCgg=
（6
3液体由于具有质量而保持其运动状态不变的这一物体效应称为液感效应，是关联着压力动量和流量两个变量的一种物理效应。
在管道截面积为A，管道长度为l时，管道的液感
A
lIgρ=
（7
2.4液压缸键合图模型
液压缸无杆腔有效工作面积为A1，有杆腔有效工作面积为A2，输入流量和压力分别为Qs，ps，回油流量和压力分别为Qr，pr，输出运动速度为v，输出
力为F。
考虑进油腔和回油腔的液容效应以及活塞的惯性，忽略内外泄漏，建立液压缸的动态模型，其键合图如图5所示。
C1
R4
I4
C4
TF
TF1
图5液压缸键合图模型
2.5试验台液压系统键合图模型
综合上述液压元件键合图模型，结合键合图理论原理，推导出图1所示液压系统功率键合图模型，如图6所示。
根据图1，换向阀3从中位换向至右位，液压泵1输出的压力油经换向阀3进入液压缸4的无杆腔，推动活塞杆运动，液压缸4有杆腔油液经换向阀3流回油箱5。
Constant
Cy
R2
R3
11
0TF
10100Sf
图6压缩时功率键合图模型
3仿真实例
3.1系统仿真参数设定
从液压系统的工作特性、回路的特性以及以上所建立的功率键合图模型知，比例换向阀3从中位换向至右位和从中位换向至左位具有类似的动态特性，在此只对从中位换向至右位时的键合图模型进行20-sim仿真。
根据原液压模型所选液压元件的型号以及参照公式（1至公式（7的计算方法，确定图6中的键合图元件的参数如表2所示。
表2系统仿真主要参数
图元参数意义量值
Rl泵的泄漏液阻3.623×
1011N·
s/m5Cy泵的液容2.25×
10-14m5/NR1电液比例换向阀液阻
4.334×
1010N·
s/m5
Se负载10000NR4有杆腔液阻3.175×
104N·
s/m5A1无杆腔截面积3.116×
10-3m2A2有杆腔截面积2.5×
10-3m2C4无杆腔液容1.38×
10-13m5/NC1有杆腔液容1.85×
10-13m5/NI4有杆腔液感8.9×
s2/m5R回油液阻2.576×
s/m5Cg管道的液容1.85×
10-13m5/NIg管道的液感2.834×
106N·
s2/m5Rg管道的液阻8.05×
s/m5Sf
泵输出流量
5.244×
10-4m3/s
3.2仿真结果及分析
20-sim提供了一个交互式的面向对象的建模仿真平台，在仿真器中可以设定子模型的实际参数，选择绘图变量，选择积分方法，设定仿真初始条件和仿真运行方式，给出直观清晰的仿真结果。
将各个键合图元的参数代入20-sim模型，液流以阶跃的形式输入，仿真得到活塞杆速度、液压缸压力、液压泵输出压力的动态特性曲线如图7至图9所示。
键图建模与仿真论文活塞杆速度（m/s）0.060.040.020-0.0200.20.40.60.811.21.4时间{s}图7活塞杆速度响应曲线图8液压缸压力变化曲线泵输出压力（MPa）3e+0072e+0071e+0070-1e+00700.20.40.60.811.21.4时间{s}图9泵的输出压力变化曲线将负载缩小一半，设为5000N，运行仿真，得到图10至图12所示对比曲线，由图示曲线可知，当负载缩小一半时，活塞杆的响应速度变小，无杆腔压
键图建模与仿真论文力变大，泵的输出压力变大。
图10活塞杆速度对比图11无杆腔压力对比图12泵的输出压力对比
键图建模与仿真论文在液压控制系统的设计中，要求系统具有较高的响应速度，又具有一定的阻尼程度，通过改变相应的参数，可以观察其对系统性能的影响。
以斜盘倾角为例，斜盘倾角系数变小时，仿真结果如图14所示，输出速度变小，响应速度基本不变。
图13不同斜盘倾角系数的活塞杆速度对比4结论1键合图建模理论与20-sim仿真软件的联合使用极大地提高了液压系统的动态设计与分析效率，是一种系统动力学研究的良好方法，键合图建模理论具有广阔的应用前景；
2利用20-sim的自定义模块功能，结合键合图模型的特点，可以方便地实现液压系统键合图模型的仿真，不需要推导模型的状态方程，从而大大节省人力和时间；
3在20-sim环境下，通过改变各液压元件的参数值，得到不同条件下系统响应输出的对比曲线，可以方便地设计和分析系统的动态特性，为系统的分析及优化设计提供了便利。
参考文献陈嫦，唐进.基于20-sim的减振器试验台液压系统键合图建模与动态仿真分析.工程设计学报，2010，17（5:
339-344
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