基于AMESim气液联合式液压冲击器的建模与仿真解读.docx

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基于AMESim气液联合式液压冲击器的建模与仿真解读

第25卷第4期2011年12月

上　海　工　程　技　术　大　学　学　报

JOURNAL　OF　SHANGHAI　UNIVERSITY　OF　ENGINEERING　

SCIENCEVol.25No.4

Dec.2011

　　文章编号:

1009-444X（201104-0292-04收稿日期:

2011-10-13

基金项目:

国家自然科学基金资助项目（50975169

作者简介:

陈　博（1985-,男,在读硕士,研究方向为车辆液压传动与控制.E-mail:

chenbo2007@163.com

基于AMESim气液联合式液压

冲击器的建模与仿真

陈　博,杨国平,高军浩

（上海工程技术大学汽车工程学院,上海201620

摘要:

在分析液压冲击器工作原理的基础上,利用多学科领域复杂系统仿真平台AMESim搭建了气液联合式液压冲击器的仿真模型.

通过设定不同仿真参数,得到不同工况下活塞的位移、速度、加速度及前后腔压力变化曲线.仿真结果可为液压冲击器元件的选型和参数优化提供依据.关键词:

液压冲击器;工作原理;AMESim仿真中图分类号:

TH　

137.5　　文献标志码:

AModeling　

and　Simulation　of　Gas-Liquid　UnitedHydraulic　Imp

actor　Based　on　AMESimCHEN　Bo,YANG　Guo-ping

GAO　Jun-hao（College　of　Automotive　Engineering,Shanghai　University　of　Engineering　

Science,Shanghai　201620,ChinaAbstract:

Based　on　the　analysis　of　the　operating　principle　for　the　hydraulic　impactor,one　simulationmodel　of　gas-liquid　united　hydraulic　impactor　was　built　with　AMESim　software.By　setting　differentsimulation　parameters,curves　of　displacement,velocity,acceleration　and　cavity　pressure　were　obtainedunder　different　working　conditions.The　simulation　results　provide　a　reliable　basis　for　componentselection　and　p

arameter　optimization　of　hydraulic　impactor.Key　

words:

hydraulic　impactor;operating　principle;AMESim（Advanced　Modeling　Environment　forSimulation　Engineering　

Systemssimulation　　液压冲击器是液压破碎锤、

液压凿岩机等液压冲击机械的核心工作装置,其以液压为动力源,直接或间接驱动活塞往复运动,靠活塞冲程时的动能冲击钎杆,对物体产生破碎作用.液压冲击器按驱动活塞冲程做功的动力来源可分为全液压式、氮爆式和气液联合式3类;按配流方式可分为自配流和强制

配流两大类,

强制配流是通过电子信号等控制配流阀实现油路的转换,自配流则是通过冲击器结构中

的控制油路匹配实现配流[1

].

对液压冲击器的研究主要包括结构设计改进、控制方式、计算机仿真、性能测试、

制造工艺和基础理论等,其研究成果对液压冲击机械的设计、制造与发展具有重要意义.

　第4期陈　博,等:

基于AMESim气液联合式液压冲击器的建模与仿真　　

1　工作原理与动力学模型

1.1　工作原理

前腔常高压、后腔变压回油的气液联合式液压冲击器是目前最为常用的结构型式,基于行程反馈控制的气液式液压冲击器工作原理,如图1所示.其主要由冲击机构、配油机构,以及连接它们的油道、管路等构成.其中,冲击机构由冲击活塞、氮气室和缸体等部件组成,配油机构由换向阀阀芯和阀体等部件组成[2-3].

1回程（回程加速、回程制动

回程包括回程加速和回程制动两个阶段.如图1所示,高压油进入活塞前腔时,活塞后腔通回油,活塞向上运动,压缩氮气室中的氮气,在信号口C处通高压油之前,活塞做回程加速运动;当活塞运动至信号口C处并与前腔高压油相通时,在高压油作用下换向阀换向,切换油路,活塞前后腔均通高压油,后腔的作用面积大于前腔,活塞在惯性作用下继续上移,作回程减速运动,直至运动到活塞上止点,回程结束.

图1　液压冲击器工作原理图

Fig.1　Operating　principle　of　hydraulic　impactor

　　2冲程（冲程加速、冲击停顿

冲程阶段,活塞前后腔均通高压油,构成差动回路.在活塞前后腔油液和氮气室气体的作用力下,活塞作冲程加速运动,直至冲击停顿,冲击过程结束,换向阀换向,进入下一个周期的回程初始状态.1.2　动力学模型

依据液压冲击器的工作原理（图1,假设系统压力恒定,油液不可压缩,黏度不变,氮气室绝热,

根据动力平衡、流体连续性原理和气体状态方程,液压冲击机构运动的数理方程可描述如下[4]:

1活塞动力学方程

mPS··P=sgn（S·PmPg-∑

4

i=1

πdPilPi·

Pi-εPi

·

P+

（-1i+1sgn（S·

P

δPi

2lPi

pPi+　p1AP1-p2AP2+sgn（S·PpNAP3

　　2换向阀阀芯动力学方程

mVS··V=sgn（S·PmVg-∑

4

i=1

πdVilVi·

Vi-εVi

·

P+

（-1i+1sgn（S·

P

δVi

2lVi

pVi-p2AV2+p3AV1

　　3氮气室绝热状态下气体状态方程

pNV1.4N=p0V1.4

式中:

mP,mV为活塞、阀芯的质量;SP,S·P,S··P为活塞位移、速度、加速度;SV,S·V,S··V为阀芯位移、速度、加速度;δPi,δVi为活塞与缸体、阀芯与阀体的配合间隙;εPi,εVi为活塞、阀芯的偏心率;dPi,dVi为活塞、阀芯各接触柱面的直径;μ为液压油动力黏度;lPi,lVi为活塞、阀芯各段密封长度;pN为氮气室压力;Δpi为压力差;p1,p2,p3为活塞前腔、后腔、换向阀前腔压力;AP1,AP2,AP3为活塞前腔、后腔、氮气室的承压面积;AV1,AV2为换向阀前、后腔的承压面积;p0为氮气室充气压力;VN,V0为氮气室工作瞬时容积、氮气室初始容积.

1.3　数值计算

在上述数学模型的基础上,忽略换向阀的换向时间,忽略系统的泄漏以及配合间隙对活塞运动规律的影响.设系统压力为14MPa,活塞行程为60mm,代入相关参数,利用Matlab软件进行数值计算,可得到在一个工作循环周期内活塞位移与速度变化曲线,如图2所示.

2　AMESim建模与仿真

比利时LMS公司的AMESim提供了一个完整的,对多领域智能系统进行建模和分析的一维仿真平台,并预测其多学科专业耦合性能,模型中的元件通过代表系统中液压、气动、电子和力学性能的解析模型来描述.通过不同的应用库创建基于·392

·

　　　上海工程技术大学学报第25卷

图2　活塞位移与速度变化曲线

Fig.2　Displacement　and　velocity　curves　of　piston

物理学的系统模型,可以在给出详细有效的CAD

几何模型之前,准确地仿真系统的性能[5].

2.1　仿真模型的建立

根据液压冲击器的工作原理,假定系统压力恒定,综合运用AMESim中的液压库、液压元件设计（HCD库、控制库,建立AMESim仿真模型,如图3所示.其中,A为模拟冲击器油缸部分,运用AMESim中的HCD库进行搭建;B为模拟氮气室作用力,由恒压源提供系统供油压力

.

图3　AMESim仿真模型

Fig.3　Simulation　model　of　AMESim

2.2　仿真结果与分析

设定仿真模型中恒压源分别为10MPa和14MPa,仿真时间为0.2s,仿真步长为10-5　s,运行仿真,得到冲击活塞位移、速度、加速度随时间变化的曲线,如图4所示.

图4　供油压力为10和14　MPa时活塞的位移、速度与加速度变化曲线

Fig.4　Displacement,velocity　and　acceleration　curves　ofpiston　under　supply　pressure　of　10　MPa　and　14MPa

　　由图4可以看出,在系统供油压力提高时,活塞行程、冲击速度明显增大.供油压力为10MPa时,活塞行程为54.3mm,冲击末期速度为6.51m/s;供油压力为14MPa时,活塞行程为64.7mm,冲击末期速度为7.69m/s.将AMESim仿真模型得到的活塞速度曲线与图3所示的基于简化模型计算得到的速度曲线对比可知,AMESim仿真得到的冲击末期速度小于Matlab数值计算所得到的数值,主要原因是在AMESim仿真模型的参数设置时,已将活塞与缸体的摩擦阻尼、换向阀的影响等因素考虑进去了.图1中,信号控制口C处的位置固定,系统供油压力提高时,活塞前腔液压作用力增大,回程加速末期速度增大,即回程减速初始速度增大,故其行程增大.冲击过程中,供油压力增大时,活塞受氮气作用力和油液作用力所作的功增大,故其冲击末期速度也增大.

液压冲击器工作时活塞始终处于剧烈的变速运动状态[6],当系统压力为14MPa时,其最大加速度接近600m/s2,如图4（c所示.冲击器的活塞始终处于剧烈的变速运动状态,驱动它的传动介质的流动属于变化非常剧烈的非恒定流动,其压力变化也非常剧烈,前后腔压力随时间的变化曲线如图5所示.

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　第4期陈　博,等:

基于AMESim气液联合式液压冲击器的建模与仿真　　

图5　供油压力为10　MPa时前后腔压力曲线Fig.5　Pressure　curves　of　front　and　back　cavityies　undersupply　pressure　of　10　MPa

　　图6为不同活塞质量的液压冲击器的仿真曲线.从图中可以看出,活塞质量为13.26kg时,冲击末期最大速度为6.48m/s,冲击能为E1=0.5×13.26×6.482=278.40J;活塞质量为20kg时,冲击末期最大速度为5.41m/s,冲击能为E2=0.5×20×5.412=292.68J.液压冲击器在其他参数相同的情况下,适当增加活塞质量,活塞的冲击末期速度将减小,周期变长,冲击能变化并不明显

.

图6　活塞质量为13.26和20　kg时的速度曲线Fig.6　Velocity　curves　of　piston　mass　of

13.26　kg　and　20　kg3　结　语

液压冲击器工作时,活塞处于剧烈的变速运动状态,其加速度可达重力加速度的几百倍,产生很大的惯性力.冲击器活塞和换向阀的反馈控制不是确定的机械反馈控制,而是基于活塞行程的反馈控制,换向阀与活塞通过油液传递相互控制,通过冲击器结构中的控制油路实现配流,液压冲击器是一个具有位置反馈的阀控活塞系统.在一个工作周期中,活塞运动可分为回程加速、回程制动、冲程加速和冲击停顿等4个阶段;换向阀阀芯的运动分为回程换向、停顿、冲程换向等阶段.利用AMESim建立液压冲击器的仿真模型,可以较为直观地体现液压冲击器的构造与工作原理,同时可以考量泄漏、摩擦等因素,通过改变仿真参数,对液压冲击器的性能进行仿真分析,为液压冲击器的元件选型、参数优化以及试验等提供有效的理论参考.

参考文献:

[1]　丁问司,黄晓东.自配流型液压冲击器建模与仿真[J].振动与冲击,2010,29（2:

103-106.

[2]　范思源.液压破碎锤计算机仿真与实验研究[D].上海:

上海交通大学,2008.

[3]　Yang　G,Liang　C.Research　on　the　new　hydraulicimpactor　control　system[C]∥Proceedings　of　2010

International　Conference　on　Measuring　Technology

and　Mechatronics　Automation,Changsha:

IEEEComputer　Society,2010:

207-210.

[4]　林红,杨国平,王习兵,等.液压冲击器回程运动和冲程运动仿真研究[J].机床与液压,2008,36（5:

156-160.

[5]　付永领,祁晓野.AMESim系统建模和仿真:

从入门到精通[M].北京:

北京航空航天大学出版社,2006.[6]　何清华.液压冲击机构研究设计[M].长沙:

中南大学出版社,2009.

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