基于Simulink的液压冲击器动态仿真

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4 仿真结果
为验证仿真模型的正确性, 根据线性 理论设计一个冲击器, 将其各个参数输入 仿真模型, 仿真结果如图 5 所示, 在系统一 定的流量输入时, 高压储能器压力逐渐升 高, 经过几个循环后达到一个稳定运行的 状态, 性能参数如表 1 所示。由此可见, 仿 真结果和设计目标具有良好的一致性, 说 明仿真模型的正确性, 可以应用该仿真模 型对设计进行优化。
( 12)
-2
其 中 kλ= [2 1g( d0 / Δ) +1.14] ·l0/( 2d0)
( 13)


kc = A0 pd / Q2
( 14)
2.2 气体状态方程
1.4
1.4
高压储能器: phVh = ph0 Vh0 = Ch
1.4
1.4
低压储能器: pLVL = pL0 VL0 = CL
( 15) ( 16)
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计算机应用
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基于 Simulink 的液压冲击器动态仿真
杨务滋, 邱海灵, 苗润田
( 中南大学 机电工程学院, 湖南 长沙 410083)
摘要: 在分析液压冲击器的工作原理及特点的基础上, 建立了冲击器的数学模
型 , 运 用 Simulink/Stateflow 建 立 了 仿 真 模 型 , 通 过 对 一 个 实 例 的 仿 真 和 分 析 , 结 果
( 20)
QL = ALY$ 2 d. 阀芯向左换向时消耗流量
( 21)
QR = ARY$ 2
( 22)
e. 活塞运动泄漏流量
QL =

π( 1+1.5ε) ·( 12 )

dh l

+ d1h1 l1
)·( p1- pL) +

π( 1+1.5ε) ·( 12 )

dh l3


d2h2 l2
)·( p2-
阀 换 向 完 毕 , 阀 的 e、f 腔 相 通 , 高 压 油 同 时 进 入 冲 击 器 的 前 、后 腔 , 因 为 后 腔 作 用 面积大于前腔, 所以活塞在差动力的作用 下开始减速, 直到速度为零。 1.3 冲程段
速 度 为 零 后 , 冲 击 器 的 前 、后 腔 都 通 高 压油, 活塞开始冲程加速运动, 直到活塞再 次越过反馈孔, 阀的 d 腔油液经过冲击器 b 腔与低压油相通, 阀芯则在 h 腔高压油
= B5·( p1- PL) + B6( pR- p2) c. 右控制腔( d 腔) 轴向力 FR = pR AR d. 左控制腔( h 腔) 轴向力 FL = pL AL
2.1.3 回油管油液动力平衡方程
( 7)
( 8) ( 9) ( 10)
m0Y% 0+p0=A0 pL
( 11)
a. 回油背压
p0 = A0( kλ+kc) Y$02e. 前腔油液轴向力
F1 = p1 A1
( 5)
2.1.2 阀芯动力平衡方程
m2Y" 2 + FS2(Y# 2, Δp) +Fl2 (Δp)+FR(pR) = FL(pL) ( 6)
a. 粘性摩擦阻力
! FS2 =
πμ

1- !
·(
d4l4 h4

d5l5 h5
)·Y$ 2

B4·Y$ 2
b. 液压卡紧力 Fl2 = τd4l4·( p1- pL) + τd5l5·( pR- p2)
b2

de

gh



S76
图 1 全液压冲击器的工作原理图
守 的 牛 顿 第 二 定 律 、流 体 连 续 性 原 理 和 气 体 状态方程, 可以列出描述此冲击机构运动的 基本微分方程组, 即得到全液压冲击器的数 学模型, 它主要由以下四组类型的物理方程 组成。 2.1 动力平衡方程
2.1.1 活塞动力平衡方程
凿岩机械气动工具, 2005( 3)
μ— —— 油 液 的 动 力 粘 度 系 数 , Pa·s ε— —— 各 配 合 柱 面 的 偏 向 率 τ— —— 阻 力 系 数 ρ— —— 油 液 密 度 , kg/m3
3 冲击器的仿真模型
在建立了冲击器的数学模型后, 要进 行仿真研究, 必须将数学模型转变为计算 机 能 处 理 的 仿 真 模 型 。 Simulink 工 具 箱 是 Matlab 软 件 的 扩 展 , 它 可 以 方 便 地 用 于 系 统 建 模 、动 态 仿 真 和 数 据 分 析 。对 全 液 压 冲 击器的运动过程分析可知, 其运动是由有 限的几个状态按一定的条件转换, 循环进 行 的 。因 此 , 如 何 解 决 状 态 的 转 换 是 此 类 仿 真 的 关 键 。 在 Simulink 仿 真 环 境 下 的 Stateflow, 可 以 很 方 便 地 实 现 这 种 仿 真 。 Stateflow 是 有 限 状 态 机 的 图 形 实 现 工 具 , 使 用户可以用图形化的工具来实现各个状态 之 间 的 转 换 。 图 2、图 3 分 别 为 用 Stateflow 建 立 的 活 塞 、阀 芯 状 态 转 换 图 。根 据 数 学 模 型, 各个模块的输入输出关系建立起冲击 器 的 Simulink 仿 真 模 型 , 如 图 4 所 示 。在 图 4 仿 真 模 型 中 , 模 块 Piston 实 现 活 塞 运 动 仿 真 , 模 块 PH Accumulator 实 现 高 压 储 能 器 仿 真 , PL Accumulator 实 现 低 压 储 能 器 仿 真 , 模 块 Valve 实 现 配 油 阀 的 仿 真 。 此 外 , 仿真模型中还有很多独立功能的模块, 限 于篇幅, 在此不再赘述。
作者简介: 杨务滋, 男, 高工, 享受国务院政府津贴, 长期从事液压工程设备设计及理论研究, 已发表论文十 余篇。
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凿岩机械气动工具, 2005( 3)
作用下向左运动, 完成阀的换向, 冲击器后 腔与低压油相通; 与此同时, 活塞打击钎 杆, 完成一次冲击运动, 开始下一个循环运 动。
行程反馈全液压冲击器的运动过程具 有如下的特点: 活塞运动可以分成有限的 状态, 本文分为上述三个; 各个状态按照一 定的条件转换, 如回程加速向回程减速转 换的条件是活塞位移大于等于反馈距离, 冲程向回程加速转换的条件是活塞位移小 于 等 于 零 。同 样 , 阀 芯 的 运 动 也 具 有 状 态 转 换的特点。
1.1 回程加速段 冲击完毕, 阀已换向, 阀芯 h 腔通过阀
芯中心孔道与高压油常通, 此时阀芯在左 位, 高压油经阀的 e 腔和前腔相通, 后腔低 压油从阀的 f 腔到 g 腔回油。活塞在前腔 压力下开始回程加速运动, 当阀芯越过反 馈孔, 高压油由反馈孔进入阀的 d 腔, 由于 d 腔面积大于 h 腔面积, 故阀芯在差动力 的作用下向右运动, 并停靠在右位, 完成阀 的换向。 1.2 回程减速段
Fl1 = τ·( dl+d1l1)·( p1- pL) +τ·( dl3+d2l2)·
( p2- pL) = B2·( P1 - PL) + B3( p2 - p1) ( 3)
c. 密封圈摩擦阻力
Ff = 3fπd1l11 p1+3fπd2l22 p2
( 4)
d. 后腔油液轴向力
F2 = p2 A2
1 液压冲击器的工作原理及特 点
液压冲击器按做功原理可分为三类: 全 液 压 式 、气 液 联 合 式 和 氮 爆 式 。本 文 以 行 程反馈全液压冲击器为研究对象。图 1 为 全液压冲击器的工作原理图。冲击器由活 塞 1、缸 体 2、钎 杆 3、高 压 储 能 器 4、低 压 储 能 器 5、阀 体 6 和 阀 芯 7 组 成 。冲 击 器 的 工 作过程可分为以下三个过程:
m1Y! 1+ FS1 (Y" 1, Δp) + Fl1 (Δp) + Ff+ F2(p2)
= F1(p1)
( 1)
a. 粘性摩擦阻力
! FS1 =
πμ

1- $
·(
dl h

d1l1 h1

d2l2 h2

dl3 h
)·Y" 1
= B1·Y" 1
( 2)
凿岩机械气动工具, 2005( 3)
41
b. 液压卡紧力

ξ1
ρ 2
Q A0
( 30)
! "2
回油路:
pL-
p0

ξ1
ρ 2
Q0 A0
( 31)
上述各式中: m1、m2、m0 — —— 活 塞 、阀 芯 、回 油 集 中 质 心 质 量 , kg Y1、Y2、Y0 — —— 活 塞 、阀 芯 、回 油 集 中 质心位移, m Q — —— 泵 的 供 油 量 , m3/s Vh、VL — —— 高 、 低 压 储 能 器 的 气 腔 容 积 , m3 Vh0、VL0 — —— 高 、低 压 储 能 器 的 初 始 充 气 容 积 , m3 ph、pL — —— 高 、 低 压 储 能 器 的 气 腔 压 力 , Pa ph0、pL0 — —— 高 、 低 压 储 能 器 的 初 始 充 气 压 力 , Pa A1、A2、AL、AR、A0 — —— 活 塞 前 、 后 腔 、 阀左、右控制腔受压面积及油管的通流面 积 , m2 d、d1、d2、d4、d5 — —— 活 塞 最 大 直 径 、前 、 后腔段直径、阀芯在左、右控制腔内的直 径, m l、l1、l2、l3、l4、l5 — —— 活 塞 、 阀 芯 与 各 自 套筒的配合长度, m l11、l22 — —— 活 塞 密 封 圈 宽 度 , m B1、B2、B3、B4、B5、B6 — —— 活 塞 与 阀 各 处的阻力系数; P、P0、P1、P2 — —— 泵 的 出 口 压 力 、 系 统 回 油 压 力 和 冲 击 器 前 、后 腔 压 力 , Pa ξ1、ξ2 — —— 冲 击 器 进 、回 油 道 的 压 力 损 失系数; Δ— —— 油管的绝对粗糙度, 取 30!m; Qd、pd — —— 滤 油 器 的 额 定 流 量 和 额 定 压 力 , m3 / s, Pa h、h1、h2、h3、h4、h5 — —— 各 配 合 面 的 环 形间隙高度, m