液氣錘液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析

沈陽某40噸液氣錘是目前大型企業(yè)使用的大型模訓(xùn)錘。由于該設(shè)備制造年代較早,受當(dāng)時(shí)技術(shù)水平以及液壓、電控元件性能的限制,設(shè)備使用至今已經(jīng)顯露出諸多弊端。需對該設(shè)備的控制系統(tǒng)進(jìn)行必要的改造,因此以提高液氣錘的工作性能以及控制精度?！盎蚁洹苯７ㄊ菍⒁簤捍笙到y(tǒng)看做“灰箱”,利用液壓元件子模型按一定原則組合形成大系統(tǒng)模型。這種方法可以充分利用液壓系統(tǒng)和元件的已知信息和現(xiàn)有參數(shù),通過參數(shù)辨識獲得待定的性能參數(shù)及難以確定參數(shù)AMEsim在自身的單一平臺上實(shí)現(xiàn)了多學(xué)科領(lǐng)域的系統(tǒng)工程建模和仿真。不同領(lǐng)域模塊之間的直接物理連接方式使得AMEsim成為多學(xué)科領(lǐng)域系統(tǒng)工程建模和仿真的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境本文應(yīng)用“灰箱”建模方法建立數(shù)學(xué)模型,并應(yīng)用AMEsim仿真軟件對液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究,得出了不同活塞直徑下系統(tǒng)的響應(yīng)曲線。1液壓系統(tǒng)的工作原理及特點(diǎn)由于鍛造設(shè)備現(xiàn)場工作條件復(fù)雜,通常系統(tǒng)的工作流量、壓力較大,在鍛造過程中,要求系統(tǒng)運(yùn)行安全、穩(wěn)定、反應(yīng)迅速,并且要避免產(chǎn)生沖擊和振動(dòng)。因此,了解系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性非常重要。液壓控制系統(tǒng)由各個(gè)液壓元件組成,對各個(gè)液壓元件建立動(dòng)力學(xué)模型,是對整個(gè)液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模和動(dòng)態(tài)仿真的基礎(chǔ)。改進(jìn)后的液壓系統(tǒng)工作原理如圖1所示,圖2為插裝閥組實(shí)物圖。液壓系統(tǒng)通常選用泵-蓄能器聯(lián)合供油方式,按照一個(gè)打擊工作周期內(nèi)系統(tǒng)的平均流量來選擇液壓泵站。為避免回程或懸錘時(shí)蓄能器失效而發(fā)生“冷錘”現(xiàn)象,通常不選用氣囊式蓄能器,而選用活塞式蓄能器,其容量一般為幾倍液氣錘周期系統(tǒng)流量。高壓油源提供的高壓油進(jìn)入儲能器,泵組可停止工作。再由儲能器為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的高壓油。當(dāng)打擊完成錘體回程時(shí),主操作換向閥1保持圖1中位置,高壓油通過換向閥1進(jìn)入一級放油閥控制腔,將一級放油閥關(guān)閉。經(jīng)過背壓閥的高壓油為系統(tǒng)提供背壓保證提錘過程的穩(wěn)定。主操作換向閥2通電換向后,插裝閥NG16控制腔中的高壓油回油箱,儲能器提供的高壓油通過單向閥進(jìn)入插裝閥NG16的進(jìn)油箱將閥芯打開,此時(shí)插裝閥NG63控制腔中的高壓油也回油箱,進(jìn)入NG63進(jìn)油腔的高壓油頂開閥芯,高壓油充入二級放油閥和三級放油閥的控制腔,將二級放油閥和三級放油閥關(guān)閉,從而高壓油進(jìn)入錘體工作腔,驅(qū)動(dòng)活塞上升。該液壓系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn):主閥采用二通插裝閥,通流量大;放油閥采用插裝閥組,動(dòng)作靈敏,反應(yīng)迅速;管路、元件用閥塊高度集成,提高了系統(tǒng)傳動(dòng)效率;系統(tǒng)中的蓄能器不僅起到穩(wěn)壓作用,而且能夠有效節(jié)能。2插裝閥模型的建立根據(jù)液壓系統(tǒng)工作原理建造液氣錘液壓系統(tǒng)打擊后回程過程拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)流程圖,并由此構(gòu)建數(shù)學(xué)模型。主要研究打擊過程完成后回程的動(dòng)態(tài)過程。此過程中主操作閥1、2換向后,蓄能器中的高壓油一部分進(jìn)入插裝閥NG32控制腔,關(guān)閉插裝閥,一部分由于主操作閥2換向后(插裝閥NG16、NG63控制腔內(nèi)高壓油回油箱,閥開啟)通過NG63進(jìn)入錘體液壓缸。二級放油閥有4個(gè)相同的NG50插裝閥并聯(lián)接入液壓系統(tǒng),故將其簡化為1個(gè)子模型。同理,將三級放油閥中12個(gè)相同的NG75插裝閥簡化為1個(gè)子模型。由此構(gòu)建圖3所示液壓系統(tǒng)打擊后回程過程拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)流程圖。3元件子模型根據(jù)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖、節(jié)點(diǎn)拓?fù)浼s束方程、邊界方程和元件子模型建立大系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型如下:式中:Q式(1)參數(shù)中各流通閥液導(dǎo)G式中:Y(t)為輸出向量;D(t)為狀態(tài)變量X(t)的一階導(dǎo)數(shù)。4基于amesim/scetch模式的系統(tǒng)建模AMEsim(AdvancedModelingEnvironmentforPerformingSimulationofEngineeringSystems)是法國Imagine公司于1995年推出的基于液壓/機(jī)械系統(tǒng)建模、仿真及動(dòng)力學(xué)分析軟件。AMEsim為用戶提供了一個(gè)時(shí)域仿真建模環(huán)境,可使用已有模型和(或)建立新的子模型元件,構(gòu)建優(yōu)化設(shè)計(jì)所需的實(shí)際原型,采用易于識別的標(biāo)準(zhǔn)ISO圖標(biāo)和簡單直觀的多端口框圖,方便用戶建立復(fù)雜系統(tǒng)及用戶所需的特定應(yīng)用實(shí)例,可修改模型和仿真參數(shù),進(jìn)行穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)仿真、繪制曲線并分析仿真結(jié)果,界面比較友好、操作非常方便在AMEsim/scetch模式下,根據(jù)液氣錘液壓系統(tǒng)原理使用AMEsim提供的基本模塊和液壓元件模塊按照系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)搭建的系統(tǒng)模型如圖4所示。在AMEsim/parameter模式下,設(shè)定各子模塊的主要參數(shù)如表1所示。在一定的壓力條件下,設(shè)置不同的蓄能器活塞直徑,必定會(huì)對整個(gè)液壓系統(tǒng)的響應(yīng)特性產(chǎn)生影響。在系統(tǒng)壓力為10MPa的情況下,不同的活塞直徑得到的錘體端輸出的仿真結(jié)果如圖5～圖10所示,其中曲線1、曲線2、曲線3和曲線4分別代表200,250,300和400mm的活塞直徑。通過仿真結(jié)果可以看出,活塞直徑越大,打擊后回程所用時(shí)間越短,本設(shè)備最終選用400mm直徑的蓄能器活塞。5基于“灰箱”建模方法與amesim仿真的必要性分析,可能產(chǎn)生以下觀點(diǎn)通過“灰箱”建模方法對液氣錘液壓系統(tǒng)建立了數(shù)學(xué)模型并利用AMEsim進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果與實(shí)際應(yīng)用情況基本相符,說明利用“灰箱”建模方法與AMEsim仿真對液壓系統(tǒng)進(jìn)行分析是可行的。對各個(gè)節(jié)點(diǎn)的流量