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标题 基于Simulink的阀控液压缸系统动态仿真
范文

    摘 要:本文以四通阀控液压缸为例,经理论分析,建立数学及动态仿真模型,并借助于Simulink工具包对其进行动态模拟。结果表明,Simulink 仿真是检验模型正确性及系统工作性能的有效方法。

    关键词:Simulink;阀控液压缸;动态仿真

    DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.12.190

    0 引言

    随着液压系统的功能日趋完善,性能逐步提高,在设计过程中,兼顾设计周期的缩短及性能的优化显得尤为重要。为此,系统设计之前,寻求简便的方法进行系统模拟,是非常有必要的。

    1 液压缸系统的数学模型

    四通阀控液压缸是一种重要的液压动力元件,取滑阀为研究对象,建立阀的线性化流量方程为:

    (1)

    式中:qL为负载流量;

    Kq为滑阀在稳态工作点附近的流量增益;

    Kc滑阀在稳态工作点附近的流量—压力系数。

    为方便计算,取负载流量为 :

    (2)

    保持以上研究对象不变,忽略管道的压力及流量损失,保证液压缸中油温等参数为常量,可得进油腔、回油腔流量分别为(3)、(4):

    (3)

    (4)

    式中:Ap活塞有效面积,xp活塞位移。

    V1液压缸进油腔容积,V2液压缸回油腔容积。

    (5)

    (6)

    式中:V01进油腔初始容积,V02回油腔初始容积。

    根据两液压腔的初始容积相等的原则,可以得到:

    (7)

    式中:为活塞位于中间时每腔的容积;

    Vt为总压缩容积。

    得流量连续性方程为:

    (8)

    式中:Cip为液压缸总泄漏系数。

    将摩擦力与非线性负载力忽略不计,可得负载力与输出力平衡方程为:

    (9)

    式中:mt总质量,Bp粘性阻尼系数,K负载弹簧刚度。

    2 液压缸系统的仿真模型

    四通阀控液压缸系统的传递函数框图,如图1所示:

    结合实例对液压缸系统进行仿真,设计一个结构物的疲劳试验机,其中,结构物的刚度为K=2.55,结构物的质量为18Kg,最大加载力为104N,其他仿真参数分别为:Kq =0.52 Kc=1.2×10-11 Ap=6.75×10-4 Cip=2.3×10-11 Vt=10×10-5 mt=18 Bp=2000 K=2.55×107 FL=1×104,將各仿真参数代入图1的传递函数框图,并利用Simulink仿真软件,可以得到系统的仿真模型。

    3 仿真结果与分析

    仿真参数初始化后对液压系统进行仿真,采用变步长和ode45 求解方法,设置仿真时间为1s。其中 Step 模块为系统提供一个阶跃信号,Scope为活塞杆位移的仿真示波器,Scope1为油缸输出力的仿真示波器,Scope2为系统压力的仿真示波器,对模型进行仿真,得到的系统阶跃响应曲线如图2所示:

    由图2可知:系统是稳定的,没有超调,证明了模型的正确性。从图2的(b)、(c)可知,输出力的变化过程为,由初始压力0逐步上升,且经过0.5s,压力保持不变,达到稳定。此时,液压缸的输出力为10000N,系统的压力为15×106,符合设计的要求。从图2的(a)可知,活塞杆的位移很快达到了2.8mm,并且有振荡,随后在系统达到稳定状态的过程中,活塞杆的位移逐渐减小到0,表明活塞杆只在结构物破坏的一瞬间有位移,在其他时间活塞杆只有输出力而没有位移。

    4 结论

    经过以上模拟计算,可得以下结论:

    (1)Simulink计算方法简单、快捷,其过程为建立数学及仿真模型,参数设置、模拟计算,并不需要编辑大量的复杂程序,且所得结论可靠。

    (2)利用Simulink模拟,为系统优化、缩短设计周期、提高系统性能提供了一种行之有效的方法,满足液压系统的设计要求。

    参考文献:

    [1]王春行.液压控制系统[M].北京:机械工业出版社,2011.

    [2]万理想,丁保华.基于Amsim和Simulink的液压伺服系统动态仿真[J].煤矿机械,2007(09):40-42.

    [3]强保民,刘宝杰.电液比例阀控液压缸系统建模与仿真[J].起重运输机械,2011:35-39.

    [4]刘航,谢东,赵悟.对称四通阀控非对称液压缸系统的建模与仿真[J].建设机械技术与管理,2015:87-91.

    [5]杨丽霞,谢东,李加庆.基于MATLAB/Simulink的液压系统动态仿真[J].建设机械技术与管理,2014:107-111.

    作者简介:吴玲(1987-),女,山东潍坊人,硕士,助教,研究方向机械设计与制造。

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更新时间:2025/3/10 11:33:14