液壓破碎錘系統的聯合仿真

楊國平，王聰，王亮

(上海工程技術大學汽車工程學院，上海201620)

在基于多體系統動力學軟件ADAMS/Controls模塊的聯合仿真中，MATLAB以其強大的計算和可視化編程功能以及極高的編程效率，迅速成為從事科學研究和工程設計不可缺少的軟件;ADAMS軟件具有十分強大的運動學和動力學分析功能，為工程領域用戶提供了強大的建模、仿真環境，使用戶能夠對各種機械系統進行建模、仿真及分析;而把ADAMS 和MATLAB 聯合起來仿真，可以將機械系統與控制設計仿真分析有機地連接起來，實現機電一體化的聯合分析。

聯合仿真流程圖如圖1所示。

圖1 聯合仿真流程圖

1 聯合仿真概述

1.1 聯合仿真技術的實現過程及關鍵問題的研究

(1)建立機械系統模型

可以在ADAMS/View 下直接建立機械系統模型，也可以輸入外部建立好的模型。

(2)確定ADAMS的輸入與輸出變量

確定輸入與輸出變量后，可以在ADAMS 和控制軟件之間形成一個閉合回路。

(3)在MATLAB 中建立起控制系統模型

建立起控制系統模型后，將其與ADAMS的機械系統模型聯接起來。

(4)仿真模型

可以使用交換式或批處理方式仿真機械系統和控制系統在一起的模型。

基于ADAMS/Control模塊的聯合仿真系統框圖2如下。

圖2 聯合仿真系統框圖

在進行聯合仿真的過程中，常常因為沒有設置正確的路徑，找不到所需要的文件而遇到仿真失敗的錯誤提示。聯合仿真中，ADAMS/Control模塊生成.dll、.cmd、.m文件，把文件全部拷到MATLAB的當前工作目錄下，經過這樣設置，一般就不會再出現仿真失敗的錯誤提示。

2 基于ADAMS 和MATLAB的聯合仿真

2.1 聯合仿真通信聯系的建立

在進行聯合仿真之前，首先要在ADAMS 和MATLAB 兩個軟件之間建立起通信聯系。首先，將ADAMS軟件所生成的“hammer _ test.m”文件、“hammer_test.cmd”文件、“hammer_test.acf”文件和“hammer_test.adm”文件導入到MATLAB 當前的工作目錄下，然后啟動MATLAB軟件，在MATLAB 調出ADAMS 子系統模型，具體步驟如下:

(1)在MATLAB的命令提示符下鍵入:hammer_ test，然后回車，MATLAB系統會自動調用ADAMS軟件所設置的輸入和輸出變量。響應如下:

(2)在命令提示符下鍵入who，然后回車，MATLAB 命令窗口如圖3所示。

圖3 Matlab 命令窗口

MATLAB系統顯示ADAMS軟件中定義的變量列表，選擇其中任意變量名可進行檢驗。

雙擊圖4所示ADAMS_sub模塊，便可以清楚地看到其內部的具體組成，如圖5所示。

圖4 ADMAS 控制模版

圖5 ADMAS 子模板

2.2 建立Simulink 環境下液壓破碎錘系統的控制模型

2.2.1 液壓破碎錘運動微分方程

一個仿真模型應能盡量全面反映被仿真對象的實際物理過程。但要完全做到不“失真”是不可能的，為此必須建立一些適當的假設條件。這里假設:

(1)泵的供油量及系統壓力恒定，回油被壓為定值，閥芯和活塞的運動對壓力沒有影響。(2)換向閥閥芯的運動狀態變化按開關量考慮。(3)流體的黏度不受壓力影響并且機器工作過程中的溫度處處一致。

(4)除進油膠管外，其他構件都視為不變形的絕對剛體。

(5)油液中壓力波的傳遞時間忽略不計，大部分情況下忽略油液的質量，流動為不可壓縮流體的層流。

(6)活塞與液壓缸、換向閥芯與閥箱的機械摩擦阻力、密封圈的阻力和黏性阻力均為零。

(7)活塞運動過程中氮氣室中氣體不與外界發生熱交換。

根據上述假設條件及物體運動所必須遵守的牛頓第二定律、流體連續性原理、氣體狀態方程，可以列出破碎錘沖擊機構運動的基本微分方程組，即得到活塞和閥芯的運動微分方程。

液壓沖擊器結構示意圖見圖6。

(1)活塞回程加速階段

圖6 液壓沖擊器結構示意圖

活塞制動和沖程階段:

式中:mp為活塞質量，kg;

x為活塞位移，m;

v為活塞運動速度，m/s;

A1、A2、A3分別為活塞前后腔和氮氣室有效作用面積，m2;

p1、p2、p3分別為活塞前后腔和氮氣室壓力，Pa;

V為絕熱膨脹時的氮氣容積，m3;

V0為原始氮氣容積，m3;

p0為氮氣室充氣壓力，Pa;

k為氣體多變指數，這里取k=1.4。

(2)閥芯回程換向階段

閥芯沖程換向階段:

式中:mv為閥芯質量，kg;

x為閥芯位移，m;

v為閥芯運動速度，m/s;

A4、A5分別為換向閥前后腔有效作用面積，m2;

p4、p5分別為換向閥前后腔壓力，Pa。

(3)活塞和閥芯運動狀態的劃分

狀態A:閥在下止點，活塞回程加速。

狀態B:活塞下端面越過信號口，閥回程換向，活塞繼續回程加速。

狀態C:閥孔接通高壓管路，活塞回程減速運動。

狀態D:閥繼續回程換向，活塞繼續回程制動。狀態E:閥到達上止點，活塞繼續回程制動。

狀態F:閥不動作，活塞沖程加速。

狀態G:活塞上端面越過信號口，閥沖程換向，活塞繼續加速。

狀態H:閥孔接通回油管路，活塞沖程制動。

狀態I:閥到達下止點，活塞撞擊釬桿，活塞沖擊釬桿后進入下一個循環。

根據上面的分析，列出活塞和閥芯的運動狀態判別式如表1所示。

表1 活塞、閥芯各運動狀態判別式

2.2.2 搭建控制系統模型

根據上文對液壓破碎錘運動狀態的分析，將活塞和閥芯的關聯運動細分為9個步驟，并用判別式將整個運動過程劃分為6個狀態過程，針對各個狀態的運動特征，在MATLA/Simulink 中建立基于開關控制的液壓破碎錘的仿真模型，如圖7所示。圖7中的ADAMS_sub模塊即為ADAMS 子系統模塊。

圖7 ADAMS 和MATLAB 聯合仿真模型

進行聯合仿真前，須先將模型初始化。這些初始化參數需要根據廠家提供的基本參數或按某些規則、經驗給出。液壓破碎錘的聯合仿真系統輸入的參數是壓力，輸出參數是活塞與閥芯的速度、位移及加速度。這些參數設定如表2所示。

表2 初始值的設定表

2.2.3 設置仿真參數

(1)在ADAMS_sub 子模塊中，雙擊Msc Software模塊，彈出參數設置對話框，在Output Files Prefix 欄輸入“hammer_test”，名字用單引號括起來。ADAMS/Controls 用包含改名字的3種文件格式來保存仿真結果，如表3所示。

表3 仿真結果文件類型

(2)在Block Parameters:ADAMS Plant 對話框Communication Interval 欄中的數值表示ADAMS/View仿真的實際步長，應大于或等于MATLAB 最大仿真步長，否則聯合仿真時可能出現警告信息。在此設置ADAMS的仿真步長為0.001，所以在后面Simulink Parameters 對話框設置的最大步長應該小于0.001。

為了實時動態顯示仿真動畫，在Animation 下拉表中選擇Interactive模式。若選取Batch模式，可不用打開ADAMS/View程序也能執行聯合仿真，但此時只能通過MATLAB仿真框圖中的示波器觀察輸出結果的變化情況。

(3)運行模型仿真

在MATLAB Simulink 窗口選擇Simulation 菜單下的Configuration Parameters 菜單項，彈出Configuration Parameters 對話框。

首先，設置仿真時間，及設置Start Time為0.0，設置Stop Time為0.15;然后，在Solver Options 選項組中，選擇Type為Variable-step，此處的Simulink仿真的最大步長應該小于ADAMS的仿真步長，此處取0.000 5;最后，求解函數的選擇，因為文中研究的液壓沖擊器屬于剛性系統，所以采用ode15s (stiff/NDF)，ode15s是一個多步驟指令，是以數值微分方程(NDFs)為基礎的可變順序指令?？蛇x擇向后微分方程BDFs (或稱為Gear法)。至此即完成參數仿真的設置。

2.3 仿真結果分析

聯合仿真結束后，得到活塞和閥芯的運動規律曲線，以此作為分析液壓破碎錘系統運動特性的依據。為了更好、更便利地處理、分析數據，將通過兩個軟件分別輸出仿真結果。

(1)在MATLAB 中獲取仿真結果

系統仿真完成后，利用MATLAB的繪圖命令，給出ADAMS_uout的仿真結果，ADAMS_uout數據隱含在ADAMS_sub模塊中。

在MATLAB 提示符下輸入:

Plot(ADAMS_tout，ADAMS_uout)得到活塞和閥芯的運動規律曲線如圖8—13所示。

圖8 活塞位移

圖9 閥芯位移

圖10 活塞速度

圖11 閥芯速度

圖12 活塞加速度

圖13 閥芯加速度

(2)ADMAS/PostProcessor 中的仿真結果分析

作者將聯合仿真生成的數據——仿真結果文件(.res)、要求文件(.req)和圖形文件(.gra)運用ADAMS的后處理模塊PostProcessor 進行分析。液壓破碎錘活塞和閥芯的動力學仿真結果如圖14—16所示。

圖14 活塞和閥芯的位移曲線

圖15 活塞和閥芯的速度曲線

圖16 活塞和閥芯的加速度曲線

由圖14可以看出:活塞的行程為s1=71.07 mm，閥芯的行程s2=12 mm，整個運動過程比較平穩，一直保持在一個恒定的范圍內。

由圖15可以看出:活塞碰撞時的速度為v=8.37 m/s，由末速度法可以算出系統此時的沖擊能為463.48 J，與東空公司通過AEM的應力波法得到的454.7 J的試驗結果相比，誤差為1.93%，誤差較小。當活塞撞擊釬桿的那一瞬間，活塞的反彈速度很小，一方面說明，碰撞時的能量傳遞效果好，大部分能量都傳遞給釬桿用來打擊物體;另一方面，活塞回彈速度小可以減小對挖掘機的沖擊。

從圖15還可以看出:閥芯的換向時間只有0.004 s，而最大速度達到5.75 m/s，所以閥芯的換向沖擊還很大。活塞后腔的壓力是通過換向閥周圍的4個中心口分別與高壓管路、回油管路的結合來控制的，因為換向時間極短，所以作者在Simulink 中建立的液壓破碎錘控制系統中采用開關控制。

在圖16看出:過高的加速度使閥芯在換向過程中會跟換向閥箱有激烈碰撞。所以液壓破碎錘系統在保證釬桿和活塞強度的同時，也要確保換向閥箱和換向閥芯的強度從而提高機器的使用壽命和精度。

仿真數據與官方數據對比見表4，各項輸出參數均在合理范圍內，說明液壓破碎錘的虛擬樣機模型在一定程度上還是真實反映實際的運動狀態，輸出的各項參數有一定的參考價值。

表4 數據對比表

從兩組數據對比來看:原虛擬樣機的輸出運動參數還有很大提升空間，沖擊能有優化的可能，仿真得出的沖擊能之所以比說明書上提供的值大，主要是因為仿真是建立在一些假設條件下:系統壓力、流量恒定;不考慮氮氣與空氣的熱量交換;認為運動部件之間摩擦阻力和黏性阻力為零。把這些因素考慮進來，仿真結果應該更加接近實際值。

3 結論

通過對液壓破碎錘系統運動規律的分析，在一定假設條件下，建立了活塞和閥芯運動過程的數學模型，同時對活塞和閥芯的運動狀態進行了劃分，通過MATLAB 和ADMAS 兩大仿真軟件對以東空4M型液壓破碎錘的結構參數為基礎建立的虛擬樣機進行聯合仿真，得到的各項參數與廠家提供的數據相近，從理論上驗證了在一定假設條件下的液壓破碎錘虛擬樣機模型的可靠性，同時體現了聯合仿真優于傳統的機電系統設計中控制模型和機械模型相互獨立的仿真形式，為研究與設計液壓沖擊系統提供了新的方法。

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