基于聯(lián)合仿真的多級(jí)等推力液壓缸研究

李麗，鄒廣聞，毛銀，孫麗

(1.大連華銳重工集團(tuán)股份有限公司 液壓裝配廠，遼寧 大連 116035;2.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連116028)*

0 引言

隨著仿真技術(shù)的快速發(fā)展和各種商業(yè)軟件不斷涌現(xiàn)，對(duì)仿真精度與相似性的要求不斷提高.同時(shí)單一的仿真軟件也很難滿足針對(duì)復(fù)雜模型的仿真需要.多級(jí)等推力液壓不但涉及到動(dòng)力學(xué)模型同時(shí)也包含液壓控制方面的問題，是一個(gè)典型的復(fù)雜的機(jī)電液系統(tǒng)問題.而ADAMS本身的動(dòng)力學(xué)仿真雖然優(yōu)秀，但是涉及到控制方面則顯得欠佳，ADAMS本身具有的ADAMS/Controls模塊為MATLAB和EASY5等液壓控制軟件提供了接口，使得聯(lián)合仿真成為可能［1］.

機(jī)電產(chǎn)品通常是由液壓、電子、機(jī)械與控制等子系統(tǒng)共同協(xié)作發(fā)揮其功能的，復(fù)合系統(tǒng)仿真問題要求我們不可以局限在某一專業(yè)軟件單學(xué)科的仿真.然而我們可以很方便地在相應(yīng)的物理領(lǐng)域及恰當(dāng)?shù)姆抡婀ぞ咧袑?duì)各子系統(tǒng)建立仿真模型，通過TCP/IP等方式實(shí)現(xiàn)不同仿真工具之間的數(shù)據(jù)交換和調(diào)用，完成復(fù)雜物理模型的仿真［2］.而ADAMS和MATLAB很好的接口特性使得對(duì)液壓產(chǎn)品的仿真成為可能，本文采用MATLAB和ADAMS聯(lián)合仿真來模擬多級(jí)等推力液壓缸的動(dòng)態(tài)特性.

1 多級(jí)缸工作原理與仿真方案

由于控制對(duì)象屬于液壓類仿真，不但要考慮到多級(jí)液壓缸的運(yùn)動(dòng)受力問題，同時(shí)也要考慮到在仿真的時(shí)候注意到多級(jí)液壓缸推力問題，也就是液壓系統(tǒng)的輸出力的問題.綜上所述，要考慮到動(dòng)力學(xué)部分與液壓系統(tǒng)部分.

1.1 多級(jí)等推力液壓缸的工作原理

如圖1所示的一種活塞式多級(jí)液壓缸，包括導(dǎo)向桿、上蓋、缸筒和活塞，其特征在于所述的缸筒和活塞可構(gòu)成多級(jí)液壓腔.其中包含有由上蓋、缸筒I和活塞I構(gòu)成的液壓腔I;由活塞I、缸筒II和活塞II構(gòu)成的液壓腔II;由活塞II、缸筒III和活塞III構(gòu)成的液壓腔III，由活塞III、缸筒IV和活塞IV構(gòu)成的液壓腔IV以及由活塞IV和進(jìn)油口構(gòu)成的進(jìn)油腔.所述的每級(jí)活塞都與同級(jí)或次級(jí)缸筒內(nèi)孔動(dòng)配合連接，同時(shí)與次級(jí)活塞桿和/或?qū)驐U套接;每級(jí)液壓缸的密封面都裝有密封件;每級(jí)活塞上都帶有工作用油路;每級(jí)液壓缸往復(fù)的有效工作面積都相等.在缸筒I上開有油口，在每級(jí)缸筒的尾端配裝限位用的卡簧.

圖1 多級(jí)等推力液壓缸原理圖

多級(jí)等推力油缸的設(shè)計(jì)原理:根據(jù)流體力學(xué)理論，油缸的輸出力，式中P為輸出壓力，A為油缸作用面積，當(dāng)流量Q恒定時(shí)，壓力P取決于油缸作用面積A，所以只要保證各級(jí)油缸作用面積恒定，則輸出力就應(yīng)該是恒定的.根據(jù)該原理，設(shè)計(jì)了一種多級(jí)等作用面積油缸，即等推力油缸.這樣的設(shè)計(jì)使得本身缸筒之間的液壓力可以相互平衡，使得系統(tǒng)只有一個(gè)輸出力，這樣使得系統(tǒng)運(yùn)行更加平穩(wěn)可靠.

1.2 總體仿真方案

本文通過Pro/E對(duì)多級(jí)液壓缸的零件建模，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理樣機(jī)的虛擬［3］.而后采用ADAMS和Pro/E的無縫接口軟件Mech/Pro對(duì)Pro/E中的模型進(jìn)行轉(zhuǎn)化，而后在ADAMS進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模，而后設(shè)置輸出輸入變量(包括輸出各級(jí)液壓缸的位移和速度xi、vi(i=1～4)，以及輸入的液壓力F).而后在MATLAB/Simulink進(jìn)行多級(jí)液壓缸內(nèi)部容腔的建模，整體方案如圖2所示.

圖2 總體仿真方案

2 聯(lián)合仿真

不同仿真工具之間建立連接后，其中一者所包含的模型可以將自己計(jì)算的結(jié)果作為系統(tǒng)輸入指令傳遞給另一者所建立的模型，這種指令包括力、力矩、驅(qū)動(dòng)等典型信號(hào)，后者的模型在該指令的作用下所產(chǎn)生的響應(yīng)量，如位移、速度、加速度等，又可以反饋給前者的模型，這樣，模型信息和仿真數(shù)據(jù)就可以在兩者之間雙向傳遞［4］.

2.1 零件建模

本文通過Pro/E對(duì)多級(jí)液壓缸的真實(shí)建模，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理樣機(jī)的虛擬.同時(shí)為了在ADAMS中便于計(jì)算，采用布爾運(yùn)算將裝配復(fù)雜的零件組分為幾部分，包括各級(jí)液壓缸以及固定部分，這樣既可以保證模型的真實(shí)性，同時(shí)又可以大大減少仿真計(jì)算，避免了了不必要的錯(cuò)誤［5］.而后采用ADAMS和Pro/E的無縫接口軟件Mech/Pro模塊對(duì)Pro/E中的模型進(jìn)行轉(zhuǎn)化，這樣可以避免直接采用parasolid格式后在ADAMS失真的現(xiàn)象.通過Mech/Pro接口，可以在Pro/E環(huán)境下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)副的設(shè)置，這樣可以避免直接在ADAMS環(huán)境下操作的繁瑣與延遲.

2.2 動(dòng)力學(xué)建模

在開始首先要進(jìn)行對(duì)動(dòng)力學(xué)模型的簡(jiǎn)化，針對(duì)卡簧是一個(gè)不規(guī)則圖形，而且相對(duì)于整個(gè)模型來說很小，這就容易造成在仿真的時(shí)候會(huì)反復(fù)出現(xiàn)錯(cuò)誤.在不影響結(jié)果真實(shí)性的前提下，對(duì)卡簧進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化，就是在每級(jí)缸筒末尾加上溝槽，這樣使得各級(jí)缸筒之間位移都不會(huì)變化，同時(shí)對(duì)每級(jí)缸筒質(zhì)量的影響也很小，使得仿真結(jié)果不會(huì)有很大變化.動(dòng)力學(xué)部分主要包括運(yùn)動(dòng)副的建立以及接觸力的設(shè)置.

多剛體系統(tǒng)的內(nèi)碰問題是多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)中的一個(gè)難點(diǎn)問題，實(shí)際應(yīng)用的處理方法主要有兩類:將碰撞過程理解為“分離—接觸—碰撞”的三狀態(tài)模型和歸結(jié)為“自由運(yùn)動(dòng)—接觸變形”的兩狀態(tài)模型.兩狀態(tài)模型將碰撞考慮為接觸—變形—恢復(fù)—脫離接觸的變化過程，歸結(jié)為“自由運(yùn)動(dòng)—接觸變形”兩種狀態(tài)，通過建立描述碰撞過程中力與接觸變形之間的關(guān)系，計(jì)算出碰撞過程中接觸力和接觸變形.本文在設(shè)置接觸力時(shí)，采用相鄰的每級(jí)缸筒都設(shè)置接觸力，從而達(dá)到整體系統(tǒng)的限位［6］.

2.3 液壓控制系統(tǒng)建模

可以知道本文有各級(jí)液壓缸構(gòu)成四個(gè)相互連通的液壓腔，那么就可以看成是一個(gè)整體封閉的液壓腔，有外界給它輸入流量，所以在不考慮泄露的情況下，根據(jù)流體連續(xù)性方程有:

式中，p為多級(jí)液壓缸內(nèi)部壓力;Q0為輸入流量;V0為進(jìn)油腔體積;Ai(i=1～4)為每級(jí)液壓缸對(duì)應(yīng)的面積;Vi(i=1～4)為每級(jí)液壓缸對(duì)應(yīng)的速度;xi(i=1～4)為每級(jí)液壓缸對(duì)應(yīng)的位移;K0為油液的彈性模量;F為為整個(gè)液壓系統(tǒng)的輸出力.

此處說明的是，由于上文提到的結(jié)構(gòu)原因，整個(gè)液壓缸只有第四級(jí)輸出液壓力，其余的液壓力由內(nèi)部平衡，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行.從上述兩個(gè)方程就可以建立一個(gè)控制系統(tǒng)，其中輸入變量為每級(jí)液壓缸的位移和速度，輸出的是液壓力.具體建模如圖3所示.

圖3 液壓系統(tǒng)建模

2.4 聯(lián)合仿真

在ADAMS和Simulink分別建好動(dòng)力學(xué)模型和液壓系統(tǒng)模型后，在ADAMS設(shè)置好需要輸出輸入的狀態(tài)變量，利用ADAMS/Control模塊建立對(duì)應(yīng)的M文件，而后在Simulink讀取M文件，而后生成adams_sub文件，在這個(gè)文件中進(jìn)行聯(lián)合仿真，其三級(jí)液壓缸的速度加速度曲線如圖4所示.

圖4 聯(lián)合仿真示意圖

其部分仿真結(jié)果如圖5所示.

圖6 三級(jí)缸筒的速度、加速度圖

從3級(jí)缸筒的速度與加速度圖說明在多級(jí)液壓缸中，制約其穩(wěn)定性的主要因素是每級(jí)缸筒換級(jí)時(shí)的速度與加速度的突變，本文為其進(jìn)一步的改善突跳性奠定了一定的基礎(chǔ).

3 結(jié)論

本文采用聯(lián)合仿真對(duì)多級(jí)等推力液壓缸進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真.在考慮到動(dòng)力學(xué)的同時(shí)，又充分兼顧到整個(gè)液壓系統(tǒng)對(duì)動(dòng)力學(xué)模型的影響，可以較真實(shí)的反映出多級(jí)缸的運(yùn)動(dòng)過程，也為以后進(jìn)一步對(duì)其性能優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)［7］，此外本文對(duì)液壓和動(dòng)力學(xué)模型的聯(lián)合仿真，也在一定程度上給機(jī)電液壓類產(chǎn)品的仿真提供了一個(gè)比較可行的方法.

［1］李永堂.液壓系統(tǒng)建模與仿真［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2003.

［2］孫秀軍，王效岳，楊燕.聯(lián)合仿真技術(shù)及ADAMS/Controls［J］.山西:機(jī)械工程與自動(dòng)化，2007(2):62-64.

［3］熊光楞.協(xié)同仿真與虛擬樣機(jī)技術(shù)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

［4］王濤.基于ADAMS和MATLAB的聯(lián)合控制系統(tǒng)的仿真［J］.山西:機(jī)械工程與自動(dòng)化，2005(3):79-81.

［5］朱德泉.基于聯(lián)合仿真的機(jī)電液一體化系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究［D］.安徽:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2012.

［6］彼得 艾伯哈特，胡斌.現(xiàn)代接觸動(dòng)力學(xué)［M］.南京:東南大學(xué)出版社，2003.

［7］戴彧昕.基于虛擬樣機(jī)的連續(xù)油管作業(yè)機(jī)注入頭研究［D］.黑龍江:東北石油大學(xué)，2012.