閥芯螺桿螺距對數字液壓缸性能影響的仿真分析

江海軍，宋飛，王傳輝，楊哲輝

(1.92213部隊，廣東湛江524064;2.海軍工程大學動力工程學院，湖北武漢430033;3.海軍92196部隊52分隊，山東青島266000;4.海軍91251部隊，上海200940)

早期的數字液壓缸由于機械結構不完善，導致液壓缸的行程短、速度不高、性價比不好，均沒有得到廣泛的應用。20世紀90年代以來，隨著微計算機技術及步進電機細分驅動技術的迅猛發展，數字液壓缸獲得了新的活力。美國Victory Controls公司、Vickers公司、德國Hermann Hemscheidt Maschinenfabrik(海姆施德特機械制造)公司、日本IHI(石川島播磨重工)公司均有成熟的系列數字液壓缸產品提供［1，2］。國內億美博科技有限公司解決了數字液壓缸高速、長行程、廉價的難題，使其能夠適用于不同的需求［3］。重慶大學機械工程學院的學者們在磁耦合傳動數字液壓缸的理論與實驗研究方面作了大量工作，積累了豐富的經驗［4－6］。

數字液壓缸可直接用數字脈沖信號進行控制，具有控制簡單、定位精度高、抗污能力強、維護容易等優點。常見數字液壓缸的閥芯驅動形式及反饋方式多采用螺旋傳動方式，該傳動方式有利于實現數字液壓缸的小型化集成化，且決定著數字液壓缸的性能，因此對數字液壓缸的螺旋傳動機構進行研究是必要的。

1 數字液壓缸AMESim模型

1.1 仿真模型的建立

數字液壓缸模型采用AMESim軟件搭建完成，模型主要由油源、液壓缸、四通滑閥、螺旋傳動機構四部分組成，完整的模型如圖1所示。數字液壓缸系統模型的難點在于螺旋傳動機構模型的搭建，主要利用AMESim軟件的機械庫完成螺桿螺母副 (圖1中Helical Pair)和滾珠絲杠 (圖1中Ballscrew)模型的搭建［7－8］。螺桿螺母副與滑閥閥芯直接相互作用，其螺紋間隙及摩擦不能忽略，自建模型需要考慮間隙及摩擦的影響。滾珠絲杠的螺紋間隙是可以忽略的，因其本身間隙很小，加之中間經過減速齒輪的減速，對閥芯運動的影響甚微，可使用軟件自帶的螺桿螺母副模塊來簡單地表示。

圖1 數字液壓缸AMESim模型

1.2 仿真模型參數

為方便研究，設定數字液壓缸中位啟動，規定活塞位移及負載方向如圖2所示;另外設定負載隨活塞位移線性變化，變化規律如圖3所示。

圖2 活塞位移及負載方向定義

圖3 活塞位移與負載對應關系

模型中其他主要參數如表1所示。

表1 系統主要參數

2 仿真結果與分析

閥芯螺桿螺距影響數字液壓缸的增益，為了研究閥芯螺桿螺距對數字液壓缸的具體影響規律，將閥芯螺桿螺距P分別設為2、3.5、5 mm進行仿真。在步進電機角位移輸入信號相同的情況下，理論位移計算公式為:

式中:st為理論位移 (m);i為減速比，i=1/K;s為滾珠絲桿螺距 (m);θ為步進電機角位移 (°)。

由式 (1)可知:閥芯螺桿螺距P不影響活塞的理論位移st，3種螺距下的活塞理論位移應該是相同。仿真設置的步進電機角位移輸入信號為周期40 s、幅值1 080°的三角波型，對應的活塞理論位移曲線如圖4中曲線4所示，為周期40 s、幅值0.225 m的三角波型。由圖4可知:3種螺距下的活塞實際位移曲線與理論位移曲線頻率相同，相位分別滯后0.4、0.2和0.15 s，可見隨著閥芯螺桿螺距的增加(即系統增益增大)，位移曲線滯后量減小，活塞位移幅值增大。

圖4 活塞位移－時間曲線

圖5為3種螺距下液壓缸的跟蹤誤差曲線，觀察單個跟蹤誤差曲線可知:當活塞運動方向不改變時，活塞位移的動態跟蹤誤差隨著位移量的增加而逐漸增大，且活塞縮回比伸出時的跟蹤誤差更大。具體原因是負載隨著位移的增加而線性增大，導致工作腔壓力升高，工作腔與供油系統的壓差減小，供油流量的下降引起跟蹤誤差增大;有桿腔作為工作腔時由于有效面積小，腔內壓力更高，所以跟蹤效果要差于無桿腔作為工作腔時的。

對比3種螺距下液壓缸的跟蹤誤差曲線可知:閥芯螺距P對跟蹤誤差有顯著的影響，隨著螺距P的增加，液壓缸的動態跟蹤誤差減小，系統的靜態誤差也相應地減小。系統最終穩定后，螺距P=2、3.5、5 mm對應的靜態誤差分別為0.64、0.36、0.25 mm。綜上所述，在其他條件都相同的情況下，閥芯螺距P增加 (即增益增大)，液壓缸的位移滯后量減小，位移幅值增大，系統的動態跟蹤誤差及靜態誤差減小明顯，數字液壓缸的精度提高。

圖5 液壓缸跟蹤誤差－時間曲線

3 結論

利用AMESim軟件建立了數字液壓缸模型，仿真分析了螺旋傳動機構中閥芯螺桿螺距對數字液壓缸性能的影響。結果表明:在其他條件都相同的情況下，閥芯螺距P增加 (即增益增大)，液壓缸的位移滯后量減小，位移幅值增大，系統的動態跟蹤誤差及靜態誤差減小明顯，數字液壓缸的精度提高。從本質上說，閥芯螺距的增大增大了數字液壓缸的系統增益，使得系統頻響提高，液壓缸位移跟蹤效果改善。但值得注意的是過大的增益可能導致數字液壓缸系統的不穩定，在設計螺旋傳動機構應進行穩定性分析。

［1］李良福.國外動力液壓缸的發展狀況［J］.機械工程師，2002，11(9):9 －11.

［2］邱法維，沙鋒強，王剛，等.數字液壓缸技術開發與應用［J］.液壓與氣動，2011(7):60 －62.

［3］吳文靜，劉廣瑞.數字化液壓技術的發展趨勢［J］.礦山機械，2007，35(8):116 －119.

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［5］魏祥雨，王世耕，胡捷，等.閉環控制數字液壓缸及實驗研究［J］.液壓與氣動，2005(7):19－22.

［6］潘易龍，張毅，魏祥雨.閉環控制數字液壓缸及其控制系統［J］.液壓氣動與密封，2005(3):34－36.

［7］宋飛，邢繼峰，黃浩斌.基于AMESim的數字伺服步進液壓缸建模與仿真［J］.機床與液壓，2012，40(15):133－136.

［8］肖志權，彭利坤，邢繼峰，等.數字伺服步進液壓缸的建模分析［J］.中國機械工程，2007，18(16):1935－1938.