基于AMESim管道參數(shù)對(duì)液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響分析

羅俊

（陜西理工大學(xué) 機(jī)械工程訓(xùn)練中心，陜西 漢中723003）

0 引 言

管道作為液壓系統(tǒng)的輔件，如液壓系統(tǒng)的血管脈絡(luò)一樣。在系統(tǒng)中，管道起到連接泵與控制閥、控制閥與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用，且具有傳遞動(dòng)力與信號(hào)之功能[1]。如今工程機(jī)械的液壓裝置趨向于大型化、復(fù)雜化、自動(dòng)化，管道使用距離越來越長(zhǎng)，如常見的液壓挖掘機(jī)、起重機(jī)就是典型的實(shí)例[2]。此外，對(duì)于精密液壓機(jī)械裝置，雖管道長(zhǎng)度的使用精簡(jiǎn)，但系統(tǒng)控制精度和整機(jī)動(dòng)態(tài)性能要求極高，減小管道對(duì)系統(tǒng)造成的干擾，合理配置管道參數(shù)極為重要[3]。

水平連接器安裝機(jī)具液壓系統(tǒng)中的四組液壓缸，如對(duì)接液壓缸組、驅(qū)動(dòng)液壓缸組、對(duì)中液壓缸組和鎖緊液壓缸組，它們都是分布在安裝工具上的，因而其管線排布也很復(fù)雜。管線連接泵與閥件、閥與執(zhí)行機(jī)構(gòu)、閥與閥等，這些連接存在管線直徑、長(zhǎng)度、材料等因素的不同，因而對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。尤其是驅(qū)動(dòng)液壓缸組和對(duì)接液壓缸組要求較高的同步精度，即使很短的管線也會(huì)產(chǎn)生一定的影響，管線的長(zhǎng)度也會(huì)帶來壓力損失、振動(dòng)等對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，因此進(jìn)行管道參數(shù)對(duì)液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響分析十分必要。

1 液壓系統(tǒng)原理和仿真模型

水平連接器安裝機(jī)具中對(duì)接液壓缸組，是由4個(gè)雙作用液壓缸組成[4]，所建立的液壓缸控制模塊主要由4個(gè)雙作用液壓缸、位移傳感器、質(zhì)量塊、粗調(diào)電磁閥、微調(diào)電磁閥、單向閥等組成，其中位移傳感器能夠?qū)崟r(shí)地將液壓缸的位移反饋到電氣控制系統(tǒng)中，粗、微調(diào)電磁閥也是在電氣控制系統(tǒng)的信號(hào)控制下調(diào)整閥開口大小，以實(shí)現(xiàn)液壓缸的流量調(diào)節(jié)，具體模型如圖1所示。

圖1 液壓缸控制模塊模型

2 仿真模型參數(shù)設(shè)定

AMESim仿真包括4個(gè)過程：草圖模式、子模型選定模式、仿真參數(shù)設(shè)定模式、仿真模式。在草圖模式下可將所有系統(tǒng)模型建立，按照需要選定系統(tǒng)元器件的子模型，檢查模型連線是否完整，然后設(shè)定子模型的參數(shù)及仿真參數(shù)，在仿真模式下，啟動(dòng)仿真、分析仿真結(jié)果。

水平連接器液壓系統(tǒng)仿真主要參數(shù)有系統(tǒng)壓力20.7 MPa；三位四通電液比例換向閥的通路流量設(shè)定為10 L/min，壓降梯度0.1 MPa，額定電流40 mA，固有頻率80 Hz，阻尼比0.8。液壓缸參數(shù)如表1所示，其余子模型的參數(shù)選定跟具體的工況分析相關(guān)，區(qū)別設(shè)定，或選用默認(rèn)值。

表1 對(duì)接液壓缸基本參數(shù)

3 管道參數(shù)對(duì)液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響分析

本文將從管線的長(zhǎng)度、直徑和材料三方面因素，對(duì)水平連接器液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性影響作仿真分析。

3.1 管線長(zhǎng)度的影響

設(shè)定管線直徑為φ25 mm，材料為鋼管，管線長(zhǎng)度分別為1 m、5 m、8 m、10 m、30 m時(shí)，分析其對(duì)對(duì)接液壓缸的影響。

從圖2可以看出，隨著管線的長(zhǎng)度增加，液壓缸的位移達(dá)到行程的時(shí)間增長(zhǎng)，系統(tǒng)響應(yīng)變慢，其時(shí)間位移局部放大圖見圖3，可以很清晰地看出，管線從1 m到5 m、8 m、10 m、30 m，其響應(yīng)時(shí)間逐漸變長(zhǎng)，尤其是30 m管線與其他長(zhǎng)度相比響應(yīng)較慢。

圖2 液壓缸時(shí)間位移曲線（管長(zhǎng)度）

圖3 液壓缸局部時(shí)間位移曲線（管長(zhǎng)度）

圖4所示為對(duì)接液壓缸1的時(shí)間速度曲線圖，從圖中可以看出液壓管道長(zhǎng)度在1 m到5 m、8 m、10 m、30 m時(shí)，其速度基本上沒有較大的波動(dòng)，速度保持在0.032 76 m/s,從時(shí)間軸看，各個(gè)長(zhǎng)度的管線之間略微有延遲。

圖4 液壓缸時(shí)間速度曲線（管長(zhǎng)度）

3.2 管線直徑的影響

在其他參數(shù)一致的情況下（鋼管管線長(zhǎng)度5 m），設(shè)定管線直徑分別為φ25 mm、φ30 mm、φ40 mm、φ60 mm，仿真所得液壓缸的時(shí)間位移曲線如圖5所示，其局部放大圖如圖6所示，時(shí)間速度曲線如圖7所示。從時(shí)間位移曲線和時(shí)間速度曲線來看，其響應(yīng)時(shí)間隨著直徑增大而增長(zhǎng)，其速度保持穩(wěn)定，仍然為0.032 76 m/s。

圖5 液壓缸時(shí)間位移曲線（管內(nèi)徑）

圖6 液壓缸局部時(shí)間位移曲線（管內(nèi)徑）

圖7 液壓缸時(shí)間速度曲線（管內(nèi)徑）

3.3 管線材料的影響

液壓系統(tǒng)中常用的液壓管線可以分為兩類：軟管和硬管（鋼管），管線的材料不同，其彈性模量不同，在保證管線的直徑（2φ5 mm）和長(zhǎng)度（5 m）一致的情況下，分別設(shè)定管道彈性模量為1000 MPa（軟管）和2.06×105MPa（硬管），得到的液壓缸時(shí)間位移曲線如圖8所示，其局部放大圖見圖9、時(shí)間速度曲線見圖10。從位移局部放大圖可以看出，當(dāng)使用軟管時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)性較差，位移出現(xiàn)了遲滯現(xiàn)象，液壓缸的速度基本保持穩(wěn)定，未出現(xiàn)振蕩。

圖8 液壓缸時(shí)間位移曲線（管材料）

圖9 液壓缸局部時(shí)間位移曲線（管材料）

圖10 液壓缸時(shí)間速度曲線（管材料）

4 結(jié) 論

從仿真分析得到管道參數(shù)對(duì)水平連接器液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性影響，管道長(zhǎng)度和直徑的增加，會(huì)使得液壓系統(tǒng)響應(yīng)延遲，延長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間，速度能基本保持穩(wěn)定。管道的材料不同，也會(huì)影響系統(tǒng)的響應(yīng)，軟管的彈性模量較小，造成系統(tǒng)響應(yīng)緩慢。因此，在液壓系統(tǒng)管道選擇上，在滿足系統(tǒng)速度、位移等要求前提下，盡可能選用直徑較小的硬管。