負負載工況下打捆機舉升機構的機液聯合仿真

李文豪，包家漢，王智沖，宗藝墨

(1.液壓振動與控制教育部工程研究中心，安徽馬鞍山 243032；2.安徽工業大學機械工程學院，安徽馬鞍山 243032)

0 前言

高速線材打捆機是精整生產工序中的關鍵設備，其作用是將處于散卷狀態的線材盤卷牢固地捆綁起來，以便于存儲和運輸。打捆機舉升裝置采用液壓缸驅動平行四邊形機構，托起盤卷，使線卷到達指定高度，進行打捆動作。

對于打捆機舉升機構，以往的研究對其升起過程進行了運動學和動力學分析，從而得出舉升機構的運動趨勢和受力趨勢，但舉升機構是集機、電、液于一體的復雜系統，利用常規的簡化解析方法或者傳統的機械動力學分析軟件無法獲得系統的實際動態參數，需進行機械與液壓系統聯合仿真。同時，舉升機構的液壓缸回程是在重力和液壓缸推力共同作用下完成的，如果設計的液壓系統不能平衡負負載，則會由于返回速度加快，造成返回時驅動力大于驅動階段驅動力，甚至超過所提供的最大驅動力。對于聯合仿真方法的選擇，大多數學者更傾向于多軟件之間的協同仿真，該方法雖能很好地模擬真實負載，反映機液系統的動態性能，但是協同仿真接口難以創建，安裝軟件較多，占用系統資源較大，同時調用軟件耗時長。

為驗證設計的液壓系統能否很好地平衡液壓缸回程時產生的負負載，同時驗證設計后的液壓缸驅動力是否滿足要求，本文作者以某高速線材打捆機舉升機構為研究對象，在考慮負負載情況下，利用MATLAB/Simscape工具箱中的Multibody和Fluids模塊，在統一的環境中完成舉升機構的機液聯合仿真，從而進一步研究液壓系統對機械系統運動的控制。并與單獨舉升機構的機械系統動力學仿真結果對比，得出與動力學仿真相比，基于Simscape的機液聯合仿真充分考慮了液壓系統對機械系統運動的調節和控制作用，可很好地模擬液壓缸回程時對負負載的平衡，且液壓缸的驅動力滿足設計要求。

1 聯合仿真工具簡介

Simscape作為MATLAB的擴展模塊，可在Simulink環境下創建物理模型的工具和語言，Simscape擴展了Simulink的應用范圍，實現了對多交叉物理建模系統的建模與仿真，通過Simscape,可以基于物理連接直接連接模塊框圖建立物理組件模型。Simscape由Simscape Electrical、Simscape Fluids、Simscape Multibody等模塊組成，集成了機械、液壓等多學科物理功能組件，提供了物理場模型與信號場之間的接口模塊，可以將機械系統、液壓系統、電氣系統等集成到模型中，實現系統的聯合仿真。本文作者利用它對機械系統和液壓系統進行建模，然后通過接口模塊實現數據的交互，完成聯合仿真模型的創建。

2 舉升機構機械系統建模

如圖1所示，打捆機舉升機構的主要部件包括底座、液壓缸、主動曲柄、從動曲柄、連桿、支撐輥、C形掛鉤、高線盤卷等，通過液壓缸的伸縮來改變舉升的高度。圖1所示為托舉盤卷到達最高位時的狀態。

圖1 打捆機舉升機構示意

由于舉升機構結構比較復雜，同時，在升降臺底座裝配的上部的托輥上還有高線盤卷。為簡化計算，取消盤卷和托輥的模型，將其總質量(3 200 kg，其中托輥質量1 000 kg、盤卷質量2 200 kg)添加到支撐輥軸承上，從而滿足負載的要求。在Simscape工具箱中的Multibody模塊集里建模和裝配比較麻煩，所以在SolidWorks中建立舉升機構的模型，通過SolidWorks的Simscape Multibody插件導出成xml格式的模型文件。在MATLAB中，通過Simscape Multibody模塊將導入的xml文件生成圖像化的剛體結構關系圖，如圖2所示，然后對其自動生成的關節坐標進行適當修改，使其運動關節位于運動的中心節點上。設置其他零件材料為鋼，密度為7.8×10kg/m，重力加速度為9 806.65 mm/s。

圖2 舉升機構剛體結構關系

3 舉升機構液壓系統建模

3.1 三位四通電磁換向閥子系統

由于Simscape Fluids工具包中的換向閥沒有Y形的中位機能，因此采用6個可變節流閥和1個三位閥執行器進行搭建，其結構如圖3所示。將不同初始開口和閥口方向的可變節流閥進行組合，以實現所需的中位機能；三位閥執行器通過調節可變節流閥的開口實現換向控制和流量控制。

圖3 三位四通電磁換向閥子系統

3.2 舉升機構液壓系統原理

根據舉升機構的動作要求，三位四通電磁換向閥控制液壓缸的伸縮(圖4)，在液壓缸的進出油口增加單向節流閥,通過改變閥口開度來控制油液的流量。單向節流閥通過控制流量調節液壓系統運行速度或者形成一定背壓，使系統穩定運行，且在液壓缸回程時能夠調節流量控制系統運行速度，平衡負負載。由雙液控單向閥和電磁換向閥組成的鎖緊回路，在中位時不給液控單向閥提供控制油，使得雙液控單向閥可靠地鎖緊。

圖4 舉升機構液壓系統原理

3.3 液壓系統模型的建立

Simscape工具箱中的Fluids模塊提供用于建模和模擬液壓系統的組件庫。圖5所示為依據液壓系統原理，在Simscape中建立的舉升機構液壓系統模型。

圖5 舉升機構液壓系統模型

在Simscape中完成舉升機構液壓系統模型的搭建后，根據液壓原理圖明細表中標注的某品牌液壓元件型號，確定各參數的數值，完成參數設置。

4 舉升機構動力學仿真模型建立

使用Simscape Multibody工具箱對舉升機構進行動力學仿真，只需要在生成的剛體結構關系圖的基礎上，添加力、力矩和運動輸入來驅動模型，并使用傳感器測量其動態響應。使用模型中的連接塊來驅動這些關節，建立它們的內部力學模型，并感知特定關節的動態變量。圖6中給定了移動關節塊所需的運動輸入信號，然后通過移動關節中的位移和速度傳感器端口測量其系統響應。設置舉升液壓缸在初始2 s內的行程為180 mm，停3 s后再在2 s內運動180 mm，驅動速度均為85 mm/s；在第28 s(停止了21 s)后再在2 s內返回360 mm的行程。為節省時間在舉升階段按前面的描述，在第9 s開始返回，第11 s運動結束。

圖6 舉升機構動力學仿真模型

5 聯合仿真模型建立

5.1 聯合仿真轉換模塊的建立

在進行機液聯合仿真的過程中，機械模塊和液壓模塊之間的轉換需要轉換模塊。轉換模塊是基于液壓庫里的基礎元件搭接的，如圖7所示。利用Prismatic Translational Interface 模塊,將打捆機舉升機構中驅動液壓缸的流體壓力能轉化為機械系統中移動副的機械能,從而將液壓和機械2個子系統連接成1個統一的多域物理仿真系統，最后只需對其創建子系統即可。

圖7 聯合仿真轉換模塊

5.2 機液聯合仿真模型的建立

與動力學仿真模型的處理相似，在聯合仿真的機械系統模型中需要對移動副進行設置，添加力來驅動模型，然后通過位移和力傳感器測量其動態響應。輸出的速度傳遞給液壓系統，最后由液壓系統計算得到力反饋給機械系統。

圖8 聯合仿真機械系統模型

在機械系統和液壓系統模型建成后，對它們進行封裝，最終的模型框架(見圖9)由機械系統模塊、轉換模塊和液壓系統模塊組成，直觀地反映了模型之間變量的交換。圖10所示為打捆機舉升機構虛擬樣機。

圖9 基于Simscape的舉升機構機液聯合仿真模型

圖10 打捆機舉升機構虛擬樣機

5.3 仿真結果與分析

圖11所示為舉升機構動力學仿真和機液聯合仿真液壓缸的實際位移對比?？芍?條曲線基本吻合，在C形吊鉤將線圈運送到圓柱導軌上后，為0～2 s內運動位移為180 mm,停3 s后,在為5～7 s內運動位移為180 mm,再停2 s后,在為9～11 s內返回360 mm的行程,與設定的運動路徑一致。

圖11 液壓缸運動行程對比 圖12 液壓缸驅動力對比

圖12所示為舉升機構動力學仿真和機液聯合仿真液壓缸驅動力對比?？芍簞恿W仿真驅動力在液壓缸啟動時刻驅動力直接達到2.9×10N；聯合仿真驅動力由于有液壓系統的控制作用，驅動力存在一個變化過程，在為3～5 s液壓缸停止時，驅動力為2.802×10N,為托輥等重力(質量3.2×10kg)的87.5%，在整個驅動過程中，最大驅動力為3.01×10N，而CDM1MT4-100/70-400的液壓缸能提供的最大推力為12.56×10N，超過了所需的最大驅動力3.01×10N(實際壓差只需5.35 MPa)，因此液壓缸驅動力足夠，能夠滿足使用需求。在液壓缸回程時，由于動力學仿真中未考慮到負負載工況的影響，同時受到重力和液壓缸推力的共同作用，造成返回時驅動力大于驅動階段驅動力，但由于機液聯合仿真實現了機械和液壓系統間的耦合作用，可通過液壓元件的調節作用平衡負負載，為系統的正常運行提供了保障。通過驅動力的對比，驗證了機液聯合仿真對于負負載工況的模擬是有效的、真實的。

6 結論

本文作者基于一種新型打捆機舉升機構的設計，根據其系統結構的工作原理，運用MATLAB/Simscape工具箱成功實現了打捆機舉升機構的動力學仿真和機液聯合仿真。通過仿真結果的對比，得出以下結論：

(1)在舉升機構的整個驅動過程中，尤其是在液壓缸回程時，在考慮負負載情況下，液壓缸能提供的最大推力遠超所需的最大驅動力，液壓缸驅動力足夠，能夠滿足使用需求；

(2)基于Simscape的機液聯合仿真技術可以更加精確地對打捆機舉升機構的機械-液壓系統進行仿真分析，真實地模擬出機構的運動情況，驗證了該液壓系統的設計對平衡負負載是有效的。聯合仿真分析可以為打捆機舉升機構的研發設計和改進提供參考。