汽车转向器功能试验台液压系统管路特性分析.pdf

Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e als ， NO ．0 3 ． 2 0 l 3 汽车转向器功能试验台液压系统管路特性分析 晏中华， 白国振 ， 杨勇明 上海理工大学 机械工程学院， 上海2 0 0 0 9 3 摘 要 基于功率键合图理论建立 了汽车转 向器功能试验 台液压系统的数学模 型。运用 M A T I AB ／ S I MU L I N K软件重点研究 了管长 、 管 径 、 管材体积弹性模量对液压缸进 油腔压力动态响应 曲线响应时间及超调量的影响。 研究结果表 明 液 压管道越长则滞后现象越严重 ； 管径 的大小对响应时间影响可以忽略不计 ， 管径越大 ， 响应 曲线超调量越大 ； 管材体 积弹性模量越大 ， 压力越平稳。研究结果为汽车转 向器功能试验 台液压系统的设计及管路动态特性分析提供 理论依据 。 关键词 液压系统 键合 图； 动态仿真 中图分类号 T H1 3 7 ． 9 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 3 0 3 ～ 0 0 3 5 0 4 D y n a mi c C h a r a c t e r i s t i c s A n a l y s i s o f Hy d r a u li c P i p e s f o r Au t o mo b i l e S t e e r i n g S y s t e m F u n c t i o n Te s t Be nc h Y AN Z h o n g - h u a ， B AI Gu o - z h e n， Y ANG Y o n g - mi n g U n i v e r s i t y o f S h a n g h a i f o r S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 3 ， C h i n a Ab s t r a c t Ba s e d O U p o w e r b o n d g r a p h d i a g r a m me t h o d， t h e g e n e r a l ma t h e ma t i c a l mo d e l o f a u t o mo b i l e s t e e r i n g s y s t e m f u n c t i o n t e s t b e n c h’ h y d r a u l i c s y s t e m w a s e s t a b l i s h e d ． T h e i n fl u e n c e s o f p i p e l i n e p a r a me t e r s s u c h a s t h e l e n g t h o f p i p e l i n e ， t h e d i a me t e r o f p i p e l i n e a n d t h e v o l u me e l a s t i c mo d u l u s o f p i p e l i n e o n t h e h y d r a u l i c s y s t e m w e r e ma i n l y a n a l y z e d b y u s i n g MAT L AB ／ S I MUL I NK． T h e s t u d y r e s u l t s s h o w t h a t f o r t h e l o n g p i p e l i n e h y d r a u l i c s y s t e ms p r o l o n g t h e s y s t e m’ S d y n a mi c r e s p o n s e t i me ， for t h e s i z e o f p i p e l i n e d i a me t e r i s n o t h i n g t o d o wi t h t h e s y s t e m’ S d y n a mi c r e s p o n s e t i me， b u t l a r g e d i a me t e r p i p e l i n e i s c o n d u c t i v e t o t h e i n s t a b i l i t y o f h y d r a u l i c s y s t e m， I n c r e a s i n g t h e v o l u me e l a s t i c mo d u l u s o f p i p e l i n e i n t h e s y s t e m c a n i mp r o v e t h e d y n a mi c r e s p o n s e s p e e d a n d s t a b i l i t y ． T h e s t u d y r e s u h s p r o v i d e a t h e o r e t i c a l s u p p o r t for t h e d e s i g n o f h y d r a u l i c s y s t e m a n d for t h e a n a l y s i s o f p i p e l i n e d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c s y s t e m ； b o n d gra p h； d y n a mi c s i mu l a t i o n 0 引言 汽车转 向器功能试验 台液压 系统中 ．系统动态特 性的好坏不仅取决于液压 回路 中液压缸 、阀等元件 的 性能 ， 而且还取决于液压系统 中管路 的性能 ， 例如当系 统 中阀门突然关 闭时 。往往会在管路中产生强烈的液 压冲击 、 振动及噪声 ， 同时还会影响执行元件的工作， 这 时在液压系统动态特性的分析研究 中就必须考虑管道 的影响。本文采用功率键合图方法建立汽车转向器功 能 试 验 台液 压 系 统 的数 学 模 型 ，并 基 于 MA T L A B ／ S I MU UN K软件重点对转 向器至动力 油缸之 间压力油 管路 的动态特性 以及该段管路参数对液压转 向系统动 态特性 的影响进行 了研究 。研究结果为液压系统管路 的优化设计和动态特性分析提供了理论依据 。 收稿 日期 2 0 1 2 0 9 2 0 作者简 介 晏中华 1 9 8 6 一 ， 男 ， 湖北荆州 人 ， 硕士研 究生 ， 主要 研究领域 为机电一体 。 1 数学模型 1 ． 1 建立键合图模型 将 图 1所示汽车转向器功能试验台液压系统分为 4个子系统 ， 即液压管路子系统 、 控制 阀子系统、 液压缸 系统及负载子系统 ，采用功率键合图分别建立各子系 统 的键图模型 ． 进而建立起转 向系统的键 图模型。系统 原 理如 图 1 所示 。 1 一 进油管道2 一 转 向控制阀3 一 转 向油缸4 一 塞杆质量 5 一 活塞杆与负载连接刚度6 一 负载质量7 一 负载弹簧 8 - 外加负载干扰力9 一 负载阻尼 图 1 汽车转 向器功能试验台液压 系统 3 5 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 3年 第 O 3期 为了便于建立模型， 进行如下假设 ①假设油源为 恒压源， 系统功率损失可以忽略不计 ； ②忽略液压缸的 泄漏， 仅考虑容积效应和活塞的惯性； ③认为油液的密 度 、 黏度和弹性模量为理想状态 ， 不 因压力和温度的变 化而变化 ④不考虑 回油箱的压力 。 考虑管道的液阻 、 液感及液溶效应 ． 且假定液压缸 活塞从左向右移动 ， 则绘制键合图如图 2所示。 其中 S E 1为控制阀输入压源 ； 1 一 节点为键合图共流 节点 ； p 。 ， Q 为进油管道液感效应对应的压力和流量 ； p ， Q 分别为油液流经进油管道对应的压力 和流量 ； p ， ， P ， 分别为管道液阻所消耗的压力和流量 ； 0 一 节点为键合图 共势点 ； p ， Q 分别为进油管道液体压缩所存储 的压力 和流量； p ， Q s 分别为进入伺服阀阀口的压力和流量 ； p ， 分别为阀口液阻所消耗 的压力和流量 ； P ， Q 7 分别为 流人液压缸进油腔压力 和流量 ； p 。 ， Q 。 分别为液压缸进 油腔液体压缩所存储 的压力和流量 ； P ， Q 9 分别为液压 缸进油腔的压力和流量 ； T F为键合图能量转换器 ； 。 ， 。 分别为油液压力传递给活塞杆的力及速度； 为活塞杆 与缸体摩擦所消耗 的力和速度 ； E l 为活塞杆的 受力 ； 3 为活塞杆 的惯性力 ； l 0 。 。 。 2 ----- U 1 3 为活塞杆速 度 ； 分别为活塞杆与负载连接弹簧所 消耗的速度 ； 为负载 阻尼力 ； 为负载弹簧力 ； S E 3为负载力源 ； 为负载惯性力 ； 1 5 --- W l 6 -- ／．／ 17 l 8 ￡ ， l 9 为负载速度。 1 ． 2建立数 学模 型 由于状态方程是一 阶微分方程组 ．即各状态变量 都有导数关系 。而在键合 图中只有储能元件有导数关 系 ， 而且储 能元件对动态性能起 主导作用 ， 因此 ， 一般 选取惯性元 I 和容性元 C上 自变 量 的积分 为状态 变 量。本文选择 I 元和 C元上的能量变量为状态变量 ， 且 设系统状态变量为 ． 表示如下 Xl -- p l ， X 2 Q 4 ， X 3 Q s ， 4 1 3 5 O 。 ， 贾 6 O ， ， 7 O 。 依据键合 图推导状态方程的步骤 ．得阀控缸液压 系统的状态方程如下 X‘1 击 等 1 X 2 ／- x X 、 ／ 1 X A z一- 1 2 ， K 、 ／ 去 s A 3 。 一 s 4 s 1 xA 1 ， 5 X 6 -2 x X 6 一 鲁 -- -z x X 6- S B 7 2 MA T L A B ／ S I MU UN K系统仿真模型的 建立 2 ． 1 建 立仿真 模型 建 立 系 统 的 数 学 模 型 后 ． 利 用 M A T L A B 中 S I MU L I N K模块库 可以直接根据系统的数学模型来 创 建仿真模型既模型方块图。本文所建立 的模型比较复 杂 ， 直接用基本模块构成 的模型 比较庞大 ， 模型中信息 的主要流向不容易辨认 ， 因此 ， 通过状态方程建立 系统 中各液压元件的仿真模 型， 然后创建子系统 ， 最后根据 状态方程中变量间的关系连接各个子系统得到仿真模 型。最后进行整体封装 ， 一边为参数输入 ， 一边为仿真 曲线输出， 其仿真模型如图 3所示 。 尺阀 R 1 0 7厂 ≈ C1 R2 “ I P6 fQ 一 。 I V 管道 控制阀 液压缸 负载 图 2阀控缸 系统键合图 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ N 0 ． 0 3 ． 2 0 1 3 I 一 且 C 位移 廿 cI 一 I I 口 R i- 7 - 1 一．- 1 压 力 霉 E 7 ““ 7 “ - - - q X 足 l 1● L __ -J 流 量 口 SE3 A B e ta 速度 ～ [ e 图 3 阀控缸液压系统MA T L AB ／ SI MUUN K仿真模型 2 ． 2 影响系统动态特性参数的确定 表 1 影响系统动态性能的参数 3 仿真结果 据 以上分析 。 仅对液压缸活塞伸出进行分析 ， 活塞 缩回分析只需更改部分方程即可，对 总模块加一定的 输入信号 ，研究其输 出响应 ，即可了解系统的动态特 性 ， 为进一步优化系统参数提供依据。系统的输入为阀 芯位移 ， 其给定值 为 0 ． 3 ram， 输 出是液压进油 腔压 力。 采用 MA T L A B ／ S I MU UN K进行仿真 ， 运用 o d e 4 5算法。 液压系统 中， 管道用于连接液压源 、 控制机构及执 行机构等元件 。管路的安装位置、 结构尺寸 、 材料 、 力学 特性 以及液体 的物理特性均对系统动态效应有显著影 响。下面以管道各物理特性为变量对液压系统进行动 态仿真分析。 通过 比较 图 4 、 图 5可以看 出 液压管道越长则滞 后现象越严重， 4 m的液压管道将引起很长时间的滞后 ； 管道越长 。 则管道 占有的容腔体积越大。若使用液压软 管。 软管部分可以起到部分吸收液压冲击 的作用。可以 发现液压管道越长。 其到达稳定所需的时间也越长。 图 4 内径 1 0 mm 管长 4 m 液压缸进 油腔压力动态响应曲线 l 6 1 4 l 2 1 0 8 6 4 2 O 5 0 0 l O o o 1 5 0 0 2 O 0 o t ／ 1 0 - 4 s 图 5不 同液 压 管 道 长 度 时 液 压 缸 进 油腔 压 力动 态 响 应 曲 线 由图 6可 以得知 对于小管径液压管路 ， 其管路液 阻和液感较大 ， 系统响应速度较大管径变化不大 ， 系统 振荡幅值较小 ， 剧烈振荡时间较短 ； 对于大管径液压管 路 ， 其管路 的液阻和液 感较小 ， 剧烈振荡 幅度较大 ， 振 荡频率较高 ， 系统趋于稳定的持续时间较长 ， 系统最终 趋于稳定。 图 6 不 同液压管道 内径时液压缸进油腔压力动态响应曲线 图 7为 管材弹性模 量分别 为 E 3 O 0 0 MP a和 E 下转第 5 9页 3 7 Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 0 3 ． 2 0 1 3 图 6 YS多 级 油 缸 缩 回状 态 图 7 YS多级油缸避免涨缸 3 结论 烟台未来 自动装备有 限责任公司研 发的 Y S系列 油缸已经批量配套 国内很多的专业压缩车生产厂家． 很 大一部分油缸随车出口。通过在实际工况下的实验证 明， 本系列油缸质量可靠稳定 ， 能替代国外同类产品。 而 且 ， YS系列油缸经过多年设计优化 ， 成本得到了进一步 上接第 3 7页 7 0 0 0 MP a时 ， 液压缸进油腔的压力 冲击曲线。 由图 7看 到 ， E 7O 0 0 MP a时 ， 液压管道 内的流量流动平稳 ， 没有 出现很强烈的流量脉动和冲击。因此随着管材弹性模 量的减小 ， 液压缸进油腔会 出现明显 的压力 冲击 ； 管材 弹性模量增大 ， 液压缸进油腔的压力平稳。 o 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 l 0 0 0 1 2 0 0 t ／ I O - 4 s 图 7不同管材弹性模量液压缸进油腔压力动态响应 曲线 4 结论 1 在键合 图中 ， 利用变量间的因果关系可以很方 便地建立适于仿真 的状态方程。键合图法考虑了液压 系统中的非线性因素 ， 使得仿真结果更精确。根据键合 图所建立的数学模型， 可以直接列 出状态空间方程。 2 MA T L A B ， S I MU UN K提供了大量的模块及各种 仿真算法 ， 无需用户编程 ， 节省时间。同时 ， 仿真结果可 以导出，利用 MA T L AB的强大的数值计算和数据处理 降低 ， 质量更加优越。 与国内同类产品相比， 具有结构合 理 、 外形美观 、 运行可靠性高的特点 ； 与进 口产 品相 比， 价格优势很大 ， 且售前 、 售中、 售后服务及时、 周到。 随着 人们生活水平的提高 ， 环卫车辆潜在的市场需求会越来 越大 。 Y S系列油缸批量生产后不但能创造可观的经济效 益 ， 而且还会产生巨大的社会效益。该产品的性能及外 观足以和国外同类产品媲美 ， 且价格优势明显 ， 具有很 大的竞争力 ， 可完全替代进 口产 品， 为国内用户节省大 量资金。可利用价格优势冲击国际市场， 并逐步提高市 场占有率 ， 提高我国在该领域的技术地位。 参考文 献 ⋯秦 大同， 等． 现代机械设计手册[ M 】 ． 北京 化学工业 出版社， 2 0 1 1 ． [ 2 ] 雷 天觉， 杨尔庄， 李 寿刚． 新编液压工程手册 下册 【 M】 E 京 北 京理工大学出版社。 1 9 9 8 ． [ 3 ] 杨建国， 张兆营， 鞠晓丽， 谭建宇． 工程流体力学[ M 】 ． 北京 北京大 学 出版社。 2 0 1 0 ． 能力对仿真结果进行分析 。 3 根据键 合 图及 MA T L A B ／ S I MUL l N K建立 起来 的仿真模型 ， 可 以选择不同的结构参数 如管厚 ， 液体 体积 弹性模量 ， 流量系数等 对 阀控缸系统进行仿真计 算 ， 观察液压系统的动态特性仿真 曲线 ， 为液压系统的 分析和研究提供了有利依据 。 参 考 文 献 [ 1 】 翟大勇， 周志鸿， 侯 友山， 宗 光涛． 基 于 S I MU L I N K的压路机振 动 液 压 系统 管路 动 态 特性 仿 真研 究 [ J 1 ． 液 压气 动 与 密封 ， 2 0 1 0 ， 3 ． 【 2 】 赵宏强 ， 高斌， 李美香． 潜孑 L 钻机 回转液压 系统的建模 与仿真 [ J ] ． 计算机仿真， 2 0 0 9 ， 1 ． [ 3 】 葛振亮， 侯友 山， 姜勇． 工程 车辆全液压转 向系统管路 特生分 析[ J 1 ． 振动与冲击， 2 0 1 1 , 3 0 3 ． 『 4 】 田树 军， 张宏 ． 液压 管路动态 特性 的 S I MU L I N K仿 真研究[ J ] ． 系统仿真学报， 2 0 0 6 ， f 5 ． [ 5 】 王 中双． 键合 图理论 及其 在系统动力学 中的应用【 M】 ． 哈尔滨 哈尔滨工业大学出版社． 2 0 0 7 ． [ 6 】 王春行． 液压控 制系统[ M ] ． 北京 机械工业 出版社， 1 9 9 9 ． [ 7 ] 高钦和， 黄先祥， 郭 晓松 ． 机液一 体化系统 中液 压管路动态 特 性的建模与仿真研究[ J ] ． 中国机械工程， 2 0 0 3 ， 1 o ． [ 8 】 陈嫦 ， 唐进元． 基于 2 0 一 s i m 的减振器试验 台液压 系统键合 图 [ J 1 ． 工程程设计学报， 2 0 1 0 ， 5 ． 5 9 8 6 4 2 O 8 6 4 2 d ， q