某型艇车装卸液压系统数字仿真研究.pdf

液 压 气 动 与 密 J ／ 2 0 1 1年 第 6期 某型艇车装卸液压 系统数字仿真研究 杨建 峰 王 强 1 ． 解放军理工大学工程兵工程学院， 江苏南京 吴应奎 冯 国勇 0 2 1 0 0 0 7 ； 2 ． 6 3 6 0 2部队， 甘肃酒泉7 3 2 7 5 0 摘要 本文建立 了艇 车的动力学模 型， 运用 A D A M S对艇车装卸动作进行 了动力学分析 ， 得到了主油缸 的时域受力曲线 ， 建立 了艇车 装卸载液压系统的数学模型 ， 结合实际情况 ， 运用 S i m u l i n k对系统的动态特性进行了仿真分析 ， 为艇车装卸 系统 的进一步优化 、 改进提 供了依据 。 关键词 艇车 ； 装卸载 ； 液压系统 ； 仿真 中图分类号 T H1 3 7 ． 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 1 0 6 - 0 0 4 6 0 4 Di g i t a l S i mu l a t i o n f o r a n Au t o bo a t Tr u c k L o a d i n g a nd Un l o a d i n g Hy d r a u l i c S y s t e m Y A NG J i a n n g W AN G Q WU Y i n g - k u i F E N G G u o - y o n g 1 ． E n g i n e e r i n g i n s t i t u t e o f c o r p s o f e n g i n e e r s ，P L A U n i v ．o f S c i ．a n d T e c h ． ，N a mi n g 2 1 0 0 7 ，C h i n a ； 2 ． N o ． 6 3 6 0 2 U n i t o f P L A ，J i u q u a n 7 3 2 7 5 0 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e d y n a mi c mo d e l o f a n a u t o b o a t t r u c k wa s b u i l t ，t h e d y n a mi c a n a l y s i s o f t h e a u t o b o a t - t r u c k ’ S l o a d i n g a n d u n l o a d i n g me c h a n i s m w 舾 d o n e b y AD AMS ， a t i me d o ma i n f o r c e c u r v e o f t h e ma i n c y l i n d e r w a s a c q u i r e d ， a ma t h e ma t i c a l mo d e l o f ￡ l l e a u t o b o a d - t r u c k l o a d i n g a n d u n l o a d i n g h y d r a u l i c s y s t e m w a s c o n s t r u c t e d ． C o mb i n i n g w i t h t h e a c t u a l s i t u a t i o n ， t h e d y n am i c c h a r a c t e r i s ti c s o f the a u t o b o a d- t r u c k l o a d i n g a n d u n l o a d i n g h y d r a u l i c s y s t e m’ S s i mu l a t i o n a n a l y s i s wa s c a r rie d o u t b y Ma t l a b ／ S i mu l i n k ． T h e r e s u l t s p r o v i d e a the o r e t i c a l f o u n d a t i o n f o r t h e o p t i mi z a t i o n d e s i g n a n d a me l i o r a t i o n o f the s y s t e m． Ke y W o r d s a u t o b o a t - t r u c k； l o a d i n g a n d u n l o a d i n g ； h y d r a u l i c s y s t e m； s i mu l a t i o n O 引言 某型艇车是我军现役某型汽艇的陆地运输装备 。 在长期 的使用过程 中发 现其在装卸 载时存在低频抖 动 、 噪声大 ， 卸载到下止点或装载到上止点处时出现装 卸机构与主液压缸支座撞击 、 汽艇与托架撞击等现象。 本文建立 了艇车的动力学模型和 S i m u l i n k仿真模型 ， 通过仿真分析 ， 为装卸机构进一步优化 、 改进提供理论 依据。 1 艇车装卸机构工作原理及动力学分析 1 ． 1 装 卸载原 理 艇车装 卸机 构简 图如 图 1 所示 。艇 车卸载 时 ， 主液 压缸推动主臂绕主臂与基臂铰接点转动 ，转动到主臂 与基臂发生接触后 ，主缸再推动主臂和基臂绕基臂支 座转动． 从而完成汽艇 的卸载。装载时， 在主液压缸的 拉力作用下 ， 主臂和基臂先绕基臂支座转动 ， 当基臂放 收稿 日期 2 0 l o - l 2 0 6 作者简介 杨建峰 ， 解放军理工大学在读 硕士研究生 ， 主要从事机械及液 压系统数字仿真研究。 4 6 平后 ， 主臂再绕主臂与基臂铰接点转动 ， 从 而完成汽艇 的装 载 。 l 一 底 盘 车2 一辅 液 压 缸3 一辅 臂 4 一 吊架5 一 主液压缸支座6 - 主臂7 一 主液压缸8 一 基臂 9 一 基臂支座 l O 一 托架 l 1 一 锁紧具 1 2 一 滚轮支座 1 3 一 滚轮 图 1 艇车装卸机构简图 1 ． 2装卸载 动力 学分析 为精确仿真艇车装卸载过程 ，本文运用 P m， E于 A D A MS联合 的方式【 J 】 ， 在 P R O ／ E中建立艇车的参数化 模型， 对本文需要考察的装卸机构各模块如液压缸 、 基 臂 、 基臂 支座 、 主 缸支 座 、 主臂 、 辅 臂 等进 行精 确 的参数 化模型 ， 对底盘车和汽艇等进行简化 ， 将建立好 的三维 模型运用 Me c h a n i s m ／ P r o 接 口软件导人到 A D A MS中， 一 通过在 AD AMS中添加约束、 力和驱动来进行艇车装卸 箱， 其原理图如图 4所示。可以看 出， 平衡 阀在系统中 载 的动 力 学 分析 ，如 图 2所 示 为 A D A MS中 的艇 车 模 起 关键 作 用 ， 用 以保 证装 卸 载过 程 的平 稳 ， 防 止发 生失 型 。 速 。 2 ADAMS中 的艇 军 模 型 1 ． 3结果分 析及 处理 由于 艇 车装 载过 程 与卸 载 过程 相 似 ．本 文 以艇 车 卸载过 程 为重 点对 卸 载 过程 中主液 压缸 的受力 情 况 进 行分析 ， 同时设定液压力使主液压缸匀速推 出， 设定仿 真时间为 5 0 s ， 仿真步长为 0 ． 1 s ， 得到的主液压缸 受力 时域变化曲线如图 3所示 。 『一 一 z h u j ；a n g s l io u l i Ol I 1 、 、 ， ， | ／ | 、 ／ 、 ＼ ／ ＼ ／ r 、 一， ＼ ／ 0 0 J U U 2 0 U 3 0 U 40 0 2 , 0 U li m e／ sz 图 3 卸载工况主缸受力曲线 从 图 3可 以看 出 ， 0 s 、 4 ． 9 8 s和 4 2 s时受到 三个 冲 击 。这主要是由艇车装卸机构各零件之间发生碰撞接 触产 生 的 ； 由于汽艇 重心 的移 动和力 臂 的变化 ， 1 9 ． 8 s 时 艇车卸载到中点 ， 此时主缸受力最小 ， 此点前后液压缸 的受力方 向发生翻转 ， 由此前的受压力转变为受拉力 。 从分析结果可以看出 ，艇车装卸载过程中主缸受摆动 负载 。 为了便 于下文 中艇车液压 系统的全过程仿真 ， 需 要求出卸载过程 中主缸的受力方程 。求解采用 Ma t l a b 对动力学仿真数据进行拟合 ，去掉数据中的奇异点后 得 出的卸载 过程 液压缸 受力 方程 如下 f 一 1 ． 6 x 1 0 3 t 1 ． 9 x l t 2 - 9 ． 8 x 1 0 4 t 3 x 1 0 J 『_ { 一 7 f 5 ．1 l O t2- 1 ．9 x 1 0 2 ．2 x l O 1 l 一3 ． 9xl OZ t -8 x1 0 4 2 液压 系统数学模型 2 ． 1 系统 原理 某 型 艇车 装 卸液 压 系统 采用 平衡 回路 ，从 液 压泵 出来 的压 力 油经 过 卸 荷 阀 、 换 向阀 、 进 油 管 、 平 衡 阀 推 动液 压缸 动作 ． 回油 经过 平衡 阀 、 回油 管和换 向 阀 回油 图 4液 压 系 统 原 理 图 本文第一部分已经得出了艇车卸载过程主缸 的受 力 ，因此液压系统建模时也着重就艇车卸载工况进行 讨论。艇车装载工况、 辅臂动作工况的建模可参照卸载 工况 。 2 ． 2 系统功 率键 合 图 功率 键合 图是 用 图形方 式 来描 述 系统 中各 个 元 件 的相 互关 系 ，能反 应元 件 之 间 的负载 效 应及 系统 中功 率的流动情况 ，还可以表示 出与系统动态特性相关的 信息 ， 功率键合图形象直观 ， 而且能方便地考虑液压系 统 中油管 的容性 、 感性和阻性效应 ， 所以利用功率键合 图法建立 的数学模型与实际情况接近 ，且通过功率键 合 图可以很容易的得到系统的状态方程 翻 。经过简化 后 ， 艇车卸载工况液压系统的功率键合图如图 5所示。 图 5踱 压 系统 功 翠 键 合 图 模 型 图中 c b 、 。 、 C 液 压泵 及进 、 回油 管液 容 ； 、C 液压 缸有杆 腔及 无杆 腔液 容 ； 尺 、 R 厂进 、 回油管 液阻 ； 主液压 缸 内泄漏 液 阻 ； R 2 、 厂主液压 缸摩 擦 阻尼 ； ， 、尺 2 、 尺 3 、 R 4 平 衡 阀各 阻尼孔 阻尼 ； R R厂进 、 回油 管液 阻 ； ， l 、 ， 厂主液压缸活塞及杠杆等效质量 ； ，、 、卜进 、 回油管液感及平衡阀阀芯质量 ； K 平衡 阀等效 弹簧 刚度 。 47 液 压 气 动 与 密 封， 2 01 1年 第 6期 2 ． 3系统数学模型圈 1 平衡 阀 阀芯力平 衡方程 。 p。 K 慨 2 n n 2 主缸进油腔及平衡阀控制腔流量连续性方程。 g l ； A C l p I - p 2 [ R 4 A 3 式中 A 主缸无杆腔压力油作用面积 ； A 平衡 阀控制腔作用面积。 3 主缸回油腔流量连续性方程。 A y y C yp 2 q L - p l - p 2 [ R 4 4 式中 ， 主缸有杆腔压力油作用面积； q _流过平衡阀限速阻尼孔的压力油流量， 且 口 L c b 、 ／ 2 p 2 _ p ， p 5 4 主缸活塞力平衡方程 。 A4 9 z Ry F M， A o 2 6 式中 主缸综合摩擦阻尼 ， 2 3 ； 一 活塞及杠杆综合质量 ， ， 。 ， 2 。 5 卸荷阀及换 向阀压力平衡方程。 p g l Rlq b 7 6 回油路换向阀压力平衡方程。 p s - p o Rt q b 8 7 管路模型。 将液压管路分为 9段[4 】 ， 分段建 立管路数学模 型， 其第 段的数学模型如下 ， g 9 k R g q k J 9 lq k3 tit 。 一 “ 8 液压泵模型。 将液压管路分为 9段 ，分段建立管路数学模型[5 1 ， 其第 K段的数学模型如下 一 一 l iP b 2 P b 2 一 8 式 联立得 系统 的状态 方程为 48 p 一 2 g x - x F 神 ⋯ p z - ’ - - A ry ’ - K - 3 液压系统仿真及结果 3 ． 1 S i mu l i n k仿 真模型 在艇车装卸机构液压 系统模型的建立中充分利用 了 S i mu l i n k所提供的建立子模块的方法 ，采用先创建 原件仿真模型， 再创建液压大系统仿真模型的方法[5 11 6 ] 。 建立每个液压元件可重复利用 和易于参数修改的子模 块 ， 在系统大模型建立时， 对各子模块进行连接即可建 立系统的仿真模型 。模块为黑箱结构 ． 只通过输入输出 与外界联系 ， 通过参数定义界面 ． 可由用户对元件的参 数进行赋值或实时修改。如图 6所示为系统 S i mu l i n k 仿真模型。 图 6系 统 S i m u l i n k仿 真 模 型 3 ． 2仿真结 果 由于艇车的卸 载过程液压缸受力情况较复杂 ， 本 文着重就负载下降工况和摆动负载工况进行考察。图 7 ～ 图 l 0分别为平衡 阀速度 、 主缸速度及压力响应。如 图 1 1 所示为液压缸压力在实际负载下 式 1 表示的 负载 的响应曲线。 图 7 负载下降工况 平衡阀速度响应 图 9 负载下降工况 主 缸 进油 压 力 l ； j ； t - 一 [ 一 rr～ 【 一 L LL～ ‘ I f ， s 图 8 负载下降工况 主缸速度响应 图 l 0 负载下降工况 主 缸 回油 压力 过 程进 行 了动力 学仿 真 ，得 到 了液 压缸 的时域 受力 曲 线 ， 结果表 明， 液压缸在艇车装卸载过程 中承受摆动负 载 和冲击 载荷 。 2 利用功率键合图得到了液压系统的状态方程 ， 并用 S i m u l i n k对液 压 系统 在 承载 下降 工 况下 的 阶跃 响 应 特 性 和 摆 动 负 载 工 况 下 的 响应 特性 进 行 了 动 态仿 真 ，可 以很 直 观 的看 出 冲击 载荷 和摆 动 负载 对液 压 系 统 的影 响 ， 为装 卸 载液 压 系统 系统 的 进一 步优 化 、 改进 提供了理论依据 。 3 A D A MS与 Ma t l a b ／ S i m u l i n k结合 ， 进行 了液压 系统的时域全过程仿真， 具有一定的创新性 。 参 考 文 献 【 1 】 陈立平． 机械系统动力学分析及 A D A MS应用教程【 M 】 ． 北京 清华大学出版社 ， 2 0 0 5 ． 【 2 】 王 中双． 键合 图理论及其在系统动力学 中的应用【 M 】 ． 哈尔滨 哈尔滨工程大学出版社 。 2 0 0 0 ． [ 3 】 [ 澳大利亚] P ． 德兰斯 菲尔德． 液压控制 系统的设计与 动态 分 析[ M】 ． 北京 科学 出版社 ， 1 9 8 7 ． 【 4 】 庞积伟． 流体 管路 动态 特性模 型新解 [J l 机 电工程技术, 2 0 0 1 [ 5 】 刘 恒丽． 节 流调 速液压系统 静动态特性及 数字仿真研究【 D 】 ． 广西 广西大学 ． 2 0 0 5 5 ． [ 6 ] 陈杰． Ma t l a b宝典[ M】 ． 北京 电子工业 出版社 ， 2 0 0 7 ． 1 0 跫 固 一 O 一1 1 0 6 臂展开摆动负载工况主缸无杆腔压力响应 蘸 豳 三, ； J_zzzxz i- 囱 ⋯ L L 上 一_IL 弱 I． L l I l ⋯ L { 2 5 3 O t ／ s ．L ． L ． I I 芒 35 4 0 ／1 十H j j 一 I ． 3 一 ■ ． i， ⋯ ； 一 E ．j 三 鞋 主j 三 了 差兰目 4 9 0 H 9 5 5 0 0 5 9 5 51 0 4 2 O I 4 2 2 4 2 4 4 2 6 4 2 8 4 3 0 S 图 1 1 摆动负载工况主缸压力响应 从 图 7 ～ 图 1 0可 以看 出 ． 系统在 阶跃 负 载下 响应 时 间大约为 l s ， 响应超调较大 ， 初 始时由于液容 、 液感等 因素影响有一个高频振荡 。从 图 1 1可以看出 ， 液压缸 压力 响应 与 外 负载 的变 化 过程 趋 势 紧密 相关 ，外 负载 的跳变对系统产生较大的冲击。 4 结论 1 本文利用 P r o ／ E和 A D A MS联合对艇车的装卸 - 一 一一 一 - - - * - 上接第 4 5页 ∑ 2 o 假 设液 压 柱塞 泵在 出 口压 力 位 1 3 ． 5 MP a时 ，斜 盘 的摆角与降低刚度前一致 ，则现在弹簧的压缩长度增 加 ， 增加值等同于零流量时的增加量， 为 。 设原来弹 簧在 1 3 ． 5 MP a的压缩量为 ， ， 则现在弹簧的压缩量为 2 。 由于液 压柱 塞 泵斜 盘 摆角 没 有变 化 。且 液 压柱 塞 泵 出 口压 力均 为 1 3 ． 5 M P a ， 所 以式 1 9 与式 2 0 中 M 2 2， M 3 3， M 4， M 5 M s， M6 6， M 7 M 7， M s M 8， M s 降低刚度前弹簧力矩为 Mt 一 降低刚度后弹簧力矩为 一 L a f t 得出∑ 一 ∑ 一 一 L E 一 △ 2 1 将式 1 8 代入式 2 1 得 一 a t , LAF , Ax 2 1 显然 ， 调 压弹 簧在零 流量 压力 点 的压 缩量 ． 大 于 调压 弹簧在 1 3 ． 5 MP a时 的压缩 量 ， ，即 A x ． A x ， ， 所 以∑ ∑ 0 。 因此弹簧刚度减小后 ， 在 1 3 ． 5 M P a这一压力点 ， 斜 盘总力矩小于零 ， 斜盘摆角将增加 ． 液压柱塞泵流量将 上升 ， 直至斜盘总力矩平衡 。因此通过降低该型液压柱 塞泵调压 弹簧的刚度值可 以解决最 大前流量压力点前 移 的 问题 。 4 结论 本文 结合 实际 问题 针对 作 用 于某 型液 压 柱塞 泵斜 盘力矩进行 了分析研究。通过分析、 计算， 提出了降低该 型 液压 柱 塞泵 调 压 弹簧 刚度 以解决 液压 柱 塞泵 最 大全 流量压力点前移的故障。在实际操作过程中， 重新设计 调 压弹簧 ， 降低 其刚度 ， 通过 试验 验证 ， 解决 了该 型产 品 最 大全流量压 力点前 移的问题 。由此 可以看 出对 斜盘力 矩 的分 析研究 是液压柱 塞泵设计 过程 中的重要环节 。 参 考 文 献 【 1 】 李 玉琳 主 编． 液 压元 件 与 系统 设 计[ M ] ． 北京 北 京 航 空航 天 大 学 出版 社 ． 1 9 9 1 ． 【 2 】 王 占林． 飞机高压液压 能源 系统【 M】 ． 北京 北京航空航天大学 出版 社 ． 2 0 0 4 ． 【 3 】 朱钰． 轴向变量柱塞泵斜盘力矩的研究【 J J ． 船海工程 ， 2 0 0 8 6 ． 49 。