基于DSHW的液压管道动态特性仿真分析.pdf

信 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 9 - 9 4 9 2 ． 2 0 1 5 ． 0 4 ． 0 1 2 基于 DS HW 的液压管道动态特性仿真分析 李艳红 ，刘修泉 ，郁凯元 1 ． 广州番禺职业技术学院 机电工程学院，广东广州 I 5 1 1 4 8 3 ；2 ． 东南大学机械工程学院， 江苏南京 2 1 0 0 9 6 摘要首先介绍了液压管道模型， 并建立了管道分布参数和有限分段集中参数数学模型，采用特征线法对分布参数模型进行求 解，同时对管道粘性摩擦阻力进行了计算 ，将这两种模型算法引入液压系统动态仿真软件D S H W中。以水锤现象为仿真实例， 采用D S H W软件分别对这两种管路模型进行仿真计算，分布参数模型虽然复杂 ， 但是计算精度较高，分段集中参数计算精度较 低，但模型较为简单，计算参数少。 关键词液压管道 ； 分布参数 ；有限分段 中图分类号 T P 2 4 2 文献标识 码 A 文章编号 1 0 0 99 4 9 2 2 0 1 5 0 40 0 4 30 4 Si mul a t i o n a nd Ana l y s i s o f t he Hy dr a ul i c Pi pe l i ne Dy na m i c Ch a r a c t e r i s t i c s Ba s e d o n DS HW LI Ya n-h o n g ， LI U Xi u -q u a n ， YU Ka i - y ua n 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r o n i c，Gu a n g z h o u P a n y u P o l y t e c h n i c，Gu a n g z h o u 5 1 1 4 8 3，C h i n a ；2 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g ，S o u t h e a s t U n i v e r s i t y ，N a n j i n g 2 1 0 0 9 6 ，C h i n a Abs t r a c t Fi r s t l y t he mo d e l s o f t h e h y d r a u l i c p i p e l i ne we r e i n t r o d u c e d， a n d t h e ma t h e ma t i c a l mo d e l s o f t h e d i s t r i b u t i o n p a r a me t e r a n d l i mi t e d s e c t i o n p i p e l i n e we r e e s t a b l i s h e d ．Th e d i s t rib u t e d p a r a me t e r mo d e l i s s o l v e d b y t h e c h a r a c t e ris t i c l i n e me t h o d， t h e p i p e l i n e V I S C O U S f ric t i o n r e s i s t a n c e wa s c alc u l a t e d ． Th e s e t wo mo d e l a l g o ri t h m i s i n t r o d u c e d i n t o t h e h y d r a u l i c s y s t e m d y n a mi c s i mu l a t i o n s o f t wa ／ e DS HW．F o r e x a mp l e wa t e r h a mme r ， b y DS HW s o f t wa r e t h e two p i p e l i n e mo d e l wa s c a l c u l a t e d ．Th e d i s t rib u t e d p a r a me t e r mo d e l i s c o mp l e x ， b u t t h e p r e c i s i o n i s hi g he r ．Th e s e c t i o n a l l u mp e d p aram e t e r mo d e l i s r e l a t i v e l y s i mp l e， l e s s c a l c u l a t i o n p a r a me t e rs， t h e a c c u r a c y i s l o w． Ke y wo r d s h y d r a u l i c p i p e l i n e ；d i s t rib u t e d p a r am e t e r ；l i mi t e d s e c t i o n O引言 在液压传动及控制 系统 的分析中 ，管道动态 特性的研究在理论上和实践上一直是人们所关注 的重要课题。流体传输管道实质上是一分布参数 系统，其模型中含有复杂的贝赛尔函数和双曲函 数，这给模型的解析与应用带来很大的困难。以 前在分析液压管道系统动态特性时 ，要么忽略管 道动态特性 的影 响 ，要么将 管道 当作一个容腔来 处理。随着人们对系统动态性能要求的提高和液 压机算计辅助设计的发展，液压动态仿真具有特 别重要的作用，而且愈来愈向高精度、高准确度 方 向发展 ，管道 的分布参数模 型的近似 ，已逐渐 成为人们所关注的领域n 卅。 D S H动态仿真程序是由德国亚琛工业大学液 压气动传动及控制研究所 开发 的，它是一种 比较 成功的液压系统动态特性数字仿真专用程序系 统。D S H面向液压系统原理图建模，具有丰富的 模型库 ，并且可以扩展。 D S HW是在 D S H基础上 进行改进，具有友好的人机对话界面，扩展管道 分布参数的算法模型库 ，增加 了相应的算法 ，可 以方便地对细长管道进行 动态特性分析与计算嘲 。 1 液压管道模型 管道的数学模型有三种集中参数模型、分 布参数模型和有限分段集中参数模型。管路的集 中式参数模型把 系统 中的管路 当作一个液阻来处 理。当管路比较简单 、管径与管长比值较大时， 收稿 日期 2 0 1 41 1 2 1 匿受 、 制造业信息化 模型较为实用。分布式参数模型有连续式和离散 式两种 连续式参数模型把系统 中较长的管路看 作 由液阻 、液感和液容元件所组成的网络 ，这种 模型在理论上比较精确 ，但数学处理比较复杂， 是处理长管道的常用方法。有限分段集中参数模 型即是离散式分布参数模型 ，处理 比较简单 ，参 数物理意义明显 ，较适用于工程领域 。 1 ． 1 管道的分布参数模型 1 ． 1 ． 1 基本方程 圆管内一 维非恒定流动是用平均流速 代表 轴 向速度 ，流量与压力分别为 Q和 P。在考虑具 有分布参数的管道动态特性时，取管内厚度为 的微小流体脱离体 ，如图1 所示。 _ ． ■ h 一 ● ■ _ } 一d x l ． r， ，，，，，，，，， ，，， ，，，，，，，， ，，，，、 P ● 一p { ，， ，，，，，，，，／ ，，． ，，，，，，， ／，／ 图1 管道分布式参数模型 O P 十 p 面O v Q 一 1 2 0 v O P 0 p一 ’ C L P z Q 一 下c a t Q Q 】 c P 。 一 z Q 。 [ Q Q 。 ] 3 _ 图 2特征 网格 的P和Q值 ，还要给定相应的边界条件 ，以确定 P 或Q 或两者间的某一关系。对左端1 可列出式 p一 2 Q , - 消去 得 aQ 消去 得 p 舫栅 惝 武 消去 c 删 得 Q 一 b 这样可 以根据式 2 、 3 ，式 a 及其边 界条件 ，式 b 及其边界条件求出管道得瞬态响 应。 1 ． 1 ． 2 粘性摩擦阻力的计算 前面式 中f Q 是管道上的摩擦力损失 ，对 非定常流动 ，它不仅与流速有关 ，而且还与流速 变化率有关 。W． Z i e l k e E9 J 根据纳维一 斯托克斯方 程推出非定常层流时单位长度内压力水头损失为 卅等I 4 其 中W t 称为权函数。 式 4 粘性摩擦阻力项可分为稳态和动态摩 擦 ，即 Q Q Q 5 层流时 Q 1 2 8 p t , Q l t r D 紊流时 Q 0 ． 2 1 3 p Q 。 。’ ／ D 6 式 5 第二项是动态摩擦项 。 T r i k h a 蚓 的计算模型如下 李艳红 等基于D S H W的液压管道动态特性仿真分析 制造业信息 f d f 』 1 y j t y j t - A t e x p - n j v ／ r m j [ Q t - Q t - a t l ／ A 7 r nj 、 用待定系数法确定 。 式 7 中Q ￡ 是未知的，许多文献采用均 值 的方法近似吲，即 Q i t △ l [ Q i 一 1 Q l 】 8 按 7 、 8 式计算只用到前一时刻的数 据，大大提高了计算精度 ，但 由于此式的近似 ， 在 较 大时计 算误差较大 ，因此香川利治在 T r i k h a 算法基础上对y i t A t 近似作了修正 ，并根 据 Z i e l k e 方 法的计算精度重新给 出了指数 函数 的 项数和各系数的值。即有 y i t A t y i t e x p 一 n i v A t ／ r 、 一 mi e x p 一 n i v A t ／ r 。 ／ 2 O a t 一 I ， c 】 9 这 时动 态摩 擦项f d Q ∑ lO 1 式 9 中in 和n i 为待定系数 ，详见参考文 献【 1 】 。 焦宗夏 提出了一种管道频率相关摩擦模型 的改进算法 ，如下所示 △ y t e x p - n i v a t ／ r - m [ P x h x ，t - P x ，￡ ] 在方程的右面不含时刻 t A t 的变量值 ，所以每步 的竹都可以通过前段时间的状态值求得。可以避 免迭代运算 ，简化了计算程序，提高了计算精度。 1 ． 2 管道的有限分段集中参数模型 如图3 所示 ，把一根长的等径直管分成有限 的数 目，每一段的压力 、流速均看作不变 ，均有 液溶 、液感 、液阻。以第 n 段为研究对象 ，由连 续性方程可得 一 P 0 ． a --． 一 1 P 2 一 2 ．f _， 一 2 l 图3 液压管道的有限分段集中参数模型原理图 警 - Q c 再 由牛顿定律得 _ 广 一 z 警 同理 ，以第 1 ，2 ，3 ⋯n 一 1 为研究对象有 警 A 1 z警 - 广 A P J一 巩 ‘ 。。 Al 综合上述可得 警 i-- Vi“- 1 ． 1 警 。 ／A ／ q ，2 ，⋯ 警 E O Z Z - Q c B 8 pu l P0P 式 2 0 即为管道有限分段集中参数模型的 基本方程式 2 仿真分析 如 图4 ，入 口处 为一蓄能器 ，相 当于一恒定 压力源 ，管的人 口端为开关阀门 ，开始时是关闭 的，管末端接一节流阀，节流阀关闭。突然打开 阀 门 ，此 时管路 中就会 产生 压 力波 动 。被 称 为 图4 液压管道装置原理图“ 水锤现象。这里以水锤现象为仿真实例 ，管路 模型分别为分布式参数模型、分段集中参数模 型。其具体参数如下管长L 3 ．5 m，管直径D 0 ． 0 0 4 m，流体密度 P 8 7 0 k g ／ m ，流体的弹性模 量 E 7 0 0 M P a，运动粘度 4 1 0 i n ／ s，入口 压力为 P 1 0 M P a 。对两种管道模型分别进行仿 真，管封闭端压力动态过程的仿真结果如图5 、6 所 示 。当分 别 改 变 管 长 1 m和管 径 D 0 ． 0 2 m ，得到仿真结果如图7 、8 所示。在管道分 布式参数模型中，采用不同的摩擦项模型，得到仿 业信息化 图5 有限分段集中参数模型压力仿真曲线 d 0 ． 0 0 4 m，／ 3 ． 5 m 门 f ／ ／ ＼ ／ ⋯ ＼、_ ， 0 0 ． 0 1 0 ． O 2 0． 0 3 0 ． 04 时 间 s 图6 分布式参数模型压力仿真曲线 d 0 ． 0 0 4 I T ／ ，l 3 ． 5 m 真结果如 图9 。从仿真结果 中可以得出如下结论。 1 可 以看出 ，有 限分段集 中参数模型与分 布式参数模型 的仿真 比较 ，前者误差表现为仿真 频率与管路的固有频率存在一定的差值和仿真压力 波的衰减较实际压力波衰减慢两方面。有限分段集 中参数模型 的分段数越多 分段数分别为 2 、3 、4 段 ，频率与分布式参数模 型越接近 ，与特征线法 相 比较 ，仿真压力波衰减慢得多 ，这是 因为分段 集中参数模型的摩擦力是以层流时的静摩擦力模 型来计算的，未考虑动态摩擦项和紊流时的情况。 2 管道 的长度直接影响水锤 的压力振荡周 期 ，如图7 、8 所示 ，直径均为 0 ． 0 2 m，管道长度 为 3 ． 5 m时 ，压力振荡周期约为 1 1 m s ；管道长度 为 l 5 ．1 6 m，压力振荡周期为 5 0 m s 左右。可见， 管道越长，压力振荡周期也越长。 3 管道 的内径直接影响水锤 的压力衰减速 度 。如图6 、7 所示 ，管道长度均为3 ． 5 m，当管道 的内径为0 ．0 0 4 m，过一个压力振荡周期 ，压力波 振 幅减为 1 5 M P a ，当管道 的内径为 0 ． 0 2 m，过一 个压力振荡周期 ，压力波振幅减为 l 8 ．7 5 M P a 。 由此可知 ，管道 的内径越小 ，压力波振幅衰减得 越快 。 4 图 9 为 T r i k h a 和香川利治 两种模型 的仿 真曲线 ， 据文献[ 1 1 】 ，当时间步长大时，香川利治 模型具有比较高的精度 ，但当时间步长 比较小 管道 分割数为 2 O，时间间隔 为 1 ． 3 9 E 一 4秒 ， 由仿真可知两种模型的计算精度是一致的。 ’ ＼ 厂。 ． 厂 ＼ ／ J ／ ＼ ／ f f ＼ ／ J ．．．．-_J 、 - -．J 0 0。 01 0． 02 0． 03 0． 04 时 间 s 图7 分布式参数模型压力仿真曲线 d 0 ． 0 2 m，l 3 ． 5 m ／ 一 ， ／ ．， ／ ／ ＼ ● ● ● ● _ _ ● _ ． ． ” 1 I ＼ ． 、 ＼ ’ J ＼ 0 0． 0 5 0． 1 0． 15 0． 2 0． 2 5 时间 s 图8 分布式参数模型压力仿真曲线 d 0 ．0 2 m，／ 1 5 ． 1 6 m 图9 两种摩擦模型的仿真曲线 下转 第7 1 页 坫 s 0 拍 加 5 0 d 埘 R 5 O 它 鱼一 R 王义平 等 红外成像 法在G I S 设备 S F 6气体检 漏的应用 1 检漏时可避免测试人员攀爬 设备等高处 作业 ，能与高压带电设备保持足够的距离，保证 了人身安全 ； 2 红外成像法不受夜晚或光亮限制 ，适用 性好 ，对现场设备检漏以平 面为单位进行成像记 录 ，区别 于传统方式的逐 点检测模式 ，提高了检 测效率 ； 3 G I S 设备 的结构和外观具 有不规则 的特 点 ，红外成像法能检测到传统方法无法触及的盲 区部位 。 参考文献 [ 1 ] 孟玉婵，朱芳菲． 电力设备用六氟化硫的检测与监督 [ M]． 北京中国电力出版社 ，2 0 0 8 ． [ 2 ] 佟志 勇，甄利 ，张远超 ． S F , 开关设备检漏及 漏点处理 现场实践 [ J ]． 高压电器，2 0 1 0 5 9 2 9 4 ． [ 3 ]杨振宇，何正兴，俞澄一． 晋陵变2 2 0 k V G I S的漏气 检 修及 其相 关 问题[ J ]．高压 电 器，2 0 1 0 6 93-9 7． [ 4 ]张新 中．气体绝缘 开关柜漏 气 问题的 分析与 处理 [ J ]． 高压 电器 ，2 0 1 0 6 9 3 9 6 ． [ 5 ]王伟 ，冯新岩，牛林，等． 利用红外成像法检测G I S 设 备 S F 6 气体 泄 漏 [ J ]．高压 电 器 ，2 0 1 2 4 8 4 -8 6． [ 6 ]张军，张虹． 负电晕放电在s F 气体泄漏检测中的应用 研究 [ J ]． 仪表技术与传感器，2 0 1 0 6 1 0 7 1 0 8 ． [ 7 ]徐元哲，刘县，胡智慧，等． 光学式S F 6 断路器的泄漏 检测技术 [ J ]． 高电压技术，2 0 0 9 2 2 5 0 2 5 4 ． [ 8 ]吴变桃 ，肖登明，尹毅． G I S中s F 6 气体泄漏光学检测 新技术 [ J ]． 高压电器，2 0 0 5 2 l 1 6 1 l 8 ． [ 9 ]吕超 ，胡晓光． 基 于吸 附势理论 的s 高压 电器设 备 气体 绝缘 状 态预 测 [ J ]．中国电机 工程 学报 ， 2 0 0 6 1 1 5 1 - 1 5 4 ． [ 1 0 ]G B ／ T 8 9 0 5 2 0 1 2 ． 六氟化硫电气设备 中气体管理和检 测导则 [ S ]． [ 1 1 ]D L ／ Y 6 1 8 2 0 1 1 ． 气体绝缘金属封闭开关设备现场交接 试验规程 [ S ]． [ 1 2 ]河南平高电气股份有限公 司． Z F 1 1 - 2 5 2 L 型气体 绝缘金属封闭开关设备 [ Z ]． 2 0 1 2 ． 第一作者简介王义平，男 ，1 9 8 2 年生，湖北公安人，高 级工程师、高级技师。研究领域发电厂电气设备技术管 理 。已发表论文 l 3 篇 。 编辑 向飞 - 卜- ’ 一 ’ 一 - - - - 一- - 一- ’ 一 - - - - ● 一- ’ 一- - - - 一 - - -4 - 上接 第4 6 页 3 结论 介绍 了流体管 道三种数学模 型的基本理论 ， 特别对流体管道的瞬态特性通常采用的特征线法 和分段集中参数模型作了详细的推导和说明。然 后 以水锤现象为仿真实例 ，分别对这两种管路模 型进行仿真 ，验证算法 的正确性 。与特征线法和 分 布参数 模 型相 比 ，分段 集 中参数 模 型较为 简 单，计算参数少 ，虽然计算精度较低 ，但在许多 工程应用场合中还是比较适用的。最后，将这两 种模型引入液压系统动态仿真软件D S H中，大大 提高液压系统动态仿真 的精度。 参考文献 [ 1 ]田树 军，张宏． 液压管路动 态特性的S i m u l i n k 仿真研 究 [ J ]． 系统仿真学报，2 0 0 6 5 1 1 3 6 1 1 3 8 ． [ 2 ] 高成 国 ，林 慕义 ，侯 金 平． 工程 车辆全 动 力制 动 系统 液压管路 建模与仿真 [ J ]． 工程机械 ，2 0 1 0 1 42-4 5． [ 3 ]刘伟 ，杨华勇，徐兵，等． 高压断路器液压操动机构 管道 特 性研 究 [ J ]． 农业机 械 学报 ，2 0 1 0 1 1 82 -l 8 7． [ 4 ]万会雄 ，黄辉，黄海波． 超长液压管道压力损失的计 算 与 试 验 分 析[ J ]． 液 压 与 气 动 ，2 0 0 9 1 0 2 3-2 5 - 卜- 一 ● 一 - - - [ 5 ]郁凯元． 应用D S H W软件进行液压动态仿真 [ z ]． 东 南大学液压与气动技术研究室．2 0 0 3 ． [ 6 ]谢英俊 ，陈鹰． 液压均衡 系统的管道动态分析 [ J ]． 液压气动与 密封 ，1 9 9 8 1 1 8 2 1 ． 1 7 J E rne s t 0 ． D o e b e l i n ．S Y S T E M MO D E L I N G A N D R E ． S P ON S ET h e o r e t i c a l a n d E x p e r i me n t a l Ap p r o a c h e s [ M]． J o h n Wi l e y a n d S o n s ，1 9 8 0 ． [ 8 ]蔡亦钢，盛敬超． 液压管道的快速高精度特征线法分 析研究 [ J ]． 浙江大学学报。1 9 8 6 3 2 l 一 3 1 ． 1 9 J W． Z i e l k e ， F r e q u e n c e D e p e n d e n t F ri c t i o n i n T r a n s i e n t p i p e F l o l w， T r a n s ， AS ME， S e r ． D ， v o 1 ． 9 0， Ma r c h ， 1 9 6 8 ． [ 1 0 ] A． K ． T ri k h a ，An E f fi c i e n t Me t h o d f o r S i m u l a t i n g F r e q u e n c e De p e n d e n t Fri c t i o n i n T r a n s i e n t l i q u i d F l o w， T r a n s ， AS ME， S e r ．I ， Ma r c h ， 1 9 7 5 ． [ 1 1 ]蔡 亦钢． 流体传输管道动态过程的基础研究及应用 [ D]． 杭州浙江大学，1 9 8 7 ． [ 1 2 ]焦宗夏，蔡亦钢，盛敬超． 液压管道频率相关摩擦模 型的改进算 法 [ J ]． 浙江大学学报 ，1 9 8 8 S I 6 1 - 6 4 ． 第一作者简介李艳红 ，女，1 9 7 3 年生，湖北汉川人，硕 士 ，工程师。研究领域 机电控制技术。已发表论文 l 1 篇。 编辑 向飞