基于仿真技術小型液壓搗固機液壓系統(tǒng)的研究

王 楊，杜海若

（西南交通大學 機械工程學院，1.碩士研究生，2.教授 四川 成都 610031）

鐵路道床的搗固作業(yè)，是鐵路養(yǎng)路工作的關鍵工序之一［1］。我國大型養(yǎng)路機械從上世紀80年代投入使用，至今已初具規(guī)模。但是大型養(yǎng)路機械具有局限性，使用成本高，天窗時間要求較長。因此，對一些小型的養(yǎng)護任務顯得不符合實際意義和經(jīng)濟效益。而中小型的養(yǎng)護機械就具備了靈活便捷的優(yōu)勢，其發(fā)展也具有現(xiàn)實意義。XYD小型液壓搗固機就是用于鐵路保養(yǎng)、維修以及新建道床搗固作業(yè)的專用小型機械，具有操作方便，使用靈活等優(yōu)點。

以往的液壓系統(tǒng)主要是憑借工程師自身的知識、經(jīng)驗及試驗進行設計及改進，而結構參數(shù)對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響卻無從判斷，難于提出正確的改進方向。現(xiàn)在利用仿真可得出的實時數(shù)據(jù)，可以指導改進直到符合實用要求。這是因為經(jīng)過幾十年的研究，液壓仿真軟件的性能已從原來的低精度、低速度，發(fā)展到高精度、高速度；從只能處理單輸入、單輸出的線性系統(tǒng)，發(fā)展到能處理多輸入、多輸出的非線性系統(tǒng)；從復雜的編程輸入，發(fā)展到友好的交互式圖形界面輸入。利用MATLAB對于液壓伺服系統(tǒng)進行仿真研究和計算機輔助分析，并從液壓仿真結論得出系統(tǒng)改進方向，不斷提高設備使用性能。

1 仿真分析的步驟

XYD小型液壓搗固機部分液壓系統(tǒng)的進行仿真分析的步驟如下［2］：

1）建立描述液壓系統(tǒng)特性的數(shù)學模型；

2）將數(shù)學模型轉化為適合計算機仿真的仿真模型；

3）選用適當?shù)乃惴ǎㄒ话銥辇埜?庫塔法）編制m文件；

4）通過計算機仿真，獲得液壓系統(tǒng)動態(tài)過程參數(shù)變化和響應特性的數(shù)據(jù)或曲線。

2 建立小液搗液壓特性數(shù)學模型

XYD小型液壓搗固機的液壓系統(tǒng)是主要工作系統(tǒng)之一，用以操縱和控制搗固機的主要工作部件。夾實裝置油缸內徑為65 mm，壁厚5 mm，雙行程，全行程為170 mm，活塞桿直徑為40 mm。每個油缸的工作推力為14.3 k N。因搗固桿懸掛在振動架上，其杠桿比為340/540即0.63，故在每對搗固掌上的壓力約為9.31 k N。根據(jù)夾實油缸伺服系統(tǒng)的原理（見圖1所示）及流體力學等理論基礎列寫基本方程［1］。

圖1 液壓原理圖

2.1 閥的線性化流量方程 為了推導液壓動力原件的傳遞函數(shù)，先要根據(jù)流體力學原理列寫出基本方程，再進行推到換算，首先根據(jù)總得進油口流量和泄漏量、出油口流量相等列寫出流量方程，又由于節(jié)流窗口對稱匹配，供油穩(wěn)定，所以列寫出線性化流量方程式為

式中：Kc為四通閥的流量-壓力系數(shù)；

Kq為四通閥的流量增益；

pL為液壓缸有桿腔活塞上的壓力；

qL為四通閥的輸出流量；

xv為閥芯位移量。

由于外部泄漏和油液壓縮的影響，可取平均值作為負載流量。

2.2 液壓缸流量連續(xù)性方程 寫出線性化流量方程后，根據(jù)流體的連續(xù)性列寫第2個基本的流量的連續(xù)性方程，考慮到連接管路對稱、短粗，油溫、體積模數(shù)為常數(shù)，在實際中外泄漏量很小，可忽略不計。又因為閥是匹配和對稱的，所以通過閥節(jié)流口的流量也相等。可以寫出符合分析使用的流量連續(xù)性方程式為

式中：Ap為活塞面積；

Cip為液壓缸的內泄漏系數(shù)；

xp為活塞位移；

Cep為液壓缸外泄漏系數(shù)；

V1、V2為液壓缸進油腔和回油腔體積；

βe為液體體積彈性系數(shù)；

V01、V02為液壓缸進油腔和回油腔的初始容積；

Vt為液壓缸進回油腔總體積。

活塞在中間位置時對液體壓縮影響最大，動力元件固有頻率最低，阻尼比最小。因此，系統(tǒng)穩(wěn)定性最差。所以在分析時，應取活塞的中間位置為初始位置［2］。

2.3 液壓缸和負載的力平衡方程 由于負載特性影響液壓動力原件的動態(tài)特性，負載力一般包括慣性力、彈性力等。根據(jù)力的平衡原理列寫出第3個基本方程液壓缸和負載的力平衡方程式為

式中：mt為活塞與負載的總重量；

K為彈簧負載剛度；

Bp為活塞和負載折合到活塞上的總阻尼系數(shù)；

FL為負載干擾力。

此外，還存在一些非線性負載，但是采用線性化的方法分析系統(tǒng)的動態(tài)特性時，必須將線性負載忽略。式（1）、（2）、（3）是閥控液壓缸的基本方程，它們完全描述了閥控液壓缸的動態(tài)特性。3式的拉普拉斯變換式為

由式（4）、（5）、（6）消去中間變量，可以得到液壓缸活塞的中輸出位移為

式中：Kce為總流量-壓力系數(shù)。

3 計算機仿真

3.1 建立計算機仿真模型 Matlab/Simulink軟件環(huán)境下對小型液壓搗固機的液壓夾實系統(tǒng)仿真是建立在數(shù)學模型的基礎之上，并根據(jù)實際情況進行合理簡化后進行計算機建模和仿真分析。式（7）中的閥芯位移xv是指令信號，外負載FL是干擾信號。由該式可以求出液壓缸活塞位移對閥芯位移的傳遞函數(shù)和對外負載力的傳遞函數(shù)。此式是一個考慮了多種因素的通用的形式，實際情況的負載往往比較簡單，可以根據(jù)具體情況忽略一些次要因素，簡化傳遞函數(shù)。需要描述和分析的情況是小型液壓搗固機夾實油缸伺服系統(tǒng)在夾實工況下的仿真，這種工況以慣性負載為主，而沒有彈性負載或者彈性負載極小可以忽略。另外粘性阻力系數(shù)一般也很小，所以其引起的泄露量所產(chǎn)生的活塞速度，比活塞運動速度小很多。因此可以忽略不計，即得簡化后傳遞函數(shù)為［2］

式中：ωh為液壓固有頻率

ξh為液壓阻尼比，BP一般很小

所以得對指令輸入的傳遞函數(shù)為

參考數(shù)據(jù)：mt=9.31 k N，B=10 N·s/n，Ap=0.005 m2，Kq=0.0726，βe=0.7×109Pa，Vt=0.008 4 m3

算得：ωh=0.79，ξh=0.08 即得

在結合實際工況分析后，做出了合理簡化得到傳遞函數(shù)式（10），并根據(jù)此式在仿真環(huán)境下進行仿真設計得到Matlab/Simulik軟件環(huán)境下的液壓夾實系統(tǒng)的系統(tǒng)仿真圖（見圖2），建立仿真模型后就可以開始對液壓系統(tǒng)進行動態(tài)仿真。

圖2 系統(tǒng)仿真圖

3.2 輸入信號 夾實液壓缸伺服系統(tǒng)主要是以往復運動為主，即活塞在液壓油的推動下伸出，然后又在液壓油的作用下活塞桿縮回的周期性工作。結合這個實際工況和便于觀察液壓缸在周期性工作下的動態(tài)特性，所以設定輸入信號為正弦信號，即在閥的初始開口流量為0.05 mm，閥的輸出位移呈正弦變化時，閥芯位移與時間的關系如圖3所示。仿真周期為4 s的條件下，進行仿真觀察液壓缸活塞輸出速度和輸出位移在時域內的響應曲線。

圖3 閥芯位移與時間關系

4 仿真結果分析

在設定好輸入信號和仿真相關參數(shù)后進行計算機仿真，動態(tài)仿真結果為輸出速度和輸出位移在時域內的響應曲線，分別如圖4、圖5所示。

圖4 液壓缸活塞輸出速度v和時間t的關系

圖5 液壓缸活塞輸出位移y和時間t的關系

分析仿真結果，可以得出系統(tǒng)現(xiàn)有的不足，為改進系統(tǒng)提供明確的方向。

4.1 活塞速度在時域的響應曲線 從圖4的輸出量在時域的響應曲線可以了解系統(tǒng)的動態(tài)特性，活塞桿速度對輸入的響應近似正弦周期變化，這個響應是符合原理的。但是開始時響應不明顯，并有一段時間的延遲。同時速度變化不均勻，從圖上看有一個速度沖擊，可能會造成交的振動影響其他系統(tǒng)工作。通過圖上表現(xiàn)能得知系統(tǒng)是存在一定缺陷的，響應延遲和速度沖擊均會影響設備的使用效果。這就為進一步改進系統(tǒng)的性能提供的改進方向，可以從更換性能更好的液壓元件等方式來解決這些問題，提高設備性能。

4.2 活塞位移對時間的動態(tài)響應曲線 從圖5液壓缸的活塞輸出位移對時間的動態(tài)響應曲線分析，同樣位移響應也具有延遲，并且曲線有下降的趨勢。這說明接觸到負載以后，活塞桿在外力的作用下有縮回的現(xiàn)象，也就是說液體壓力不穩(wěn)定。可能的原因是密封不嚴，有液壓油的泄露，這也是需要進一步改進的方面。同時，當負載質量降低以后，系統(tǒng)響應明顯變快，且沒有振蕩的過程，說明系統(tǒng)低負載質量情況下的動態(tài)特性要優(yōu)于高負載質量時的動態(tài)特性。但在一般情況下，改變外負載的變化不大，當液體有效體積彈性模數(shù)βe提高以后，系統(tǒng)動態(tài)響應也明顯變快，且振蕩幅度很小，說明提高液體有效體積彈性模數(shù)，可以改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。影響βe的因素很多，其中混入油中的空氣對βe影響最大。因此，要想提高系統(tǒng)的響應速度，應嚴格控制油中的空氣含量。在研究分析動態(tài)結果的基礎上，可以對系統(tǒng)進行目標明確的改進，改進后可以繼續(xù)仿真分析直到符合要求后再投入生產(chǎn)［4］。

5 結束語

運用MATLAB中SIMULINK軟件包可直接根據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型來建立仿真模型，仿真模型是一種時域仿真，方便的觀察到系統(tǒng)變化的優(yōu)勢，對小型液壓搗固機夾實系統(tǒng)進行了全過程仿真。通過對小型液壓搗固機夾實伺服系統(tǒng)的仿真結果的分析，分析得出結論為改進液壓缸提供明確的方向，并在以后的使用中可以根據(jù)動態(tài)特性結合實際使用的數(shù)據(jù)對夾實液壓伺服系統(tǒng)進行調整使之更好的滿足使用要求。同時運用仿真分析技術對小型液壓搗固機液壓系統(tǒng)其他子伺服系統(tǒng)進行仿真，得出合理的改進措施，最終優(yōu)化整個小型液壓搗固機的液壓系統(tǒng)。

［1］鐵道部.鐵道科學研究院養(yǎng)路機械化研究室.XYD-1型小液壓搗固機［M］.北京：人民鐵道出版社，1978

［2］宋志安.基于MATLAB的液壓伺服控制系統(tǒng)分析與設計［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2007.6

［3］林秋水.基于 Simulink的液壓控制系統(tǒng)的建模與仿真［J］.漳州師范學院學報（自然科學版），2006（3）：53-56.

［4］石紅雁，許純新，付連宇.基于SIMULINK的液壓系統(tǒng)動態(tài)仿真［J］.農業(yè)機械學報，2000（9）：96