基于聯合仿真的多級等推力液壓缸研究

李麗，鄒廣聞，毛銀，孫麗

(1.大連華銳重工集團股份有限公司 液壓裝配廠，遼寧 大連 116035;2.大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連116028)*

0 引言

隨著仿真技術的快速發展和各種商業軟件不斷涌現，對仿真精度與相似性的要求不斷提高.同時單一的仿真軟件也很難滿足針對復雜模型的仿真需要.多級等推力液壓不但涉及到動力學模型同時也包含液壓控制方面的問題，是一個典型的復雜的機電液系統問題.而ADAMS本身的動力學仿真雖然優秀，但是涉及到控制方面則顯得欠佳，ADAMS本身具有的ADAMS/Controls模塊為MATLAB和EASY5等液壓控制軟件提供了接口，使得聯合仿真成為可能［1］.

機電產品通常是由液壓、電子、機械與控制等子系統共同協作發揮其功能的，復合系統仿真問題要求我們不可以局限在某一專業軟件單學科的仿真.然而我們可以很方便地在相應的物理領域及恰當的仿真工具中對各子系統建立仿真模型，通過TCP/IP等方式實現不同仿真工具之間的數據交換和調用，完成復雜物理模型的仿真［2］.而ADAMS和MATLAB很好的接口特性使得對液壓產品的仿真成為可能，本文采用MATLAB和ADAMS聯合仿真來模擬多級等推力液壓缸的動態特性.

1 多級缸工作原理與仿真方案

由于控制對象屬于液壓類仿真，不但要考慮到多級液壓缸的運動受力問題，同時也要考慮到在仿真的時候注意到多級液壓缸推力問題，也就是液壓系統的輸出力的問題.綜上所述，要考慮到動力學部分與液壓系統部分.

1.1 多級等推力液壓缸的工作原理

如圖1所示的一種活塞式多級液壓缸，包括導向桿、上蓋、缸筒和活塞，其特征在于所述的缸筒和活塞可構成多級液壓腔.其中包含有由上蓋、缸筒I和活塞I構成的液壓腔I;由活塞I、缸筒II和活塞II構成的液壓腔II;由活塞II、缸筒III和活塞III構成的液壓腔III，由活塞III、缸筒IV和活塞IV構成的液壓腔IV以及由活塞IV和進油口構成的進油腔.所述的每級活塞都與同級或次級缸筒內孔動配合連接，同時與次級活塞桿和/或導向桿套接;每級液壓缸的密封面都裝有密封件;每級活塞上都帶有工作用油路;每級液壓缸往復的有效工作面積都相等.在缸筒I上開有油口，在每級缸筒的尾端配裝限位用的卡簧.

圖1 多級等推力液壓缸原理圖

多級等推力油缸的設計原理:根據流體力學理論，油缸的輸出力，式中P為輸出壓力，A為油缸作用面積，當流量Q恒定時，壓力P取決于油缸作用面積A，所以只要保證各級油缸作用面積恒定，則輸出力就應該是恒定的.根據該原理，設計了一種多級等作用面積油缸，即等推力油缸.這樣的設計使得本身缸筒之間的液壓力可以相互平衡，使得系統只有一個輸出力，這樣使得系統運行更加平穩可靠.

1.2 總體仿真方案

本文通過Pro/E對多級液壓缸的零件建模，實現對物理樣機的虛擬［3］.而后采用ADAMS和Pro/E的無縫接口軟件Mech/Pro對Pro/E中的模型進行轉化，而后在ADAMS進行動力學建模，而后設置輸出輸入變量(包括輸出各級液壓缸的位移和速度xi、vi(i=1～4)，以及輸入的液壓力F).而后在MATLAB/Simulink進行多級液壓缸內部容腔的建模，整體方案如圖2所示.

圖2 總體仿真方案

2 聯合仿真

不同仿真工具之間建立連接后，其中一者所包含的模型可以將自己計算的結果作為系統輸入指令傳遞給另一者所建立的模型，這種指令包括力、力矩、驅動等典型信號，后者的模型在該指令的作用下所產生的響應量，如位移、速度、加速度等，又可以反饋給前者的模型，這樣，模型信息和仿真數據就可以在兩者之間雙向傳遞［4］.

2.1 零件建模

本文通過Pro/E對多級液壓缸的真實建模，實現對物理樣機的虛擬.同時為了在ADAMS中便于計算，采用布爾運算將裝配復雜的零件組分為幾部分，包括各級液壓缸以及固定部分，這樣既可以保證模型的真實性，同時又可以大大減少仿真計算，避免了了不必要的錯誤［5］.而后采用ADAMS和Pro/E的無縫接口軟件Mech/Pro模塊對Pro/E中的模型進行轉化，這樣可以避免直接采用parasolid格式后在ADAMS失真的現象.通過Mech/Pro接口，可以在Pro/E環境下進行運動副的設置，這樣可以避免直接在ADAMS環境下操作的繁瑣與延遲.

2.2 動力學建模

在開始首先要進行對動力學模型的簡化，針對卡簧是一個不規則圖形，而且相對于整個模型來說很小，這就容易造成在仿真的時候會反復出現錯誤.在不影響結果真實性的前提下，對卡簧進行一定的簡化，就是在每級缸筒末尾加上溝槽，這樣使得各級缸筒之間位移都不會變化，同時對每級缸筒質量的影響也很小，使得仿真結果不會有很大變化.動力學部分主要包括運動副的建立以及接觸力的設置.

多剛體系統的內碰問題是多體系統動力學中的一個難點問題，實際應用的處理方法主要有兩類:將碰撞過程理解為“分離—接觸—碰撞”的三狀態模型和歸結為“自由運動—接觸變形”的兩狀態模型.兩狀態模型將碰撞考慮為接觸—變形—恢復—脫離接觸的變化過程，歸結為“自由運動—接觸變形”兩種狀態，通過建立描述碰撞過程中力與接觸變形之間的關系，計算出碰撞過程中接觸力和接觸變形.本文在設置接觸力時，采用相鄰的每級缸筒都設置接觸力，從而達到整體系統的限位［6］.

2.3 液壓控制系統建模

可以知道本文有各級液壓缸構成四個相互連通的液壓腔，那么就可以看成是一個整體封閉的液壓腔，有外界給它輸入流量，所以在不考慮泄露的情況下，根據流體連續性方程有:

式中，p為多級液壓缸內部壓力;Q0為輸入流量;V0為進油腔體積;Ai(i=1～4)為每級液壓缸對應的面積;Vi(i=1～4)為每級液壓缸對應的速度;xi(i=1～4)為每級液壓缸對應的位移;K0為油液的彈性模量;F為為整個液壓系統的輸出力.

此處說明的是，由于上文提到的結構原因，整個液壓缸只有第四級輸出液壓力，其余的液壓力由內部平衡，從而實現系統平穩運行.從上述兩個方程就可以建立一個控制系統，其中輸入變量為每級液壓缸的位移和速度，輸出的是液壓力.具體建模如圖3所示.

圖3 液壓系統建模

2.4 聯合仿真

在ADAMS和Simulink分別建好動力學模型和液壓系統模型后，在ADAMS設置好需要輸出輸入的狀態變量，利用ADAMS/Control模塊建立對應的M文件，而后在Simulink讀取M文件，而后生成adams_sub文件，在這個文件中進行聯合仿真，其三級液壓缸的速度加速度曲線如圖4所示.

圖4 聯合仿真示意圖

其部分仿真結果如圖5所示.

圖6 三級缸筒的速度、加速度圖

從3級缸筒的速度與加速度圖說明在多級液壓缸中，制約其穩定性的主要因素是每級缸筒換級時的速度與加速度的突變，本文為其進一步的改善突跳性奠定了一定的基礎.

3 結論

本文采用聯合仿真對多級等推力液壓缸進行動態仿真.在考慮到動力學的同時，又充分兼顧到整個液壓系統對動力學模型的影響，可以較真實的反映出多級缸的運動過程，也為以后進一步對其性能優化奠定了基礎［7］，此外本文對液壓和動力學模型的聯合仿真，也在一定程度上給機電液壓類產品的仿真提供了一個比較可行的方法.

［1］李永堂.液壓系統建模與仿真［M］.北京:冶金工業出版社，2003.

［2］孫秀軍，王效岳，楊燕.聯合仿真技術及ADAMS/Controls［J］.山西:機械工程與自動化，2007(2):62-64.

［3］熊光楞.協同仿真與虛擬樣機技術［M］.北京:清華大學出版社，2004.

［4］王濤.基于ADAMS和MATLAB的聯合控制系統的仿真［J］.山西:機械工程與自動化，2005(3):79-81.

［5］朱德泉.基于聯合仿真的機電液一體化系統優化設計方法研究［D］.安徽:中國科學技術大學，2012.

［6］彼得 艾伯哈特，胡斌.現代接觸動力學［M］.南京:東南大學出版社，2003.

［7］戴彧昕.基于虛擬樣機的連續油管作業機注入頭研究［D］.黑龍江:東北石油大學，2012.