馮江濤, 高欽和, 管文良, 李良
(火箭軍工程大學(xué) 兵器科學(xué)與技術(shù)軍隊(duì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710025)
多級(jí)液壓缸建模及級(jí)間緩沖研究
馮江濤, 高欽和, 管文良, 李良
(火箭軍工程大學(xué) 兵器科學(xué)與技術(shù)軍隊(duì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710025)
大型起豎裝置普遍采用多級(jí)液壓缸驅(qū)動(dòng),在缸體初始長(zhǎng)度相同的情況下,多級(jí)缸較單級(jí)缸行程更長(zhǎng),但是其結(jié)構(gòu)也更復(fù)雜。為得到多級(jí)缸的特性,基于容腔節(jié)點(diǎn)法建立了多級(jí)缸的運(yùn)動(dòng)模型,考慮潤(rùn)滑油膜的信息改進(jìn)了LuGre摩擦力模型,采用遲滯因子的等效阻尼模型改進(jìn)了接觸力模型,完成了多級(jí)缸驅(qū)動(dòng)起豎過(guò)程的仿真。多級(jí)缸換級(jí)時(shí)作用面積突變,導(dǎo)致壓力和速度突變,產(chǎn)生過(guò)大的沖擊,為減小換級(jí)沖擊,在缸筒上布置多個(gè)緩沖小孔。仿真結(jié)果表明:采用緩沖結(jié)構(gòu)后,換級(jí)時(shí)缸筒同步運(yùn)動(dòng),將壓力突變轉(zhuǎn)化為緩變,提前將壓力增大至下一級(jí)缸筒工作壓力,大幅度減小了換級(jí)時(shí)的速度和加速度波動(dòng)。
兵器科學(xué)與技術(shù); 多級(jí)液壓缸; 起豎; 換級(jí)碰撞; 級(jí)間緩沖
多級(jí)液壓缸在大型起豎裝置、自卸車、起重機(jī)、軍事裝備中具有廣泛的應(yīng)用前景。與單級(jí)液壓缸相比,在缸體初始長(zhǎng)度相同的情況下,多級(jí)液壓缸有更長(zhǎng)的行程,但是多級(jí)液壓缸結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜,包括節(jié)流緩沖、換級(jí)碰撞、摩擦力、密封、泄露等因素。由于在多級(jí)缸內(nèi)部安裝傳感器具有很大的難度,通過(guò)試驗(yàn)無(wú)法得到多級(jí)缸的內(nèi)部特性,只能得到其外部特性,不能完全反映多級(jí)缸的運(yùn)動(dòng)特性。多級(jí)液壓缸的每一級(jí)缸筒的面積都不同,在外伸或回收換級(jí)瞬間液壓缸的載荷和流量基本不變,作用面積發(fā)生突變,導(dǎo)致壓力、速度發(fā)生突變,兩缸筒碰撞,使得系統(tǒng)產(chǎn)生過(guò)大的沖擊,并將沖擊通過(guò)整車車架車身傳導(dǎo)到駕駛室,使即便有減震裝置的駕駛室也會(huì)產(chǎn)生極大的振動(dòng),從而影響了駕駛?cè)藛T的乘坐舒適性及安全,因此如何克服這個(gè)問(wèn)題成為了和多級(jí)缸相關(guān)的大型機(jī)械裝置亟待解決的問(wèn)題[1]。
關(guān)于多級(jí)液壓缸的研究,高欽和等[2]運(yùn)用“分離- 碰撞”兩狀態(tài)模型和非線性彈簧- 阻尼力函數(shù)對(duì)活塞桿間的碰撞過(guò)程進(jìn)行等效,建立了考慮碰撞的多級(jí)缸模型。馬長(zhǎng)林等[3]提出了軟件協(xié)作技術(shù)的多級(jí)液壓缸建模與仿真方法,為多級(jí)液壓缸的仿真提供了一個(gè)新的技術(shù)途徑。謝建等[4]采用單級(jí)液壓缸級(jí)聯(lián)方式構(gòu)建了多級(jí)液壓缸的模型。邵立武等[5]基于有限狀態(tài)機(jī)描述了多級(jí)液壓缸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),利用容腔壓力流量關(guān)系和活塞動(dòng)力學(xué)基本方程,建立了多級(jí)液壓缸計(jì)算模型。以上關(guān)于多級(jí)缸的研究只是針對(duì)某一方面開(kāi)展,未建立完整的數(shù)學(xué)模型,本文通過(guò)建立多級(jí)缸的仿真模型,得到各腔的內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài),為多級(jí)缸結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。為了減小換級(jí)沖擊,以往均是采用換級(jí)前提前降低多級(jí)缸運(yùn)動(dòng)速度,導(dǎo)致控制系統(tǒng)復(fù)雜,為了簡(jiǎn)化操作流程,在缸筒上布置多個(gè)小孔來(lái)自動(dòng)減小換級(jí)沖擊。
1.1 基本運(yùn)動(dòng)模型


圖1 多級(jí)液壓缸結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of telescopic hydraulic cylinder
將液壓缸的正、反腔分別當(dāng)作一個(gè)節(jié)點(diǎn)容腔,利用節(jié)點(diǎn)容腔法建立兩腔的壓力方程[6],并計(jì)算多級(jí)缸各級(jí)所輸出的作用力,得到4級(jí)液壓缸的模型如(1)式所示。
(1)
式中:E為油液的有效體積彈性模量;Vf和Vb分別為多級(jí)缸正、反腔的初始容積;Qf和Qb分別為流入或流出正、反腔的流量;Af4、Af3、Af2、Af1分別為4、3、2、1級(jí)筒正腔作用面積;Ab4、Ab3、Ab2、Ab1分別為4、3、2、1級(jí)筒反腔作用面積;l4max、l3max、l2max、l1max分別為4、3、2、1級(jí)筒的最大位移;pf、pb分別為油缸正、反腔的壓力;x43、v43分別為4級(jí)筒相對(duì)于3級(jí)筒的軸向位移、速度;x32、v32分別為3級(jí)筒相對(duì)于2級(jí)筒的軸向位移、速度;x21、v21分別為2級(jí)筒相對(duì)于1級(jí)筒的軸向位移、速度;x1p、v1p分別為1級(jí)筒相對(duì)于活塞桿的軸向位移、速度;F4、F3、F2、F1分別為4、3、2、1級(jí)筒輸出作用力;Ff4、Ff3、Ff2、Ff1分別為4、3、2、1級(jí)筒運(yùn)行過(guò)程的摩擦力;Fp4、Fp4、Fp2、Fp1分別為4、3、2、1級(jí)筒、活塞桿間的碰撞力。
1.2 摩擦力模型
非穩(wěn)定狀態(tài)下,特別是在液壓缸加減速、啟動(dòng)、停止時(shí),許多學(xué)者提出了非穩(wěn)態(tài)的摩擦力模型,LuGre摩擦力模型包括了摩擦力的所有動(dòng)態(tài)特性,包括滑動(dòng)位移、摩擦滯后、變起步阻力、粘滯滑動(dòng)等,LuGre摩擦力模型表達(dá)式為
(2)
式中:z為鬃毛的平均變形;v為接觸面的相對(duì)速度;Kz為鬃毛剛度;Dz為鬃毛阻尼系數(shù);ηf為黏性摩擦系數(shù);vS是Stribeck速度常數(shù);Fc為庫(kù)倫摩擦力;Fs為靜摩擦力。
穩(wěn)定狀態(tài)下,液壓缸摩擦力采用Stribeck摩擦力模型,計(jì)算公式為
Fr=
(3)
式中:Fr為液壓缸的摩擦力;Fe為外作用力。
LuGre模型只考慮了固體之間的摩擦,沒(méi)有加入潤(rùn)滑油膜的信息[7]。如果其他條件相同,摩擦力的大小取決于兩潤(rùn)滑接觸面的油膜厚度,而且在穩(wěn)定狀態(tài)下,油膜厚度hs和相對(duì)速度v之間的關(guān)系可近似等效為
hs=Kf|v|2/3, |v|≤|vb|,
(4)
式中:Kf為比例系數(shù);vb為穩(wěn)定狀態(tài)下,摩擦力接近為0的速度,當(dāng)|v|≥|vb|時(shí),油膜厚度不再改變,即hmax=Kf|vb|2/3.
(4)式是穩(wěn)定狀態(tài)下的油膜厚度,研究發(fā)現(xiàn)在非穩(wěn)定狀態(tài)下,液壓缸加速運(yùn)動(dòng)時(shí)油膜厚度變小,減速運(yùn)動(dòng)時(shí)厚度增大,根據(jù)這一特性得到油膜厚度的動(dòng)態(tài)方程
(5)
(6)
式中:τh為時(shí)間常數(shù),如果h>hmax,則h=hmax.
改進(jìn)的LuGre模型如下:
(7)

圖2 液壓缸速度曲線Fig.2 Velocity curve of hydraulic cylinder
當(dāng)液壓缸活塞桿具有如圖2所示的速度信號(hào)時(shí),得到的摩擦力曲線如圖3所示。從圖3中可以看出,在第一個(gè)周期的開(kāi)始伸出階段,摩擦力會(huì)迅速上升,最大值約為2 300 N,隨著速度的增大又逐漸減小,速度再減小時(shí)摩擦力又增大,速度反向后,摩擦力也反向,第二個(gè)周期與第一個(gè)周期不同,正向最大摩擦力為1 000 N左右,后面摩擦力呈現(xiàn)出與第二周期相同的特性,這與文獻(xiàn)[8]得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似。

圖3 液壓缸摩擦力曲線Fig.3 Friction curves of hydraulic cylinder
1.3 級(jí)間碰撞模型
多級(jí)液壓缸的各級(jí)缸筒在行程內(nèi)接觸力為0,運(yùn)動(dòng)至行程末端時(shí)與下一級(jí)缸筒發(fā)生碰撞,將碰撞過(guò)程一般分解為“分離—接觸—碰撞”3個(gè)狀態(tài),該模型假定是完全剛性碰撞,碰撞時(shí)間無(wú)限小、碰撞作用力無(wú)限大,采用動(dòng)量定理和恢復(fù)系數(shù)確定碰撞后的狀態(tài),計(jì)算效率高,但無(wú)法計(jì)算碰撞力的大小,也就無(wú)法實(shí)現(xiàn)碰撞力的補(bǔ)償。
為計(jì)算碰撞力,采用基于彈性力學(xué)的Hertz接觸力模型描述缸筒之間的碰撞,將碰撞處理為“接觸—變形—恢復(fù)—脫離”的過(guò)程,缸筒運(yùn)動(dòng)模型如圖4所示。

圖4 缸筒運(yùn)動(dòng)模型Fig.4 Motion model of cylinder
碰撞力經(jīng)典計(jì)算方法是采用線性彈簧- 阻尼力函數(shù),計(jì)算公式為
(8)
式中:Kp和Kn為等效彈簧剛度;Dp和Dn為等效阻尼系數(shù);δ為接觸點(diǎn)法向穿透深度;vR和vC為兩個(gè)缸筒的速度。
模型中采用阻尼系數(shù)為常值的粘性阻尼器來(lái)等效碰撞后的能量損失,而剛開(kāi)始接觸時(shí),接觸變形δ=0,但由于相對(duì)速度不等于0,此時(shí)按照上述公式計(jì)算會(huì)得出一個(gè)非零的碰撞力,這與實(shí)際情況是不相符的。研究發(fā)現(xiàn),兩個(gè)物體碰撞時(shí),能量的損耗不僅與速度有關(guān),而且還受變形大小的影響。因此,Iankarani等提出了帶遲滯因子的改進(jìn)等效阻尼模型[9]。
(9)

(9)式適合于大恢復(fù)系數(shù)的場(chǎng)合,恢復(fù)系數(shù)較小時(shí)計(jì)算誤差較大,文獻(xiàn)[10]對(duì)遲滯阻尼因子進(jìn)行了修正,得到修正遲滯阻尼因子
(10)
缸筒碰撞時(shí)的變形量和接觸力計(jì)算結(jié)果如圖5、圖6所示,從圖中可以看出,剛接觸時(shí)變形量為0,接觸力也為0,隨著變形量的增大,接觸力也不斷增大,在變形量達(dá)到最大時(shí),接觸力也達(dá)到最大,此后隨著變形量的減小接觸力逐漸減小為0,符合實(shí)際情況。

圖5 缸筒變形量曲線Fig.5 Deformation curve of cylinder

圖6 接觸力曲線Fig.6 Contact force curves
1.4 起豎過(guò)程動(dòng)力學(xué)分析
起豎過(guò)程是由多級(jí)缸推動(dòng)負(fù)載由水平狀態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)至豎直狀態(tài)[11],如圖7所示。

圖7 多級(jí)缸起豎示意圖Fig.7 Schematic diagram of erection driven by telescopic cylinder
負(fù)載的歐拉動(dòng)力學(xué)方程為

(11)
式中:Ft(t)為起豎油缸的推力;θ(t)為負(fù)載的起豎角度;J為負(fù)載繞點(diǎn)P2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;G為負(fù)載的重力。
在△P2P5PG中,根據(jù)幾何關(guān)系可得

(12)
(13)
(14)
可得多級(jí)缸的推力計(jì)算公式[12]為

(15)
運(yùn)用Matlab/Simulink建立多級(jí)液壓缸的仿真模型,多級(jí)缸驅(qū)動(dòng)起豎運(yùn)動(dòng)過(guò)程的仿真結(jié)果如圖8~圖11所示。圖8為多級(jí)缸各級(jí)缸筒的位移曲線,4級(jí)缸筒首先開(kāi)始運(yùn)動(dòng),伸出到位時(shí),4級(jí)缸筒與3級(jí)缸筒碰撞,產(chǎn)生接觸力,從而4級(jí)缸筒帶動(dòng)3級(jí)缸筒繼續(xù)伸出,伸出到位后,2級(jí)缸筒、1級(jí)缸筒依次伸出,完成起豎過(guò)程。圖9為起豎過(guò)程的負(fù)載曲線,隨著起豎角度的增大,負(fù)載逐漸減小,在負(fù)載過(guò)平衡點(diǎn)后起豎力由正變負(fù),起豎過(guò)程負(fù)載是時(shí)變的且存在超越負(fù)載。圖10為多級(jí)缸的正、反腔壓力曲線,壓力逐漸減小,由于液壓缸作用面積的突變和缸筒之間的碰撞,在各級(jí)缸筒換級(jí)時(shí)有壓力突變和壓力波動(dòng),壓力變化會(huì)造成系統(tǒng)的振動(dòng),應(yīng)采取措施減小壓力波動(dòng)。圖11為4級(jí)和3級(jí)缸筒、3級(jí)和2級(jí)缸筒、2級(jí)和1級(jí)缸筒、1級(jí)和活塞桿之間的接觸力,接觸力為正表示兩缸筒相互擠壓,接觸力為負(fù)表示兩缸筒相互拉伸。

圖8 缸筒位移曲線Fig.8 Displacement curves of cylinders

圖9 多級(jí)缸負(fù)載曲線Fig.9 Load curve of telescopic cylinder

圖10 多級(jí)缸正、反腔壓力曲線Fig.10 Pressure curves of positive and negative cavities in telescopic cylinder

圖11 缸筒間接觸力曲線Fig.11 Curves of contact force between cylinders
3.1 換級(jí)緩沖模型
液壓缸一般在活塞的行程接近終點(diǎn)設(shè)計(jì)緩沖裝置,對(duì)液壓缸排出的油液進(jìn)行節(jié)流,以降低活塞的速度,避免活塞快速撞擊缸蓋[13-14]。多孔式液壓緩沖器依靠在油缸壁上的一系列特殊排列的阻尼小孔實(shí)現(xiàn)緩沖,不斷改變節(jié)流面積,通過(guò)阻尼小孔的液阻作用將沖擊動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能耗散于空氣中,使得速度平穩(wěn)下降,結(jié)構(gòu)緊湊、吸收量大且無(wú)反彈[15]。根據(jù)多孔式緩沖器的特點(diǎn),在缸筒上布置一定數(shù)量的節(jié)流小孔,接近換級(jí)時(shí),節(jié)流小孔被逐漸遮蓋,通過(guò)小孔的節(jié)流緩沖減小碰撞時(shí)的相對(duì)速度,從而減小碰撞力,多孔式緩沖裝置結(jié)構(gòu)如圖12所示。小孔的個(gè)數(shù)、直徑和間距是影響緩沖性能的主要參數(shù),孔位置參數(shù)和孔徑參數(shù)是相互對(duì)應(yīng)的,孔位置改變,則孔直徑也要相應(yīng)地改變,孔直徑和間距越小,孔的個(gè)數(shù)越多,則緩沖過(guò)程越平緩,目前對(duì)阻尼孔的設(shè)計(jì)憑經(jīng)驗(yàn)采用等孔徑、等間距均布。

圖12 多孔式緩沖裝置結(jié)構(gòu)Fig.12 Schematic diagram of porous cushion mechanism
通過(guò)緩沖小孔的流量q為

(16)
式中:Cd為流量系數(shù);Ax為小孔的過(guò)流面積;Δp為小孔前后壓差;ρ為油液密度。
緩沖過(guò)程中小孔的面積Ax計(jì)算公式為
(17)
式中:j為被遮住小孔的個(gè)數(shù)j={1, 2, … ,n-1},n為小孔個(gè)數(shù);d為小孔直徑。
3.2 換級(jí)緩沖仿真結(jié)果
運(yùn)用Matlab/Simulink建立采用換級(jí)緩沖結(jié)構(gòu)后的多級(jí)液壓缸模型,與第2節(jié)的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。圖13為采用緩沖結(jié)構(gòu)前后的壓力對(duì)比曲線,從圖13中可得采用緩沖結(jié)構(gòu)后,換級(jí)時(shí)的壓力突變轉(zhuǎn)化為緩變,壓力提前上升至下一級(jí)缸筒的工作壓力,換級(jí)前將多級(jí)液壓缸運(yùn)動(dòng)的缸筒所承受的載荷逐漸轉(zhuǎn)到下一級(jí)缸筒,大幅度減小了壓力沖擊,消除了換級(jí)時(shí)的壓力波動(dòng)。圖14為采用換級(jí)緩沖結(jié)構(gòu)后各級(jí)缸筒的相對(duì)位移曲線,曲線1為4級(jí)缸筒相對(duì)3級(jí)缸筒的位移,曲線2為3級(jí)缸筒相對(duì)2級(jí)缸筒的位移,曲線3為2級(jí)缸筒相對(duì)1級(jí)缸筒的位移,曲線4為1級(jí)缸筒相對(duì)活塞桿的位移,圖中箭頭所指處表明,接近換級(jí)時(shí),由于節(jié)流小孔的作用,上一級(jí)缸筒未完全伸出到位,下一級(jí)缸筒開(kāi)始伸出,實(shí)現(xiàn)換級(jí)時(shí)缸筒同步伸出,減小了碰撞時(shí)缸筒的相對(duì)速度,從而減小缸筒間的碰撞力。圖15為4級(jí)缸筒的加速度曲線,圖16為4級(jí)缸筒的速度曲線,圖15(a)、圖16(a)分別為有級(jí)間緩沖結(jié)構(gòu)的仿真速度和加速度曲線,圖15(b)、圖16(b)分別為無(wú)級(jí)間緩沖結(jié)構(gòu)的速度和加速度曲線,從圖中可得,采用緩沖結(jié)構(gòu)后,缸筒換級(jí)時(shí)的速度和加速度波動(dòng)大幅度減小。

圖13 多級(jí)缸正腔壓力曲線Fig.13 Pressure curves of positive cavity in telescopic cylinder

圖14 缸筒間相對(duì)位移曲線Fig.14 Curves of relative displacement between cylinders

圖15 4級(jí)缸筒速度仿真曲線Fig.15 Simulation velocity curves of fourth stage cylinder

圖16 4級(jí)缸筒加速度仿真曲線Fig.16 Simulation acceleration curve of fourth stage cylinder
為驗(yàn)證多級(jí)液壓缸數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性,完成了具有級(jí)間緩沖的多級(jí)液壓缸的起豎試驗(yàn)。試驗(yàn)硬件連接如圖17所示,試驗(yàn)平臺(tái)為多級(jí)液壓缸起豎試驗(yàn)臺(tái),傳感器采集壓力、流量、角度、速度和加速度信號(hào),放大器控制電液比例閥開(kāi)口大小,測(cè)控系統(tǒng)采用美國(guó)NI公司的PXI-6259機(jī)箱,采用LabVIEW軟件編寫(xiě)測(cè)控程序。

圖17 試驗(yàn)平臺(tái)硬件Fig.17 Hardware of experimental platform
試驗(yàn)結(jié)果如圖18、圖19和圖20所示。圖18(a)為仿真和試驗(yàn)的正腔壓力曲線,圖18(b)為壓力偏差曲線,由于試驗(yàn)連接管路的壓力損失,試驗(yàn)壓力比仿真壓力偏大,最大偏差為7 bar. 圖19(a)為仿真和試驗(yàn)的4級(jí)缸筒速度曲線,圖19(b)為速度偏差曲線,在換級(jí)時(shí)的速度偏差較大,最大值為0.03 m/s. 圖20(a)為仿真和試驗(yàn)的4級(jí)缸筒加速度曲線,圖20(b)為加速度偏差曲線,在換級(jí)時(shí)的加速度偏差較大,最大值為1.3 m/s2. 從壓力、速度和加速度對(duì)比可得出仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果偏差較小,驗(yàn)證了該仿真模型的正確性。

圖18 正腔壓力試驗(yàn)曲線Fig.18 Experimental pressure curve of positive cavity

圖19 4級(jí)缸筒速度試驗(yàn)曲線Fig.19 Experimental velocity curves of fourth stage cylinder

圖20 4級(jí)缸筒加速度試驗(yàn)曲線Fig.20 Experimental acceleration curves of fourth stage cylinder
本文主要建立了多級(jí)液壓缸的數(shù)學(xué)模型,仿真了級(jí)間緩沖結(jié)構(gòu)的作用效果。通過(guò)理論分析和仿真研究,得到了多級(jí)缸的非線性運(yùn)動(dòng)特性,如摩擦力、級(jí)間碰撞、換級(jí)緩沖等非線性模型。研究結(jié)果表明:多級(jí)缸換級(jí)時(shí)有較大的液壓沖擊,導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng);采用多孔式緩沖裝置可將換級(jí)時(shí)的壓力突變轉(zhuǎn)化為緩變,實(shí)現(xiàn)換級(jí)時(shí)缸筒同步伸出;減小缸筒間碰撞時(shí)的相對(duì)速度,從而減小碰撞力和壓力沖擊,保證多級(jí)缸的平穩(wěn)伸縮。
References)
[1] 張春輝. 100噸礦用自卸車電液控制系統(tǒng)性能研究[D]. 秦皇島:燕山大學(xué), 2015. ZHANG Chun-hui. Performance research of electro-hydraulic control system for 100 ton mining dump truck[D]. Qinhuangdao: Yanshan University, 2015. (in Chinese)
[2] 高欽和, 黃先祥. 多級(jí)缸起豎系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的建模與仿真[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào), 2005, 17(7): 1563-1568. GAO Qin-he, HUANG Xian-xiang. Dynamic modelling and simulation of erecting system with multi-stage cylinder[J]. Journal of System Simulation, 2005, 17(7): 1563-1568. (in Chinese)
[3] 馬長(zhǎng)林, 黃先祥, 李鋒, 等. 基于軟件協(xié)作的多級(jí)液壓缸起豎系統(tǒng)建模與仿真研究[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào), 2006, 18(2): 523-525. MA Chang-lin, HUANG Xian-xiang, LI Feng, et al. Studies for modeling and simulation of erecting system with multi-stage cylinder based on software collaboration[J]. Journal of System Simulation, 2006, 18(2): 523-525. (in Chinese)
[4] 謝建, 羅治軍, 田桂, 等. 基于AMESim的多級(jí)液壓缸建模與仿真[J]. 機(jī)床與液壓, 2010, 38(7): 126-129. XIE Jian, LUO Zhi-jun, TIAN Gui, et al. Modeling and simulation of telescopic multi-stage cylinder based on AMESim[J]. Machine Tool & Hydraulic, 2010, 38(7): 126-129. (in Chinese)
[5] 邵立武, 姜毅, 傅德彬, 等. 基于有限狀態(tài)機(jī)的多級(jí)液壓缸仿真分析[J]. 機(jī)床與液壓, 2012, 40(1): 121-123. SHAO Li-wu, JIANG Yi, FU De-bin, et al. Simulation of multi-stage hydraulic cylinder based on finite state machine[J]. Machine Tool & Hydraulic, 2012, 40(1): 121-123. (in Chinese)
[6] 高欽和, 馬長(zhǎng)林. 液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性建模仿真技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2013. GAO Qin-he, MA Chang-lin.Modeling and simulation technology of hydraulic system dynamic characteristic and its application[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2013. (in Chinese)
[7] 苗中華, 劉成良, 王旭永, 等. 大摩擦力矩下電液伺服系統(tǒng)高精度控制與實(shí)驗(yàn)分析[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 42(10): 1731-1735. MIAO Zhong-hua, LIU Cheng-liang, WANG Xu-yong, et al. Precision control scheme and experimental analysis of hydraulic servo system with large friction torque[J]. Journal of Shanghai Jiao Tong University, 2008, 42(10): 1731-1735. (in Chinese)
[8] Yanada H, Sekikawa Y. Modeling of dynamic behaviors of friction[J]. Mechatronics, 2008, 18(7): 330-339.
[9] Iankarani H M, Nikravesh P E. Continuous contact force models for impact analysis in multi-body systems[J]. Nonlinear Dynamics, 1994, 5(2): 193-207.
[10] 秦志英, 陸啟韶. 基于恢復(fù)系數(shù)的碰撞過(guò)程模型分析[J]. 動(dòng)力學(xué)與控制學(xué)報(bào), 2006, 4(4): 294-297. QIN Zhi-ying, LU Qi-shao.Analysis of impact process model based on restitution coefficient[J]. Journal of Dynamics and Control, 2006, 4(4): 294-297. (in Chinese)
[11] 董鑫, 張宏宇, 陳奇, 等. 基于負(fù)載敏感回路的起豎液壓系統(tǒng)仿真[J]. 導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù), 2016(1): 21-25. DONG Xin, ZHANG Hong-yu, CHEN Qi, et al. Simulation on erection hydraulic system with load sensing circuit[J]. Missiles and Space Vehicles, 2016(1): 21-25. (in Chinese)
[12] 姚曉光, 郭曉松, 馮永保, 等. 導(dǎo)彈起豎過(guò)程的載荷研究[J]. 兵工學(xué)報(bào), 2008, 29(6): 718-722. YAO Xiao-guang, GUO Xiao-song, FENG Yong-bao, et al. Load analysis on missile erection[J]. Acta Armamentarii, 2008, 29(6): 718-722. (in Chinese)
[13] 張春輝, 趙靜一, 榮曉瑜, 等. 基于分段控制多級(jí)缸舉升系統(tǒng)研究[J]. 中國(guó)機(jī)械工程, 2015, 26(3): 319-323. ZHANG Chun-hui, ZHAO Jing-yi, RONG Xiao-yu, et al. Research on multi-stage cylinder lifting system based on subsection control[J]. China Mechanical Engineering, 2015, 26(3): 319-323. (in Chinese)
[14] Chen X, Chen F, Zhou J, et al. Cushioning structure optimization of excavator arm cylinder[J]. Automation in Construction, 2015, 53: 120-130.
[15] 熊海軍, 傅連東, 周棟棟, 等. 封閉式多孔形液壓緩沖缸仿真與研究[J]. 機(jī)床與液壓, 2016, 44(1): 158-160. XIONG Hai-jun, FU Lian-dong, ZHOU Dong-dong, et.al. Simulation and research of porous closed hydraulic buffer[J]. Machine Tool & Hydraulics, 2016, 44(1): 158-160. (in Chinese)
Modeling of Telescopic Hydraulic Cylinder and Research on Inter-stage Buffer
FENG Jiang-tao, GAO Qin-he, GUAN Wen-liang, LI Liang
(Key Laboratory of PLA, Rocket Force University of Engineering, Xi’an 710025, Shaanxi, China)
Telescopic hydraulic cylinder is widely used in large erecting devices. Telescopic cylinder can provide longer stroke compared to single stage cylinder. However, its structure is complex. In order to get the characteristics of telescopic cylinder, a motion model is established based on the cavity node method. The LuGre friction model is improved by considering the lubricant film. The contact force model is improved using the equivalent damping model of the hysteresis factor. The process of erection driven by telescopic cylinder is simulated. The action area mutates when the telescopic cylinder converts one stage to other stage, which leads to the sudden change in pressure and velocity, and excessive impact. In order to reduce the impact, many buffer holes are arranged on the cylinder barrel. The simulated results show that the cylinders synchronously move in the replacement of stage after the buffer structure is used. The sudden change in pressure is transferred into slow change. The pressure is raised to the next working pressure in advance, thus greatly reducing the fluctuations of velocity and acceleration.
ordnance science and technology; telescopic hydraulic cylinder; erection; inter-stage contact; inter-stage buffer
2016-04-07
國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51475462)
馮江濤(1989—),男,博士研究生。E-mail: fengjt291082217@126.com; 高欽和(1968—),男,教授,博士生導(dǎo)師。E-mail: gao202@189.com
TH137.32
A
1000-1093(2016)12-2268-09
10.3969/j.issn.1000-1093.2016.12.012