摘要:本文利用液压仿真软件AMESim对长管道伺服液压定位系统进行了仿真。仿真结果表明长管道对伺服液压定位系统的定位精度及其响应速度有不可忽视的影响。液压缸的定位精度随着管道的长度和管道直径的增加而降低,响应速度随着管道长度和直径的增加而变慢。
关键词:AMESim;定位精度;液压建模与仿真;响应时间
1 引言
伺服液压定位系统具有定位精度高,响应速度快等特点,现已在各大型机械和生产线上广泛应用。随着机械产品的自动化程度的提高,产品质量要求的提高,伺服液压定位系统要求更加精确。尤其在某些特殊设备的定位液压系统具有液压管道长,同时要求定位精度高,响应速度快等特点。熔炼车间阳极炉双圆盘浇注系统多采用液压驱动。废阳极吊,顶起、预顶起还有中间包及浇注称重设备等。其中浇注称重设备(即电子秤)的液压伺服系统最具代表性。电子秤工作的好坏直接关系阳极板的质量优劣,故对于电子秤油缸的动作要求很严格。油缸的定位及动作响应时间直接影响浇出铜水量。对于此类长管道液压系统来说,管道效应对其定位精度和响应速度的影响是不可忽视的。管道效应的理论研究一直是人们所关注的,但由于管道的数学模型复杂,给液压系统考虑管道效应的研究带来很大的障碍。本文不以管道的数学模型为基础,利用液压仿真软件AMESIM来考虑管道效应。通过对液压系统进行仿真分析,找出管道对伺服液压定位系统的影响。
2 系统原理及其仿真模型
2.1 AMESIM软件简介
AMESim全称为AdvancedModeling Environment for Performing Simulations of Engineering Systems,是法国IMAGINE公司开发的高级工程系统仿真建模环境,为流体、液体、气体、机械、控制、电磁等工程系统提供一个较完善的综合仿真环境。AMESim具有以下几个特点:
(1)AMESIM是一个多学科领域的建模仿真平台,在统一的平台上实现了多学科领域的系统工程的建模与仿真。不同领域的模块之间直接的物理连接方式使AMESim成为多学科领域系统工程建模和仿真的标准环境。
(2)AMESim具有丰富的模型库用户可以采用基本元素法,按照实际物理系统来构建自定义模块或仿真模型,而不需要去推导复杂的数学模型。
(3)AMESim采用变步长变阶数变类型鲁棒性强的智能求解器,根据用户所建模型的数学特性自动选择最佳的积分算法,并根据在不同的仿真时刻的系统的特点动态地切换积分算法和调整积分步长,以缩短仿真时间和提高仿真精度。
(4)AMESim提供了丰富的与其他软件的接口, 比如控制软件接口Matla、Adams,实时仿真软件接口等。基于这些优点, AMESim 软件已广泛地被GM、Ford、LG、ZF、Bosch等公司采用,成为在汽车、液压和航空航天等研发部门的理想选择。
2. 2系统原理图
本文以某生产线上伺服液压定位系统为研究对象。该液压系统具有连接管道长,定位精度高,稳定性要求好,响应速度要求快等特点。其原理如图1所示。
1. 定位液压缸; 2. 位移传感器; 3. 伺服阀
图1 定位液压原理图
2. 3 基于AMESIM仿真模型的建立
利用AMESim软件建模仿真分以下四步:
(1)元件选择及连接。该软件本身带有常用的液压元件,建模时,按要求将所需元件调进系统界面,根据液压系统原理连线。若所需元件并不包含在软件元件库中时可通过自己建立元件模型。本系统中所有元件均为软件元件库中的标准元件。
(2)为所有元件选择元件子模型。考虑到液压系统应用的场合不同, AMESim软件中所有元件均有几种子模型可供选择。建模时根据系统的具体要求选择相应的子模型。
(3)仿真参数的设定。根据系统的工作参数设定仿真参数。
(4)设定仿真时间及步长进行仿真。
按照AMESIM软件的建模方法进行模型的建立。选择并连接各元器件后,在选择子模型时,由于本文主要研究长管道对伺服液压定位系统的影响,伺服阀跟液压缸连接管道的子模型需要选择分布式参数管道的子模型HL10,该子模型能将管道效应对液压系统的影响反应出来,其他元器件则按默认选择。建立的仿真模型如图2所示。
仿真模型中各元件参数设定如表1。
3 仿真结果及其分析
本文主要研究管道对伺服液压定位系统的定位精度、响应时间和系统稳定性的影响。通过设定信号对系统进行仿真分析。仿真结果如下:
图3 考虑管道效应与不考虑管道效应时液压缸位移差
图3为考虑管道效应和未考虑管道效应的液压缸定位差,由图可知管道效应对液压系统的定位精度主要是在液压阀动作以及液压缸达到设定值后关闭液压阀阀芯时产生影响。由图中可知,当液压缸位移达到设定值时液压缸处于震荡定位状态,并不能精确定位与设定值。
图4,图5为管长分别为5m, 10m和15m的液压缸输出位移与预定的输出位移比较图和液压缸进口流量图。由图4可知,液压系统随着管道的增大其响应时间增加,液压缸输出位移并不能精确稳定于预定的输出,而是在一定的范围内震荡,并不能精确定位。由图5可知,考虑管道效应的液压定位系统,流量脉动随着液压管道长度的增加而加剧,很可能使液压缸产生爬行现象,影响液压系统的定位精度。
图6为管径分别为15mm, 20mm和25mm的液压缸输出位移仿真图。该图显示,液压缸输出位移随着管道直径的增加其响应时间增加,且定位误差增大。
4结论
由以上仿真结果可得出以下结论:长管道液压系统性能不但受管道长度的影响,而且受管道直径的影响。液压缸定位精度随着液压管道长度的增加而降低,响应时间加长;随着液压管道直径的增大精度降低,响应时间延长。因此对于阳极炉液压伺服系统管路,我们尽量减短管道的长度,在满足流量的前提下尽量选择小管径管道。通过采用以上措施进一步提高了阳极板的合格率。另外在设计同步伺服液压定位系统时,应考虑两个液压缸的连接管道相差不能太大,以免两边响应时间不同,不能达到同步要求。
参考文献:
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[ 3 ]付永领,祁晓野. AMESim 系统建模和仿真———从入门到精通[M ]. 2005.
[ 4 ]田树军,张宏. 液压管路动态特性的Simulink仿真研究[ J ]. 系统仿真学报, 2006, 18 (5) , 1136 - 1138.(end)
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