液压系统动态特性研究方法分析

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HvdraulicsPneumatics＆Seals，NO．04．2014doi：l0．3969／j．issn．1008-0813．2014．04．004液压系统动态特性研究方法分析晁智强，宁初明，韩寿松，刘相波，朱奇龙(装甲兵工程学院机械工程系，北京100072)摘要：液压系统由于其工作环境的复杂性，受到的外部干扰较多等因素的影响，良好的动态特性能有效保证系统的稳定性和过渡品质。利用计算机进行仿真分析和试验验证可有效掌握液压系统的动态性能，为改进系统设计和完善现有系统提供依据。关键词：液压系统；动态特性；仿真中图分类号：TH137；U463文献标识码：A文章编号：1008—0813(2014)04—0021—03TheAnalysisoftheResearchMethodonHydraulicSystemDynamicBehaviourCHA0Zhi—qiang，NINGChu—ming，HANShou—song，LIUXiang-bo，ZHUQi-long(AcademyofArmoiredForcesEngineeringMechatronicEngineering，Beijing100072，China)Abstract：Becauseofthecomplexityofworkingconditions，theinfluenceoftheexternaldisturbancetothehydraulicsystemismore，Ⅲandgooddynamiccharacteristicscanefectivelyensurethestabilityandtransitionofqualitysystem．Usingcomputersimulationanalysisandexperimentvalidationcanefectivelygraspthedynamicperformanceofhydraulicsystem，providingthebasisforimprovingthesystemdesignandtheexistingsystem．Keywords：hydraulicsystem；dynamicbehaviour；simulation0引言济领域和军事装备中的应用越来越广泛．其性能的好坏直接影响到整个系统的性能液压传动及控制技术[-卅由于具有输出功率大、控由于液压系统其自身构成的复杂性．负载变化的制精度高、响应速度快等诸多优点，液压系统在国民经多样性，工作环境的恶劣性等诸多因素的影响．在实际工程系统中动态品质引起的稳定性等问题日益严重．收稿日期：2013一I1—19仅进行系统静态特性的研究已远不能满足现代工程实作者简介：晁智强(1967一)，男，吉林辉南人，教授，博士，主要从事流体传动和控制方面的研究工作。际的要求，必须对动态特性进行分析研究。针对不同设身垂直位移、加速度的幅值和达到平衡的时间情况．得参考文献到阻尼孔直径的最优值。本例中，阻尼孔直径的最优值李占芳，仝军令，李威．单气室油气弹簧的优化设计研究[J]．振在2～2．5mm之间动与冲击。2011．(4)：166—172．秦家升，安静，等．油气悬架的特征及其结构原理分析[J]．工程4结语机械，2003，(11)：7—10．(1)通过分析单气室悬架油缸的结构和工作原孙继勋，赵广俊，吕建刚。等．基于AMESim的单腔油气悬架阻理．建立了单气室悬架油缸的数学模型和重型车辆悬尼特性仿真分析【J】．液压气动与密封，2010，(6)：24—27．架系统的单轮二自由度振动数学模型并推导出了悬刘雷，阮春红．基于AMESim的重型车辆油气悬架振动特性仿真研究[J]．液压与机床，2011，(5)：105—107．架油缸的输出力的方程．得出悬架油缸阻尼力是非线蔡福海．全路面起重机油气悬架系统仿真与优化『D1．大连：大性的：连理工大学．2006．(2)基于AMESim建立了单气室油气悬架系统的杨非，雷金柱．基于AMESim的工程车辆液压悬架系统仿真二自由度模型．通过仿真．分析了单气室油气悬架不同【J】．液压气动与密封，2008，(2)：31—34．阻尼孔直径对车身垂直位移和垂直加速的影响．为单曹瑞元，张宏，熊诗波．矿用汽车油气悬架系统建模与仿真[J]．气室油气悬架系统的深入研究建立了基础机械设计与制造，2011，(1)：239—241．21 液压气动与密封／2014年第04期备系统．需重点对液压系统在运行中的压力和流量等液压系统的非线性因素一般都比较多．且很大一参变量与时间的变化关系进行研究．分析系统的动态部分的非线性因素都无法进行线性化或者线性化后会工作性能。为系统的优化设计提供理论依据和进一步出现严重的误差．且液压系统本身用于传输的功率就完善系统提出改进意见和建议．从而让系统的动态稳是一种变量．因而传递函数分析法在多数情况下都不定性、可靠性和响应特性等迈上一个新台阶．使系统能便于用于液压系统的动态特性分析．但由于其分析系够应对各种复杂工作条件的要求[5-13]统稳定性相对方便．在一些相当简单的系统中用来分液压系统的动态过程因其影响因素较多．且非线析系统的瞬态响应．通常情况下该方法的应用较少。性因素占据主导地位．对其展开研究存在比较大的困3数字仿真法难。随着控制理论和计算机技术的发展．液压系统动态随着现代控制理论和计算机技术在液压系统动态特性研究也逐渐深入，从早期的单输入、单输出和简单特性研究领域的应用．数字仿真分析法逐渐被人们用的线性分析发展到现今的多输入、多输出和非线性研来分析线性系统和非线性系统的动态性能．可以便捷究．其研究方法主要包括传递函数分析法、数字仿真法地用于多输入、多输出、任意初始值和包含任何形式非和试验研究法三种线性因素的复杂系统分析『2、4、6、-14-、2111液压系统动态特性通过对液压系统的数字仿真分析．掌握液压系统液压系统通常由液压泵、马达或液压缸、阀和管路和液压元件结构参数对整个系统动态性能的影响．确等其他液压元件组成．这些元件的动态性能的综合作定最优匹配参数．为液压元件和系统的设计提供理论用构成了整个液压系统的动态性能【18]液压系统在实依据，缩短开发周期，降低生产成本，保证产品质量，同际的工作中．每经历一个动态过程．系统的各个参量间时可对已有系统进行数字仿真．分析出薄弱环节．为完原有的平衡将被打破，并逐步过渡到新的平衡状态。从善设计奠定理论依据并由此提出改进意见和建议．从而保证液压系统连续平稳的运行而实现系统性能的最优化液压系统的动态特性I4—5·91指原有系统在信号激励液压系统数字仿真主要包括两个过程．即建模和作用下失去平衡状态到形成一个新的平衡状态的过程模型求解与结果分析通常对液压系统进行数学建模所表现出的特性造成液压系统动态过程的原因主要的方法包括状态空间法和功率键合图法前者主要是通过传递函数或者高阶微分方程来对状态方程进行推有两种．即传动和控制过程引起的和外界干扰引起的。导．虽能够一定程度地把数学模型转化成状态方程。但动态过程中系统的各参变量均随时间在变化．液压系或多或少存在着一定的缺陷．如因不能准确地确定系统在这种变化过程中所体现的特殊工作性能品质．如统的传递函数就会存在一定的局限性．无法完整地反响应速度的快慢、是否收敛等和对系统扰动的应变能映各变量之间的关系：后者通过一定的规则将系统各力，即系统是否能够迅速、准确地回复新平衡将直接决组成的动态关系以图示的形式表示其关系．如功率流定着整个系统的性能的好坏程、能量分配等，利用这种方法可以在充分理解系统各液压系统工作过程中．设备由于运行工况的变化，物理量之间的作用关系．并能便捷、准确地完成复杂系需要经历换向和制动等过程，系统容易产生压力振荡、统各部件的数学模型分析。对于已掌握的数学模型，需液压冲击和噪声过大等问题．同时要考虑部件间动作要利用计算机技术对其进行相应的仿真实验，即模型的相互协调和动态精度等．因此，对液压系统动态特性的求解分析过程基于现代计算机技术的快速发展．研究主要是系统动态稳定性和过渡过程品质问题。“外科手术式”的仿真已经得到了广泛的应用，多种功2传递函数分析法能集于一体的通用和专业仿真软件给液压系统动态性基于古典控制理论的传递函数分析法主要用于分能分析带来了极大的便利．如MATLAB／Simulink不仅析主要参变量对系统稳定性的影响和系统稳定裕量等能够对系统进行仿真建模．还能根据需要实时对仿真问题，经过几十年的发展已是一种比较成熟的方法。此参数作出调整．以获得理想的仿真结果．从而为优化系种方法主要适用于线性系统和系统中不存在本质非线统提供可视化的依据[22-241：EASY5仿真软件可以直接利性因素或其他不宜进行线性化的因素的简单非线性系用图形化的建模方法．从软件自带的模型库里选取对统，且要求比较严格．即系统须是单输入、单输出和初应各物理部件建立相应的模型．然后对模型参数进行始条件为零I4—5201相应的设定并将各模型进行连接构成对应的液压系统22 HydraulicsPneumatics&Seals，NO．04．2O14等其他仿真工具通过建模与仿真这两个有效的分析[4】田树军，胡全义，张宏．液压系统动态特性数字仿真[M】．大连：方法．可以获得液压系统设计和改良的坚强理论依据，大连理工大学出版社．2012．[5】郑笑红．液压系统动态特性数字仿真[J]．华北矿业高等专科学为成功开发和升级设备起到不可估量的贡献[zs-~。校学报，2000，f12)．4试验研究法[6】李永堂，雷步芳，高雨茁．液压系统建模与仿真【M】．冶金工业出液压系统动态性能研究一般都是基于一定的实践版社．2003．[7】邓习树，李白光．当前液压系统仿真技术发展现状及趋势[J]．经验．需要不断地对其进行实验验证。尤其是在早期理机床与液压，2003，f1)．论研究还相对不成熟的情况下．这一方法显得尤为重『81陆元章．液压系统建模与分析『M1．上海：上海交通大学出版要试验研究[4、27】即可用作一种单独的研究手段来对液社．1989．压系统进行研究．即通过各种传感器和记录仪对所设『9]逢振旭．考虑能耗的大功率复杂液压系统仿真与控制技术的计的产品不断试验．记录下各主要参量动态过程的曲研究[D】．上海：上海交通，2001．线．并对其进行分析．为重要设备的设计与制造提供依【10]蔡廷文．液压系统现代建模方法【M】．北京：中国标准出版社，据：又可作为理论和仿真分析的验证手段，检验所作的2oo2．研究是否正确，提高工作效率，保证研究质量。『11]万理想周保华，周洲，等．基于AMESim和Simulink的液压伺服系统动态仿真[J]．煤矿机械，2007，(9)．通常对于复杂的液压系统．经验丰富的工程人员【12]关雪梅．冷滚轧机床液压传动系统的动态特性分析[J]．燕山大也没有百分之百的把握能够准确地对其进行数学建学学报，2005，f11．模。如此就无法对其动态过程进行正确的分析与研究。[13]刘国印．装载机液压系统动态性能仿真研究【D】．厦门：集美大通过与试验相结合的办法．可以有效地验证所建模型学．2010．的准确性．并可为其提供修改意见，以建立正确的模【14]晁智强，刘相波，孟爱红．装甲车辆液压传动[M]．北京：兵器工业型．同时通过进行相同条件下的仿真和试验研究，可将出版社．2005．两者的结果对比分析．保证仿真和试验的误差在可控[15】李壮云．液压元件与系统[M】．北京：机械工业出版社，2005．范围内．由此便能在保证效率和质量的基础之上，缩短『161吴万荣，程度旺，曹中一．多功能液压挖掘机泵控系统动态特研究的周期．提高效益。性仿真研究[J】．机床与液压，2007，(9)．[17】BennoStein，ElmarVier．StructuralAnalysisinControlSystems5结语DesignofHydraulicDnves~]．EngineeringApplicationsof综上所述．研究液压系统动态特性不仅能在设计ArtificialIntelligence．2000，(6)．阶段有助于合理地选择结构参数．优化匹配系统的结『181葛振亮，侯友山，姜勇．工程车辆全液压转向系统管路特性分构．还能对已有系统进行薄弱环节分析。评估系统工作析【J]．振动与冲击，2011，(3)．[19】张庆永．液驱混合动力车辆液压系统研究[D1．南京：南京理工的可靠性．并提出相应的改进措施。采用单一的方法已大学．2009．难以实现对液压系统动态特性进行深入的分析．为保『2O1夏必忠．功率键合图在液压系统动态特性数字仿真研究中的证能够准确地分析动态特性通常采用数字仿真和试验应用[J]．湛江师范学院学报，1997，(6)．研究相结合的手段．通常先建立设备液压系统的动态『211冯双昌．挖掘机工作装置液压系统的动态特性的建模与仿真数学模型和仿真模型．仿真分析系统的动态特性，然后研究[D]．贵阳：贵州大学，2007．建立系统的试验系统．通过研究试验理论和方法并进『221原思聪，王丹，刘道华．功率键合图和MATLAB／Simulink在液行相应的实验来对仿真结果进行验证对比．从而获取压系统动态仿真分析中的应用[J]．煤矿机械，2010，(3)．理想的设计和改进措施．使机械设备能够满足不同复『231杨红艳瑚格金，雷秀，等．旁路节流调速液压系统动态特性数杂环境的要求字仿真[J]．煤矿机械，2011，(2)．『24]项昌乐，符升平．车辆综合传动系统过渡工况仿真及试验验证参考文献[J]．机械工程学报，2011，(1)．[1]沙永柏．JFK一15型非开挖导向钻机的研制及其液压动态特[25】孙成通，陈国华，蒋学华，等，液压系统仿真技术与仿真软件研性仿真研究[D】．长春：吉林大学，2007．究[J]．机床与液压，2008，(1O)．【2】熊玉力．装载机液压系统动态性能仿真与实验研究[D】．济南：[26】潘东升，陈松茂，丘宏扬，等．液压仿真技术的现状及发展趋势山东大学．2011．[JJ．新技术新工艺·数字设计与数字制造，2005，(4)．【3】徐立友．拖拉机液压机械无级变速器特性研究【D】．西安：西安【27】李和言．综合传动液压转向动态特性与试验方法研究【D]．北理工大学．2007．京：北京理工大学．2004．