摘要：對液壓機活動橫梁偏載不平衡的動力學模型進行分析，運用AMESim仿真平臺搭建一種溢流補償型同步平衡控制系統的動力學模型，通過仿真分析了控制參數、加載速度、摩擦阻力和傳感器精度對同步精度和調節時間的影響。驗證了這種同步平衡控制系統和采用的有關液壓元件能滿足Y322315T試驗測試性專用壓機的設計要求。
關鍵詞：同步平衡;AMESim軟件;液壓機;仿真研究
同步控制一直是液壓行業的一個重要課題，它在巨型液壓機的運動中顯得尤為突出。模鍛件各部位幾何形狀、溫度等方面的差別導致其變形抗力的合力偏離液壓機的中心，并且主工作缸的泄漏、摩擦、阻力、制造精度、油液中含氣量及結構的彈性變形也能導致設備的不同步動作，從而產生偏心力矩，使活動橫梁發生傾斜。部分力矩將傳遞給液壓機框架，導致液壓機各構件的受力情況惡化，立柱的附加彎曲力矩明顯增加，有可能導致總應力超過允許值而發生事故。同時，巨型模鍛液壓機上模鍛件的水平尺寸一般較大，活動橫梁發生傾斜后，上、下模不能準確壓合，必然使模鍛件不能達到要求的變形量，滿足不了精度要求。
液壓同步平衡，本質上是一種液壓位置保持系統，主要有封閉型、節流型和補償型三種工作方式，目前最先進的方案是采用具有溢流控制的補償型同步平衡系統，具有控制精度高、補償時間短和能量損耗小的特點。
Y322315T試驗測試性模擬樣機為三梁四柱式結構。其同步平衡控制系統工作原理如圖1所示。
1 仿真環境
基于Matlab平臺的Simulink是動態系統仿真領域中著名的仿真集成環境，它借助Matlab 的計算功能，可方便地建立控制系統原型和控制對象模型，通過仿真不斷地優化和改善設計。但是在Matlab /Simulink下對液壓油源系統進行建模及仿真需要做很多簡化工作，而模型的簡化使得仿真結果往往出現較大的誤差。
系統工程高級建模和仿真平臺AMESim 軟件是由法國IMAGINE公司推出的綜合系統仿真軟件，為多學科領域復雜系統建模仿真提供了解決方案。AMESim能夠從元件設計出發，可以考慮摩擦、油液和氣體的本身特性和環境溫度等非常難以建模的部分，并由此組成部件和系統進行功能性能仿真和優化，使設計出的產品完全滿足實際應用環境的要求。另外AMESim提供豐富的軟件接口，可以與ADAMS、Matlab等軟件聯合進行更復雜的混合領域仿真。各個子系統在各自領域的專用軟件下搭建，進行聯合仿真，然后用各軟件自身的處理工具對屬于各自領域的結果進行分析研究。
為了設計、測試、驗證和改進系統模型，需要把Simulink模型輸入到AMESim環境中進行仿真，而為了對系統施加控制策略、改進系統的穩態和動態性能，則可以將AMESim模型輸入到Simulink環境中進行仿真。
2 模型的建立及參數設置
2.1 活動橫梁受力數學模型
活動橫梁的受力模型如圖2所示，其姿態是各種力矩綜合作用于其上的結果。
Δx為對角液壓缸活塞位移偏差， J 為活動橫梁的轉動慣量;鍛造偏心力矩M = Fe， F為液壓機主缸的工作壓力， e為鍛造偏心距;Mm 為干摩擦阻力矩;活動橫梁旋轉的黏性阻力矩Mz = - B dΔx / dt， B 為黏性系數;液壓缸產生的平衡力矩Mt =Mf +Mb ，封閉平衡力矩Mf = - KfΔx，Kf 為液壓缸內液體彈性剛度系數， 補償平衡力矩Qt1為補液速度， Qt2為溢流速度。
當活動橫梁處于水平靜止初始狀態時， 偏差及其導數均為零，則活動橫梁的運動方程可化簡為:
M - Mb +Mm = 0 …………………………… (2)
當偏心力矩M 逐漸增大超過Mm 的臨界值MM時，式(2)平衡被打破，活動橫梁開始偏轉。同步平衡控制系統的目的就是控制Mb 做相應變化，使式( 2)重新成立，即:
|M - Mb | ≤MM
2.2 同步平衡控制系統的AMESim模型
首先在草圖模式下選擇相關單元，對于AMESim標準庫中沒有的單元可以通過液壓元件設計(Hydraulic Component Design， HCD) 庫很方便地搭建，然后連接相應的油路，并在子模型模式下為每個單元選擇合適的子模型。搭建好的同步平衡控制系統的AMESim模型如圖3所示。
在AMESim軟件中仿真時系統所有模型均被參數化，各種參數均在參數模式下進行設置。設液壓油密度為998kg/m3 ， 液體體積彈性模數為1.82 ×103MPa，絕對黏度為1.057cP。兩對角液壓缸活塞直徑為140mm， 活塞桿直徑為75mm， 工作行程為800mm， 工作壓力為25MPa， 油泵額定壓力為31.5MPa，公稱排量為25mL / r，電動機轉速為1400 r/min，比例流量閥的最大流速為63L /min，位移傳感器選用有效測量長度為900mm的光柵尺，其分辨率為1μm，可由此設置工作死區的大小。
仿真設定活動橫梁受逆時針偏心力矩，相當于給左側液壓缸活塞桿一個向下的力，同時給右側液壓缸活塞桿一個向上的力，兩力大小相等，方向相反。在1 s時開始施力，在一定時間內加載到額定工作壓力。設定兩側液壓缸活塞初始位置均在液壓缸中部且處于靜止平衡狀態，上、下兩腔壓力相等，各處管道均有相應的壓力。先導邏輯閥A、B、C、D 全閉， 形成封閉系統。在Simulink中對先導邏輯閥A、B、C、D 采用開關控制， 對控制補、溢油的兩個比例流量閥采用易于實現的P ID 控制。設定參數并鎖定初始狀態后進入運行模式，開始仿真。
3 仿真分析
在同步平衡控制系統的控制要求中，最重要的性能指標是動態最大偏差、靜態偏差和調節時間。動態最大偏差指在系統調節過程中，兩對角液壓缸活塞位移差絕對值的最大值，靜態偏差指系統調節穩定后，兩對角液壓缸活塞位移差絕對值的最大值。動態最大偏差的大小決定了同步平衡控制系統的使用可靠性和液壓機框架最大附加應力的大小。靜態偏差的大小則直接決定了被加工工件的尺寸精度。同步平衡控制系統的調整時間是以外載穩定后至將活動橫梁校正到穩態死區下限內為止的時間，減少調整時間有利于提高生產效率和提高產品質量。
在液壓機的加載過程中，活動橫梁所受外載中偏心力矩對同步平衡控制系統的控制精度影響最大，它隨著液壓機主缸加載力及偏心矩的變化而時刻改變，當液壓機加載完畢時，偏心力矩也隨之穩定。另外活動橫梁轉動黏性阻尼及液壓缸活塞受到的動/靜態摩擦力矩的變化也對系統的控制特性有很大的影響。
圖4所示是控制參數不同時兩對角液壓缸活塞位移偏差的變化圖。對兩比例流量閥采用的是易于實現的PID控制，比例系數大，動態最大偏差小;比例系數小，動態最大偏差大。微分系數對動態最大偏差的影響較小，對偏差曲線的變化快慢有較大作用，微分系數大，曲線的斜率就小，曲線圓滑，調整時間長;微分系數小，曲線陡直，調整時間短。積分項是對過去所有值的累加，當液壓機加載速度穩定時，也能使偏差曲線有下降趨勢。
補油開口與溢流開口不一致時，對位移偏差曲線的影響如圖6所示。補油開口大于溢流開口，能使液壓機尚在均勻加載且未達到最大工作壓力時就可以實現部分糾偏，應當減少調整時間。若補油開口小于溢流開口達到一定程度時，能減小動態最大偏差，提高動態精度。
圖8所示為位移傳感器精度對位移偏差的影響。由圖8看出傳感器精度越高，可以設置的死區范圍越小，同步平衡系統糾偏的動/靜態偏差都會相應地減小。
4結語
本研究運用AMESim軟件為液壓機一對對角液壓缸的同步平衡控制系統回路建立了仿真模型，分析對比了控制參數、加載速度、傳感器精度以及活塞桿所受動/靜摩擦力等因素對最大動態偏差、靜態偏差和調節時間同步性能指標的影響。
AMESim提供了一個系統工程設計的完整平臺，其基本元素的概念，使得用戶可以用盡可能少的元素來建立盡可能詳細的復雜模型，并在此基礎上進行仿真分析，進而從繁瑣的數學建模中解放出來，更專注于物理系統本身的設計。
經過仿真分析，采用了溢流補償型同步平衡控制系統的某試驗樣機，通過控制參數的設置，其同步平衡控制系統精度能達到01034mm /m，調節時間小于218 s，滿足同步系統設計要求。
參考文獻:
[ 1 ] IMAGING公司. AMESim用戶手冊.
[ 2 ] 中國機械工程學會塑性工程學會. 鍛壓手冊(第3卷:鍛壓車間設備) [M ]. 北京: 機械工業出版社，2007.
[ 3 ] 江玲玲，張俊俊. 基于AMESim與Matlab \Simulink聯合仿真技術的接口與應用研究液壓機[ J ]. 流體傳動與控制， 2007 (3).
[ 4 ] 譚建平，劉昊. 溢流補償型液壓位置保持系統的研究及應用[ J ]. 機械工程學報， 2004 (3).
[ 5 ] 劉忠偉. 液壓同步控制系統及其在巨型水壓機上的應用[ J ]. 液壓氣動與密封， 2007 (1).
關鍵詞：同步平衡;AMESim軟件;液壓機;仿真研究
同步控制一直是液壓行業的一個重要課題，它在巨型液壓機的運動中顯得尤為突出。模鍛件各部位幾何形狀、溫度等方面的差別導致其變形抗力的合力偏離液壓機的中心，并且主工作缸的泄漏、摩擦、阻力、制造精度、油液中含氣量及結構的彈性變形也能導致設備的不同步動作，從而產生偏心力矩，使活動橫梁發生傾斜。部分力矩將傳遞給液壓機框架，導致液壓機各構件的受力情況惡化，立柱的附加彎曲力矩明顯增加，有可能導致總應力超過允許值而發生事故。同時，巨型模鍛液壓機上模鍛件的水平尺寸一般較大，活動橫梁發生傾斜后，上、下模不能準確壓合，必然使模鍛件不能達到要求的變形量，滿足不了精度要求。
液壓同步平衡，本質上是一種液壓位置保持系統，主要有封閉型、節流型和補償型三種工作方式，目前最先進的方案是采用具有溢流控制的補償型同步平衡系統，具有控制精度高、補償時間短和能量損耗小的特點。
Y322315T試驗測試性模擬樣機為三梁四柱式結構。其同步平衡控制系統工作原理如圖1所示。
圖1 同步平衡系統工作原理圖
1 仿真環境
基于Matlab平臺的Simulink是動態系統仿真領域中著名的仿真集成環境，它借助Matlab 的計算功能，可方便地建立控制系統原型和控制對象模型，通過仿真不斷地優化和改善設計。但是在Matlab /Simulink下對液壓油源系統進行建模及仿真需要做很多簡化工作，而模型的簡化使得仿真結果往往出現較大的誤差。
系統工程高級建模和仿真平臺AMESim 軟件是由法國IMAGINE公司推出的綜合系統仿真軟件，為多學科領域復雜系統建模仿真提供了解決方案。AMESim能夠從元件設計出發，可以考慮摩擦、油液和氣體的本身特性和環境溫度等非常難以建模的部分，并由此組成部件和系統進行功能性能仿真和優化，使設計出的產品完全滿足實際應用環境的要求。另外AMESim提供豐富的軟件接口，可以與ADAMS、Matlab等軟件聯合進行更復雜的混合領域仿真。各個子系統在各自領域的專用軟件下搭建，進行聯合仿真，然后用各軟件自身的處理工具對屬于各自領域的結果進行分析研究。
為了設計、測試、驗證和改進系統模型，需要把Simulink模型輸入到AMESim環境中進行仿真，而為了對系統施加控制策略、改進系統的穩態和動態性能，則可以將AMESim模型輸入到Simulink環境中進行仿真。
2 模型的建立及參數設置
2.1 活動橫梁受力數學模型
活動橫梁的受力模型如圖2所示，其姿態是各種力矩綜合作用于其上的結果。
圖2 活動橫梁的受力模型
Δx為對角液壓缸活塞位移偏差， J 為活動橫梁的轉動慣量;鍛造偏心力矩M = Fe， F為液壓機主缸的工作壓力， e為鍛造偏心距;Mm 為干摩擦阻力矩;活動橫梁旋轉的黏性阻力矩Mz = - B dΔx / dt， B 為黏性系數;液壓缸產生的平衡力矩Mt =Mf +Mb ，封閉平衡力矩Mf = - KfΔx，Kf 為液壓缸內液體彈性剛度系數， 補償平衡力矩Qt1為補液速度， Qt2為溢流速度。當活動橫梁處于水平靜止初始狀態時， 偏差及其導數均為零，則活動橫梁的運動方程可化簡為:
M - Mb +Mm = 0 …………………………… (2)
當偏心力矩M 逐漸增大超過Mm 的臨界值MM時，式(2)平衡被打破，活動橫梁開始偏轉。同步平衡控制系統的目的就是控制Mb 做相應變化，使式( 2)重新成立，即:
|M - Mb | ≤MM
2.2 同步平衡控制系統的AMESim模型
首先在草圖模式下選擇相關單元，對于AMESim標準庫中沒有的單元可以通過液壓元件設計(Hydraulic Component Design， HCD) 庫很方便地搭建，然后連接相應的油路，并在子模型模式下為每個單元選擇合適的子模型。搭建好的同步平衡控制系統的AMESim模型如圖3所示。
圖3 同步平衡系統的AMESim模型
在AMESim軟件中仿真時系統所有模型均被參數化，各種參數均在參數模式下進行設置。設液壓油密度為998kg/m3 ， 液體體積彈性模數為1.82 ×103MPa，絕對黏度為1.057cP。兩對角液壓缸活塞直徑為140mm， 活塞桿直徑為75mm， 工作行程為800mm， 工作壓力為25MPa， 油泵額定壓力為31.5MPa，公稱排量為25mL / r，電動機轉速為1400 r/min，比例流量閥的最大流速為63L /min，位移傳感器選用有效測量長度為900mm的光柵尺，其分辨率為1μm，可由此設置工作死區的大小。
仿真設定活動橫梁受逆時針偏心力矩，相當于給左側液壓缸活塞桿一個向下的力，同時給右側液壓缸活塞桿一個向上的力，兩力大小相等，方向相反。在1 s時開始施力，在一定時間內加載到額定工作壓力。設定兩側液壓缸活塞初始位置均在液壓缸中部且處于靜止平衡狀態，上、下兩腔壓力相等，各處管道均有相應的壓力。先導邏輯閥A、B、C、D 全閉， 形成封閉系統。在Simulink中對先導邏輯閥A、B、C、D 采用開關控制， 對控制補、溢油的兩個比例流量閥采用易于實現的P ID 控制。設定參數并鎖定初始狀態后進入運行模式，開始仿真。
3 仿真分析
在同步平衡控制系統的控制要求中，最重要的性能指標是動態最大偏差、靜態偏差和調節時間。動態最大偏差指在系統調節過程中，兩對角液壓缸活塞位移差絕對值的最大值，靜態偏差指系統調節穩定后，兩對角液壓缸活塞位移差絕對值的最大值。動態最大偏差的大小決定了同步平衡控制系統的使用可靠性和液壓機框架最大附加應力的大小。靜態偏差的大小則直接決定了被加工工件的尺寸精度。同步平衡控制系統的調整時間是以外載穩定后至將活動橫梁校正到穩態死區下限內為止的時間，減少調整時間有利于提高生產效率和提高產品質量。
在液壓機的加載過程中，活動橫梁所受外載中偏心力矩對同步平衡控制系統的控制精度影響最大，它隨著液壓機主缸加載力及偏心矩的變化而時刻改變，當液壓機加載完畢時，偏心力矩也隨之穩定。另外活動橫梁轉動黏性阻尼及液壓缸活塞受到的動/靜態摩擦力矩的變化也對系統的控制特性有很大的影響。
圖4所示是控制參數不同時兩對角液壓缸活塞位移偏差的變化圖。對兩比例流量閥采用的是易于實現的PID控制，比例系數大，動態最大偏差小;比例系數小，動態最大偏差大。微分系數對動態最大偏差的影響較小，對偏差曲線的變化快慢有較大作用，微分系數大，曲線的斜率就小，曲線圓滑，調整時間長;微分系數小，曲線陡直，調整時間短。積分項是對過去所有值的累加，當液壓機加載速度穩定時，也能使偏差曲線有下降趨勢。
補油開口與溢流開口不一致時，對位移偏差曲線的影響如圖6所示。補油開口大于溢流開口，能使液壓機尚在均勻加載且未達到最大工作壓力時就可以實現部分糾偏，應當減少調整時間。若補油開口小于溢流開口達到一定程度時，能減小動態最大偏差，提高動態精度。
圖8所示為位移傳感器精度對位移偏差的影響。由圖8看出傳感器精度越高，可以設置的死區范圍越小，同步平衡系統糾偏的動/靜態偏差都會相應地減小。
4結語
本研究運用AMESim軟件為液壓機一對對角液壓缸的同步平衡控制系統回路建立了仿真模型，分析對比了控制參數、加載速度、傳感器精度以及活塞桿所受動/靜摩擦力等因素對最大動態偏差、靜態偏差和調節時間同步性能指標的影響。
AMESim提供了一個系統工程設計的完整平臺，其基本元素的概念，使得用戶可以用盡可能少的元素來建立盡可能詳細的復雜模型，并在此基礎上進行仿真分析，進而從繁瑣的數學建模中解放出來，更專注于物理系統本身的設計。
經過仿真分析，采用了溢流補償型同步平衡控制系統的某試驗樣機，通過控制參數的設置，其同步平衡控制系統精度能達到01034mm /m，調節時間小于218 s，滿足同步系統設計要求。
參考文獻:
[ 1 ] IMAGING公司. AMESim用戶手冊.
[ 2 ] 中國機械工程學會塑性工程學會. 鍛壓手冊(第3卷:鍛壓車間設備) [M ]. 北京: 機械工業出版社，2007.
[ 3 ] 江玲玲，張俊俊. 基于AMESim與Matlab \Simulink聯合仿真技術的接口與應用研究液壓機[ J ]. 流體傳動與控制， 2007 (3).
[ 4 ] 譚建平，劉昊. 溢流補償型液壓位置保持系統的研究及應用[ J ]. 機械工程學報， 2004 (3).
[ 5 ] 劉忠偉. 液壓同步控制系統及其在巨型水壓機上的應用[ J ]. 液壓氣動與密封， 2007 (1).
浙公網安備: 33028102000314號