蔡應強，江小霞，陳清林

(1.華僑大學機電學院，福建廈門 361021; 2.集美大學輪機工程學院，福建廈門 361021)

基于EASY5的液壓試驗平臺建模與仿真

蔡應強1，2，江小霞2，陳清林2

(1.華僑大學機電學院，福建廈門 361021; 2.集美大學輪機工程學院，福建廈門 361021)

為研究某液壓公共試驗平臺的性能，在EASY5軟件環(huán)境中建立了其計算機仿真模型，并以裝載機工作機構(gòu)為試驗對象，對典型工況的動態(tài)性能進行了仿真分析，仿真結(jié)果與實測結(jié)果基本一致，可實現(xiàn)部分替代試驗和超常規(guī)試驗，研究結(jié)果可為各種液壓試驗系統(tǒng)的設計、改型和參數(shù)調(diào)整等提供參考。

建模;仿真;液壓系統(tǒng);EASY5

為向海西裝備制造業(yè)提供液壓元件和系統(tǒng)性能測試服務，結(jié)合企業(yè)樣機試驗需求，某大學與泉州豐澤區(qū)生產(chǎn)力促進中心合作開發(fā)了液壓公共試驗平臺，可滿足裝載機、挖掘機、鞋機、砌磚機等各種高低壓液壓系統(tǒng)性能試驗與測試的需要。為驗證該平臺的試驗性能，建立了與該平臺相一致的虛擬仿真模型，通過仿真結(jié)果預判系統(tǒng)運行效果，為系統(tǒng)硬件設計改型提供參考，避免因硬件設計缺陷而造成損失。同時，根據(jù)后期硬件平臺測試數(shù)據(jù)可進一步驗證和完善仿真模型，既可作為今后類似元件或系統(tǒng)的建模依據(jù)，亦可實現(xiàn)用虛擬仿真平臺替代硬件試驗平臺進行虛擬試驗研究。

1 試驗平臺簡介

液壓試驗平臺 (HTS)采用模塊式、通用化、多接口同步數(shù)據(jù)采集等原則設計，分為測控部分和液壓部分，測控部分采用上下位機的結(jié)構(gòu) (如圖1所示)，上位機 (即計算機輔助測試系統(tǒng)，CATS)主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號的采集與處理的功能，下位機(即PLC)主要實現(xiàn)對液壓系統(tǒng)的控制功能，包括對液壓系統(tǒng)溫度控制、扭矩控制、流量控制、位移控制等。

圖1 HTS測控部分結(jié)構(gòu)圖

HTS液壓部分組成如圖2所示，由液壓泵站 (最低層)、閥組平臺(中間層)、臺架系統(tǒng)(上層)以及操縱臺等組成，裝有壓力、流量、溫度、位移(速度)、扭矩及轉(zhuǎn)速傳感器。操縱臺設有本地/遠程轉(zhuǎn)換開關(guān)，本地狀態(tài)下直接對泵站和閥臺實施手動或自動控制;遠程狀態(tài)下操作臺受控于上位機 (即 CATS)。壓力、流量、溫度、位移 (速度)、扭矩及轉(zhuǎn)速信號直接由CATS采集、存儲、處理和顯示。根據(jù)對典型工程機械的工作分析，將液壓系統(tǒng)分為工作回路、轉(zhuǎn)向回路和先導回路三部分，通過控制相關(guān)閥組啟閉即可實現(xiàn)合流/分流與加載/卸載，加載方式即可實現(xiàn)重物加載也可實現(xiàn)背壓加載。

圖2 液壓試驗平臺組成框圖

2 仿真模型的建立

對液壓系統(tǒng)的建?？刹捎霉β舒I合圖法和專業(yè)圖形化建模軟件實現(xiàn)，亦可通過建立各個液壓元件的數(shù)學模型，聯(lián)合建立液壓系統(tǒng)的動力學方程，然后采用Matlab/Simulink等通用仿真工具進行求解。鑒于本項目液壓系統(tǒng)的復雜性、強耦合性，基于快速建模的目的，采用美國專業(yè)流體仿真軟件EASY5進行圖形化建模，模型參數(shù)的輸入及不同模型間數(shù)據(jù)傳遞都在簡單的圖形界面中完成，不僅可以微分方程、差分方程、傳遞函數(shù)、代數(shù)方程及方程組方式建立自己的動態(tài)模型，還可得到其強大的專業(yè)庫支持［2］。

文中主要使用其通用庫GP建立控制信號和部分機械裝置的數(shù)學模型，使用高級液壓庫HC建立各液壓元件模型，該庫根據(jù)質(zhì)量守恒、能量守恒和動量守恒定律，采用常微分方程表示流體動力學方程，僅考慮流體的一維流動，包括瞬態(tài)能量影響、流體可壓縮性、無流動或反向流動的可能性、考慮氣穴現(xiàn)象并近似估計氣穴現(xiàn)象的影響，對于工程液壓問題這種處理方法足夠有效和精確［3］。

2.1 HTS原理圖

HTS液壓部分原理如圖3、4所示。系統(tǒng)主要參數(shù):(1)系統(tǒng)壓力:額定工作壓力35 MPa;最高試驗壓力40 MPa;(2)系統(tǒng)流量:工作系統(tǒng)流量400 L/min;轉(zhuǎn)向系統(tǒng)流量250 L/min;兩泵合流最大流量:650 L/min;(3)電機功率、轉(zhuǎn)速:變頻工作泵組電機200 kW、3 000 r/min;變頻轉(zhuǎn)向泵組電機110 kW、3 000 r/min;供油系統(tǒng)總裝機功率310 kW。

圖3 HTS泵站原理圖

圖4 HTS控制閥臺原理圖

2.2 仿真模型

在建模過程，比較困難的是模型、連接參數(shù)的選擇、元件參數(shù)的設定，由于在高級液壓庫中部分元件并沒有相一致的模型，一個辦法是根據(jù)原理進行等效替代，另外一個辦法則是根據(jù)元件工作原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)自行搭建模型，然后封裝成子庫。鑒于系統(tǒng)的復雜性，初步進行等效替代的方法進行建模，以降低仿真出差錯的概率，在等效模型正確的基礎(chǔ)之上可以進一步細化部分元件模型。根據(jù)相似原理和等效替代原則，將系統(tǒng)中的變頻電機采用SF和LA模塊代替，兩位兩通電磁閥用V2代替，手動球閥用VM模塊代替，背壓調(diào)壓閥組VU8、VU9用V2和VM模塊代替，通過調(diào)節(jié)節(jié)流口面積大小實現(xiàn)背壓加載，液壓缸負載用SF模塊代替，VU4～VU7等測量供油和回油流量壓力的閥組，可以選取仿真模型中相關(guān)元件的對應參數(shù)輸出到圖形即可，在建模中予以簡化，另外繼電器、傳感器、流量表、油壓表在仿真中影響不大也進行了簡化。

圖5 液壓試驗平臺在EASY5中的仿真模型

以裝載機工作機構(gòu)為試驗對象，建立的模型如圖5所示。

模型主要參數(shù)設定如下:雙點劃線框①為泵站系統(tǒng)，工作泵1排量為 104.5 mL/r，額定壓力17.5 MPa，轉(zhuǎn)向泵2排量為83.6 mL/r，額定壓力23 MPa，額定轉(zhuǎn)速均為2 200 r/min;雙點劃線框②為工作系統(tǒng)，動臂液壓缸缸內(nèi)徑160 mm，活塞桿徑80 mm，最大行程930 mm;鏟斗液壓缸缸內(nèi)徑125 mm，活塞桿徑70 mm，最大行程628 mm;雙點劃線框③為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向液壓缸內(nèi)徑90 mm，活塞桿徑45 mm，最大行程340 mm。

3 仿真結(jié)果與分析

通過選擇典型工況和修改模型參數(shù)對模型進行反復校核和調(diào)試，使得仿真結(jié)果與實測結(jié)果基本吻合，以確保模型的準確性。由于元件的輸入輸出端口具有Storage和Resistive兩種邊界條件，相同的邊界條件一般不能建立連接，一個連接必須是從輸出端口連接到輸入端口，并且是從Storage類型端口到Resistive類型端口或者是從Resistive類型端口到Storage類型端口，也即實心標志的端口與不同顏色的空心端口連接。如果遇到輸出端口和要連接的輸入端口均為Resistive類型，可以采用CH模塊過渡的方式連接。模型建立完畢后，輸入模型參數(shù)，再執(zhí)行“Build/Create Executable”，生成可執(zhí)行的.exe文件。

3.1 穩(wěn)態(tài)分析

在仿真分析開始之前還需對模型進行收斂性判定，即進行穩(wěn)態(tài)分析，選擇“Steady State”，執(zhí)行“Analysis/Execute”。EASY5軟件采用“Newton-Raphson”迭代算法進行穩(wěn)態(tài)計算求解出離初始迭代點較近的穩(wěn)態(tài)收斂點，并給出穩(wěn)態(tài)分析報告，自動計算出該穩(wěn)態(tài)點處系統(tǒng)的特征值，通過系統(tǒng)特征值即可檢驗系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

顯然，并非所有的系統(tǒng)模型都能收斂，迭代不收斂的原因可能是迭代初始點遠離穩(wěn)態(tài)域且迭代次數(shù)過少，或系統(tǒng)過于復雜以至于迭代法失效，最大的可能還是模塊參數(shù)設置不合理導致。圖5所示模型就經(jīng)過了反復的模型調(diào)試和參數(shù)修正，最終才成功找到收斂點。穩(wěn)態(tài)分析后可選擇存儲穩(wěn)態(tài)收斂點數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)文件作為仿真分析的起始點，從實際角度來看，該穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)可看作是實際液壓系統(tǒng)充滿液壓油但尚未動作的狀態(tài)。這樣處理的意義在于相當于讓液壓系統(tǒng)從穩(wěn)態(tài)開始運行，既與實際相符，又不會導致劇烈變化的量［6］。

3.2 仿真分析

穩(wěn)態(tài)分析后即可進行仿真分析，選擇“Simulation”，采用EASY5中的BCS-Gear算法，步長為0.01 s，選擇穩(wěn)態(tài)點作為初始運行點，并根據(jù)需要設置“Plot Variables”為“Selected”，選擇需要繪圖輸出的參數(shù)后，執(zhí)行“Analysis/Execute”即可得到所需的仿真曲線。需要指出的是EASY5軟件的后處理功能并不是很強大，只能輸出.emf格式的圖形，而不能輸出數(shù)據(jù)文件，這給多次仿真結(jié)果的曲線對比造成了不便。

裝載機的轉(zhuǎn)向回路和工作回路都是獨立工作，在無需轉(zhuǎn)向時，可將轉(zhuǎn)向回路的流量合流供給工作回路，這樣可以降低工作回路的設計功率，降低能耗，提高效率，故選擇兩回路合流空載和在不同載荷情況下的合流加載工況進行仿真研究。

(1)合流空載仿真

設定工作泵和轉(zhuǎn)向泵在1 s后啟動，泵站調(diào)壓閥組1和2處于非卸荷狀態(tài)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不動作，轉(zhuǎn)向回路流量通過轉(zhuǎn)向分配閥V23提供給工作回路，從而使得轉(zhuǎn)向泵與工作泵功率合流后供給工作系統(tǒng)。模擬裝載機在無需轉(zhuǎn)向時，將轉(zhuǎn)向泵功率分流到工作系統(tǒng)，以提高工作鏟斗的鏟掘力和動臂的提升力。仿真結(jié)果如圖6所示。工作分配閥5 s后啟動鏟斗液壓缸，模擬收斗動作，用負值表示，10 s后啟動動臂液壓缸，兩液壓缸動作之前，兩泵通過溢流閥卸荷 (如圖6(c)所示)。在工作分配閥動作時，工作泵和轉(zhuǎn)向泵合流供油，流量為兩者之和 (如圖6(b)點劃線所示);由于合流供油，液壓缸動作速度有了明顯提升，在工作泵單獨供油情況下，鏟斗液壓缸達到最大行程需要大約7 s，而在兩泵合流供油情況下只需不到4 s(如圖6(d)虛線所示)，工作效率明顯提高，動臂液壓缸亦是如此，由于動臂缸內(nèi)徑和行程較大，所以從圖6(d)實線可知，動臂缸行程時間大約13 s，明顯長于鏟斗缸行程時間。

圖6 空載合流仿真實驗曲線

(2)合流加載仿真

試驗平臺可實現(xiàn)重物加載和背壓加載，本仿真模型中采用背壓加載。合流加載和合流空載的區(qū)別在于動臂缸和轉(zhuǎn)斗缸的背壓不一樣，通過調(diào)節(jié)背壓閥的閥口開度大小即可實現(xiàn)。為觀察動臂和鏟斗液壓缸在不同負載情況下的動作情況，通過調(diào)節(jié)背壓閥的閥口開度大小實現(xiàn)不同的背壓加載，以模擬不同的負載作用。

設定轉(zhuǎn)向分配閥向工作系統(tǒng)合流供油，1 s后雙泵啟動，工作分配閥5 s后啟動鏟斗液壓缸，動臂液壓缸鎖止，設定背壓閥VM2的節(jié)流口面積為0.2、0.3、0.5、0.8 mm2。仿真結(jié)果如圖7所示，鏟斗液壓缸縮回時間依次為18.14、13.98、11.28、9.27 s，背壓則從15.3 MPa降至11.1 MPa。當節(jié)流口面積大于1 mm2后，活塞桿行程時間均為8.78 s，和空載情況下行程時間一致。這說明在合流加載情況下，工作分配閥閥口開度越大，活塞桿運動越快，轉(zhuǎn)斗動作更迅速，效率越高，而當閥口開度達到一定程度后，背壓閥節(jié)流效果不明顯，動臂缸的動作亦是如此。當節(jié)流口面積繼續(xù)增大到1、1.5、2、3、4 mm2時，背壓壓力迅速從9.88 MPa下降到2.8 MPa，基本接近空載時的情況 (如圖8所示)。從圖中可以看出，當節(jié)流口面積在1 mm2以下進行調(diào)節(jié)時，靈敏度較高，背壓變化非常明顯，當節(jié)流口面積調(diào)到2 mm2以上時，閥口開度已經(jīng)比較大，背壓降低不明顯，這符合往復移動式、回轉(zhuǎn)式、三角槽式等節(jié)流閥芯的節(jié)流特性。

圖7 不同節(jié)流口面積下的鏟斗液壓缸活塞行程時間

圖8 背壓壓力隨節(jié)流口面積變化曲線

4 仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比

文中采用的EASY5是專業(yè)流體仿真軟件，因而仿真結(jié)果的可信度主要取決于子模塊的選擇、系統(tǒng)的搭建及參數(shù)設置的準確程度。由于在仿真建模過程中對系統(tǒng)作了一定程度的簡化處理，如用信號加載和慣性環(huán)節(jié)替代變頻電機的機械特性，信號控制代替電控和液控，部分液壓閥的等效替換，負載的等效替換等，這可能使得仿真結(jié)果趨于理想化，進而使得仿真結(jié)果可信度降低，盡管前述仿真結(jié)果和理論分析一致，為進一步驗證模型的準確程度，對仿真結(jié)果與實測結(jié)果進行了對比分析，部分結(jié)果如下:

圖9—11分別為液壓試驗平臺在轉(zhuǎn)向回路和工作回路合流空載狀態(tài)下的動臂缸進油流量、回油流量和供油壓力的實測曲線和仿真曲線 (注:設定工作泵、轉(zhuǎn)向泵轉(zhuǎn)速均為1 200 r/min，系統(tǒng)啟動5 s后操縱動臂液壓缸平穩(wěn)動作一個完整行程，液壓缸有桿腔進油，無桿腔回油)。對比可知，實測結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，鏟斗液壓缸和轉(zhuǎn)向液壓缸的實測和仿真結(jié)果也具有同樣的結(jié)論，鑒于篇幅有限，不再累述。這說明通過EASY5所建的系統(tǒng)仿真模型基本正確，可信度較高，能夠達到該項目合同中“使得液壓試驗平臺仿真結(jié)果與實測結(jié)果對比誤差在10%以內(nèi)”的要求。

圖9 合流空載工況動臂缸有桿腔流量

圖10 合流空載工況動臂缸無桿腔流量

圖11 合流空載工況動臂缸有桿腔壓力

5 結(jié)束語

以某液壓公共試驗平臺為研究對象，應用EASY5仿真軟件建立了其液壓系統(tǒng)的仿真模型，詳細闡述了建模及仿真分析過程中應注意的問題及解決辦法，合理設置模型參數(shù)確保了該仿真模型的收斂性。經(jīng)仿真分析表明，該模型仿真結(jié)果與理論分析吻合，證實該系統(tǒng)硬件設計能夠?qū)崿F(xiàn)預期效果，背壓加載能夠模擬實際加載工況。通過計算機仿真結(jié)果和試驗結(jié)果的對比，表明所建仿真模型正確可靠，改變背壓閥開口面積即可模擬不同負載對系統(tǒng)性能的影響，對實際試驗的參數(shù)調(diào)整具有指導意義，也可利用該模型進行虛擬試驗和超常規(guī)試驗，實現(xiàn)液壓系統(tǒng)的優(yōu)化設計。

［1］江小霞，林少芬.基于EASY5的船舶電液舵機系統(tǒng)仿真研究［J］.船舶工程，2008，30(6):31－34.

［2］戎志祥，林少芬.工程機械液壓試驗平臺仿真研究［J］.液壓氣動與密封，2011(9):75－78.

［3］王勇亮，盧穎，趙振鵬，等.液壓仿真軟件的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.液壓與氣動，2012(8):1－4.

［4］傅德彬，姜毅，張強.液壓系統(tǒng)半實物仿真平臺設計［J］.系統(tǒng)仿真學報，2007，19(15):3422－3424.

［5］潘尚峰，鄧鵬.基于EASY5的防反轉(zhuǎn)閥的動力學建模與仿真［J］.機床與液壓，2011，39(3):94－96.

［6］The MSC.EASY5 Reference Manual［Z］.The Msc.Software Corporation，2005.

Modeling and Simulation of Hydraulic Test Platform Based on EASY5

CAI Yingqiang1，2，JIANG Xiaoxia2，CHEN Qinglin2
(1.College of Mechanical Engineering and Automation，Huaqiao University，Xiamen Fujian 361021，China; 2.Marine Engineering Institute，Jimei University，Xiamen Fujian 361021，China)

In order to study the performance of a hydraulic public test platform，its computer simulation model was established in the EASY5 software environment.Moreover，through taking a working mechanism of wheel loader as test object，the dynamic characteristics under typical working conditions were simulated with analysis.The simulation results and the measured results are basically in consistent，which can realize the partial substitution test and over-routine test.The research results can provide a reference for the design，modification and parameter adjustment of various hydraulic test systems.

Modeling;Simulation;Hydraulic system;EASY5

TH137

A

1001－3881(2014)9－133－5

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.09.037

2013－04－17

福建省科技重大專項 (2008HZ0002－1);科技部重大專項 (2009GJC40033);李尚大集美大學科研基金資助項目(ZC2012011)

蔡應強 (1980—)，男，講師，博士研究生，主要從事工程機械、船舶設備的機電液一體化及虛擬仿真研究。E－mail:cai0929@126.com。