江海軍，宋飛，王傳輝，楊哲輝

(1.92213部隊，廣東湛江524064;2.海軍工程大學動力工程學院，湖北武漢430033;3.海軍92196部隊52分隊，山東青島266000;4.海軍91251部隊，上海200940)

早期的數(shù)字液壓缸由于機械結(jié)構(gòu)不完善，導(dǎo)致液壓缸的行程短、速度不高、性價比不好，均沒有得到廣泛的應(yīng)用。20世紀90年代以來，隨著微計算機技術(shù)及步進電機細分驅(qū)動技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)字液壓缸獲得了新的活力。美國Victory Controls公司、Vickers公司、德國Hermann Hemscheidt Maschinenfabrik(海姆施德特機械制造)公司、日本IHI(石川島播磨重工)公司均有成熟的系列數(shù)字液壓缸產(chǎn)品提供［1，2］。國內(nèi)億美博科技有限公司解決了數(shù)字液壓缸高速、長行程、廉價的難題，使其能夠適用于不同的需求［3］。重慶大學機械工程學院的學者們在磁耦合傳動數(shù)字液壓缸的理論與實驗研究方面作了大量工作，積累了豐富的經(jīng)驗［4－6］。

數(shù)字液壓缸可直接用數(shù)字脈沖信號進行控制，具有控制簡單、定位精度高、抗污能力強、維護容易等優(yōu)點。常見數(shù)字液壓缸的閥芯驅(qū)動形式及反饋方式多采用螺旋傳動方式，該傳動方式有利于實現(xiàn)數(shù)字液壓缸的小型化集成化，且決定著數(shù)字液壓缸的性能，因此對數(shù)字液壓缸的螺旋傳動機構(gòu)進行研究是必要的。

1 數(shù)字液壓缸AMESim模型

1.1 仿真模型的建立

數(shù)字液壓缸模型采用AMESim軟件搭建完成，模型主要由油源、液壓缸、四通滑閥、螺旋傳動機構(gòu)四部分組成，完整的模型如圖1所示。數(shù)字液壓缸系統(tǒng)模型的難點在于螺旋傳動機構(gòu)模型的搭建，主要利用AMESim軟件的機械庫完成螺桿螺母副 (圖1中Helical Pair)和滾珠絲杠 (圖1中Ballscrew)模型的搭建［7－8］。螺桿螺母副與滑閥閥芯直接相互作用，其螺紋間隙及摩擦不能忽略，自建模型需要考慮間隙及摩擦的影響。滾珠絲杠的螺紋間隙是可以忽略的，因其本身間隙很小，加之中間經(jīng)過減速齒輪的減速，對閥芯運動的影響甚微，可使用軟件自帶的螺桿螺母副模塊來簡單地表示。

圖1 數(shù)字液壓缸AMESim模型

1.2 仿真模型參數(shù)

為方便研究，設(shè)定數(shù)字液壓缸中位啟動，規(guī)定活塞位移及負載方向如圖2所示;另外設(shè)定負載隨活塞位移線性變化，變化規(guī)律如圖3所示。

圖2 活塞位移及負載方向定義

圖3 活塞位移與負載對應(yīng)關(guān)系

模型中其他主要參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)主要參數(shù)

2 仿真結(jié)果與分析

閥芯螺桿螺距影響數(shù)字液壓缸的增益，為了研究閥芯螺桿螺距對數(shù)字液壓缸的具體影響規(guī)律，將閥芯螺桿螺距P分別設(shè)為2、3.5、5 mm進行仿真。在步進電機角位移輸入信號相同的情況下，理論位移計算公式為:

式中:st為理論位移 (m);i為減速比，i=1/K;s為滾珠絲桿螺距 (m);θ為步進電機角位移 (°)。

由式 (1)可知:閥芯螺桿螺距P不影響活塞的理論位移st，3種螺距下的活塞理論位移應(yīng)該是相同。仿真設(shè)置的步進電機角位移輸入信號為周期40 s、幅值1 080°的三角波型，對應(yīng)的活塞理論位移曲線如圖4中曲線4所示，為周期40 s、幅值0.225 m的三角波型。由圖4可知:3種螺距下的活塞實際位移曲線與理論位移曲線頻率相同，相位分別滯后0.4、0.2和0.15 s，可見隨著閥芯螺桿螺距的增加(即系統(tǒng)增益增大)，位移曲線滯后量減小，活塞位移幅值增大。

圖4 活塞位移－時間曲線

圖5為3種螺距下液壓缸的跟蹤誤差曲線，觀察單個跟蹤誤差曲線可知:當活塞運動方向不改變時，活塞位移的動態(tài)跟蹤誤差隨著位移量的增加而逐漸增大，且活塞縮回比伸出時的跟蹤誤差更大。具體原因是負載隨著位移的增加而線性增大，導(dǎo)致工作腔壓力升高，工作腔與供油系統(tǒng)的壓差減小，供油流量的下降引起跟蹤誤差增大;有桿腔作為工作腔時由于有效面積小，腔內(nèi)壓力更高，所以跟蹤效果要差于無桿腔作為工作腔時的。

對比3種螺距下液壓缸的跟蹤誤差曲線可知:閥芯螺距P對跟蹤誤差有顯著的影響，隨著螺距P的增加，液壓缸的動態(tài)跟蹤誤差減小，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差也相應(yīng)地減小。系統(tǒng)最終穩(wěn)定后，螺距P=2、3.5、5 mm對應(yīng)的靜態(tài)誤差分別為0.64、0.36、0.25 mm。綜上所述，在其他條件都相同的情況下，閥芯螺距P增加 (即增益增大)，液壓缸的位移滯后量減小，位移幅值增大，系統(tǒng)的動態(tài)跟蹤誤差及靜態(tài)誤差減小明顯，數(shù)字液壓缸的精度提高。

圖5 液壓缸跟蹤誤差－時間曲線

3 結(jié)論

利用AMESim軟件建立了數(shù)字液壓缸模型，仿真分析了螺旋傳動機構(gòu)中閥芯螺桿螺距對數(shù)字液壓缸性能的影響。結(jié)果表明:在其他條件都相同的情況下，閥芯螺距P增加 (即增益增大)，液壓缸的位移滯后量減小，位移幅值增大，系統(tǒng)的動態(tài)跟蹤誤差及靜態(tài)誤差減小明顯，數(shù)字液壓缸的精度提高。從本質(zhì)上說，閥芯螺距的增大增大了數(shù)字液壓缸的系統(tǒng)增益，使得系統(tǒng)頻響提高，液壓缸位移跟蹤效果改善。但值得注意的是過大的增益可能導(dǎo)致數(shù)字液壓缸系統(tǒng)的不穩(wěn)定，在設(shè)計螺旋傳動機構(gòu)應(yīng)進行穩(wěn)定性分析。

［1］李良福.國外動力液壓缸的發(fā)展狀況［J］.機械工程師，2002，11(9):9 －11.

［2］邱法維，沙鋒強，王剛，等.數(shù)字液壓缸技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用［J］.液壓與氣動，2011(7):60 －62.

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［4］魏祥雨.閉環(huán)控制數(shù)字液壓缸研究［D］.重慶:重慶大學，2005.

［5］魏祥雨，王世耕，胡捷，等.閉環(huán)控制數(shù)字液壓缸及實驗研究［J］.液壓與氣動，2005(7):19－22.

［6］潘易龍，張毅，魏祥雨.閉環(huán)控制數(shù)字液壓缸及其控制系統(tǒng)［J］.液壓氣動與密封，2005(3):34－36.

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