一種具有不規(guī)則末端緩沖機構(gòu)液壓缸的仿真實現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及液壓系統(tǒng)仿真技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種具有不規(guī)則末端緩沖機構(gòu)液壓 缸的仿真實現(xiàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 液壓設(shè)計人員通過對液壓系統(tǒng)進行仿真，有助于對液壓系統(tǒng)的性能進行預(yù)先了 解，通過優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，使得液壓系統(tǒng)設(shè)計更為合理，降低液壓系統(tǒng)設(shè)計成本和縮短開發(fā)周 期。
[0003] 液壓系統(tǒng)中，液壓緩沖器（shock absorber)的作用是在工作過程中防止硬性碰撞 導(dǎo)致機構(gòu)損壞，降低液壓缸運動方向改變時的噪聲，其基本原理是依靠液壓阻尼對作用在 其上的物體進行緩沖減速至停止，在起重運輸、電梯、冶金、港口機械、鐵道車輛、航空等領(lǐng) 域廣泛采用。
[0004] 在實際應(yīng)用中，液壓缸的緩沖裝置幾何外形多種多樣、性能不一，設(shè)計人員需根據(jù) 實際需求設(shè)置相應(yīng)的外形參數(shù)，所以需要對液壓缸的緩沖裝置進行仿真優(yōu)化設(shè)計。針對具 有不規(guī)則末端緩沖機構(gòu)的液壓缸，若采用一般的仿真方法，需要通過繁雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)建立 復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，過程極為繁瑣，且不利于對結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化調(diào)試。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于，在較為成熟和常見的液壓仿真軟件AMESim (Advanced Modeling Environment for performing Simulation of engineering systems)中，利用 AMESim仿真軟件提供的標準模塊和自編模塊，針對具有不規(guī)則末端緩沖機構(gòu)的液壓缸，建 立簡單的數(shù)學(xué)仿真模型，優(yōu)化設(shè)計各種緩沖結(jié)構(gòu)參數(shù)，提出了一種具有不規(guī)則末端緩沖機 構(gòu)的液壓缸的仿真實現(xiàn)方法。
[0006] 液壓缸采用具有三個斜切面的緩沖柱塞作為不規(guī)則末端緩沖機構(gòu)，包括：缸體，活 塞桿，活塞，節(jié)流環(huán)和末端緩沖柱塞；
[0007] 活塞與活塞桿相連接處為活塞內(nèi)緩沖孔，活塞內(nèi)緩沖孔開口端套接1個節(jié)流環(huán)， 節(jié)流環(huán)上留有1個開口，開口截面為矩形。
[0008] 末端緩沖柱塞采用圓筒狀緩沖柱塞，同時與液壓缸出油口相連；末端緩沖柱塞外 表面分為緩沖柱塞斜切面和緩沖柱塞圓柱面；緩沖柱塞斜切面有三個，沿圓周均勻分布于 末端緩沖柱塞的前端，起始位置為斜切面起始點E所在的曲線；末端緩沖柱塞的后端為緩 沖柱塞圓柱面，緩沖柱塞圓柱面與緩沖柱塞斜切面相交位置為圓柱面起始點F所在的曲 線；末端緩沖柱塞內(nèi)部為柱塞排油內(nèi)孔。
[0009] 活塞的整個緩沖運動過程分為三個階段：
[0010] 第一階段為無緩沖階段；當(dāng)活塞運動到末端緩沖柱塞的緩沖柱塞斜切面之前，液 壓缸工作在一般模式，緩沖機構(gòu)不產(chǎn)生節(jié)流緩沖效應(yīng)。
[0011] 第二階段為斜切面節(jié)流緩沖階段；活塞從緩沖柱塞斜切面繼續(xù)移動后，開始產(chǎn)生 節(jié)流效應(yīng)，當(dāng)活塞移動到緩沖柱塞斜切面與緩沖柱塞圓柱面相交的位置時，末端緩沖柱塞 進入活塞內(nèi)緩沖孔時，緩沖發(fā)生。緩沖柱塞斜切面和活塞內(nèi)孔壁間形成緩沖間隙；液壓油通 過緩沖間隙和節(jié)流環(huán)上的開口流出液壓缸出油口。
[0012] 緩沖切面面積為緩沖間隙的切面積和節(jié)流環(huán)開口的面積之和，隨著活塞的繼續(xù)推 進，緩沖間隙越來越小，緩沖切面面積也越來越小，節(jié)流緩沖效果逐漸明顯。
[0013] 第三階段為固定間隙節(jié)流緩沖階段。當(dāng)活塞從緩沖柱塞斜切面與緩沖柱塞圓柱面 相交的位置繼續(xù)移動到緩沖柱塞圓柱面后，緩沖過渡到固定間隙緩沖階段，緩沖腔的液壓 油通過節(jié)流環(huán)開口處流出，即緩沖切面面積固定，此時緩沖效果明顯。
[0014] 針對具有不規(guī)則末端緩沖機構(gòu)的液壓缸的緩沖仿真實現(xiàn)方法，分為以下幾個步 驟：
[0015] 步驟一：確定每個緩沖階段的節(jié)流面積；
[0016] 第一階段，不涉及緩沖，采用標準液壓缸的模型即可。
[0017] 第二階段，末端緩沖柱塞在斜切面處移動時的變截面節(jié)流緩沖；
[0018] 緩沖切面面積為緩沖間隙的切面積和節(jié)流環(huán)開口的面積；
[0019] 緩沖切面面積\的計算公式如下：
[0020] Sx=6Sx1+Sx2 (1)
[0021] 其中：Sxl為緩沖間隙的切面積；S x2為節(jié)流環(huán)上開口形成的節(jié)流面積；
[0022] 節(jié)流環(huán)上開口形成的節(jié)流面積Sx2，計算如下：
[0023] Sx2= WH (2)
[0024] 其中：W為節(jié)流環(huán)縫隙寬度；H為節(jié)流環(huán)縫隙高度；
[0025] 緩沖間隙的切面積S,,，計算如下：
[0026]
J.L\ X,.J. V心. ! ~r yJL. J:
[0027] D為末端緩沖柱塞的直徑；0為末端緩沖柱塞剖面圖中，斜切面與圓弧面的交點 偏離中心線的角度 uiz_n為末端緩沖柱塞剖面圖中，斜切面與圓弧面的交
\ x- J. 點偏離中心線的距離
、hx為斜切面剖切最深處的值，h x = (1-x) tan ( a ) ;x為活塞偏離斜切面起始點E所在曲線的位移；1為緩沖柱塞斜切面段的長 度；a為緩沖柱塞斜切面的傾角；
[0028] 第三階段，固定間隙節(jié)流緩沖。
[0029] 此階段的節(jié)流面積S'，為：
[0030] S，x=Sx2=WH (4)
[0031] 步驟二：建立緩沖折算模塊；
[0032] 步驟201、繪制緩沖折算模塊的圖標；
[0033] 利用AMESim平臺，繪制緩沖折算模塊的圖標為Cushion，將緩沖折算模塊繪制成 兩個接口，并將接口定義為信號接口。
[0034] 步驟202、定義緩沖折算模塊的參數(shù)；
[0035] 緩沖折算模塊參數(shù)分為三大類，（1)、接口參數(shù)，與其它模塊交互的參數(shù)；（2)、內(nèi)部 參數(shù)，僅緩沖折算模塊內(nèi)部運算過程中可能使用的參數(shù)，視為運算的中間結(jié)果；（3)、可調(diào)整 參數(shù)，指緩沖折算模塊建立好后，用戶使用時可設(shè)定其具體數(shù)值的參數(shù)。
[0036] 步驟203、根據(jù)接口參數(shù)，判斷液壓缸所處的階段并計算該階段輸出的信號值；
[0037] 若處于第一階段，即不涉及緩沖，則輸出信號為1。
[0038] 若處于第二階段，則緩沖有效節(jié)流面積為S= Sx，計算節(jié)流閥直徑和輸出信號值， 公式如下：
[0039]
[0040] u-a/va
[0041] 其中：d為折算等效節(jié)流閥直徑；
[0042] vd為完整模型中采用的基準節(jié)流閥直徑；
[0043] u為輸出信號；
[0044] 若處于第三階段，固定間隙節(jié)流緩沖階段，則緩沖有效節(jié)流面積為S= S'x，根據(jù)以 下公式計算其輸出信號值；
[0045]
[0046] u=d/vd
[0047] 步驟三：建立完整的帶有末端緩沖結(jié)構(gòu)的液壓缸的模型；
[0048] 利用AMESim提供的標準模塊，搭建完整的帶有末端緩沖結(jié)構(gòu)的液壓缸模型，包括 液壓缸、位移傳感器、緩沖折算模塊和可調(diào)節(jié)流閥。
[0049] 位移傳感器連接液壓缸，采集液壓缸中活塞的位移信號，同時位移傳感器將輸入 的位移信號參數(shù)傳遞給緩沖折算模塊，緩沖折算模塊判斷液壓缸所處的階段并計算各個階 段的輸出信號傳遞給可調(diào)節(jié)流閥，進行節(jié)流。
[0050] 步驟四：對緩沖結(jié)構(gòu)各參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計；
[0051] 將步驟三搭建好完整的仿真模型連接到液壓系統(tǒng)中，對緩沖機構(gòu)的幾何參數(shù)進行 參數(shù)調(diào)試和優(yōu)化設(shè)計。
[0052] 本發(fā)明的優(yōu)點在于：
[0053]1)、一種具有不規(guī)則末端緩沖機構(gòu)液壓缸的仿真實現(xiàn)方法，簡潔易行，尤其對于難 以直接建立數(shù)學(xué)模型的不規(guī)則末端緩沖機構(gòu)來說，在確認其關(guān)鍵環(huán)節(jié)和核心影響因素后， 忽略次要因素，能很方便快捷的建立其完整數(shù)學(xué)模型。
[0054]2)、一種具有不規(guī)則末端緩沖機構(gòu)液壓缸的仿真實現(xiàn)方法，借助了 AMESim成熟的 仿真平臺，除了能提升數(shù)學(xué)模型的準確性外，也非常方便將建立的數(shù)學(xué)模型封裝成AMESim 的標準模塊，與其它成熟的液壓元件模塊組成復(fù)雜液壓系統(tǒng)模型，便捷的實現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的 仿真。
[0055] 3)、一種具有不規(guī)則末端緩沖機構(gòu)液壓缸的仿真實現(xiàn)方法，部分套用AMESim標準 模塊，簡化了建模難度，提高建模效率。
[0056]4)、一種具有不規(guī)則末端緩沖機構(gòu)液壓缸的仿真實現(xiàn)方法，建立好的仿真模型，也 具有AMESim標準模塊的友好人機交互界面，能很方便對緩沖機構(gòu)的重要參數(shù)進行調(diào)