水压缸系统的建模与仿真   中山大涌云梯车出租, 中山大涌云梯车, 中山出租云梯车   在本实验测试系统中，通过在水压缸系统实验台上阀体上添加连接水压缸进出口的过渡板来实现比例调速阀对水压缸的速度调节，用直线位移传感器测量位移，采集的信号经过信号放大器对比例阀进行反馈，从而记录跟踪缸的位置。利用数学公式建立水压缸系统的模型，对其进行动静态的分析。液压缸是一种把液压力能转化为机械能，用来驱动工作机构做直线或往复运动的液压执行原件。通过建立水压缸模型及设定相关参数，利用Ｍａｔｌａｂ／ｓｉｍｕｌｉｎｋ软件对水压缸的模型进行了仿真分析，并对其仿真结果进行了分析，为水压元件在伺服系统的分析和设计中提供参考依据。在此系统中，由于纯水传动液压缸的具有复杂而明显的非线性现象，精确的描述该系统中的动态特性是相当困难的，因而在不失一般性的前提下，在其复杂模型的基础上有必要对其进行简化处理，以降低其复杂性。对其系统做出以下假设：

   １）在运动的过程中忽略流体惯性力、阻力以及层流和紊流对系统造成影响；２）在系统中不考虑环境温度对流体介质的物理性质造成的影响；３）对于橡胶元件的弹性造成系统压力的变化忽略不计；４）对系统中的过滤器及弯道管路造成的泄漏及压力损失忽略不计。

     纯水传动液压缸的系统建模仿真:  （１）水压缸模型的建立系统的物理模型。水压缸的运动的数学模型包括有杆腔和无杆腔的流量连续性方程和活塞的力平衡方程。由于考虑到水压缸的外泄漏系数非常小，此处忽略水压缸外部的泄漏。１）在水压缸模型中，各物理量以箭头为正方向，按活塞杆的正方向为移动方向，其无杆腔的流量连续性方程,  水压缸有杆腔输入液容：无杆腔活塞面积； ：活塞位移；进口压力：出口压力；液体容积：初始位置时的无杆腔容积：水的体积弹性模量，ＭＰａ；缸的内泄漏系数；ｔ：时间。

    ２）水压缸的力平衡方程，有杆腔活塞面积；ｍ：等效负载质量，：负载弹性刚度，Ｎ／ｍ；６：部件的黏性摩擦系数：负载力，Ｎ。水压缸的进油腔和出油腔的容积包括计算腔内及与其相连的进油管和出油管内的容积水压缸在忽略弹簧回复力和干摩擦力.   确定输入量和输出量，尽量避免出现比较点与分支点的交换，化简后的方块图： 负载力，出口压力。一般密封性能优良的液压缸，其泄漏量是很小的。其泄漏系数根据设定的选取（即内泄：。由于水的粘性比油小，从而泄漏量会比油大的多，为了更好地模拟其泄漏量，故将其值增大１００倍，即内泄：水压缸负载质量的固有频率；水压缸负载质量的阻尼比。

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    水压缸系统模型参数的确定:  （１）当量负荷质量当量负荷质量包括水压缸活塞总成的质量负荷质量，负载质量，水的质量：活塞组件的质量，細Ｍｅｌ：负载质量，如Ｍｅ２：水压缸中水的质量，％；：出水管中的水的质量，％；ａ：出水管截面面积。（２）粘性阻尼系数活塞与缸筒之间的摩擦力是水压缸中的主要阻力来源。由于此运动系统中水压缸密封件之间的摩擦系数很小，在此运动中主要阻力是流体压力，查表可知液压油的阻尼系数为８５００Ｎｓ／ｍ，而介质水粘度只有油的１／１０--１／２０，因此推算出水的粘滞阻尼系数为４２５Ｎｓ／ｍ。（３）水的有效体积弹性模量流体的有效的体积弹性模量公式如下：丄＝丄＋丄＋么０／丄（４－１８）ＥｅＥｃＥＶＥｇ式中，尽：管道等固定容器弹性模量，尽其中，：Ｔ、Ｄ分别为管子的内外直径：管的有效弹性模量；五：水的体积弹性模量，根据相关资料查得水的体积弹性模量约为２１００ＭＰａ；：气体的绝热弹性系数，空气的弹性系数约等于液体工作压力的１．４倍；：介质中含空气含量的百分比，其中，＆是空气的体积，Ｋ是水介质的体积，利用重量求解法来求取其精确的百分比。根据实际的水压缸运行条件选取参数。通过计算化简后可以确定水压缸的传递函数：根据传递函数在ＭＡＴＬＡＢ中确定系统的仿真模块图，利用这个构建了水压缸系统的仿真模型。为了使建立的模型具有更好的适应性，在仿真的过程中将系统的不同位移、速度输入得到的结果进行了对比分析。在不同输入的信号下得到水压缸活塞的响应曲线，有以下各图可以看出在此模型下水压缸活塞的位移输出可以很好的响应位移输入，速度的响应会产生一定的震荡并最终保持在稳定状态。活塞速度有超调，如果要减少超调，就是对系统的动态特性进行优化。可以通过改变某些参数的大小得出该参数对系统的影响，从而确定一个适当的数值使系统呈现良好的动态特性。在充分考虑整个水压缸结构的基础上，结合具体的简化物理模型和液压缸内部特性。详细推导了液压缸动态特性的数学模型，从而为整个水压伺服系统总体模型的建立提供了重要的理论依据。采用Ｍａｔｌａｂ／ｓｉｍｕｌｉｎｋ软件编程对所建立的模型进行仿真，结果表明响应迅速，具有较好的稳定度，系统输入、输出变量有良好的线性关系，验证了模型的正确性。

    首先基于Ｈｕｅｎｔ软件对水压缸缝隙泄漏的流场情况进行了仿真，得出了不同间隙下的压力云图、速度云图及涡旋分布图，结果表明间隙在０．００３ｍｍ－０．０１ｍｍ较为合适，并对仿真中出现的问题进行了改正，根据曲线图及时修正了仿真参数，达到了预定的设计精度要求。其次，对ＡＭＥＳｉｍ液压软件进行了介绍说明，根据ＡＭＥＳｉｍ软件自身的特点，结合软件的使用步骤，对其使用方法进行了简单的阐述；分析了液压缸压差作用下的内泄漏的原因，在隙缝断面的分布规律下对其泄漏量进行了计算。其次，通过在水压缸的基本模型中添加泄漏模块对其建模，对其可变容积腔进行了选择，通过设置相应的仿真参数为仿真做好了准备。最后，运行仿真得出了活塞杆位移曲线、泄漏模块心两端压力差、水压缸内泄漏曲线、不同缝隙高度下的活塞杆位移和水压缸泄漏曲线及不同粘度下的水压缸活塞杆位移和水压缸的泄漏量曲线。并对其曲线特性和存在的仿真结果进行了分析。泄漏模块缝隙髙度一定时，随着水动力黏度降低，水动力粘度对水压缸收回所需的时间基本影响不大，水压缸内泄漏量越来越大，相比之下，水动力粘度的大小对水压缸内泄漏量影响较大。最后，结合Ｍａｔｌａｂ／ｓｉｍｕｌｉｎｋ软件的应用领域及特点，对水压缸系统进行了系统的建模及仿真，其中的建模过程包括水压缸的数学模型由两腔的流量连续性方程和活塞运动方程（力平衡方程）。根据各运动方程分别建立局部的方块图，最后得到水压缸方块总图；针对水压缸系统进行实际的参数设计，包括等效负载质量、粘性阻尼系数、水的有效体积弹性模量等的选取设定；参数设定后进行了系统的仿真分析，分别得到了在阶跃响应和斜坡响应下的速度和位移的曲线。系统仿真结果表明，采用Ｍａｔｌａｂ／ｓｉｍｕｌｉｎｋ软件对水压缸系统的仿真结果具有很高的稳定性，响应迅速，系统的输入对应的输出有很好的线性关系，仿真结果验证模型的正确性。

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