基于amesim的液壓系統(tǒng)測試試驗(yàn)臺(tái)仿真研究

基于amesim的液壓系統(tǒng)測試試驗(yàn)臺(tái)仿真研究

隨著工程技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)模擬在機(jī)械和機(jī)械工程領(lǐng)域的應(yīng)用越來越受到重視。模仿技術(shù)的應(yīng)用使設(shè)計(jì)和故障診斷方便、經(jīng)濟(jì)。隨著機(jī)電液一體化在現(xiàn)代設(shè)備中的應(yīng)用,液壓裝置在一臺(tái)工程機(jī)械設(shè)備中的造價(jià)通常達(dá)到20%~30%,有的甚至超過50%。因此對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析,運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)就具有重大的價(jià)值,它是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)研究液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的一種新方法。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)不僅可以在設(shè)計(jì)中預(yù)測系統(tǒng)性能,縮短設(shè)計(jì)周期,降低成本,還可以通過仿真對(duì)所涉及的系統(tǒng)進(jìn)行整體分析和評(píng)估,從而達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì),提高系統(tǒng)穩(wěn)定性及可靠性的目的。本文采用AMESim軟件建立液壓系統(tǒng)的仿真模型,并進(jìn)行了系統(tǒng)故障的仿真。具體方法如下:利用AMESim軟件建立實(shí)際液壓測試系統(tǒng)的近似模型,這是一個(gè)物理系統(tǒng)模型化的過程,使仿真系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置與正常狀態(tài)達(dá)到最佳逼近;再設(shè)置系統(tǒng)模型的下級(jí)子模型在異常狀態(tài)下的參數(shù),方便地模擬系統(tǒng)故障,建立起系統(tǒng)相應(yīng)的故障樣本曲線,為發(fā)展故障診斷專家系統(tǒng)的圖形知識(shí)庫做好準(zhǔn)備。同時(shí)可實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)的虛擬化,以液壓缸動(dòng)態(tài)仿真為研究內(nèi)容,分析了基于AMESim的液壓系統(tǒng)故障仿真方法。1amesim軟件在液壓戰(zhàn)略分析設(shè)計(jì)中的應(yīng)用AMESim(AdvancedModelingEnvironmentforSimulationsofengineeringsystems)表示系統(tǒng)工程高級(jí)建模和仿真平臺(tái)。AMEsim是IMAGINE公司于1995年推出的專門用于液壓/機(jī)械系統(tǒng)的建模、仿真及動(dòng)力學(xué)分析的軟件,該軟件包含了IMAGINE的專門技術(shù)并為工程設(shè)計(jì)提供交互能力?；谥苯訄D形接口,在整個(gè)仿真過程中系統(tǒng)可以顯示在環(huán)境中。AMESim使用圖標(biāo)符號(hào)代表各種系統(tǒng)的元件,這些圖標(biāo)符號(hào)要么是國際標(biāo)準(zhǔn)組織如工程領(lǐng)域的ISO為液壓元部件確定的標(biāo)準(zhǔn)符號(hào),或?yàn)榭刂葡到y(tǒng)確定的方塊圖符號(hào),或者當(dāng)不存在這樣的標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)時(shí)可以為該系統(tǒng)給出一個(gè)容易接受的非標(biāo)準(zhǔn)圖形特征。AMESim為流體動(dòng)力、機(jī)械、熱流體和控制系統(tǒng)提供一個(gè)完善、優(yōu)越的仿真環(huán)境及最靈活的解決方案。在AMESim繪圖區(qū)添加符號(hào)或圖標(biāo)搭建工程系統(tǒng)草圖后,可按如下步驟進(jìn)行系統(tǒng)仿真:(1)圖標(biāo)元件的數(shù)學(xué)描述。(2)設(shè)定元件的特征。(3)初始化仿真運(yùn)行。(4)繪圖顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀況。AMESim使用戶能夠借助其友好的、面向工程應(yīng)用的方案,通過模型庫的概念來實(shí)現(xiàn)研究任何元件或回路的動(dòng)力學(xué)特性。而模型庫可通過客戶化不斷升級(jí)和改進(jìn),以滿足用戶更高級(jí)建模需求。2amesim與其他分析方法的對(duì)比,可以直接指出系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律。在做AMESim軟件采用的建模方法類似于功率鍵合圖法,但要更先進(jìn)一些。相似之處在于二者都采用圖形方式來描述系統(tǒng)中各元件的相互關(guān)系,能夠反映元件間的負(fù)載效應(yīng)及系統(tǒng)中功率流動(dòng)情況,元件間均可反向傳遞數(shù)據(jù)。規(guī)定的變量一般都是具有物理意義的變量,都遵從因果關(guān)系;不同之處在于AMESim更能直觀地反映系統(tǒng)的工作原理。用AMESim建立的系統(tǒng)模型與系統(tǒng)工作原理圖幾乎一樣,而且元件之間傳遞的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)沒有限制,可以對(duì)更多的參數(shù)進(jìn)行研究。它采用復(fù)合接口,即一個(gè)接口傳遞多個(gè)變量,簡化了模型的規(guī)模,使得不同領(lǐng)域模塊之間的物理連接成為可能。3使用amesim軟件對(duì)原油系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析3.1液壓系統(tǒng)性能仿真模型液壓測試試驗(yàn)臺(tái)的組成及原理圖如圖1所示。其中5為75kW交流電動(dòng)機(jī),用來驅(qū)動(dòng)液壓泵。節(jié)流閥3調(diào)節(jié)被測試液壓泵進(jìn)油口的開度,可形成一定的真空度,用來模擬被測試液壓泵產(chǎn)生氣穴時(shí)的情況。電磁換向閥25和截止閥24控制溢流閥28和液壓缸20的加載與卸載。電磁換向閥12控制液壓缸的伸縮,調(diào)節(jié)溢流閥23控制液壓缸的背壓,用來模擬液壓缸的負(fù)載。節(jié)流截止閥18、19模擬液壓缸的外泄漏,單向節(jié)流閥13、14控制液壓缸進(jìn)出口流量的大小。液壓系統(tǒng)性能測試仿真模型如圖2所示。在AMESim草圖模式(sketchmode)下,根據(jù)液壓缸測試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理,運(yùn)用液壓庫、液壓元件設(shè)計(jì)庫和機(jī)械庫構(gòu)建液壓系統(tǒng)的仿真模型,并組成一個(gè)液壓系統(tǒng)性能的測試模型。3.2模型選取模塊進(jìn)入子模型模式(submodelmode),為測試系統(tǒng)中的每個(gè)圖形模塊選取子模型。AMEsim提供了首選子模型(Premiersubmodel)功能。3.3靜接合劑設(shè)置在參數(shù)模式(Paralnetersmode)下,設(shè)定參數(shù):發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)置為1480r/min;泵的排量設(shè)置為63mL/r,轉(zhuǎn)速設(shè)置為2000r/min;三位四通換向閥各通路流量設(shè)置為90L/min,壓降設(shè)置為0.1MPa,阻尼比設(shè)置為0.8,閥芯固有頻率設(shè)置為50Hz,額定電流設(shè)置為200mA;活塞的直徑設(shè)置為25mm,活塞桿的直徑設(shè)置為15mm,所連質(zhì)量塊的質(zhì)量設(shè)置為10kg;分段線性信號(hào)源UD1設(shè)置為常量1000,則經(jīng)過由信號(hào)到力的轉(zhuǎn)換,執(zhí)行機(jī)構(gòu)活塞桿就能得到一個(gè)恒為1000N的阻力;其它參數(shù)均按默認(rèn)值來設(shè)置。3.4在運(yùn)行模式下運(yùn)行模擬進(jìn)入運(yùn)行模式(Runmode),設(shè)置仿真時(shí)間為10s、仿真步長0.1s和運(yùn)行方式等運(yùn)行參數(shù)后,開始仿真。3.5仿真模型的驗(yàn)證在圖1所示液壓測試試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn),采集液壓缸活塞桿位移繪制曲線如圖3所示。將活塞桿的物理試驗(yàn)位移曲線(見圖3)與仿真試驗(yàn)位移曲線(見圖4)進(jìn)行對(duì)比,通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)仿真試驗(yàn)位移曲線和物理試驗(yàn)位移曲線基本一致,由于仿真試驗(yàn)是在理想狀態(tài)下進(jìn)行的,存在的偏差也在仿真試驗(yàn)允許的誤差范圍內(nèi),故可驗(yàn)證仿真模型的正確性。仿真液壓缸在正常工作情況下的液壓缸端口1和端口2的流量曲線(見圖5)。從圖中可以看出,流量和壓強(qiáng)都有一個(gè)短暫的穩(wěn)定過程,由活塞桿的位移曲線可知,0~2.4s活塞桿伸出,2.4~5s活塞桿到達(dá)伸出極限,5~8.3s活塞桿收縮,8.3~10s活塞桿到達(dá)收縮極限。與此相對(duì)應(yīng)的時(shí)間段內(nèi),端口1、2的流量和壓力的成相應(yīng)的變化,活塞桿伸出過程中,端口1的流量為正流入,端口2的流量為負(fù)流出;活塞桿收縮過程與伸出過程相反;由于端口2一側(cè)有活塞桿,活塞移動(dòng)相同的位移,端口2一側(cè)的體積變化小,故端口2的流量小于端口1;活塞桿到達(dá)極限位置的流量均為零。以上分析結(jié)果再次驗(yàn)證了該仿真模型的正確性。4液壓缸泄漏故障仿真建立準(zhǔn)確的系統(tǒng)仿真模型后,根據(jù)不同的故障仿真項(xiàng)目分別對(duì)正常模型注入故障參數(shù),使得程序在故障條件下運(yùn)行。觀察運(yùn)行結(jié)果時(shí),通過AMESim的批仿真運(yùn)算功能將正常響應(yīng)曲線和故障響應(yīng)曲線同時(shí)反應(yīng)在一幀輸出圖表中。以下是對(duì)液壓缸泄漏故障進(jìn)行仿真分析的研究,液壓缸的泄漏一般分為內(nèi)泄漏和外泄漏兩種情況。外部泄漏較容易發(fā)現(xiàn),只要仔細(xì)觀察即可做出正確判斷。液壓缸的內(nèi)泄漏檢修較為困難,因此很難從表面上發(fā)現(xiàn)液壓缸的內(nèi)泄漏故障。為此,利用AMESim軟件進(jìn)行液壓缸內(nèi)泄漏故障仿真,對(duì)比故障狀態(tài)和正常狀態(tài)下的參數(shù)變化,為液壓缸內(nèi)泄漏故障診斷提供診斷樣本。圖6、7分別為液壓缸內(nèi)泄漏的故障狀態(tài)下位移和壓力曲線,其中曲線1為液壓缸內(nèi)泄漏故障狀態(tài)曲線,曲線2為正常狀態(tài)曲線。由于液壓缸在內(nèi)泄漏的情況下,造成液壓缸出力不足、保壓性能差等問題,長期在這種狀態(tài)下運(yùn)行,必將影響液壓設(shè)備的平穩(wěn)性、可靠性和使用壽命。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn),圖6反映了由于壓力流失造成活塞桿運(yùn)動(dòng)變化;圖7反映了由于液體泄露導(dǎo)致系統(tǒng)無法保壓。以上結(jié)果客觀的仿真了真實(shí)液壓缸泄漏的變化情況,為液壓缸在內(nèi)泄漏故障狀態(tài)進(jìn)行故障診斷提供了依據(jù)。5基于amesim的液壓系統(tǒng)故障仿真本文基于AMESim對(duì)液壓缸測試進(jìn)行了仿真研究,為液壓缸的故障診斷提供了極具參考價(jià)值的數(shù)據(jù),取得了需要經(jīng)過復(fù)雜計(jì)算和大量的測試實(shí)驗(yàn)才能得出的結(jié)論