付辰琦

(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院, 吉林 長(zhǎng)春 130000)

基于AMESim的電液伺服振動(dòng)臺(tái)蓄能器的仿真研究*

付辰琦

(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院, 吉林 長(zhǎng)春 130000)

電液振動(dòng)臺(tái)在應(yīng)用中瞬時(shí)流量容易發(fā)生變化并對(duì)振動(dòng)頻率產(chǎn)生影響。蓄能器能瞬時(shí)供給大流量。構(gòu)造用蓄能器為輔助能源的電液振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)，闡述蓄能器對(duì)振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)的供油過(guò)程，分析帶有不同蓄能器系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，優(yōu)化蓄能器的瞬時(shí)流量供應(yīng)，確定系統(tǒng)中蓄能器具體參數(shù)和個(gè)數(shù)的方法，提高了電液振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)響應(yīng)頻率。

電液振動(dòng)臺(tái);蓄能器;仿真分析

0 引 言

電液伺服振動(dòng)臺(tái)是擁有激振、測(cè)試以及軟件分析等多項(xiàng)功能于一體的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)[1-3]。在導(dǎo)彈環(huán)境測(cè)試、工程機(jī)械的路況分析以及高層建筑的抗震等模擬實(shí)驗(yàn)中起重要作用，擁有良好的前景，是未來(lái)模擬實(shí)驗(yàn)的前進(jìn)方向[4-5]。電液伺服振動(dòng)臺(tái)有大推力、大位移、高頻響等特點(diǎn)，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)，在檢測(cè)產(chǎn)品安全性、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本和改進(jìn)生產(chǎn)工藝中廣泛應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用對(duì)振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)頻率的要求逐漸增高，振動(dòng)的功率要求也在增大。振動(dòng)臺(tái)要求能夠工作在不同的頻率下，滿足高低頻等工況的要求[6-7]。液壓振動(dòng)臺(tái)擁有很大的作用力，工作時(shí)候的頻段可分為低頻段和高頻段，工作行程具有長(zhǎng)短兩種行程情況，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制程序的變化實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。改變裝蓄能器的不同安裝達(dá)到系統(tǒng)的高頻響應(yīng)，研究蓄能器作輔助動(dòng)力源的具體工況，優(yōu)化蓄能器的參數(shù)設(shè)置和個(gè)數(shù)，做出完善的帶有蓄能器的電液伺服振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)。

1 電液振動(dòng)臺(tái)液壓系統(tǒng)原理

電液伺服振動(dòng)臺(tái)液壓系統(tǒng)由伺服缸、電液伺服閥、定量泵、蓄能器、溢流閥、位移傳感器、控制器等部分組成，是一套典型的閥控缸系統(tǒng)。位移傳感器采集的反饋信號(hào)傳到控制器，控制器輸出控制信號(hào)調(diào)節(jié)伺服閥和蓄能器能液壓元件改變液壓缸的運(yùn)動(dòng)。采集的信號(hào)包括活塞桿位移，速度以及頻率等。電液振動(dòng)臺(tái)的液壓伺服系統(tǒng)的原理圖如圖1所示。

圖1 電液振動(dòng)臺(tái)液壓系統(tǒng)原理圖1.油箱 2.過(guò)濾器 3.液壓泵 4.單向閥 5.蓄能器 6.液壓伺服閥 7.液壓缸 8.冷卻器 9.回油過(guò)濾器 10.壓力閥

定量泵是振動(dòng)臺(tái)液壓系統(tǒng)的動(dòng)力源。液壓油通過(guò)單向閥后到電液伺服閥。為增大系統(tǒng)的頻率，伺服閥在控制電信號(hào)的作用下改變伺服液壓缸的運(yùn)動(dòng)方向，使伺服缸活塞帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行振動(dòng)。液壓缸回油液通過(guò)流經(jīng)伺服閥后，經(jīng)冷卻器和過(guò)濾器循環(huán)回到主油箱。蓄能器在振動(dòng)臺(tái)液壓系統(tǒng)中起著重要的作用，在液壓缸需求流量較小時(shí)存儲(chǔ)多余的油液，在液壓缸需求流量較大時(shí)與液壓泵一起供油，是系統(tǒng)的輔助動(dòng)力源。溢流閥控制系統(tǒng)的壓力值。振動(dòng)臺(tái)的電液伺服閥通常為力馬達(dá)滑閥式，直接驅(qū)動(dòng)閥芯運(yùn)動(dòng)的力馬達(dá)的控制力，控制信號(hào)的輸入電流值越大在高頻下流量的輸出越大。

2 電液振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)的仿真模型

打開AMESim軟件運(yùn)行的環(huán)境后，新建一個(gè)新的系統(tǒng)，點(diǎn)擊Sketch mode按鈕，進(jìn)入草圖模式，分別使用軟件自帶的機(jī)械庫(kù)、液壓庫(kù)和信號(hào)庫(kù)搭建系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 電液伺服振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)的仿真模型1.液壓伺服缸 2.負(fù)載的質(zhì)量塊 3.位移傳感器 4.控制的信 號(hào)輸入 5.控制模塊 6.液壓伺服閥 7.蓄能器 8.電機(jī) 9.液壓泵 10.液壓溢流閥 11.過(guò)濾器 12.冷卻器 13.液壓油箱

位移傳感器將伺服液壓缸的位移轉(zhuǎn)換成控制信號(hào)，與輸入的位移控制信號(hào)進(jìn)行比較，將比較的差值通過(guò)放大器進(jìn)行比例放大，控制電液伺服閥動(dòng)作，從而控制伺服缸的供油情況及位移情況。伺服缸的輸出位移與設(shè)定位移信號(hào)存在偏差，系統(tǒng)就會(huì)利用位移傳感器自動(dòng)調(diào)節(jié)伺服缸的輸出位移，來(lái)減少兩者的差值。伺服閥通過(guò)控制其開口度比例控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的上下振動(dòng)。

依靠振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)和元件庫(kù)中的元件，草圖繪制搭建完成系統(tǒng)仿真模型后，進(jìn)入子模型模式，對(duì)各個(gè)元件對(duì)子模型進(jìn)行設(shè)置以及對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。子模型模式點(diǎn)擊按鈕，圖標(biāo)保持正常樣子證明與子模型是相互關(guān)聯(lián)的。根據(jù)實(shí)際需要為每個(gè)元件選擇子模型,點(diǎn)擊優(yōu)化默認(rèn)的推薦子模型按鈕。在建立完成子模型后，在參數(shù)模式下設(shè)置仿真模型各個(gè)環(huán)節(jié)參數(shù)，點(diǎn)擊參數(shù)模式按鈕，保存系統(tǒng)有顯式狀態(tài)變量，沒有隱式變量，當(dāng)標(biāo)注結(jié)束按鈕出現(xiàn)時(shí)，關(guān)閉窗口。點(diǎn)擊每一個(gè)元件查看它們的當(dāng)前參數(shù)。根據(jù)實(shí)際元件參數(shù)對(duì)仿真模型中每一個(gè)元件設(shè)置參數(shù)，根據(jù)計(jì)算的機(jī)構(gòu)的參數(shù)，改變參數(shù)的數(shù)值。

3 仿真結(jié)果及分析

為研究蓄能器作為電液伺服振動(dòng)臺(tái)的輔助動(dòng)力源時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，對(duì)比分析安裝蓄能器是否能夠提高電液振動(dòng)臺(tái)的響應(yīng)頻率，以及如何對(duì)蓄能器的參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)設(shè)置，分別對(duì)無(wú)蓄能器和安裝蓄能器進(jìn)行仿真，對(duì)比研究蓄能器在振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)中的作用。

系統(tǒng)不安裝蓄能器時(shí)，電液伺服閥、伺服缸和液壓泵等元件的各參數(shù)都設(shè)置完成以后，對(duì)振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤響應(yīng)特性仿真。當(dāng)正弦指令信號(hào)的頻率為50 Hz，振幅為1mm時(shí)，對(duì)電液振動(dòng)臺(tái)的系統(tǒng)進(jìn)行仿真。在參數(shù)模式下設(shè)置正弦指令信號(hào)的頻率、振幅。在運(yùn)行模式中的運(yùn)行參數(shù)中設(shè)置運(yùn)行時(shí)間，調(diào)節(jié)設(shè)置PID控制器的參數(shù)，啟動(dòng)開始仿真按鈕運(yùn)行仿真?？傻玫降皖l時(shí)的伺服缸活塞桿的位移曲線如圖3所示。

圖3 低頻下活塞桿的位移曲線

系統(tǒng)在低頻時(shí)流量充足，活塞桿的實(shí)際位移與期望位移之差較小，雖然開始時(shí)相位滯后較大，振幅較小，但是0.07s系統(tǒng)振動(dòng)穩(wěn)定后，最大振幅便達(dá)到理論值，滿足電液伺服系統(tǒng)的振動(dòng)要求。在仿真過(guò)程中，伺服閥A、B、P、T口的流量的變化的最大瞬時(shí)流量為符合理論計(jì)算值。當(dāng)正弦指令信號(hào)的頻率為200 Hz，振幅為0.05 mm時(shí)，對(duì)電液振動(dòng)臺(tái)的系統(tǒng)進(jìn)行仿真。在運(yùn)行模式中的運(yùn)行參數(shù)中設(shè)置運(yùn)行時(shí)間，設(shè)定好PID控制器的參數(shù)，然后運(yùn)行仿真?？梢缘玫礁哳l時(shí)的伺服缸活塞桿的位移曲線，如圖4～7所示。

圖4 低頻下伺服閥A口的流量曲線 圖5 低頻下伺服閥B口的流量曲線

圖6 低頻下伺服閥P流量曲線口的 圖7 低頻下伺服閥T流量曲線口的

當(dāng)輸入正弦信號(hào)的頻率設(shè)置為200 Hz時(shí)，仿真開始時(shí)振幅較小，相位也滯后，但是當(dāng)系統(tǒng)振動(dòng)穩(wěn)定后，系統(tǒng)的最大振幅只能達(dá)到0.04 mm，振幅明顯小于理論值，這就是由于系統(tǒng)流量供應(yīng)不足造成的。在仿真中可以看出系統(tǒng)流量明顯不足，伺服閥A、B、P、T各油口的流量連續(xù)變化規(guī)律曲線如圖8～11所示。

圖8 高頻下伺服閥A口的流量曲線 圖9 高頻下伺服閥B口的流量曲線

圖10 高頻下伺服閥P口的流量曲線 圖11 高頻下伺服閥T口的流量曲線

仿真系統(tǒng)中增加蓄能器以后，其余元件的參數(shù)不變時(shí)，通過(guò)對(duì)PID的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，設(shè)置正弦信號(hào)的頻率為200 Hz，最大振幅為0.05 mm。當(dāng)P=950，I=0，D=5.2時(shí)，得到的液壓缸活塞桿的位移仿真曲線如圖12所示。

圖12 帶蓄能器前后活塞桿的位移曲線

當(dāng)頻率為200 Hz時(shí)最大振幅達(dá)到了0.05 mm，達(dá)到了理想的理論計(jì)算值，且相位滯后不大，系統(tǒng)很快達(dá)到了穩(wěn)定的狀態(tài)。通過(guò)對(duì)比可以清楚的看出蓄能器作為輔助動(dòng)力源對(duì)振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)調(diào)節(jié)起到的作用。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)在仿真軟件AMESim中建立并仿真分析了電液伺服振動(dòng)臺(tái)的液壓系統(tǒng)，對(duì)比使用和關(guān)閉蓄能器兩種系統(tǒng)工況的仿真結(jié)果，分析在高低頻振動(dòng)系統(tǒng)下不同的仿真曲線，證明了蓄能器在高頻電液振動(dòng)臺(tái)中的輔助供油作用。仿真結(jié)果表明，通過(guò)優(yōu)化蓄能器參數(shù)及集成控制器的參數(shù)，能夠顯著提高電液振動(dòng)臺(tái)的響應(yīng)頻率。

[1] 周洪波.提高電液振動(dòng)臺(tái)控制性能的研究[J].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2006(5): 67-69.

[2] 劉道標(biāo),宦海祥.振動(dòng)試驗(yàn)方法的研究及發(fā)展趨勢(shì)[J].環(huán)境試驗(yàn), 2006(3): 21-23.

[3] 趙樹績(jī), 尚增溫.液壓振動(dòng)臺(tái)參數(shù)和使用域的合理選取[J]. 液壓與氣動(dòng), 2000(3):16-19.

[4] 崔 曉.高頻電液伺服振動(dòng)臺(tái)的研究[D].沈陽(yáng):沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué),2004.

[5] 黃茹楠, 管晴晴.電液振動(dòng)臺(tái)的模糊PID控制的研究[J].液壓與氣動(dòng), 2009(4): 36-37.

[6] 王浩偉.利用蓄能器提高液壓振動(dòng)臺(tái)響應(yīng)特性的研究[J].液壓與氣動(dòng), 2010(11):65-68.

[7] 陳利龍, 曹樹平.電液伺服激振臺(tái)及其極限工作范圍的研究[J].機(jī)床與液壓, 2002(2): 123-124.

Simulation Research on Electro-hydraulic Vibration Test Accumulator Based on AMESim

FU Chen-qi

(EngineeringandTechnologyInstitute,JilinAgriculturalUniversity,ChangchunJilin130000,China)

Instantaneous flow easily change the vibration frequency in electro-hydraulic vibration test applications. The accumulator is supplied with a large flow instantaneously. In this paper，the auxiliary energy accumulator electro-hydraulic shaker system is constructed, the fueling process of shaker to system accumulator is elaborated, the dynamic characteristics with different energy storage systems are analyzed，the accumulator instantaneous flow supply system is optimized to study the method of determining the specific parameters and the number of accumulators, which can improve the vibration response frequency of electro-hydraulic shaker.

electro-hydraulic vibration test；accumulator；simulation analysis

2014-01-02

付辰琦(1988-)，男, 內(nèi)蒙古興安盟人,碩士,研究方向:電液控制系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)與應(yīng)用開發(fā)。

TH137

A

1007-4414(2014)02-0112-03