AMESimHCD液压元件设计库教程完整版..pdf
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1、使用 HCD 液压元件设计库 济南铸造锻压机械研究所液压技术中心张友亮 250022 1、引言 HCD (Hydraulic Component Design)指液压元件设计(以前被命名为液压 AMEBel ,表示 AMESim 的基本元素库),可以使用该库中一系列的基本模块来 构建组件的子模型。 HCD 大大增强了 AMESim 的功能,在开始使用HCD 之前, 最好能够彻底熟悉标准AMESim 子模型。 为什么有必要创建这个库?这个问题将在本部分找到答案。在此之后,将给出 关于 HCD 应用的五个例子。在最后一部分,则给出关于HCD 应用的一些基本规 则,以使您能更加有效地运用HCD 。
2、 前四个例子主要针对绝对运动,您将使用的绝大多数HCD 应用都可能属于这 一类。第五个例子则关于相对运动,推荐您使用AMESim 重复练习前四个例子。 使用 AMESim 时,您可以通过一系列组件构建工程系统模型。对于这些组件, AMESim 最初使用基于标准表示方法(诸如液压元件的ISO 符号)的图形符号或 图标。对于特定领域的工程师,这使得最终的系统方案看起来很标准,也很容易理 解。然而,这里存在两个问题: 组件的多样性; 技能的多样性; 组件问题的多样性可以简单描述为:无论有多少组件模型,但还是不够的。拿 液压缸作为例子,有一些可能性: 该液压缸可能有一个或两个液压容腔; 可能有一个或两
3、个活塞杆; 可能有一个或两个或零个弹簧; 这样将给出 12种组合,每一种组合都需要单独的图标,每个图标都至少对应 一个子模型。然而对于多数AMESim 图标来说,一个子模型就已经足够。在这种 情况下,将有 12 子模型。如果考虑到伸缩式液压缸,可能性的数量将翻倍。通 常,需要在元件端口处设置不同的因果关系,与其他元件端口因果关系相组合,将 可能有超过一百种的液压液压缸子模型。 在标准 AMESim 库中不可能提供如此庞大数量的图标和子模型,因此只提供 比较常见的图标和子模型。当然,AMESim 专家级用户也可以通过AMESet 创建 扩展的图标和子模型,但在这一点上,我们将遇到的第二个多样性问
4、题。 要创建 AMESim 或者其他软件中优良的子模型,到底需要什么样的技能呢? 现列表如下: 对于组件结构和作用的理解; 对于组件物理运行规律的理解; 将物理模型转化为数学算法,以便从输入得出子模型输出的能力; 将算法转化为可执行代码的能力; 除此之外还包括对子模型进行检验、调试、校正的能力,这意味着子模型开发 人员需要工程、物理、数学和计算机技术等领域的能力,这就是技能多样性的问 题。完全具备所有这些能力的人屈指可数,因此构建良好的子模型是一种专家级行 为。 开发 HCD ,是为解决这些问题的多样性。我们已经知道,传统的AMESim 库 使用基于标准 ISO 符号的图标,这些图标将模型细分
5、为子模型,很显然这个细分 并不是唯一的,也不是最佳的方法,我们可以使用基于更大或者更小单元的细分。 HCD 使用这样的细分:能够利用最小数量的图标和子模型来构建最大数量的 工程系统模型。返回到上面所述液压液压缸的例子,我们可以清楚地看到,液压缸 所有可能的模型都是由下列元素的组合构建而成: 压力作用下的液压流体; 环形可变容腔; 机械弹簧; 由压力和面积产生作用力的活塞; 以上表明,这将是一个很好使用的划分。与基于标准ISO 符号的划分相比 较,可以清楚地看到基本模块会少很多。每一元素都是工程师眼中有形的实体,因 此可以将这样的划分描述为技术单元。用户可以到工程模块库中,寻找物理模型对 应的图
6、标,使用他们组装成需要的组件。 方案清单: 活塞 1个 环形可变容腔 2个 机械弹簧 2个 液压油 2听 在接下来的第二章中将继续这个例子,还有一系列逐步介绍HCD 特性的其他 例子。 2、教程实例 2.1 运用 HCD 构建液压单向阀 本节中,您将创建的液压单向阀如图1 所示,选用这些组件是因为其工作方法 清楚,即使非专业人士也能明白。 标准 AMESim 库已经提供了这类元件的子模型,其对于液压系统的通用仿真 很有用。它们不包含任何动力学,因为与系统其余部分相比较,它们的反应速度被 假定足够快。 图 1 图 2 图 3 图 2所示是 HCD 中的图标,而此类目下的所有组件示于图4。前 17
7、个组件用 于绝对运动,而接下来的18 个组件用于相对运动。图3 表示两个特殊的纯液压组 件。在相对运动图标中,每个实体都内嵌于另一实体,两者都能运动;而在绝对运 动图标中,若有外部实体,则认为固定不动。首先关注绝对运动的图标: 对于大多数绝对运动图标,有两个线性轴端口和至少一个提供压力的液压 端口,最重要的是液压作用的活动区域。图标中使用比较宽的直线或曲线 表示该活动区域,为更清楚起见,还有箭头指向该区域。这些图标通常通 过线性轴端口连接起来,以组成一实体,可能是滑阀、液压执行器,也可 以是单向阀。然而,其它的实体像液压制动元件,自动变速箱或燃油注射 系统等也可以以相同的方式来构造。 最常使用
8、的液压图标则是具有压缩性的液压容腔,其与所计算液压压力的子模 型相关。该模型有四个液压端口,用以接收来流的流量和体积,可据此计算总 体积和总流量。如果流量为正,则压力升高;如果流量为负,则压力降低。 最简单的单向阀包含在有限位移内自由移动的钢球,在极限位置完全关闭阻断 通流,而在另一位置则完全打开。平衡状态时,钢球位置取决于两液压端口的 液压力。 HCD 包含两个液压流道中阀芯为球形的图标,一个 位于平面圆形阀座,另一个则位于锥形阀座,与平 面圆形阀座相关联的子模型如图5 所示。请注意: 有两个液压流量端口,任一端口接受压力作为输入; 如果钢球在最右位置,流道会被阻塞; 如果钢球在最左位置,流
9、道开口最大; 子模型中与钢球相连的杆默认直径为零; 钢球受压力支配,如果不平衡,钢球将会移动。这意味着,我 们必须考虑钢球的惯性。由于单向阀钢球的运动受限,我们需 要如图所示右手侧的图标,详细外部变量如图6 所示。 图 6 图 7显示了我们正在构建系统的两个可能的版本,每一个都包含单向阀和两压 力源,为什么会有两个版本呢?原因很简单,为使HCD 尽可能的易于使用,许多 HCD 图标都与两个子模型相关联。再来看图5,可以看到子模型 BAP21 的外部变 量,而子模型 BAP22 的外部变量则与其互为镜像。上述两系统能得到相同的结 果,为使本实例易于理解,建立如图7(a )所示系统,请注意,零力源
10、F000添加 到自由机械端口。 图 7 在子模型模式下,通过选择首选子模型可以很方便地设置元件的子模型。然 而,如果手动设置惯性子模型,会发现有两种可能的子模型,差别在于应对位移限 制的方式不同,通常与有无终点挡板有关,应对终点挡板处接触的两种建模的方 法: 理想无弹性碰撞,速度瞬时降至零; 机械弹簧和阻尼器; 每种方法都很有意义,但第二种方法需要知晓如何设置弹簧和阻尼器阻尼值, MAS005 子模 型使用第一种方法。 在参数模式下,设置子模型MAS005 质量为 10g ,位移下限为 0mm ,位移上 限为 4mm ,该子模型考虑重力,因此需要设置角度。在我们假定的情况下,重力 与液压力相比
11、微不足道,所以角度的设置并不重要。设置库伦摩擦力和静摩擦力可 能是不恰当的,非零粘性摩擦可能使单元更加稳定,但实际上单向阀是完全开启或 关闭。设置粘性摩擦力为零,其他参数与斯特里贝克摩擦有关,在HCD 库中引入 与摩擦相关的其他参量,是为实现从静摩擦到库伦摩擦的平滑过渡。通常情况下, 斯特里贝克摩擦参数去默认值。我们若设置库伦摩擦力和静摩擦力为零,那么这些 量在任何情况下都不起作用。 子模型 BAP22 两杆的直径必须设置为零,最大流量系数不能偏离默认值0.7, 临界流量数可以控制达到这个系数的快慢,通常也是保留其默认值。 钢球上的合力由作用于其上的液压力和外部力来计算,而液压力的计算基于如
12、图 7(a )的假设:右手端压力作用于临近孔口的区域,左手端压力作用于钢球剩 余区域。这种假设在多数情况下可以得到满意的结果,但这里有规定的修正项:液 动力,该力使钢球趋于关闭。液动力系数通常用于禁用或启用该量,默认值是0 禁 用该量,设置为 1 则启用该量,也可以通过实验数据设置为其他值,以得到符合要 求的子模型。 设置左手压力源为恒定值50Bar ,右手压力源则在1S 内由 0Bar 上升至 100Bar ,再在 1S 内将至 0Bar 。运行一时长为 2S 的仿真,设置通讯间隔为 0.01S 。图 8 所示为不同压差下通过单向阀的典型流量曲线,这是一动态子模型, 当压差为负时,流量也不为
13、零。尽管压力下降的稳态特性使单向阀关闭,但惯量引 起的钢球在离开稳态位置后的滞后导致了反向流动,需要注意的是,由于类似的原 因,导致开关曲线不一致。 图 8 为得到稳态特性,要让压力变化的更加缓慢,相应的增加仿真时间。 需要注意的是,钢球子模型还需要在两流动端口计算外部变量的容积,这种解 释将顺延至下一节关于液压液压缸的例子,这些量起重要作用。 图 9 接下来,你将增加弹簧SPR000,使单向阀转变为弹簧加载单元,修正后的系 统如图 9所示,增加零速度源V001 至弹簧另一端。 必须注意: 弹簧通常处于压缩状态; 构建如图 9(a )、( b )所示单向阀有两种方法,惯性力作用于单向阀的哪 一
14、侧无关 紧要,然而,弹簧必须在左侧,否则它将会打开单向阀而不是关闭; 弹簧在两端口都有作用力,所以左边的弹簧端口必须用一个零速度源关闭而 不是零力源。 必须调整弹簧刚度和预紧力以求得到所需的特性,通过选择合适的值,可以得 到开启压力和流量压力特性。 图 10 在质量块子模型 MAS005 中计算出基本位移和相应的速度,正如图5、图 6所 示,这些值通过子模型BAI21 传递。图 10 示出弹簧子模型的外部变量,弹簧 SPR000接受来自 BAP21 和 V001 的速度。 图 11 当设置弹簧的参数时,给单向阀一个尽可能小的预紧力,以确定其开启压力。 图 11 所示参数中,给定预紧力10N 。
15、 图 12 采用与前一个例子相同的压力源重新运行仿真,图12 是单向阀在开启压力约 为 5Bar 的情况下的流量 压力特性曲线,在压力约为22Bar 时出现的斜率变化是 由于钢球到达它的行程极限。图13 显示钢球的速度,注意到在单向阀部分开启时 出现了不稳定的现象(最好将间隔时间降至0.001S ,会看的更清楚),可通过增 加阻尼孔口来解决这个问题,在第三个例子中我们将会遵从这个理念。 图 13 图 14 作为选择性练习,可以按照图14 所示改造单向阀。该阀检测两个系统的压 力,将连接至提供系统压力较大的系统,中间的两个端口事实上只有一个,确保连 接球阀到节点的两条管路都被设置为直接连接(DI
16、RECT )。 建立阀的测试系统,两压力源输入至系统,同时还有一恒流源。 设置流量源流量在10S 内从 0 变化到 10L/Min ,左压力源从 0 Bar到 100Bar , 右 压力源从 100 Bar 到 0Bar 。为使两钢球都可运动,还必须设置左钢球相对零 位移时的推力,设置质量块终点挡板的位移下限为0,上限为 5mm 。对右钢球, 将其相应于 0 位移的开度设为 0,左钢球开度设为5mm ,运行仿真 10秒,绘制通 过每个钢球的流量和输出压力。 2.2 利用 HCD 构建液压液压缸 图 15 本节我们回到在引言中讨论的液压液压缸,其简图如图15(a )所示。注意 到,该模型包含一质
17、量块,为AMESim 中标准的模块,最简单的HCD 构建如图 15(b )所示。 按图 16所示开始构建系统,以便对HCD 和标准 AMESim 库各自运行的结果 进行对照。注意惯性力的图标改变了方向,它给出了同标准子模型HJ000相一致 的位移符号约定。利用首选子模型功能为尽可能多的元件自动选择子模型,设置质 量块子模型带有理想终点挡板,在参数模式下对两个系统进行参数设置,使其尽可 能相同,这点需要特别注意,以下是几点建议: 子模型 BAP11 和 BAP12 分别代表活塞和活塞两侧的容积,这里不是两个活塞 而是一个,活塞两侧每个子模型都和压力源相连,箭头和粗直线指出了压力的作用 区域。注意
18、质量块子模型可以被放置在左侧也可以在两半活塞之间,左侧子模型活 塞杆直径要设为零,而两子模型的活塞直径必须设置为25mm ,以同标准子模型 HJ000保持一致,右侧子模型活塞杆直径则设置为12mm ,这是不要急着设置标签 为零位容腔长度的参数,过后我们再来设置该值。 图 16 必须注意,在设置HCD 子模型参数时,以下特征非常有用: 全局参数; 复制参数; 通用参数; 活塞直径可引入全局参数pdiam ,值为 25mm ,一经手动设置好后,还可以 复制到其他子模型,当然还可以将其设置为通用参数。 子模型 HJ000默认行程 0.3m ,默认质量为 1000Kg ,因此将带有理想终点挡 板的质量
19、子模型设置为1000Kg ,位移下限设为0,位移上限设为0.3m 。箭头和加 号表示,当位移为零时,质量块在最左极限位置。子模型HJ000初始位移为零, 并且假设活塞在左侧,因此设置子模型MAS005 初始位移为零。 设置供油压力为 100Bar ,调整输入信号频率为1HZ ,运行仿真,图 17 为位 移的典型仿真结果。 为什么结果会有些不同呢?原因很简单,图16(b )所示系统中,阀与液压缸 之间采用直连子模型,这意味着该段管道不存在动态效应,也就是说, 阀直接与液压缸相连,压力的 动态特性主要由液压缸和活塞两侧的液容引起。与此相反,图16(a )中没有 这部分液容,但阀与液压缸之间的存在液
20、压管道子模型HL000,其存在动态效 应,只是基于固定液容。 将这部分变化的液容加入液压缸系统也很简单,修正之后的系统如图19所 示。 图 17 图 19 这里的关键图标是与两半活塞流量端口相连接的液压容腔,对应的子模型为 BHC11,用于模拟压力的动特性。该子模型有四个端口,都一端口的输入都 是流量 L/Min 或者容积 。该子模型对四个体积量求和,再加上一闭死容积,同时也 对 流量求和,通过这些可以计算出压力的导数值。 该模型用于模拟包含一些独立液容的复杂仿真,也可用于模拟泄露流动。当前 这个案例只需要两个端口,另外两端口可分别连接零流量源和零体积源予以封闭, 如图 18 所示。 改造后的
21、系统如图19所示,设置 BHC11 闭死容积为 50 ,与 HJ000相一致。 当质量块位移为零时,活塞位于最左极限位置,这意味着右侧液压容腔长度为 0.3m ,左侧容腔长度则为0,故此设置 BAP11 中零位时容腔长度为0.3m ,相应的 BAP12 中长度为零。 为什么会有 m 和 mm 两种单位?因为 HCD 子模型不仅用于液压缸,还用于各 种阀的仿真。通常以m 为单位太大,而以mm 为单位则显得更方便。质量块子模 型使用 m 单位,主要是因为其通常与标准AMESim 子模型相对应。 图 20是分别使用 HCD 和 HJ000建模得到的位移对比结果,两方法得到的结 果相同。 图 21显示
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