全自動(dòng)液壓壓磚機(jī)液壓系統(tǒng)排氣回路的建模與仿真研究

匡偉春+易平波+梁斯仁

【摘 要】根據(jù)壓磚機(jī)排氣回路的特點(diǎn)，建立了排氣回路的功率鍵合圖模型，并用Simulink軟件為回路建立了仿真模型。設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，對(duì)排氣回路進(jìn)行仿真，重點(diǎn)觀察液壓泵出口流量的變化情況。仿真結(jié)果表明：壓磚機(jī)在排氣過(guò)程中，液壓泵出口流量逐漸減小，參數(shù)變化基本符合設(shè)計(jì)要求。仿真模型的建立，為回路的參數(shù)設(shè)置和動(dòng)態(tài)響應(yīng)的觀察提供了方便，能更好地呈現(xiàn)液壓系統(tǒng)排氣回路動(dòng)態(tài)特性，提高了液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效率。

【關(guān)鍵詞】壓磚機(jī)；排氣回路；功率鍵合圖；Simulink

0 引言

全自動(dòng)液壓壓磚機(jī)（簡(jiǎn)稱為壓磚機(jī)）主要用于建筑、衛(wèi)生陶瓷工業(yè)中陶瓷墻地磚的壓制成形，介于粉料輸送和窯爐燒制工序之間，是陶瓷墻地磚工業(yè)生產(chǎn)線中的關(guān)鍵機(jī)械設(shè)備。壓磚機(jī)中排氣裝置的作用是在壓機(jī)對(duì)粉料兩次加壓之后，使動(dòng)梁稍許抬起，以便排除粉料中的空氣。因此，排氣過(guò)程的好壞直接關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣，而對(duì)壓磚機(jī)液壓系統(tǒng)排氣回路進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析就變得尤為重要。

功率鍵合圖（Power Bond Graphs）簡(jiǎn)稱鍵合圖，1959年由美國(guó)MIT的H.M.Paynter教授提出，是一種用來(lái)描述工程系統(tǒng)能量結(jié)構(gòu)的圖示表示方法。文獻(xiàn)[1]對(duì)混凝土泵車液壓系統(tǒng)的泵送回路進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供可靠的分析依據(jù)；文獻(xiàn)[2]對(duì)鎂合金鑄軋機(jī)液壓系統(tǒng)傾翻回路進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，為系統(tǒng)性能分析提供理論依據(jù)，文獻(xiàn)[3]利用鍵合圖，對(duì)軸向柱塞泵液壓系統(tǒng)建模，通過(guò)仿真得到液壓閥的壓力變化曲線。鑒于排氣回路的重要性，根據(jù)壓磚機(jī)排氣回路的特點(diǎn)，建立了排氣回路的鍵合圖模型，并用Simulink軟件建立了仿真模型。設(shè)置仿真參數(shù)，對(duì)壓磚機(jī)在排氣過(guò)程中的兩個(gè)重要參數(shù)液壓泵出口流量和液壓缸工作壓力進(jìn)行仿真，為壓磚機(jī)的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

1 壓磚機(jī)排氣回路原理

壓磚機(jī)的排氣過(guò)程有兩次，分別是在粉料第一次加壓后和第二次加壓后。壓磚機(jī)一次排氣過(guò)程，如圖1所示。排氣液壓回路中，液壓油經(jīng)過(guò)錐閥V205、錐閥V201、錐閥V202、錐閥V204進(jìn)入主油缸的下腔，使活動(dòng)橫梁進(jìn)行上抬運(yùn)動(dòng)，這樣坯體中的氣體可以排出。主油缸的上腔為卸荷狀態(tài)，主油缸上腔的液壓油經(jīng)錐閥V105流回油箱，排氣過(guò)程結(jié)束。

2 液壓缸的鍵合圖模型

排氣回路主要由液壓缸、液壓泵、蓄能器、錐閥、溢流閥、換向閥等主要元件組成。液壓缸是排氣回路中重要的能量轉(zhuǎn)換裝置，把系統(tǒng)中的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。液壓缸的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，液壓缸的上腔有效工作面積為A1，下腔有效工作面積為A2，輸入壓力為p1，輸入流量為q1，回油的壓力為p2，回油的流量為q2。活塞的運(yùn)動(dòng)速度為v，活塞輸出力為F。

1-5、1-6、1-7：電磁閥6D；3-2：插裝閥60B；10：插裝閥40G ；11：插裝閥40C ；15-1、15-2、15-3：蓄能器；16-1：插裝閥32A；17：梭閥；20：比例閥；21：順序閥；23：插裝閥32H；29：濾油器；50：主油泵；51：電動(dòng)機(jī)；56：主油缸；57：充液閥；58：接力缸；59：上油箱

圖1 排氣回路液壓原理圖

圖2 液壓缸

考慮進(jìn)油腔和回油腔的液容效應(yīng)、液感效應(yīng)、液阻效應(yīng)、活塞的慣性和液壓缸的摩擦，液壓缸鍵合圖模型如圖3所示。圖中，Isq為液壓缸上腔的液感；Csq為液壓缸上腔的液容；Rsq為液壓缸上腔的液阻；Ixq為液壓缸下腔的液感；Cxq為液壓缸下腔的液容；Rxq為液壓缸下腔的液阻；Ia為液壓缸的慣性；Rf為液壓缸的摩擦。

圖3 液壓缸功率鍵合圖模型

液壓缸的液感可表示為

I=■（1）

式（1）中I為液感，l為液壓缸的行程，ρ為液壓油的密度，A為液壓缸的有效工作面積。

液壓缸的液容可表示為

C=■（2）

式（2）中C為液容，Be為體積彈性模量，V為液壓缸壓縮體積。

3 排氣回路的鍵合圖建模

為了分析計(jì)算的方便，建立排氣回路鍵合圖模型時(shí)不考慮控制油路上的元件。排氣回路主要元件包括柱塞泵、濾油器、插裝閥、蓄能器、液壓缸、油箱等，排氣回路的鍵合圖模型如圖4所示。

4 排氣回路Simulink仿真

4.1 建立Simulink仿真模型

建立一個(gè)Simulink排氣回路模型文件exhaust.mdl，根據(jù)排氣回路的鍵合圖模型，建立液壓柱塞泵、濾油器、管道（包括高壓膠管和低壓膠管）、插裝閥（包括插裝閥1、2和3）、蓄能器、液壓缸（包括缸上腔、負(fù)載連通腔和缸下腔）的仿真模型。添加階越信號(hào)模型作為信號(hào)的輸入，添加示波器模型用來(lái)顯示系統(tǒng)參數(shù)的變化情況。根據(jù)排氣回路液壓原理圖和排氣回路鍵合圖中的因果關(guān)系，進(jìn)行建模。

4.2 參數(shù)設(shè)置

根據(jù)某壓磚機(jī)的參數(shù)計(jì)算液壓系統(tǒng)排氣過(guò)程所需要的數(shù)據(jù)，部分?jǐn)?shù)據(jù)按經(jīng)驗(yàn)值選取。仿真算法采用變步長(zhǎng)一步求解法的ode23s。

4.3 仿真結(jié)果

圖5為排氣回路液壓泵出口流量qp曲線。如果希望得到某個(gè)液壓元件的壓力損失或流量變化，在建立模型時(shí)添加觀測(cè)器，就可以顯示參數(shù)的變化情況。由圖5可知，泵的出口流量逐漸減小，由6.02×10-3m3/s減小到5.99×10-3m3/s，衰減過(guò)程近似為線性。

5 結(jié)論

本文根據(jù)壓磚機(jī)排氣回路的特點(diǎn)，建立了壓磚機(jī)排氣回路的鍵合圖模型，并用Simulink軟件為回路建立了仿真模型。仿真結(jié)果表明，壓磚機(jī)在排氣過(guò)程中，液壓泵出口流量由6.02×10-3m3/s逐漸減小到5.99×10-3m3/s?？偟膩?lái)說(shuō)，參數(shù)變化基本符合設(shè)計(jì)要求。仿真模型的建立，為該回路動(dòng)態(tài)特性的獲得提供平臺(tái)，為參數(shù)的合理設(shè)置提供了仿真環(huán)境。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張桂菊，肖才遠(yuǎn)，葛動(dòng)元.基于MATLAB/Simulink的混凝土泵車液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真研究[J].液壓與氣動(dòng)， 2012（10）：19-23.

[2]姚瑤，韓佳東，于曉光，等.基于功率鍵合圖和MATLAB/Simulink的液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真[J].液壓與氣動(dòng)，2013（12）：103-106.

[3]LUMKES J H，F(xiàn)RONCZAK F J.Design，Simulation，and Validation of a Bond Graph Model and Controller to Switch between Pump and Motor Operation Using Four on/off Valves with a Hydraulic Axial Piston Pump/Motor[C].Proceedings of the 2000 American Control Conference，Chicago，IL，June 2000：3605-3609.