CN102799705B - 负载敏感控制轴向柱塞泵虚拟样机的建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种负载敏感控制轴向柱塞泵虚拟样机的建立方法，包括：步骤1：在动力学仿真软件中建立轴向柱塞泵的动力学模型，在液压系统仿真软件中建立轴向柱塞泵的液压系统模型；步骤2：将动力学模型和液压系统模型仿真过程中存在关联的相关状态变量与参数作为两个模型之间的传递参数，建立软件接口；步骤3：利用动力学模型和液压系统模型之间的软件接口进行实时数据传递，进行联合仿真。该方法利用机液耦合联合仿真技术，充分发挥了动力学仿真软件在机械系统仿真方面及液压系统仿真软件在控制系统仿真方面的优势，进行联合仿真，有利于提高轴向柱塞泵虚拟样机仿真结果的准确性，降低实验成本，提高试验效率，缩短设计时间。

Description

负载敏感控制轴向柱塞泵虚拟样机的建立方法

技术领域

本发明涉及轴向柱塞泵虚拟样机技术领域，特别是一种负载敏感控制轴向柱塞泵虚拟样机的建立方法。

背景技术

最近几年石油价格不断的上涨，能源越来越紧缺，节能型的液压系统就成为工程机械的发展方向和趋势。目前，工程机械的节能技术就成为了国内外挖掘机生产企业的重要研究课题。负载敏感泵控系统由相应控制阀感应外部信号改变泵自身输出的流量和压力来匹配负载，避免了一般液压系统中由于溢流阀和节流阀带来的溢流和节流损失，使其具备了能量损失小、效率高的特点，如今得到广泛的运用。

广泛的应用加上现代“先进制造业”技术的发展，于是对变量柱塞泵的性能提出了更高的要求。为研究和设计高性能的柱塞泵，单纯运用传统的物理实验法，费工费时，变更参数或条件困难，有时甚至无法实现。并且柱塞泵的某些构件的弹性变形存在非线性惯性耦合，液压系统又大量存在非线性环节，若采用通常的理论分析法，其结果往往与实际相差甚远。

随着计算机运算能力的不断增强和微电子传感技术的发展，使得基于虚拟样机技术的轴向柱塞泵的仿真技术和基于模型泵思想的轴向柱塞泵的试验技术发展了起来。虚拟样机技术是一项新生的工程技术。可以在计算机上建立机械系统的三维模型，模拟在现实环境下系统的运动和动力特性，它以对象的动力学/运动学模型为核心，其他相关模型为补充。在轴向柱塞泵/马达中的某些构件的弹性变形存在非线性惯性耦合，液压系统也存在大量非线性环节，虚拟样机技术的发展为这类非线性复杂系统进行精确的仿真研究提供了可能性。利用虚拟样机技术，改变参数方便，与客观实际一致性好，省时省力，可缩短研究周期，提高研究质量。虚拟样机的分析方法完全按照对象最本质的因素建模，在动力学特性上非常接近于物理样机，因而对虚拟样机的仿真评估可以代替对物理样机设计性能的评估。

发明内容

本发明的目的在于提供一种负载敏感控制轴向柱塞泵虚拟样机的建立方法，该方法有利于提高轴向柱塞泵虚拟样机仿真结果的准确性，降低实验成本，提高试验效率，缩短设计时间。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种负载敏感控制轴向柱塞泵虚拟样机的建立方法，包括以下步骤：

步骤1：在动力学仿真软件ADAMS中建立轴向柱塞泵的动力学模型，在液压系统仿真软件AMESim中建立轴向柱塞泵的液压系统模型；

步骤2：将动力学模型和液压系统模型发生联系的相关状态变量与参数作为两个模型之间的传递参数，利用ADAMS软件建立软件接口，然后在AMESim软件中加载接口文件；

步骤3：通过动力学模型和液压系统模型之间的实时数据传递，进行联合仿真：将液压系统模型中柱塞腔的压力、大小变量控制活塞缸内的压力、主轴转速变化传递到ADAMS软件中，在动力学模型中计算斜盘倾角的变化；将动力学模型中的斜盘倾角、变量控制活塞缸上的受力传递到AMESim软件中，在液压系统模型中计算各个时刻轴向柱塞泵出口的压力变化和变量控制活塞缸腔油液的压力，从而进行动力学模型与液压系统模型的联合仿真；

步骤4：分别在动力学仿真软件和液压系统仿真软件中查看仿真结果。

本发明的有益效果是：

1、分别建立轴向柱塞泵的动力学模型和液压系统模型，进行联合仿真分析，充分利用软件各自的优点，使建模过程更为简单，且使各软件的积分器对各自建立的模型方程的计算更有针对性，结果更准确。

2、利用虚拟样机技术对负载敏感控制轴向柱塞泵进行虚拟性能测试，对柱塞泵的动力学模型和液压系统模型进行联合仿真，可以详细展示柱塞泵内部各运动部件的运动学动力学特性，找出影响泵动态响应的因素，从而更加深入了解柱塞泵内部特性，为同类型柱塞泵的优化设计建立理论基础。

3、通过建立虚拟仿真环境进行研究分析，可以降低实验成本，提高试验效率，缩短设计时间，对研究分析轴向柱塞泵的性能具有重要意义。

附图说明

图1是本发明实施例的的工作流程图。

图2是本发明实施例的的动力学模型和液压系统模型之间的数据传递关系图。

图3是本发明实施例的轴向柱塞泵的功率键合图。

图4是本发明实施例的轴向柱塞泵的液压系统模型。

具体实施方式

本发明负载敏感控制轴向柱塞泵虚拟样机的建立方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：在动力学仿真软件ADAMS中建立轴向柱塞泵的动力学模型，在液压系统仿真软件AMESim中建立轴向柱塞泵的液压系统模型；

步骤2：将动力学模型和液压系统模型发生联系的相关状态变量与参数作为两个模型之间的传递参数，利用ADAMS软件的控制模块建立软件接口，然后在AMESim软件中通过工具插件(Import ADAMS model)加载接口文件；

步骤3：利用AMESim的interface模块和ADAMS的Control模块，通过动力学模型和液压系统模型之间的实时数据传递，进行联合仿真：将液压系统模型中柱塞腔的压力（pisforce）、大小变量控制活塞缸内的压力（taoforcein、huoforceoin）、主轴转速变化（revvelocit）传递到ADAMS软件中，在动力学模型中计算斜盘倾角的变化；将动力学模型中的斜盘倾角、变量控制活塞缸上的受力（taoforceou、huoforceoou）传递到AMESim软件中，在液压系统模型中计算各个时刻轴向柱塞泵出口的压力变化和变量控制活塞缸腔油液的压力，从而进行动力学模型与液压系统模型的联合仿真；

步骤4：分别在动力学仿真软件和液压系统仿真软件中查看仿真结果。

在本发明较佳实施例中，在PRO/E软件中建立轴向柱塞泵的三维实体模型，利用PRO/E软件与ADAMS软件的软件接口，将所述轴向柱塞泵的三维实体模型导入ADAMS软件中，克服了ADAMS软件中难以建立三维实体模型的缺点，利用ADAMS软件对所述轴向柱塞泵的柱塞、变量机构及斜盘推杆的动力学特性进行分析，建立所述轴向柱塞泵的动力学模型。

在本发明较佳实施例中，在AMESim软件中，建立功率键合图对所述轴向柱塞泵进行分析，忽略对结果影响不大的因素，简化轴向柱塞泵的非线性因素，然后建立所述轴向柱塞泵的动、静态性能液压系统模型。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明以威格士（Vickers）轴向柱塞泵为物理原型建立虚拟样机，该虚拟样机包括柱塞泵的动力学模型及液压系统模型。

（一）Vikers PVH98轴向柱塞泵动力学模型

动力学模型主要在Pro/E软件中三维建模，在ADAMS软件中实现运动学动力学模型定义与仿真。

1、将三维实体装配总成在PRO/E中打开，则自动出现Mechanism/Pro模块的操作界面。

2、定义刚体。选用By selected方法，逐个定义刚体，并为刚体命名。为了简化模型，可以将一些没有相对运动的部件定义为同一刚体，将壳体等定义为大地，作为其他运动部件的运动参考基准。

3、定义约束。在刚体建立完之后，不但可以在PRO/E环境下建立约束，也可以把模型导入到ADAMS中再对其添加约束。本实施例选择直接在PRO/E环境下定义约束。因为在PRO/E环境中能够参考零件特征（如圆柱的中心线，圆心，曲线端点等），对约束的位置及方向进行定义。另外在设置约束时，不但要注意正确的选择对象，还要注意选择对象的顺序。例如一个悬臂和一个摆臂构件，first RB选摆臂，second RB选悬臂，则表示摆臂相对于悬臂运动，若顺序颠倒，则悬臂要相对于摆臂运动，而悬臂又固定于基座上，这样使得整个机构无法运动。

根据各个构件之间的相对运动关系为三维CAD模型添加约束，确定各部件之间的相对运动关系，保证各部件能够按照真实的运动情况运动。

壳体：包括前端盖和壳体，斜盘耳轴和壳体轴瓦轴线重合构成圆柱副；前端盖上固定着的大小变量活塞杆和大小变量活塞缸形成圆柱副，并且定义这两者之间的接触；配流盘，轴承等和壳体之间定义固定副，这两者之间没有相对运动。

轴：和轴承定义转动副，并和缸体定义固定副，以带动缸体转动。

斜盘：和壳体耳轴之间定义圆柱副，要注意定义约束是刚体选择的顺序，斜盘为first RB，壳体为second RB。并且装配要满足斜盘倾斜角度18°，柱塞和滑靴的轴线夹角也要装配在18°，这样才能保证缸体、斜盘、滑靴、柱塞这四者之间的正确安装。

滑靴：和柱塞构成球副，和斜盘构成平面副，要注意定义约束时，刚体选择的顺序，滑靴绕柱塞运动，滑靴选为first RB，柱塞为second RB。

柱塞：柱塞和缸体之间有往复的直线运动，在柱塞与缸体之间添加圆柱副(Cylindrical Joint )，约束两者之间2个旋转和2个平移自由度，保留轴线方向的平移运动和旋转运动，这样柱塞和缸体之间有往复运动，并且在圆柱副的约束下随缸体做旋转运动。

缸体：缸体中装有柱塞，柱塞上止点的位置跟缸体放置的角度有关，因此要正确放置缸体相对于前端盖上配流盘定位销的位置，这样才能正确对应液压系统中输出的液压力，保证柱塞受力的正确性，才能进一步保证斜盘所受工作阻力产生的不平衡力矩的正确性，才能正确反映斜盘的振动。

大小变量活塞缸：除了跟前端盖之间定义圆柱副及接触外，还要与斜盘之间定义接触，这样才能保证两者之间有力的作用不会出现实体干涉。

4、定义所需的marker点。在PRO/E环境中可以利用实体的特征，如圆心，曲线端点等，定义marker点较为方便。

5、单位统一。大多数情况下，PRO/E中的模型无法导入到ADAMS中是由于各零部件或是装配的单位不统一造成的。因此在导入的时候要检查一下各个零件及装配体的单位，设定为mm，mg，s。不但要在装配图中修改环境单位，而且还要在模型树中逐个打开零部件，依次改变各个零部件的单位。

6、导入ADAMS。完成模型后，可以将模型传送到ADAMS/Solver中直接进行动力学计算（当然该模型必须全部定义完整，包括驱动等，本实施例经以上步骤，还未对模型定义驱动，因此不能立刻求解），也可以将模型传递ADAMS/View中，继续添加更复杂的约束和驱动之后再进行动力学仿真。若模型传递失败时，可以检查一下是否是图形质量设置（Geometry Quality）过高，默认设置为10，最高级别的图形质量，设置值越高，理论上导入ADAMS后模型表面质量越好。

最后，完成轴向柱塞泵虚拟样机的动力学模型。

（二）Vikers PVH98轴向柱塞泵液压系统模型

AMESim软件是一门图形化的编程语言，表现方式直观，能够直接反应系统的工作原理，并且其表示符号基本和系统工作图形符号一致，因此对于建立AMESim程序只要按照系统的工作原理图建立其图形化程序即可。但是要对所建立的图形化程序中的各个子模块选定子模型和参数。

在建模之前要分析系统中对所研究结果的影响因素的选择，一些影响不大的因素可以不予考虑。键合图是系统动态性能统一的直观图形表示，在AMESim中编写程序前，可以用功率键合图的方法对所建的系统进行分析，将对结果影响不大的因素忽略。

对于轴向柱塞泵这样一个较为复杂的非线性液压系统，如果不事先对系统做出简化的话，而将一些影响不大的感性、容性原件纳入计算的话，会导致系统阶数高，方向的刚性很大，因此首先对系统进行假设：

a、在液压实际系统或试验系统中，液感对系统动态的影响往往很小，一般可以忽略。

b、与固定节流孔相接的控制容腔小的液容，应当忽略。如负载敏感阀的敏感压力腔。

c、油液的粘度、密度、容积弹性模数均为常量、辅泵出口压力及背压恒定、低压管路及伺服阀后管路动态不计。

d、假设缸体与配流盘、柱塞与缸体、滑靴与斜盘之间的油膜高度恒定，且泄漏均为层流。

依据该泵的结构控制原理在分析完泵的功率流程之后，建立其功率键合图，如图3所示。图3中各符号的含义说明如下：

1）Se为电动机，此处看做功率源，为恒值。

2）T0，w为电动机输出的转矩和转速。

3）Tf，Cf为泵本身的库仑摩擦系数和因此产生的力矩损失；Ts，Cs为泵本身的轴承滚动摩擦系数和因此产生的力矩损失；Tv,Cv为泵本身的粘性摩擦系数和因此产生的力矩损失。

4）T1为泵的输入转矩。

5）R为柱塞在缸体中的分布圆半径，β为斜盘转角，φ为缸体转角，此处即是将缸体的转动转化为柱塞和缸体的相对直线运动。

6）v为转化的柱塞沿缸体轴向直线运动的速度，F1为柱塞工作过程中受到的液压力。

7）TF：                                                为将柱塞受力转化为柱塞上的压力。

8）Rp1，q1为柱塞和缸体孔间的泄漏液阻和泄漏流量；Rp2，q2为缸体和配流盘间的泄漏液阻和泄漏流量；Rp3，q3为滑靴和斜盘间的泄漏液阻和泄漏流量；Cp，q4为泵排油腔容积和压缩容积损失；p，q为泵输出的压力和流量。

9）Rj为节流阀液阻，Se：PL为负载势源。

10）R1,R2,R3,R4,R5为结构原理图中对应的阻尼孔处液阻。

11）Rf2为控制小活塞缸泄漏液阻。

12）A2为控制小活塞缸活塞受力面积。

13）Se2为控制小活塞缸作用于斜盘上的力，由ADAMS模块输入；f2为控制小活塞缸的摩擦力系数；C2为斜盘回程弹簧预紧力系数；I2为控制大活塞质量。

14）A3为压力控制阀芯段面受力面积。

15）I3为压力限制阀阀芯质量；C3为其弹簧刚度系数；f3为阀芯所受的粘性摩擦力系数；Se3为弹簧预紧力。虚线全箭头表示控制关系，表示该受力平衡控制压力限制阀阀芯开口大小，以此控制流液经过时的液阻R压。

16）A4为负载敏感阀阀芯的端面受力面积。

17）I4为负载敏感阀阀芯质量；C4为其弹簧刚度系数；f4为阀芯所受的粘性摩擦力系数；Se4为弹簧预紧力。虚线全箭头表示控制关系，表示该受力平衡控制压力限制阀阀芯开口大小，以此控制流液经过时的液阻R负。

18）Rf1为控制大活塞缸的泄漏系数。

19）Se1为控制大活塞缸作用于斜盘上的力，由ADAMS模块输入；f1为控制大活塞缸的摩擦力系数；C1为控制大活塞缸内的油液容积；I1为控制大活塞质量。虚线全箭头表示控制关系，表示该受力平衡控制控制大活塞的位移，以此控制斜盘倾角β变化。

依据功率键合图建立AMESim液压系统模型，如图4所示。

（三）联合仿真

由于在AMESim环境中难以仿真各个零件的惯量特性及其相互之间的机械关联特性，而在ADAMS软件液压控制系统建模不够灵活，元件库有限，不能随意构造出适合实际情况的液压元件，因此综合这两个软件的优点，一方面基于ADAMS软件计算各个机械零部件之间的动力学特性，另一方面基于AMESim软件环境求解液压控制系统中各个容积腔的压力，利用它们底层数据的实时交换，实现动力学模型和液压控制系统的联合仿真。

AMESim软件和ADAMS软件的底层数据传递，要通过建立它们的软件接口（ADAMS-AMESim Interface）来实时传递数据，AMESim软件和ADAMS软件之间的软件接口有两种方式来实现联合仿真：

1）将模型从一个平台输入到另一个平台中，利用单一的积分器进行求解运算。

2）各个模型分别在自己的平台中利用自己的积分器进行求解运算，然后通过设置一定的时间间隔来进行数据传递。

本发明的联合仿真采用第二种方式实现，该方式可以在仿真过程中实时查看动力学模型的运动情况。软件接口内包含动力学模型和液压系统模型发生联系的相关状态变量与参数，接口由ADAMS/Controls(控制)模块来建立，然后在AMESim中通过工具插件(Import ADAMS model)加载后建成全系统仿真模型。ADAMS与AMESim的联合仿真，其过程如图1中的仿真流程部分所示。

在ADAMS动力学模型里主要负责计算斜盘倾角（angle）的变化，将斜盘倾角变化的实时情况传递到AMESim中，液压系统模型将根据斜盘倾角计算各个时刻柱塞泵出口的压力变化，完成联合仿真的变量过程。ADAMS动力学模型中外负载有柱塞腔的压力（pisforce），大小变量控制活塞缸内的压力（taoforcein、huoforceoin），这些外负载将控制斜盘角度的变化。另外为了保持两个模型运动情况一致，将AMESim中主轴的转速变化（revvelocit）也作为一个传递的参数传入ADAMS动力学模型中，否则转动情况的不一致将使得柱塞力作用在斜盘上的不平衡力矩加大，引起斜盘不符合情况的偏转；在AMESim液压系统模型中，系统的压力由负载决定，因此要获得变量控制活塞缸腔油液的压力，需要传入变量控制活塞缸上的受力（taoforceou、huoforceoou），作为负载。ADAMS与AMESim联合仿真的数据传递关系如图2所示。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种负载敏感控制轴向柱塞泵虚拟样机的建立方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：在动力学仿真软件中建立轴向柱塞泵的动力学模型，在液压系统仿真软件中建立轴向柱塞泵的液压系统模型；

步骤2：将动力学模型和液压系统模型仿真过程中存在关联的相关状态变量与参数作为两个模型之间的传递参数，建立软件接口；

步骤3：利用动力学模型和液压系统模型之间的软件接口进行实时数据传递，进行联合仿真：将液压系统模型中柱塞腔的压力、大小变量控制活塞缸内的压力、主轴转速变化传递到动力学仿真软件中，在动力学模型中计算斜盘倾角的变化；将动力学模型中斜盘倾角的实时变化情况、变量控制活塞缸上的受力传递到液压系统仿真软件中，在液压系统模型中计算各个时刻轴向柱塞泵出口的压力变化和变量控制活塞缸内的压力，从而进行动力学模型与液压系统模型的联合仿真；

步骤4：分别在动力学仿真软件和液压系统仿真软件中查看仿真结果；

在PRO/E软件中建立轴向柱塞泵的三维实体模型，利用PRO/E软件与动力学仿真软件ADAMS的软件接口，将所述轴向柱塞泵的三维实体模型导入ADAMS软件中，利用ADAMS软件对所述轴向柱塞泵的柱塞、变量机构及斜盘推杆的动力学特性进行分析，建立所述轴向柱塞泵的动力学模型；

在液压系统仿真软件AMESim中，建立功率键合图对所述轴向柱塞泵进行分析，忽略对结果影响不大的因素，简化轴向柱塞泵的非线性因素，然后建立所述轴向柱塞泵的动、静态性能液压系统模型；

其中，轴向柱塞泵动力学模型建立过程如下：

1）、将三维实体装配总成在PRO/E中打开，则自动出现Mechanism/Pro模块的操作界面；

2）、定义刚体，选用By Selection方法，逐个定义刚体，并为刚体命名，为了简化模型，将一些没有相对运动的部件定义为同一刚体，将壳体定义为大地，作为其他运动部件的运动参考基准；

3）、定义约束，

壳体：包括前端盖和壳体，斜盘耳轴和壳体轴瓦轴线重合构成圆柱副；前端盖上固定着的大小变量活塞杆和大小变量活塞缸形成圆柱副，并且定义这两者之间的接触；配流盘，轴承和壳体之间定义固定副，这两者之间没有相对运动；

轴：和轴承定义转动副，并和缸体定义固定副，以带动缸体转动；

斜盘：和壳体耳轴之间定义圆柱副，要注意定义约束是刚体选择的顺序，斜盘为first RB，壳体为second RB，并且装配要满足斜盘倾斜角度18°，柱塞和滑靴的轴线夹角也要装配在18°；

滑靴：和柱塞构成球副，和斜盘构成平面副，要注意定义约束时，刚体选择的顺序，滑靴绕柱塞运动，滑靴选为first RB，柱塞为second RB；

柱塞：柱塞和缸体之间有往复的直线运动，在柱塞与缸体之间添加圆柱副，约束两者之间2个旋转和2个平移自由度，保留轴线方向的平移运动和旋转运动，柱塞和缸体之间有往复运动，并且在圆柱副的约束下随缸体做旋转运动；

缸体：缸体中装有柱塞，柱塞上止点的位置跟缸体放置的角度有关；

大小变量活塞缸：除了跟前端盖之间定义圆柱副及接触外，还要与斜盘之间定义接触；

4）、定义所需的marker点，在PRO/E环境中利用实体的特征，定义marker点较为方便；

5）、单位统一；

6）、导入ADAMS；

7）、最后，完成轴向柱塞泵虚拟样机的动力学模型。