基于AMEsim的阀控液压马达特性研究

关键词 阀控液压马达
动态特性 仿真
中图法分类号ＴＨｌ３７．５２；
文献标志码Ａ
近年来，液压控制系统由于结构紧凑、体积小、 质量轻、功率大、响应快等突出优点，使得它在国民 经济的各部门和国防建设等方面得到了广泛的应 用。在工业生产中，阀控液压马达系统是其常用的 液压控制之一，其性能好坏将直接影响整机的性 能。因此，对其进行仿真研究得到了人们的重视， 目前多用Ｍａｆｌａｂ软件对其特性进行分析…。而 ＡＭＥｓｉｍ软件由于其具有完全图形界面，更能为液 压控制系统提供一个强大的建模和仿真平台，因 此．用ＡＭＥｓｉｍ仿真软件对阀控液压马达特性进行 分析和研究将具有重要的现实意义口Ｊ。
图５不同负载惯量时系统响应曲线
０．８，阀的固有频率８０ Ｈｚ。额定电流４０ ｍＡ；系统输 入为一个阶跃信号；对马达排量Ｄ。分别取１００ ｍＬ／ ｒ，２００ ｍＬ／ｒ；最后设定仿真时间为１ ｓ，采样周期 ０．０１ ｓ，在ｒｕｎ模式下运行仿真模型，得结果：如图 ６、图７。
图３负载惯量为６ ｋｇ·ｉｎ２时系统响应曲线
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_kxjsygc201013048.aspx
学特性自动选择最佳的积分算法；④ＡＭＥｓｉｍ具有 多种仿真运行模式：动态仿真模式、稳态仿真模式、 间断连续仿真模式以及批处理仿真模式；（亘）ＡＭＥｓｉｍ 提供了丰富的与其他软件的接口，如Ｍａｆｌａｂ、Ａｄ． ａｍ￥、Ｅｘｃｅｌ、ｘＰＣ等。由于ＡＭＥｓｉｍ的特点及其具有 的优势，在国内、外早已经成为建模和仿真领域的 一种标准软件旧Ｊ。
ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
万方数据
基于AMEsim的阀控液压马达特性研究
作者：
作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期)：
张宗成， 袁锐波， 何敏， 刘森， 张鹏， 巴少男， ZHANG Zong-cheng， YUAN Ru-bo， HE Min， LIU Sen， ZHANG Peng， BA Shao-nan 昆明理工大学流体控制工程研究所,昆明,650093
第１０卷第１３期２０１０年５月 １６７１—１８１５（２０１０）１３．３２２２—０４
科学技术与工程
Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｎｏｎｅｅｆｉｎｇ
ＶｏＬ １０ Ｎｏ．１３ Ｍａｙ ２０１０
＠２０１０ Ｓｃｉ．Ｔｅｅｋ Ｅｎｇｎｇ．
基于ＡＭＥｓｉｍ的阀控液压马达特性研究
张宗成袁锐波何敏 刘 森张鹏
ｍｅａｎｓ ｆｏｒ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｅｓｔａｂ—
ｌｉｓｈｅｄ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃ ｍｏｄｅｌ ｉＳ ｃｏｒｒｅｃｔ．
［Ｋｅｙ ｗｏｒｄ］ ｖａｌｖｅ－ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｍｏｔｏｒ
３基于ＡＭＥｓｉｍ的阀控液压马达的特性 仿真
因系统的液压固有频率高，系统响应速度就 快，而影响液压固有频率的因素如上所述，现在任 取两个因素：负载惯量＾和马达排量Ｄ。来作为仿 真研究对象，来验证阀控液压马达的特性。
系统建模：在ＡＭＥｓｉｍ中建立阀控液压马达系 统仿真模型如图２［２，４］。
图２阀控液压马达系统仿真模型
式中：Ｋｃｅ为总流量压力系数，Ｋｃｅ＝Ｋｃ＋Ｃ。。由于 阀控液压马达弹簧负载很少见。因此可设Ｇ＝０，
且等《１时，上式可简化为．
。务。玉Ｄ２ ｆ１＋（去）咒
％２ １≯吾ｒ。
热旷蔗；
和瓮厣＋丧佶 ㈤
∞。为液压系统的固有频率，彘为阻尼比。 在系统中，液压固有频率表示马达响应的快速
性，固有频率高，响应速度就快。又由公式（２）可 见，影响液压固有频率的因素有：液压马达输出轴 上的负载惯量＾、总压缩容积Ｋ、液压马达排量Ｄ。 和系统的有效容积弹性模量』Ｂ。，要提高系统的响应 速度，就要提高其山。；而要提高∞。，就要减少＾、 Ｋ；增大Ｄ。、口。，以通常由负载本身决定阳］。
假定Ｋ＝屹＝÷Ｋ，戈。，＝石以，此时，液压马
达一负载质量系统的固有频率最低，稳定性最差。 对上述三个基本方程进行拉普拉斯变换，并消去中 间量Ｑ。和Ｐ。，即可得阀控液压马达在阀芯位移‰ 和外负载力矩孔同时输入时的总输出为
”【每。Ｉｋｃｅ＼｛ｌ＋ｗｖ，。ｓｉ，ｒ，）．／
忡ｖ，Ｌ帮ｓ＋（筹＋箍卜 １＋警＋鑫卜簧】～。
２ 阀控液压马达数学模型的建立
图１为阀控马达回路原理简图，由图ｌ可知
１建模仿真软１肆。一ＡＭＥｓｉｍ
ＡＭＥｓｉｍ软件是由法国ＩＭＡＧＩＮＥ公司推出的 综合系统仿真软件，它做为液压系统的一种高级建 模和仿真平台，与其他仿真软件相比具有很多优 势：＠ＡＭＥｓｉｍ在统一的平台上能够实现多学科领 域的系统工程建模和仿真；②ＡＭＥｓｉｍ提供了齐全 的分析工具以方便用户分析和优化自己的系统；③ ＡＭＥｓｉｍ的智能求解器能够根据用户所建模型的数
（昆明理工大学流体控制工程研究所，昆明６５００９３）
巴少男
摘要对在工业上广泛应用的阀控液压马达进行了数学建模，并利用ＡＭＥｓｉｍ仿真软件对所建模型进行了仿真，获得了其
动态响应特性。这一过程为改善液压系统的参数提供了手段，也为液压系统良好的结构设计提供了基础。通过取不同参数
进行仿真的对比分析，也验证了所建数学模型的正确性。
图６马达排量为１００ ｍＬ／ｒ时系统响应曲线
运行批处理功能时，仿真结果比较如下： 从图３、图４、图５中，可以明显看出，存其它条
图４负载惯量为２ ｋｇ·ｎ１２时系统响应曲线
运行批处理功能时，仿真结果比较如下。 ３．２对不同的马达排量Ｄ。来做仿真
设定的参数为：发动机转速１ ５００ ｒ／ｍｉｎ；液压 泵排量３００ ｍＬ／ｒ，转速为ｌ ０００ ｒ／ｒａｉｎ；液压缸的转 速为１ ０００ ｒ／ｍｉｎ，负载惯量１ ｋｇ·ｍ２；三位四通伺 服阀各路流量为１ Ｌ／ｍｉｎ，压强为ｌ ｂａｒ，阻尼比为
参考文献
１章宏甲、王积伟，黄宜．液压与气压传动．北京：机械工业出版 社．２００５
２付永领、祁晓野．ＡＭＥｓｉｍ系统建模和仿真．北京：北京航空航天 大学出版社．２００６
３左键民．液压与气压传动（第二版）．北京：机械工业出版社，２００５ ４李永堂、雷步芳，液压系统建模与仿真．北京：冶金工业出版
社．２００３ ５路甬祥．液压技术手册．北京：机械工业出版社，２００２
科学技术与工程 SCIENCE TECHNOLOGY AND ENGINEERING 2010,10(13)
参考文献(5条) 1.路甬祥 液压技术手册 2002 2.李永堂;雷步芳 液压系统建模与仿真 2003 3.左键民 液压与气压传动(第二版) 2005 4.付永领;祁晓野 AMEsim系统建模和仿真 2006 5.章宏甲;王积伟;黄宜 液压与气压传动 2005
２０１０年１月１３日收到 第一作者简介：张宗成（１９８２一），男，山东菏泽人，研究生，研究方 向：流体传动及控制。
图１ 阀控液压马达原理图
阀的流量方程，液压马达流量连续性方程，液 压马达和负载的力矩平衡方程为式（１）所示。
万方数据
１３期
张宗成，等：基于ＡＭＥｓｉｍ的阀控液压马达特性研究
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ｑＬ＝ｋｑｚ。一ｋｃｐ￡
［Ａｂｓｔｒａｃｔ］ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｉｎｄｕｓｒｙ ｏｆ ｖａｌｖｅ－－ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｍｏｔｏｒ ｍｏｄｕｌｅ ｗａｓ ｍｏｄｅｌｅｄ ａｎｄ ｗａｓ
ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ＡＭＥｓｉｍ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｗｅｒｅ ｇｏｔ，ａｎｄ ｉｔ’Ｓ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｔｈｅ
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科学技术与工程
wenku.baidu.com
ｌＯ卷
３．１对不同的负载惯量，来做仿真 设定的参数为：发动机转速１ ０００ ｒ／ｍｉｎ；液压
泵排量１００ ｍＬ／ｒ，转速为１ ０００ ｒ／ｍｉｎ；液压马达的 转速为１ ０００ ｒ／ｒａｉｎ，排量为１００ ｍＬ／ｒ；三位四通伺 服阀各路流量为９３ Ｌ／ｍｉｎ，压强为１００ ｂａｒ，阻尼比 为０．８，阀的固有频率８０ Ｈｚ，额定电流４０ ｍＡ；系统 输入为一个阶跃信号；对负载惯量＾分别取２ ｋｇｍ２，６ ｋｇｍ２，最后设定仿真时间为１ ｓ，采样周期 ０．０１ ｓ，在ｍｎ模式下运行仿真模型，得结果如图５。
Ｓｔｕｄｙ ｏｆ ＶａｌＶｅ——Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｍｏｔｏｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＭＥｓｉｍ
ＺＨＡＮＧ Ｚｏｎｇ—ｃｈｅｎｇ，ＹＵＡＮ Ｒｕ—ｂｏ，ＨＥ Ｍｉｎ，ＬＩＵ Ｓｅｎ，ＺＨＡＮＧ Ｐｅｎｇ，ＢＡ Ｓｈａｏ—ｎａｎ （Ｋｔｍｍｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｋｕｎｍｉｎｇ ６５００９３，Ｐ．／１．Ｃｈｉｎａ）
性；ｋｇ·ｍ２。 曰。为液压马达和负载的黏性阻尼系数；Ｐａ·ｓ。 Ｇ为负载的扭转弹簧刚度；Ｎ·ｍ／ｒ。 咒为作用在马达轴上的任意外负载力矩；Ｎ
‰为轴的位移；ｉｎ。 Ｐ。为负载压力差；ＭＰａ。 Ｋ为阀的流量增益；ｍ２／ｓ。 ＆为流量一压力系数；ｍ３／（ｓ·Ｐａ）。 卢。为系统的有效容积弹性模量；ＭＰａ。
本文建立了阀控液压马达在外力矩作用下的 数学模型，并借用ＡＭＥｓｉｍ仿真软件对其系统进行 动态特性的仿真研究。通过对系统不同的变量取 一组不同的参数对其特性仿真和对比分析，从而也 验证了系统建模的合理性。而且对这一常用的液 压控制系统的动态特性的仿真研究，也显示了 ＡＭＥｓｉｍ软件是一种方便、直观、高效的动态建模和 仿真工具。
图７马达排量为２００ ｍＬ／ｒ时系统响应曲线
万方数据
１３期
张宗成，等：基于ＡＭＥｓｉｍ的阀控液压马达特性研究
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仿真研究验证，现不在细述。仿真结果不仅直观， 而且仿真的良好效果为进一步深入研究系统提供 了很好的基础。
４结束语
图８不同马达排量时系统响应曲线
件不变的情况下，随着负载惯量＾从值为６ ｋｇ·ｍ２ 减少到值为２ ｋｇ·ｍ２时，则马达输出轴的转速达到 稳定值的９０％时，其响应时间明显从０．６５ Ｓ降低到 了０．２５ Ｓ，且系统也变的更稳定；图６、图７、图８中， 表明了在其它条件不变的情况下，而随着马达排量 Ｄ。从１００ ｍＬ／ｒ增大２００ ｍＬ／ｒ时，马达输出轴的转 速达到波动稳定值的９０％时，其响应时间从０．１３５ ｓ 明显降低到了０．０ ４２８ Ｓ。从仿真结果上也分析出了 我们所建立的系统数学模型是正确的。其它的影 响因素都可以用ＡＭＥｓｉｍ软件一一
ｇ。＝Ｄｍ孥＋ｃ矶＋老誓 ㈩ 加。＝＾孥也警堋。＋瓦
式（１）中： ０。为液压马达的转角；ｒａｄ。 Ｄ。为液压马达的排量；ｍＬ／ｒ。 Ｃ。为液压马达的总泄漏系数；ｍ３／（ｓｐａ）。
ｃ。。＝ｃ拥＋÷ｃ。，ｃｈ、ｃ。分别为内、外泄漏
系数； Ｋ为液压马达两腔及连接管道总容积；ｍ３。 ＾为液压马达和负载折算到马达轴上的总惯