基于AMESIM的高速气缸新型缓冲装置缓冲性能研究
基于AMESim的液压缸系统动态特性仿真与优化
基于AMESim的液压缸系统动态特性仿真与优化李远慧;陈新元【摘要】Based on AMESim, a tool for system modeling and simulation, the modeling of the hydraulic system in the charging wagon of the feeding machine is conducted and so is the dynamic simulation of the system. By optimizing the system on the basis of the simulation results of pressure variations in the hydraulic cylinder and scientifically determining the parameters of crucial components, the performance of the hydraulic system has been improved significantly.%基于AMESim软件对取料机小车液压驱动系统建模,对系统AMESim模型进行动态特性仿真,通过系统液压缸压力变化仿真结果进行系统优化设计,并对关键元件相关参数进行设定,优化设计后的系统性能得到明显改善.【期刊名称】《武汉科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2011(034)003【总页数】4页(P215-218)【关键词】AMESim;液压缸;优化设计【作者】李远慧;陈新元【作者单位】武汉科技大学机械自动化学院,湖北,武汉,430081;武汉科技大学机械自动化学院,湖北,武汉,430081【正文语种】中文【中图分类】TH137.7AMESim作为多学科领域复杂系统建模仿真的解决方案,它包含有机械、信号控制、液压(包括管道模型)、液压元件设计(HCD)等工程学科的应用库。
基于AMESim的电磁高速开关阀动静态特性研究.
68液压与气动2010年第2期基于A MESi m 的电磁高速开关阀动静态特性研究苏明, 陈伦军1, 21Dyna m ic Characteristic Research ofH i gh Speed On -off Solenoi dV al ve Based on AMES m iS U M i n g , C H E N Lun -jun1, 21(1. 贵州大学机械工程学院, 贵州贵阳 550003; 2. 贵州省机电研究设计院, 贵州贵阳 550003摘要:在分析电磁高速开关阀磁路及机液结构的基础上, 采用AMES i m 建立了电磁高速开关阀模型, 基于该模型在不同占空比及不同工作频率情况下进行了仿真, 分析了P WM 信号、电流、阀芯位移关系, 从控制角度提出了改善电磁高速开关阀性能的思路。
关键词:AMES i m ; 电磁高速开关阀; 动态模型; 仿真中图分类号TH 137 文献标识码:B 文章编号:1000-4858(2010 02-0068-051 引言电磁高速开关阀作为一种流体控制的新型控制元件, 采用P WM 控制方法, 可容易与计算机接口直接相连, 实现计算机技术与流体控制技术的良性有机结合, 进行液压系统的直接数字控制。
同比例阀、伺服阀等相比, 电磁高速开关阀且具有结构简单、抗污染能力强等特点。
电磁高速开关阀涉及机、电、磁、液多种领域知识, 很难建立其精确数学模型, 而且流体脉宽调制P WM 控制系统是一类本质非线性控制系统, 由于流体控制阀的响应速度限制, 调制频率不可能很高, 系统的分析[5]和设计比较困难。
法国I M AG I N E 公司于1995年推出的专门用于工程系统建模、仿真及动力学分析的AM ES i m 软件, 为流体动力、机械、热、电磁、控制等工程系统提供了一个完善的综合仿真环境及灵活的解决方案, 具有丰富的模型库, 可以采用基本元素法按照实际物理系统来构建自定义模块或者仿真模型, 而不需要去推导复杂的数学模型, 这可使研究人员将更多精力投入到实际物理模型的研究当中。
基于AMESim油缸缓冲装置优化设计
端盖上缓 冲腔 为 圆柱 型 。直径 为 ４ ， ２ ９ ｏ ∞ ｍ ｍ。长 度 为５ ５ ｍ ｉ ｌ ｌ 。前 、后缓 冲套为 圆锥型结构 ，因加工装 夹 方便 ，缓 冲套设 置 了长度 为 １ ０ ｍ ｍ 的 圆柱 段 和 长度
液压缸活塞高速运动至行程终端时 ，若没有装设 恰 当的缓 冲 装 置 ，就 会 发 生 剧 烈 的 钝 力 、压 力 冲
结构进行分析 ，并提 出改进方案 。
１ 油缸 缓 冲装置 结构
移模油缸现有的缓冲装 置结构 如图 １ 所示 。有杆 腔缓冲装置结构与无杆腔端有相同的结构。图中 ，油
Ｄ Ｅ Ｎ Ｇ Ｊ ｉ ｎ ｇ ｗ ｅ ｉ ．Ｃ Ａ Ｏ Ｃ ｈ ｕ ｊ ｕ ｎ ｌ １
（ １ ． Ｄ ｅ ｐ ａ ｒ ｔ ｍｅ ｎ ｔ ｏ ｆ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ Ｒ ａ ｉ ｌ ｗ ａ ｙ ，Ｈ ｕ ｎ ａ ｎ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ｏ ｆ Ｒ ａ ｉ ｌ ｗ ａ ｙ Ｈ ｉ ｇ ｈ Ｓ ｐ ｅ ｅ ｄ ， Ｈ ｅ ｎ ｇ ｙ ａ ｎ ｇ Ｈ ｕ ｎ ａ ｎ ４ ２ １ ０ ０ ２ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ；２ ． Ｈ ｅ ｎ ｇ ｙ ａ ｎ ｇ Ｈ ｕ ａ ｙ ｉ Ｍａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｒ ｙ Ｃ ｏ ． ，Ｌ ｔ ｄ ． ， Ｈｅ ｎ ｇ ｙ ａ ｎ ｇ Ｈ ｕ ｎ ａ ｎ ４ ２ １ ０ ０ ２ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
２ ０ １ ７年 ５月
机床与液压
ＭＡＣＨＩ ＮＥ ＴＯＯＬ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬ Ｉ Ｃ Ｓ
Ｍａ ｖ ２ ０１ ７ Ｖｏ １ ． ４ ５ Ｎｏ ． １ ０
第４ ５卷 第 ｌ Ｏ期 来自ＤＯ Ｉ ：１ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ １ — ３ ８ ８ １ ． ２ ０ １ ７ ． １ ０ ． ０ ３ ２
基于AMESim的多孔式液压缓冲器设计与仿真_陈一栋
Ｐｏｒｏｕｓ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｂｕｆｆｅｒ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＭＥＳｉｍ
ＣＨＥＮ Ｙｉ－ｄｏｎｇ，ＨＡＯ Ｘｉｕ－ｐｉｎｇ，ＭＯ Ｗｅｉ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ，Ｔａｉｙｕａｎ ０３００５１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｌａｒｇｅ ｃａｌｉｂｅｒ ｒｉｆｌｅ ｗｉｌｌ ｐｒｏｄｕｃｅ ｌａｒｇｅｒ ｒｅｃｏｉｌ ｉｍｐａｃｔ ｌｏａｄ ｉｎ ｓｈｏｏｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｗｈｉｃｈ ｎｅｅｄｓ ｔｏ ａｄｏｐｔ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｂｕｆｆｅｒｓ ｔｏ ｏｆｆｓｅｔ ｐａｒｔ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｃｏｉｌ ｅｎｅｒｇｙ，ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｆｏｒｃｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ａｐｏｒｏｕｓ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｂｕｆｆｅｒ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｂｕｆｆｅｒ ｉｓ ｓｅｔ ｕｐ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｕｓｉｎｇ ＡＭＥＳｉｍ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｉｓ ｗｏｒｋ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｃｏｉｌ ｏｆ ｌａｒｇｅ ｃａｌｉｂｅｒ ｒｉｆｌｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｉｍｐａｃｔ ｆｏｒｃｅ；ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｂｕｆｆｅｒ；ＡＭＥＳｉｍ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
４ 仿 真 结 果 分 析 根 据 以 上 仿 真 曲 线 ，得 到 的 枪 管 和 缓 冲 器 后 坐 的
１－ 可 变 容 积 ；２－ 停 止 信 号 ；３－ 制 退 器 制 退 力 ； ４－ 制 退 力 数 值 曲 线 ；５－ 枪 管 和 枪 机 ；６－ 速 度 传 感 器 ；７－ 枪 管 复 进 簧 ；
基于AMESim仿真的泵车摆阀油缸系统性能分析
2023.05 建设机械技术与管理75基于AMESim 仿真的泵车摆阀油缸系统性能分析Per formance Analysis of Pump Car Swing Valve Cylinder SystemBased on AMESim周智勇（山西工程科技职业大学智能制造学院，山西 太原 030619）摘要：通过AMESim 软件搭建了泵车摇摆机构摆阀油缸的液压工作仿真模型，研究了不同的液压泵转速、液压缸活塞直径对系统性能的影响，通过调整泵的转速和活塞直径均可以实现活塞移动速度的调整。
随着液压泵转速排量的增加，活塞直径的减小，液压缸活塞移动速度加快，系统能耗增加；活塞直径在40mm 情况下，系统工作压力较高，达到系统压力临界值。
关键词：AMESim ；摆阀油缸；仿真模型；性能分析中图分类号：TH137.1 文献标识码：A0 引 言泵车是混凝土施工的一种重要机械，它利用压力将混凝土沿管道连续进行输送。
泵车主要通过S 管阀的换向来实现混凝土输送缸吸入和泵出混凝土，由摇摆机构摆阀油缸的左右摆动来带动换向。
摇摆机构摆阀油缸液压系统一般使用的是单向定量泵，收到混凝土输送缸活塞换向信号后，S 管阀随之换向，S 管阀换向周期为恒定值，在设计过程中必须保证摆阀油缸动作速度与S 管阀换向周期相匹配，泵的转速和液压缸的直径对于摆阀油缸动作速度的影响较大。
1 摆阀油缸液压系统工作原理图摆阀机构主要由摆阀固定座、左右摆阀油缸、摇臂和摆阀卡板等组成，一般安装在料斗的后方，其结构见图1。
摆阀机构在液压油的作用下推动左右两个摆阀油缸的活塞缸，活塞缸驱动摇臂，带动S 管阀左右摆动，实现换向。
摆阀油缸的液压工作回路由泵、溢流阀、单向阀、电磁换向阀、左摆阀油缸、右摆阀油缸、蓄能器和球阀等组成，其液压工作原理图见图2。
其工作原理为，当电磁换向阀处于右位，在液压泵的驱动下高压液压油通过电磁换向阀进入左摆阀油缸的无杆腔，推动活塞缸伸出，从而推动摆臂带动S 管阀换向。
新型高速液压缸内缓冲装置及其特性的研究
ａ ｔａ ｏ ｅａ ｔｅｏｊｃ ｖ ｎ ｔ ｎ ａ ｄＭｏ ｔ Ｃ ｌ ａ ｏ ｔｍ ａｅ ｎｔｅｓ ｕａ ｏ ｏ ｅ ｉ ｔｅＡ Ｅ ｉ ｔｅ ｎ ｕ ｎ ｅ ｅ ａ ｅ ｃ ｌ ｎ ｂｅ ｔ ｅｆ ｃ ｏ ， ｎ ｎｅ ａ ｏ ｌ ｒｈ ．Ｂ ｓｄｏ ｉ ｌｔ ｎｍ ｄ ｌ ｎ ｈ Ｍ Ｓｍ， ｈ ｆ ｅ ｃ ｓ ｆ ｙｐ ａ － ｕ ｓ ｈ ｉ ｕ ｉ ｒ ｇ ｉ ｈ ｍ ｉ ｉｌ ｏｋ ｒ ｍ
过选择节流孔 数量 、 孔径 以及分布位置作为设计变量 ， 以相应 位置的理想节 流面积与 实际节流面积 的差作为 目标 函数 ， 采用 Ｍｏｔ ｎｅ Ｃ ｒ 算法作 为优化方法 ， ａｌ ｏ 经过一系列的寻优迭代 ， 从而获得 了优化后 的缓 冲结构参数 。在 Ａ Ｓｍ 中构建 了其系统仿真模 型 ， ＭＥ ｉ 基于 仿 真模 型分析 了关键参数对缓 冲性能 的影 响规律 。研究结果表 明该缓 冲装置缓 冲过程平稳且缓 冲过程 时间短 ， 能够满足高速液 压
刘 金 榕 ， 文 颖２， 易 夏 魁
（ ． 国船 舶重 工集 团公 司 第 七 ０四研究 所 ， １中 上海 ２ ０ ３ ； ． ０ ０ １ ２ 上海 汽 车技术 中心 ， 上海 ２ １０ ） ０ ８ ４
摘 要 ： 对 高 速 液 压 缸 在 高 速 运 动 中存 在 强 烈 冲击 问题 ， 出 了一 种 新 型 高 速液 压 缸 内缓 冲装 置 ， 对 其缓 冲 机 理 进 行 了 分 析 。 通 针 提 并
高速气缸新型缓冲装置及其性能
第44卷第11期 2016年11月华南理工大学学报（自然科学版）Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition)Vol.44 No.11Novem ber2016文章编号：1000'65X(2016) 11-0090-07高速气缸新型缓冲装置及其性能张曰红1!2杜群贵10(1.华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州510640$ 2.仲恺农业工程学院机电工程学院，广东广州510225)摘要：压力释放型高速气缸缓冲装置存在适应气缸活塞速度变化范围有限、最佳缓冲状态调节困难的缺点，其主要原因是气体的可压缩性大，压力释放阀达到开启条件时无法保证直至气缸抵达终点一直处于开启状态，存在反复启闭的现象，同时压力释放阀的排气速度无法与气缸的运行速度相适应.有鉴于此，文中提出了一种由压力释放缓冲组件和可调余隙组件组成的新型缓冲结构，通过仿真验证了当气缸可移动部件质量为6k g时，新型缓冲装置可以通过分段调节压力释放阀的弹簧压缩量和气缸背压腔的余隙容积实现气缸最高速度在2.3~3.7m/s区间内的良好缓冲.当固定气缸活塞最高速度为3.0m/s时，改变气缸可移动部件的质量进行进一步仿真，发现该新型缓冲装置在负载质量改变时依然有良好的缓冲调节性能.关键词：高速气缸;缓冲装置；缓冲性能;仿真中图分类号：TP271 doi： 10.3969/j.issn.1000-565X.2016.11.014内置压力释放阀是实现高速气缸缓冲调节所采 用的典型结构型式，虽然得到了初步的工程化应用，但也存在最佳缓冲调节范围有限、工况改变后气缸 良好的缓冲状态极易被破坏、再次调整比较困难等 诸多问题[12].内置压力释放阀高速气缸与普通气 缸的主要区别在于:前者在气缸伸出与缩回到终点 附近时，内置的压力释放式缓冲阀将发挥作用，迅速 将活塞速度降低，从而避免对活塞端盖产生撞 击[3].在实际应用中，高速气缸的缓冲装置存在3个 主要问题:一是压力释放阀不能保持一直开启，存在 反复启闭的弊端[4]$二是压力释放阀开启后，其排 气节流口有效截面积与气缸运行速度不匹配，造成 缓冲腔内气体排放速度过快或过慢[5]$三是压力释 放阀弹簧预紧力的调节精度有限，存在调节幅度波 动大的问题.这3个问题的相互叠加使得内置压力释放式缓冲排气装置的高速气缸很难实现最佳缓冲 状态的准确调整[6].文中在内置压力释放阀高速气 缸的基础上提出一种新型的缓冲结构，以期最大程 度地拓宽高速气缸缓冲调节的工况适应范围，并提 升高速气缸缓冲调节的稳定性.1最佳缓冲成立的条件与结构方案1.1典型高速气缸的缓冲原理图1为以缩回阶段为例的典型高速气缸缓冲原 理简化示意图.图中 < 为气缸的行程，6和W分别是 气缸的位移和速度，H、=、G(-= 1，2，3，4)分别为气 缸各腔体的压力、速度和温度，为气缸的负载质 量.在气缸端盖指向活塞的一侧安装有缓冲套，缓冲 套内部环形槽内配置有缓冲密封圈，当气缸快速从收稿日期：2016-01-11!基金项目：广东省科技计划项目（2013B010203016);重庆大学机械传动国家重点实验室2015年度开放基金资助项目(SKLMT-KFKT-201503)Foundation item： Supported by the Science and Technolog Planning Project of Guangdong Province，China(2013B010203016) 作者简介：张日红（1980-)，男，博士生，副教授，主要从事机电系统传动与控制研究.E-mall:eh-neu@163. com卞通信作者：杜群贵（1965-)，男，教授，博士生导师，主要从事机电工程现代设计方法研究.E-nrnl:Ctqgdu@SCu . c第11期张日红等：高速气缸新型缓冲装置及其性能91一端向 端 但塞还未进入 密封圈内 ，大 气 密封圈 排K 塞插入 密封圈内 ，排气通道被关闭，只有 气体通过气缸端盖上口排出，大 气体被封闭在由活塞套、端盖、活塞 所 密闭 内，这密闭容腔内气力将逐渐上升， 力 阀的调节力时，气 力 阀迅速排出[7].若气向行程终点靠 程 力 阀 开状态，缓冲密闭腔的气 气 终点位 也好排完，气 程 状态[8].pical high-speed pneumatic cylinder1.2最佳缓冲过程分析以气 为例，高气缸良好缓冲态参数变化曲线见图2.随进气腔进气 力卩，进气腔压力开始上升， 由 阀已发生切换，背腔气体逐渐向换向阀排气口排气，压力趋 $气 气腔气体产生的驱动力大于背压腔气体阻力与气 统摩擦力之和时，气开始在导轨上力 ， 由 气 力 气腔积增加，导致进气腔压力 ，而气背压腔的体积减小又导致其压力有所上升[9].气缸活塞加大 ，气 气腔相对气缸背压腔 力优势开始减弱， 气活塞 幅度减小;接下， 气 塞与 密封圈 ， 腔内的气 被封 腔压力大幅度上升，气活塞 开始急 [1%]，同由 腔压力力 阀开 力，压力 阀开启并 ： 腔内 气 ， 力 阀开 始 ， 气 高力 阀， 腔内的气 续上升势头， 腔内被 气 力 阀， 腔内的气 力才开始 ，并力阀 闭.此时， 腔内 余气体通阀 内 口 排 ， 终气 完程并稳停靠在终点位置[11].Fig. 2 Variation curves of dynamic parameters in good dampingcondition1.3新型压力释放阀缓冲组件新型 装 案如图3所示.气 入 ， 幅度的是腔压力H ，H 荡必然会导致活塞速压力调节阀阀芯气缸缓冲腔气体入口图3新型缓冲装置结构方案Fig. 3 Structural scheme of the novel pressure reliefvalve cushion assembly92华南理工大学学报（自然科学版)第44卷度的振荡，其根本原因在于压力释放阀开启压力、压 力释放阀排气流量、固定节流口排气流量三者的匹 配程度较低[12].如果利用压力释放阀的开启压力实 现对缓冲腔排气阀的控制，并合理设置排气节流口 大小，可以从根本上解决传统高速气缸只依靠单独 的压力释放阀对缓冲腔压力实现控制的局限性.新 型缓冲装置的主要工作原理如下：当气缸缓冲腔内 压力超过由气缸最高速度决定的压力释放阀的调节 压力时，压力释放阀开启，压力释放阀的气体排至排 气阀前端的固定容腔内；随着固定容腔内气体压力 的逐渐上升，排气节流阀被打开，由于固定容腔内气 体压力相对比较稳定，排气节流阀可保持较好的常 开状态，这样气缸缓冲腔的气体便可通过另一个支 路经排气阀顺利排出；当气缸运行至行程终点时，气 缸缓冲腔的压力开始低于固定容腔内的气体压力，单向阀开启，将固定容腔内的气体排空，进而为下个 周期的气缸缓冲做好准备.2新型缓冲装置压力释放阀缓冲组件的数学模型新型 装 力阀学 型主要包括热力学流量方程、力学平衡方程等[13].流入或流出压力释放阀、排气阀、单向阀的气体质量流 量,m可通过式（1)表达：AeP/n-b/R T…,⑴式中:A4为节流口的有效通流面积;为各可变腔 体的上游压力；b为流临界压力比;R为气体常数；T p为上游气体温度;％取值如下：=1，P i</P/p/b(P d</P n p P dn/P n p S其中为各可变腔体的下游压力.排气 阀腔 力程 ：⑵5P3r k R(T_T)M3r5：3rr m3~q i m3r) _ 5⑶式中，P为固定容腔的压力，为固定容腔的容积，,m为从压力释放阀流入固定容腔的气体的质量流量，,5m为从固定容腔经单向阀流出的气体的质量流 量，T为缓冲腔气体温度，&为固定容腔气体温度.新型 装 ，力阀、排气阀、单向阀的等效截面积及压力平衡方程式列于表1，相应的阀芯摩擦力^2、^£、^£依据文献[14]给出.Table 1表1新型压力释放阀缓冲组件相关方程式及参数取值^Related e q u a tions and parameters o f t l i e novel p r e s s u r e r e l i e f v a l v e cushion asembly名称压力释放阀 排气节流阀 单向阀阀芯摩擦力等效通流面积表达式Ae r= *;c I.s in a(- ;c rs in a c o s a)Ae e=*( -$e)/4Ae d= *6s ina($d s- 6s; a cosa)d26rXId26Xd；2d26X压力平衡方程式二=PA r—N r f—M(6r+6〇)二尸*^4^ _/PAe f—N e f_M e(6e+X e〇)-P s r^d s~p3A d s_ N d f_ M d(6d+p:d0)N rf，N ef，N d f=jO.67$v，l〇.4dv，5:〇5v1〇6%)= 〇m m，M-=4.5 N/m m，d r s=4.76 m m，d n=3.2m m，d r f= 1.5m m，a r= 6O0参数取值 6〇= 1m m，M= +•17N/m m，d e p= 10m m，d e;= 8m m，d e r= 5m m，d e f=3.5m m：6〇= 1m m，M d= 2 N/m m，$5s= 4.76m m，d d r= 3.2m m，d jf= 1m m，a d= 60〇1)dv为相应阀芯与阀套的接触直径;5v为阀芯移动的速度;a为阀芯的半锥角；压力释放阀、排气阀、单向阀的相关参数主要包括:阀芯质 量m r、m e、m d，等效通流面积A e r、Ae e、Ae d，作用压力有效面积A r s、A e S、A d s，阀芯位移，初始压缩量6、6o、6o，弹簧刚度3 基于Matlab/S i m u l i n k的动力学仿真3. 1基于Matlab/Simulink的动力学模型气缸活塞组件与相关可动部件的动力学方程：P A1 +P A2 -P A3 -P A4+N fSg n(= =R6(4) 式中:户1、户2、户3、户4为气缸各腔体的压力；01、02、03、A4分别为P、P、P、P作用于气缸活塞组件上的有 效面积，R为气缸机械系统可移动部件的总质量 (Mt =6kg)；=、6分别为气缸的运行速度和加速度; N为气缸机械系统的摩擦力，其取值如下：F f(5){"，==0U+"=，=i〇/s、/c、/v分别气缸机械系统的静摩擦力、库伦摩擦第11期张日红等％高速气缸新型缓冲装置及其性能93进行试验研究.首先将气缸的进气端速度控制阀调大开口状态，之调节气缸排气端 阀，使气缸获同的最高 ，进制阀的有效截面积圈数与气缸最高速度(图（所示）.力及粘性摩擦系数[15]，经前期的试验研究得到其取 值分别为乂 a 35N ，/> a 24N ，/v a 36N • s /m .气缸各可变容腔的压力方程主要与流入、流出 腔气体状态以及气 相关.假设气体为理想气体，气体状态变化视为绝热变化[16]，气各腔力为式中:H 为气缸各腔体压力；为流入腔体的气体温 度，G u t 为腔气 ，各可变容腔的气体通过热力学第；,，m 为流入腔气；,/，m 为腔气;:为气体容腔积^为时间.以上新型 装置、气缸动力学及气体压力腔相关方程的基础上，可建立基于M atlab/Si m u l i nk态仿学模型，仿逻辑关系见图！.图！ 基于麗&1；=6)/.;/1;]的仿真逻辑图Fig. Simulation logic diagram based on Matlab/Simulink3.缓冲调节能力估算通 期的试验研究发现典型气缸缓冲柱塞进入密封圈始=与气最高 有较好 性 ， 性拟合处理，可得二 性表达式（7).气高较低时=< =ap ，当===aX 时，气 极限，故可推导出气缸的最高缓冲速度=a X = 3. 7 m /s .由 推测:只要 装 理，在气缸最高速度为3 X (1 ±0.233) m /s 、气缸执行系统可移动部件质量 为6 k g 的工，实现良好是完全.= =1.47=a X —1.74(7)3.3气缸良好缓冲的分段调节仿真以原有高速气程运动特性为例速度控制阀的旋松圈数 图5速度控制阀的调节特性Fig. 5 Regulating characteristics of speed control valve依据图4所示的仿真逻辑关系，对新型缓冲装 置的高速气缸实施基于M atlab/Si m u l i n k 的仿真研 究.当气缸最高速度处于3.0〜3.7m /s 区间内时，可 以通过调 力 阀弹簧压缩量来实现气缸良好缓冲的稳定调节.图6所示为气 高 为3.0〜3.7 m /s 时使气缸获得良好取值规律以及相 活塞终点 、 腔最高压力. 气高为 3.0 mSs，为0 mm.Fig. 6 Regulating characteristics when the highest speed rangesfrom 3.0 to 3. 7 m / s当气缸最高速度处于3. 0m /s 以下时，新型缓冲装力阀调 ，若许气缸以0.4m /s终点[17]，气(> g)/«姻崦_轺細迪垣r Sm /^M讎辍炯轺莖薜«««94华南理工大学学报（自然科学版)第44卷以适应$ 7〜3. Orn /s 的最高速度变化.仿真发现，要 使气缸以更行程终点，需要调节气：腔的余隙容积，具调 图7所示.仿出气缸最高速度在$. 3〜3. O m /s 区间内时，活塞最 高 与其实现良好缓冲所需的余隙容积 图+所示.气缸最高速度在$ 3〜3. 7 m /s 的整个速度 区间变 ，随气缸活塞最高速度的增加，气入性增加，而且气入 々勺与气 高 逐渐趋于相等，气高为3.7m /s 时，二完全相等.气 入力则呈线性减小，如图9所示，气活塞：在 2. 3〜3.7 m /s 之间调节时，气入缓冲时背压腔Fig. 7图7气缸余隙的调节结构Adjustment structure of cylinder clearance图8气缸最高速度为$ 3〜3. O m A 时的缓冲调节规律Fig. 8 Cushion regulation law when the highest speed rangesfrom 2.3 to 3. O m /s 0.80「4.0A全行程时间_0.80]0.75速度,m/s 0.75 _0.703.5时间进入缓冲压力0.700.65_ 3.00.650.60"2.50.600.550.502.00.55"0.50-0.45-1.51 1 1 1 1 1 10.45-2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8活塞最高速度/(-•.-)图9气缸进入缓冲阶段时主要参数的变化规律0.500.450.400.350.300.250.20Fig. 9 Change rules of main parameters when cylinder enteringthe cushion stage的压力在O . 413〜O . 27O M P a 之间变化，即随着气缸 活塞最高速度的增加，气缸活塞入腔压力呈线性减小.另外，气 全行程时间变化区间为O .O 4〜O .55O s ，气缸进入缓冲的时间变 化区间为O . 625〜0.479 s .3.4各腔体气体压力做 况仿真如图1O 所示，驱腔、排气腔气 功呈下降趋势，气缸背压腔气 功则线性增加，说随着气活塞 提筒，通力阀和气缸背压腔余隙容积调以很好地实现气缸的良好性能，而且调节过程线性度较好.图1O 驱动腔、背压腔与排气腔气体的做功情况Fig. 1O Gas work in driven cavity ，back pressure chamber andexhaust chamber3.5负载变化时气缸良好缓冲的调节特性气高速度调节为3. O m /s ，通 变压力释放阀的弹簧压缩量和缓冲腔余隙容积来实现气缸 活塞的良好.从图11 仿 知：当气缸可移动部件的质量在4〜6 k g 之间变化时，可通过固为O m m 并调腔余隙容积的大实现气缸活塞的良好 ，且随着气力D ，余隙容积的调呈线性减小;而气 6〜9k g 之间变 ，可通 腔余隙容积为最小并调力 阀大实现气缸活塞的良好，且随 气加， 力阀调呈线性增大.气在4〜9 k g 之间变化时，缓冲腔的最高压力和行程时随之增加，气活塞的终点 O.2m/s.见，随气 变化，阀组件可以实现良好有效调节.第11期张日红等％高速气缸新型缓冲装置及其性能951500012500100007 500 5000 2 5002.00.4」0.700.650.600.550.50可移动部件质量/kg图11负载质量改变时良好缓冲的调节特性Fig. 11 Regulating characteristics for good cushioning a t va^-ing loading mass4结语文中在对典型高速气缸进行试验研究的基础上，提由压力阀、排气阀和单向阀的新型装置，推气为6kg时，气缸良好缓冲的可行调节范围为$3〜3.7 m/s.基础上，通过建立高速气学模型仿真得出相应的动力学特性:当气活塞最高 3.0〜3.7 m/s之间变化时，可以通过调节压力释放阀的弹簧压缩量获得良好性；当气$.3〜3.0 m/s之间变化时，则需要固定压力释放阀的压缩量为最小并通过调整气缸背压腔的余隙容积实现气良好.文中还提余隙容积的调案.为研究变时新型装调性，气在4〜9k g〖内变行了仿真，发现%气 6 kg ，通调腔余隙容积可实现气良好；当气高 6 kg ，通调力阀实现气良好缓冲，而且调程的性度良好，验新型缓冲装气缸缓调有效性.基于新型高速气缸性能研究还应考虑更多，比供气压力变化、连接所产生的气阻和余隙容积变，这些都气态性能和调性产生.参考文献：&1]K I M D，Z H A N G Z J.Characteristic comparison on internal cushion devices a t high-speed pneumatic cylinders &J ].Transactions of the Korean Society of Automotive Engi-neers，2013,21(6)%24-30.&2]鲍伟.气缸高速缓冲控制系统的研究[D].杭州：浙江 大学，2003.[3]王海涛，包钢，熊伟，等.高速气缸缓冲的研究[J].液压与气动，2002(7)%12-14.W A N G Hai-tao,BAO Gang，X I O N G W e i，e t a l. 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Research on cylinder b/fer controlbased on A M E S i m [C] "Proceedings of the 21st International Conference on Industrial Engineering and Engi-[J].机械工程学报，2005,41(7):221-224.LI Zhe，W A N G Zu-wen，B A O Gang. Research on cushioning princip)le for high speed cylinder w i t l i self-adaptation capacity [J ].Journal of Mechanical Engineering，2005，neering Management 2014. Boston：Atlantis Press，2015：41(7) ：221 -224.A New Cusliion Device for High-Speed Pneumatic Cylinderand its PerformanceZ H A N G R i-h o n g1，1D U Q u n-g u i1(1. School of Mechanical and Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，Chi2. Faculty of Mechanical and Electrical Engineering，Zhongkai University of Agriculture and EngineeGuangzhou 510225，Guangdong，China)Abstract：For the cushion device of the high-sj^eed pneumatic cylinder w i t h i a pressure re variation range of pneumatic cylinder piston i s narrow，and t o achieve optimum cushion conditions i s main reason i s high compressibility of gas.Specifically，when the opening conditions of t!i e pressure r e l i e f valve aremet，i t cannot always keep open before the cylinder arrives a t a stroke，and thus t i i e phenomenon of repeated opening and closing i s universal. At the same time，the exhaust speed of the valve cannot adapt wi of the piston.In o rder t o solve these problems，a new cushion structure mainly composed of pressure release cushion components and adjustable clearance components i s proposed. Then，through the simulation an monstrated that when the mass of moving parts in the pneumatic cylinder i s6 kg，a better cushion for the top speedof the pneumatic cylinder within the range of 2. 3 〜3.7 m/s can be achieved by means of the segmented regulationof both the spring compression amount of the pressure release valve and the clearance volume of th cavity. Finally，a t a maximum velocity of pneumatic cylinder piston of 3.0 m/s，a further si by changing the m ass of moving parts. I t i s found that t!i e new cushion structure s t i l l has beter cushioning and regulating performance when the load mass i s changed.Key words：high-speed pneumatic cylinder;cushion device；cushioning performance；simulation。
基于AMESim的液压混合动力系统缓速性能仿真分析
第 ２卷 第 １期 ２ ｌ ０ ２年 １月
汽车 工程 学 报
Ｃｈ ｎ ｓ ｏ ｒ ａ ｆ ｉ ｅ ｅ Ｊ ｕ ｎ ｌｏ Ａｕｔ ｍｏ ｉ ｇ ｎ ｅ ｉ ｇ ｏ ｔｖｅ Ｅｎ ｉ ｅ ｒ ｎ
Ｖ ＿ Ｏ １ ｂＩ Ｎ ． ２
Ｊ ａｎ．２０１２
基于 Ａ Ｓｍ 的液压混合动力系统缓速性能仿真分析 ＭＥ ｉ
和 优 化 发 动机 工 作 区 间 来 改 善 车 辆 燃 油 经 济 性 。 串联 式系 统主 要应 用 于轻 、 中型 车 ， 中型军用 车 、 如 包 裹 递 送 车 和 轻 型 汽 车 ，城 市 工 况 下 节 油 率 ５ ％ ０
称 液 压 混 合 动 力 系 统 。液 压 混合 动 力 系 统 有 串联
ｐｏ ｒ ｒ ｉ ｗｅ ｔ ａｎ．
Ｋｅ ｗ ｏ ｄ ｙ ｒ ｓ－ ｈ ｄ ａ ｌｃｈ ｒｄ ｂ ； ＡＭ ＥＳｉ ； ｗｏ ｋｉ ｒ ｍｅ ｅ ； ｒ ｔ ｒ ｉ ｉ ｌ ｔｏ ｙ ｒ ｕ ｉ ｙｂ ｉ ｕｓ ｍ ｒ ｎｇ ｐａ ａ ｔ ｒ ｅ ａ ｄ ｎｇ ｓｍｕ ａ ｉ ｎ
液 压 混 合 动 力 技 术 即 是利 用 液 压 蓄 能 器 功 率 密 度 大 和 液 压 二 次 调 节 元 件 的优 点 ，构 建 了 以液 压 蓄 能器 和 泵 马达 为 核 心 的 能 量 再 生技 术 ，也
配 提 供 充 分 的理 论 基 础 。
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基于AMESIM的高速气缸新型缓冲装置缓冲性能研究张日红;杜群贵【摘要】目前气动技术在现代工业技术发展过程中占有重要的地位,而作为执行元件的气缸的应用更是普遍,气缸的工作速度逐步向高速方向发展,而性能良好的缓冲装置对于气缸以稳定而低速的状态停靠在行程终点具有极其重要的作用.通过仿真和实验分析发现基于压力释放阀缓冲调节阀在气缸缓冲性能调节方面存在调节范围小,容易引发气缸活塞速度的振荡,进一步提出了一种新型缓冲装置,该新型缓冲装置通过气缸缓冲腔余隙容积与压力调节阀的分段调节来实现气缸良好缓冲的调整.接下来在构建具有新型缓冲装置的高速气缸AMESIM数值模型的基础上,对气缸活塞速度为3.0 ～3.7 m/s,气缸执行系统可移动部件质量为4 kg工况条件下进行了仿真分析,分析结果显示了气缸速度在3.0～3.5变化时,通过调节气缸缓冲腔的余隙容积大小即可实现最佳缓冲,而气缸速度在3.5 ～3.7 m/s变化时,则通过调节压力调节阀来实现最佳缓冲.通过仿真还得出了气缸实现良好缓冲的分段调节范围,稳定调节范围相比单纯基于压力释放阀的缓冲调节方式有了很好的提升.%Currently the pneumatic technology plays on important role in modem industrial technologies,pneumatic cylinders are more generally used as actuators,and their operation speed is gradually improved.So,cushion devices with good performance appear to be quite necessary for guaranteeing the pneumatic cylinder to be able to stop in a stable and slow speed status at the end of travel.Simulations and experimental analyse have found that the pneumatic cylinders installed with the traditional pressure relief valvel can only manually regulate the cushioning properties in a small adjustment range,and may easily lead to the fluctuation of piston speed.A novelcushion device was proposed to achieve better cushioning properties,in which the clearance volume of cushion chamber and the spring compression of pressure regulating valve can be regulated according to the variation of piston speed.An AMESIM numerical model for a high speed pneumatic cylinder with the novel cushion device was developed to perform the simulation with the piston speed varying in 3.0-3.7 m/s and the mass of the moving parts in the actuator system being 4 kg.The analysis results show that when the maximum piston speed varies in 3.0-3.5 m/s,the optimum cushioning performance can be achieved by adjusting the clearance volume of cushion chamber,while when the maximum piston speed varies in 3.5-3.7 m/s,the spring compression of pressure regulating valve can be regulated to achieve the optimum cushioning performance.A better cushion adjustment range of the novel cushion device was determined through the simulation,comparing to the original pressure relief valvet.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2017(036)021【总页数】7页(P92-98)【关键词】高速气缸;新型缓冲装置;缓冲性能;AMESIM建模【作者】张日红;杜群贵【作者单位】仲恺农业工程学院机电工程学院,广州510225;华南理工大学机械与汽车工程学院,广州510641;华南理工大学机械与汽车工程学院,广州510641【正文语种】中文【中图分类】TH138.5;TH113.2气缸非常适合快速使负载质量加速至较高的速度，从目前的发展趋势看，通用型气缸将进一步保持低成本、高性能、多样化的特点。
另一方面，特殊用途的气缸将继续向着高速化、高精度化、复合化以及追求平滑移动特性上发展[1]。
气缸的高速化发展对提高装置的生产效率非常重要，是气动技术发展的必然趋势[2]。
为了使气缸活塞平稳和无冲击的停止到行程终点，普遍的方法是合理配置排气节流通道的有效截面积，使气缸活塞在运行过程中逐渐挤压缓冲腔内的气体，使缓冲腔内气体的压力迅速升高而形成缓冲气垫，进而吸收气缸运动部件的冲击动能[3]。
缓冲气垫与机械弹簧的性质很相似，很多场合下视其为气动弹簧。
如果气动弹簧的刚度过大，气缸活塞没有到达形成终点气缸活塞就停止了，接着活塞速度方向改变为负方向，之后又重新恢复为原来的速度方向，进而形成活塞速度的反弹现象[4]。
反弹现象的产生对于消除气缸的冲击振动没有任何效果，只会延长气缸的行程时间[5]。
若气动弹簧的刚度太小，气缸的冲击动能无法被吸收，气缸活塞将以较高的速度冲击气缸端盖[6]。
合理的缓冲方式直接决定气动弹簧的刚度，进而影响气动缓冲的性能[7]。
因此，应用合理的缓冲方案及相应的缓冲装置，使活塞以较低的速度平稳地停靠在行程终点是极其重要的。
大部分内置气动缓冲装置在结构上是相似的，即在气缸的端盖内放置有缓冲密封圈，气缸的活塞杆上有一段缓冲柱塞的结构[8]。
以气缸的缩回阶段为例，其工作原理可描述如下：活塞快速从左侧向右侧移动的过程中，气缸背压腔的气体通过缓冲密封圈的中心孔排出。
而当缓冲密封圈进入到缓冲密封圈的内孔中时，缓冲密封圈中心孔的排气通道被封闭。
气缸背压腔内的气体则只能通过气缸端盖内的更小的的排气通道排至缓冲装置入口处，由于缓冲装置排气节流口面积低于气缸活塞对背压腔气体压缩的速度，因此背压腔的压力迅速上升，使活塞的速度得以降低[9]。
图2所示的压力释放阀是目前在高速气缸中普遍采用的缓冲元件，其开启压力是由人为调整的弹簧压缩量来控制，即弹簧压缩量的调整必须根据气缸运行的最高速度和负载质量来进行合理调整，以保证气缸缓冲腔内的压力上升至最大时，压力释放阀迅速开启并排尽缓冲腔内的气体，但实际情况是合理的弹簧压缩量的稳定区间过小，人工调整良好缓冲是极为费时费力的[10]。
主要现象为两种：①如果弹簧压缩量调整不足，压力释放阀开启过早而导致气缸背压腔的缓冲能量不足而使气缸活塞撞击到活塞端盖；②如果弹簧压缩量调整过度，会使得压力释放阀的开启不稳定，存在反复启闭的现象，最终导致气缸活塞发生激烈的冲击反弹。
改进后的新型缓冲阀组件如图3所示，主要由压力调节阀、排气阀、单向节流阀所组成，其工作原理为：一旦气缸缓冲腔压力达到压力调节阀的开启压力，气体便可进入到固定容腔内，当固定容腔内的压力上升到超过排气阀的开启压力时，排气阀开启，由于新型缓冲阀组件的排气节流口可以经阀体内的孔道与气缸的排气腔相通在设计上是可行的，因此缓冲腔内的气体可最终经排气阀、排气节流口排至气缸排气腔内。
考虑到单向节流阀的两端分别作用有固定容腔和气缸缓冲腔内的气体压力，因此当气缸缓冲腔的压力随着气体的排放开始低于固定容腔内的气体压力时，固定容腔内的气压便会使单向节流阀开启并缓慢释放其内部的气体压力。
单向节流阀的通流面积需大小合适，进而延迟固定容腔经单向阀向气缸缓冲腔排放的速度，以保证排气阀的开启时间更久。
2.1 气缸传动系统数值模型首先对气缸整体结构进行功能分解，主要包括进气腔、驱动腔、缓冲腔、排气腔四个腔体与缓冲阀组件，缓冲阀组件的主要功能是在合理的时刻开启缓冲阀组件并迅速排空气缸缓冲腔的气体，除此之外还包括连接各腔体与缓冲阀组件的等效节流孔、管道和气容。
而电磁换向阀主要完成对供气口与排气口的切换，即实现气缸伸出与缩回的控制。
AMESIM非常适合基于气动元件的模块化数值建模[11]，通过对气缸整体结构的结构与功能分析，建立了如图4所示的基于AEMSIM的气缸传动系统的总体数值模型。
2.2 缓冲阀组件模型图5和图6分别显示了基于AMESIM的压力释放阀和新型缓冲组件的数值模型。
这两种缓冲结构的入口和出口压力分别为气缸缓冲腔压力p3和排气腔压力p4。
新型缓冲阀组的数值模型主要由压力调节阀、排气阀、单向节流阀三部分组成。
2.3 主要参数设置高速气缸气动系统及缓冲装置的相关参数如表1所示。
主要包括气缸、压力释放阀与新型缓冲装置的等效通流面积、弹簧动力参数、气体容腔的以及负载质量等参数。
2.4 气缸与阀芯可移动部件摩擦力气缸机械系统的摩擦力模型采用Stribeck模型，其中fs，fc,fv分别气缸机械系统的静摩擦力、库伦摩擦力及黏性摩擦因数[12]。
经前期的试验并进行线性回归得到fs，fc,fv的表达式为根据文献[13]的经验预测可得到缓冲装置的等效通流面积与阀芯摩擦力模型如式2所示[13]:2.5 仿真条件的设置由于气缸的伸出与缩回的缓冲过程是相似的，而且缓冲结构是相同的，因此对于气缸缓冲性能的仿真选气缸的缩回阶段作为代表进行研究[14]。
仿真过程中固定Ae1=25.5 mm2，通过调节Ae2来实现气缸的不同速度。