一种具有不规则末端缓冲机构液压缸的仿真实现方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及液压系统仿真技术领域，尤其涉及一种具有不规则末端缓冲机构液压 缸的仿真实现方法。
【背景技术】
[0002] 液压设计人员通过对液压系统进行仿真，有助于对液压系统的性能进行预先了 解，通过优化设计参数，使得液压系统设计更为合理，降低液压系统设计成本和缩短开发周 期。
[0003] 液压系统中，液压缓冲器（shock absorber)的作用是在工作过程中防止硬性碰撞 导致机构损坏，降低液压缸运动方向改变时的噪声，其基本原理是依靠液压阻尼对作用在 其上的物体进行缓冲减速至停止，在起重运输、电梯、冶金、港口机械、铁道车辆、航空等领 域广泛采用。
[0004] 在实际应用中，液压缸的缓冲装置几何外形多种多样、性能不一，设计人员需根据 实际需求设置相应的外形参数，所以需要对液压缸的缓冲装置进行仿真优化设计。针对具 有不规则末端缓冲机构的液压缸，若采用一般的仿真方法，需要通过繁杂的数学推导建立 复杂的数学模型，过程极为繁琐，且不利于对结构参数的优化调试。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于，在较为成熟和常见的液压仿真软件AMESim (Advanced Modeling Environment for performing Simulation of engineering systems)中，利用 AMESim仿真软件提供的标准模块和自编模块，针对具有不规则末端缓冲机构的液压缸，建 立简单的数学仿真模型，优化设计各种缓冲结构参数，提出了一种具有不规则末端缓冲机 构的液压缸的仿真实现方法。
[0006] 液压缸采用具有三个斜切面的缓冲柱塞作为不规则末端缓冲机构，包括：缸体，活 塞杆，活塞，节流环和末端缓冲柱塞；
[0007] 活塞与活塞杆相连接处为活塞内缓冲孔，活塞内缓冲孔开口端套接1个节流环， 节流环上留有1个开口，开口截面为矩形。
[0008] 末端缓冲柱塞采用圆筒状缓冲柱塞，同时与液压缸出油口相连；末端缓冲柱塞外 表面分为缓冲柱塞斜切面和缓冲柱塞圆柱面；缓冲柱塞斜切面有三个，沿圆周均匀分布于 末端缓冲柱塞的前端，起始位置为斜切面起始点E所在的曲线；末端缓冲柱塞的后端为缓 冲柱塞圆柱面，缓冲柱塞圆柱面与缓冲柱塞斜切面相交位置为圆柱面起始点F所在的曲 线；末端缓冲柱塞内部为柱塞排油内孔。
[0009] 活塞的整个缓冲运动过程分为三个阶段：
[0010] 第一阶段为无缓冲阶段；当活塞运动到末端缓冲柱塞的缓冲柱塞斜切面之前，液 压缸工作在一般模式，缓冲机构不产生节流缓冲效应。
[0011] 第二阶段为斜切面节流缓冲阶段；活塞从缓冲柱塞斜切面继续移动后，开始产生 节流效应，当活塞移动到缓冲柱塞斜切面与缓冲柱塞圆柱面相交的位置时，末端缓冲柱塞 进入活塞内缓冲孔时，缓冲发生。缓冲柱塞斜切面和活塞内孔壁间形成缓冲间隙；液压油通 过缓冲间隙和节流环上的开口流出液压缸出油口。
[0012] 缓冲切面面积为缓冲间隙的切面积和节流环开口的面积之和，随着活塞的继续推 进，缓冲间隙越来越小，缓冲切面面积也越来越小，节流缓冲效果逐渐明显。
[0013] 第三阶段为固定间隙节流缓冲阶段。当活塞从缓冲柱塞斜切面与缓冲柱塞圆柱面 相交的位置继续移动到缓冲柱塞圆柱面后，缓冲过渡到固定间隙缓冲阶段，缓冲腔的液压 油通过节流环开口处流出，即缓冲切面面积固定，此时缓冲效果明显。
[0014] 针对具有不规则末端缓冲机构的液压缸的缓冲仿真实现方法，分为以下几个步 骤：
[0015] 步骤一：确定每个缓冲阶段的节流面积；
[0016] 第一阶段，不涉及缓冲，采用标准液压缸的模型即可。
[0017] 第二阶段，末端缓冲柱塞在斜切面处移动时的变截面节流缓冲；
[0018] 缓冲切面面积为缓冲间隙的切面积和节流环开口的面积；
[0019] 缓冲切面面积\的计算公式如下：
[0020] Sx=6Sx1+Sx2 (1)
[0021] 其中：Sxl为缓冲间隙的切面积；S x2为节流环上开口形成的节流面积；
[0022] 节流环上开口形成的节流面积Sx2，计算如下：
[0023] Sx2= WH (2)
[0024] 其中：W为节流环缝隙宽度；H为节流环缝隙高度；
[0025] 缓冲间隙的切面积S,,，计算如下：
[0026]
J.L\ X,.J. V心. ! ~r yJL. J:
[0027] D为末端缓冲柱塞的直径；0为末端缓冲柱塞剖面图中，斜切面与圆弧面的交点 偏离中心线的角度 uiz_n为末端缓冲柱塞剖面图中，斜切面与圆弧面的交
\ x- J. 点偏离中心线的距离
、hx为斜切面剖切最深处的值，h x = (1-x) tan ( a ) ;x为活塞偏离斜切面起始点E所在曲线的位移；1为缓冲柱塞斜切面段的长 度；a为缓冲柱塞斜切面的倾角；
[0028] 第三阶段，固定间隙节流缓冲。
[0029] 此阶段的节流面积S'，为：
[0030] S，x=Sx2=WH (4)
[0031] 步骤二：建立缓冲折算模块；
[0032] 步骤201、绘制缓冲折算模块的图标；
[0033] 利用AMESim平台，绘制缓冲折算模块的图标为Cushion，将缓冲折算模块绘制成 两个接口，并将接口定义为信号接口。
[0034] 步骤202、定义缓冲折算模块的参数；
[0035] 缓冲折算模块参数分为三大类，（1)、接口参数，与其它模块交互的参数；（2)、内部 参数，仅缓冲折算模块内部运算过程中可能使用的参数，视为运算的中间结果；（3)、可调整 参数，指缓冲折算模块建立好后，用户使用时可设定其具体数值的参数。
[0036] 步骤203、根据接口参数，判断液压缸所处的阶段并计算该阶段输出的信号值；
[0037] 若处于第一阶段，即不涉及缓冲，则输出信号为1。
[0038] 若处于第二阶段，则缓冲有效节流面积为S= Sx，计算节流阀直径和输出信号值， 公式如下：
[0039]
[0040] u-a/va
[0041] 其中：d为折算等效节流阀直径；
[0042] vd为完整模型中采用的基准节流阀直径；
[0043] u为输出信号；
[0044] 若处于第三阶段，固定间隙节流缓冲阶段，则缓冲有效节流面积为S= S'x，根据以 下公式计算其输出信号值；
[0045]
[0046] u=d/vd
[0047] 步骤三：建立完整的带有末端缓冲结构的液压缸的模型；
[0048] 利用AMESim提供的标准模块，搭建完整的带有末端缓冲结构的液压缸模型，包括 液压缸、位移传感器、缓冲折算模块和可调节流阀。
[0049] 位移传感器连接液压缸，采集液压缸中活塞的位移信号，同时位移传感器将输入 的位移信号参数传递给缓冲折算模块，缓冲折算模块判断液压缸所处的阶段并计算各个阶 段的输出信号传递给可调节流阀，进行节流。
[0050] 步骤四：对缓冲结构各参数进行优化设计；
[0051] 将步骤三搭建好完整的仿真模型连接到液压系统中，对缓冲机构的几何参数进行 参数调试和优化设计。
[0052] 本发明的优点在于：
[0053]1)、一种具有不规则末端缓冲机构液压缸的仿真实现方法，简洁易行，尤其对于难 以直接建立数学模型的不规则末端缓冲机构来说，在确认其关键环节和核心影响因素后， 忽略次要因素，能很方便快捷的建立其完整数学模型。
[0054]2)、一种具有不规则末端缓冲机构液压缸的仿真实现方法，借助了 AMESim成熟的 仿真平台，除了能提升数学模型的准确性外，也非常方便将建立的数学模型封装成AMESim 的标准模块，与其它成熟的液压元件模块组成复杂液压系统模型，便捷的实现复杂系统的 仿真。
[0055] 3)、一种具有不规则末端缓冲机构液压缸的仿真实现方法，部分套用AMESim标准 模块，简化了建模难度，提高建模效率。
[0056]4)、一种具有不规则末端缓冲机构液压缸的仿真实现方法，建立好的仿真模型，也 具有AMESim标准模块的友好人机交互界面，能很方便对缓冲机构的重要参数进行调