基于Simulink的液压破碎锤的仿真研究

　　液压破碎锤是以液压泵为动力源,液压油作为工作介质的阀控活塞系统,它是由液压能转换为机械冲击能的破碎工具。从工作原理知,液压破碎锤工作时活塞在缸体内运动,活塞与换向阀受力,必须考虑液压破碎锤前腔和后腔液压油的作用力。所研究的液压破碎锤其换向阀在缸体的内部,工作原理如图1所示,包括活塞回程运动阶段、活塞回程制动阶段、活塞冲程运动阶段及活塞打击停顿阶段,当活塞进入瞬时停顿阶段后活塞结束了一个工作循环。其广泛应用于冶金、矿山开采,国防施工、公路和铁路建设、市政工程、建筑等行业。

　　1 Simulink系统仿真原理

　　Smi ulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。其提供了一种图形化的交互环境,只需要用鼠标拖动的方法便能迅速地建立起系统框图模型,甚至不需要编写一行代码。可以利用MALTAB丰富的资源,建立仿真模型,监控仿真过程,分析仿真结果。Smi ulink在仿真领域中已经得到广泛的应用,许多专用的仿真系统都支持Smi ulink模型,这非常有利于代码的重用和移植。

　　Smi ulink仿真是按照数值积分法不同的特点、仿真性能与适用范围,正确选择计算方法并确定适当的仿真参数,以得到最佳的仿真效果。

　　Smi ulink提供的常微分方程数值解的两大类仿真算法,即可变步长类型与固定步长类型。可变步长类型仿真算法可以让程序修正每次仿真计算的步长大小,并提供错误控制以及零点检测的功能。属于可变步长的仿真算法有oder45、oder23、oder113、oder15s、oder23s。在这些算法中又可分单步法、多步法以及梯形法几种。其中oder15s采用可变阶次的数值微分公式的方法,也称为吉尔(Gear)方法,用于解决刚性问题, oder15s法为多步法,通常运算精度低;oder23t采用自由内插法实现的梯形法,适用于解决系统有适度的刚性并要求无数值衰减的问题; oder23tb是采用TR-BDF2实现的方法,即龙格-库塔公式的第一级采用梯形规则,第二级采用吉尔法。对于解算误差容限比较宽的问题效果较好,适合于解决刚性问题。

　　2 液压破碎锤的Simulink模型的建立

　　在基于Smi ulink的液压破碎锤仿真过程中,采用建立活塞和阀芯运动数学模型、容腔数学模型和管道数学模型,把活塞和阀芯、容腔、管道作为一个独立的模块,根据数学模型建立其Smi ulink图形化模型。由于BH65液压破碎锤Smi ulink模型包含的功能模块较多,输入输出关系复杂,有必要将每个模块封装成一个子系统中,留出输入输出引线,作为对外界的接口,必要的时候可以建立多级子系统,使得模型层次分明,以利于理解和调试。下面以活塞和换向阀为例建立的数学模型。