基于功率键合图的液压系统建模与仿真

　　1 功率键合图法

　　液压系统的动态建模方法有多种,如较早的有传递函数法、方块图和信号流图、向量-矩阵(状态空间)表达式,后来在20世纪80年代发展起来的功率键合图法。功率键合图法(Power Bond Graph)简称键合图,用于表示系统中的功率流程,是建立动力学系统数学模型既简便又简明的方法,是进行动态仿真的有效工具。键合图的符号是一种广义的网络符号,因此可以用它们来模拟许多类型的物理系统,如机械和电气系统等,特别是在液压系统领域的动态特性分析研究中得到了广泛的应用。功率键合图法与其他建模方法相比,具有很多优点:

　　(1)功率键合图中描述的模块化结构与系统本身各部分物理结构及各种动态影响因素之间具有直观的一一对应关系,便于理解其物理意义,有助于进行正确分析,避免产生错误。

　　(2)功率键合图与系统动态数学模型即状态方程又存在着严格的逻辑上的一致性,可以根据系统功率键合图有规则地推导出相应的数学模型。

　　(3)具有模块化结构,调用方便,便于系统建模。通过调用元件模型组成复杂的系统;模型的局部修改非常容易,改变模型的局部关系而不影响系统的其余部分。这些优点无疑为液压系统动态过程分析和建立数学模型提供了很大的方便。因此,在液压系统动态分析及其仿真领域中的应用越来越广泛。

　　2 工程应用实例

　　掘进机在煤矿机械中的地位和作用非常重要,本文以掘进机的回转液压回路系统为例进行研究。

　　(1)液压系统原理

　　回转液压回路系统可简化为如图1所示,系统中复合动力源是由发动机驱动泵旋转,泵将机械能转变为液压能;执行机构是左右对称布置的2根油缸;其他均为功率传递和控制,如管路及三位四通阀。

　　(2)绘制功率键合图

　　在回转到左右极限位置时和在中间某一位置制动时,回转工作装置的动态性能决定掘进机工作的主要指标,本文重点对此进行研究。

　　本系统的功率键合图分2种情况:第1种工况是反铲挖掘装置向左回转到极限位置时油缸缓冲装置对回转工作装置惯性冲击的动态响应。在此运动过程中,阀杆始终向下运动并保持阀口开度始终处于最大位置。由于三位四通阀阀杆端的闭锁溢流阀设定的溢流压力高于溢流阀设定的溢流压力,闭锁溢流阀对此动态过程的影响可以不考虑,系统图简化成图2。第2种工况是工作装置从某一位置开始回转,当回转到中间位置时制动,即关闭阀芯,分析制动时回转工作装置的动态性能。在此过程中,开始阀口开度处于最大位置,在回转到某一角度时,关闭阀芯,回转工作装置被制动,系统图简化成图3。根据上述的假设和回转运动的实际情况,建立溢流阀的功率键合图如图4和图5。