基于Simulink和功率键合图的囊式蓄能器动态仿真研究

　　在水压冲击凿岩机工作过程中,由于冲击机构的高速往返运动、系统用水量的间隙性等导致水压凿岩系统出现水压宽幅、高频脉动等问题,对系统的安全、稳定工作构成了极大威胁。为了解决这些问题,在工程实践中人们通常采用蓄能器以降低系统水压脉动幅度,从而保护系统水压元件,保持系统稳定工作。蓄能器[1]作为液压系统中的能量储存装置,主要用作辅助动力源,用于储存和补偿系统能量。它对保证系统正常运行、改善其动态品质、保持工作稳定性、延长工作寿命、降低噪声等起着重要的作用。

　　蓄能器的参数选取,如容积和充气压力与系统压力的匹配等问题是影响蓄能器对水压脉动幅度抑制效果的重要因素。如何合理地选择蓄能器的参数以保证水压凿岩机长时间稳定工作是工程实践中需待解决的问题。通常这一问题的解决均基于经验公式或试验系数[2]。而数字仿真则是解决这一问题的新途径。本文以囊式蓄能器为研究对象,运用功率键合原理[3~4]建立蓄能器数学模型,采用Matlab/Simulink[5~6]作为仿真平台,模拟了蓄能器对压力冲击的抑制作用,并研究了一定充气压力下,不同容积囊式蓄能器对系统水压脉动幅度的抑制效果,进而给出了在规定系统压力下蓄能器容积参数的选取建议。

　　1　囊式蓄能器工作过程及功率键合图模型建立

　　1.1　囊式蓄能器工作过程

　　囊式蓄能器物理结构如图1所示。囊式蓄能器是利用液体的不可压缩性和气体的可压缩性来实现液体的积蓄的。其工作原理为:先在气囊内充入一定压力的气体(通常为氮气),菌形阀底部受到气腔和液腔两个方向的压力,当液腔压力大于气腔压力时,液体被压入液腔,气囊受压,气体被压缩致使气腔压力升高;反之,当气腔压力大于液腔压力时,气囊内气体膨胀,皮囊弹出,液体被挤出液腔,补给系统,气腔压力降低。与其它形式蓄能器比较,囊式蓄能器具有液、气隔离,反应灵敏,尺寸小,质量轻等特点。

　　1.2　囊式蓄能器功率键合图建立

　　所研究的水压系统由定量柱塞泵、蓄能器、负载(水压凿岩冲击机构)、管路等部分组成,系统原理图如图2所示。其中囊式蓄能器由进水管、液腔和气腔组成,见虚线框内部分。

　　蓄能器功率键合图基本元件为蓄能器的输入流源、系统输出负载、蓄能器与管路联接部分容性元、蓄能器的进油口液阻、蓄能器液腔容性元件,蓄能器的气腔为一贮能元件,可视为惯性元件,忽略其它管路液阻、液感及泄漏。依据系统功率流向,用单箭头功率键联接各元件,建立囊式蓄能器功率键合图模型如图3。图中箭头方向即为系统功率流向,双箭头键为控制键,传递元件控制信号。