功率键合图和Matlab/Simulink在液压系统动态仿真分析中的应用

　　0 引言

　　功率键合图法是一种处理多种能量范畴的工程系统动态分析法，能够考虑系统中的非线性因素。 它用图形方式描述系统中各元件间的相互关系， 在研究液压系统动态特性时， 键合图表示系统在动态过程中功率的流向、汇集、分配和能量转换等情况。 用一线段表示功率键，其上的半箭头表示功率的流向，构成功率的势变量和流变量分别写在线段的上下方，各功率键之间的联系用节点表示，功率键一端的一根短线表示变量间的因果关系， 能量变换器用 TF表示。

　　Simulink 是 MATLAB 的工具箱之一，它提供了一个动态系统建模、 仿真和综合分析的集成环境。在 Simulink 中建立所研究液压系统的仿真模型，同时调整仿真参数，最终可以得到仿真结果图。

　　1 夹持拧卸液压系统模型

　　以用于更换地下管线的换管器的夹持拧卸液压系统为例，对其进行动态仿真分析。 如图 1 所示为换管器液压系统的原理图。 其中，元件 1、2、3、20、21、19、25、29、22、26、30、23、27、24（24A 和 24B）、28（28A 和 28B）、31 构成夹持拧卸液压系统。

　　换管器液压系统工作原理：初始状态下，各换向阀均处于中位，各液压缸均为收回状态。 当系统建立压力时，将第 1 根拉杆放入夹紧装置中，调整换向阀 22 使前夹紧缸 24 伸出，夹紧拉杆一端（阴螺纹）；调整换向阀 17 使液压马达 18 正转，动力头?马达 18 压力上升， 调整换向阀 17 使其停止转动，溢流阀 15 卸荷溢流；前夹紧油缸 24 收回，松开拉杆；再调整换向阀 12 使主液压缸 13 伸出；调整换向阀 26 使后夹紧缸 28 伸出， 夹紧拉杆的另一端（阳螺纹）；使液压马达 18 反转，动力头上所带阴螺纹与拉杆阳螺纹松开，动力头停止转动，主液压缸，并使第 2 根拉杆的阴螺纹与第 1 根拉杆的阳螺纹手动旋合对中；调整换向阀 17 使液压马达 18 正转，螺纹旋合上紧后，液压马达 18 停止转动；夹紧缸 28 伸出夹紧第 2 根拉杆的一端（阳螺纹）；液压马达 18 反转，松开咬合螺纹；主液压缸 13 后退至初始位置，准备安装下一个拉杆，重复上述过程，直至装杆过程结束。

　　当装杆过程结束后， 后夹紧缸 28 处于伸出状态，其余液压缸均是收回状态。 调整换向阀 12 使主液压缸 13 伸出，运动至前夹紧处；液压马达 18 正转，旋合上紧螺纹；调整换向阀 26，后夹紧缸 28 收回；然后调整换向阀 12 使主液压缸 13 后退至初始位置； 调整换向阀 22、26 使前夹紧缸 24 和后夹紧缸 28 伸出，分别夹紧旋合在一起的 2 根拉杆，再调整换向阀 30 使卸扣缸 31 伸出，带动前夹紧装置旋转预定角度后， 前夹紧缸 24 和卸扣缸 31 立即收回，动力头马达 18 反转，松开两拉杆的咬合螺纹；再次执行上一步的动作 （后夹紧缸 28 仍处于伸出状态）,使拉杆与动力头的咬合螺纹松开；取出拉杆。重复上述操作，卸杆过程结束。