内循环数字液压缸的仿真研究

　　0 引言

　　在计算机技术和微电子技术高度发展的今天,用数字技术取代传统的模拟液压技术已经成为液压领域的必然趋势。目前,国内外液压领域的数字研究主要是直接数字控制阀的研究,而针对数字液压缸主要有两种:一种是能输出数字或模拟信号的内反馈数字液压缸,另一种是使用数字信号控制运动速度和位移的开环控制数字液压缸[1]。它们虽然具备流量调节功能,但是仍然需要传统液压能源装置才能组成完整的液压系统。

　　本文将要介绍的内循环数字液压缸是一种完全一体化设计的液压数字系统。这种数字液压缸通过独特的设计,将液压动力元件、执行元件和控制元件的功能进行有机的集成。它与可编程数字控制器相结合,利用字脉冲能高精度地控制液压油缸的运动方向、速度和位移。

　　1 内循环数字液压缸的工作原理

　　图1是内循环数字液压缸的结构原理图,由图可知:活塞内腔分布了A、B两组排油柱塞,电磁脉冲驱动这两组排油柱塞分别控制液压缸的左右2个运动方向。分析A组小柱塞工作原理如下:

　　在脉冲的作用下,柱塞向右移动,腔3压力急剧增大,单向阀1关闭,并打开单向阀2,将腔3中的油液排到腔1,系统排油,液压缸向左运动0102mm,腔2等量的油液流入柱塞左侧。脉冲作用完毕转向作用下一个柱塞,再由下一个柱塞来推动液压缸运动,与此同时,由于弹簧力的作用,被电磁力推到了最右端的柱塞开始向左复位,腔3压力下降,单向阀2关闭,单向阀1被打开,柱塞左侧的油液排回腔2流入腔3,系统吸油。

　　总之,密封容积腔3的大小交替变化,柱塞就不断地完成吸油和排油,在此过程中液压缸左右两腔由于单向阀的作用始终不会连通。此外,该系统还有增力的作用,在柱塞排油过程中,由于活塞有效面积远大于柱塞面积,采用很小的电磁力便能推动较大的负载力。

　　2 内循环数字液压缸的数学模型

　　2.1 排油

　　系统排油过程中,腔3与腔1相通,根据帕斯卡原理,两腔压力相等。若用M表示液压缸和负载的总质量, r ( t)表示电磁力, m表示柱塞质量(718g),F为负载力, p₁为腔1的压力, p₂为腔2的压力,则液压缸和负载的力平衡方程为:

　　式中:s₁为液压缸的有效面积;

　　y为液压缸的位移。

　　柱塞的运动动力平衡方程为:

　　x为柱塞位移;

　　s₂为柱塞面积。

　　假设油液为理想液体,液压缸腔3与腔1油液连续性方程为:

　　2.2 吸油