阀芯螺杆螺距对数字液压缸性能影响的仿真分析

江海军，宋飞，王传辉，杨哲辉

(1.92213部队，广东湛江524064;2.海军工程大学动力工程学院，湖北武汉430033;3.海军92196部队52分队，山东青岛266000;4.海军91251部队，上海200940)

早期的数字液压缸由于机械结构不完善，导致液压缸的行程短、速度不高、性价比不好，均没有得到广泛的应用。20世纪90年代以来，随着微计算机技术及步进电机细分驱动技术的迅猛发展，数字液压缸获得了新的活力。美国Victory Controls公司、Vickers公司、德国Hermann Hemscheidt Maschinenfabrik(海姆施德特机械制造)公司、日本IHI(石川岛播磨重工)公司均有成熟的系列数字液压缸产品提供［1，2］。国内亿美博科技有限公司解决了数字液压缸高速、长行程、廉价的难题，使其能够适用于不同的需求［3］。重庆大学机械工程学院的学者们在磁耦合传动数字液压缸的理论与实验研究方面作了大量工作，积累了丰富的经验［4－6］。

数字液压缸可直接用数字脉冲信号进行控制，具有控制简单、定位精度高、抗污能力强、维护容易等优点。常见数字液压缸的阀芯驱动形式及反馈方式多采用螺旋传动方式，该传动方式有利于实现数字液压缸的小型化集成化，且决定着数字液压缸的性能，因此对数字液压缸的螺旋传动机构进行研究是必要的。

1 数字液压缸AMESim模型

1.1 仿真模型的建立

数字液压缸模型采用AMESim软件搭建完成，模型主要由油源、液压缸、四通滑阀、螺旋传动机构四部分组成，完整的模型如图1所示。数字液压缸系统模型的难点在于螺旋传动机构模型的搭建，主要利用AMESim软件的机械库完成螺杆螺母副 (图1中Helical Pair)和滚珠丝杠 (图1中Ballscrew)模型的搭建［7－8］。螺杆螺母副与滑阀阀芯直接相互作用，其螺纹间隙及摩擦不能忽略，自建模型需要考虑间隙及摩擦的影响。滚珠丝杠的螺纹间隙是可以忽略的，因其本身间隙很小，加之中间经过减速齿轮的减速，对阀芯运动的影响甚微，可使用软件自带的螺杆螺母副模块来简单地表示。

图1 数字液压缸AMESim模型

1.2 仿真模型参数

为方便研究，设定数字液压缸中位启动，规定活塞位移及负载方向如图2所示;另外设定负载随活塞位移线性变化，变化规律如图3所示。

图2 活塞位移及负载方向定义

图3 活塞位移与负载对应关系

模型中其他主要参数如表1所示。

表1 系统主要参数

2 仿真结果与分析

阀芯螺杆螺距影响数字液压缸的增益，为了研究阀芯螺杆螺距对数字液压缸的具体影响规律，将阀芯螺杆螺距P分别设为2、3.5、5 mm进行仿真。在步进电机角位移输入信号相同的情况下，理论位移计算公式为:

式中:st为理论位移 (m);i为减速比，i=1/K;s为滚珠丝杆螺距 (m);θ为步进电机角位移 (°)。

由式 (1)可知:阀芯螺杆螺距P不影响活塞的理论位移st，3种螺距下的活塞理论位移应该是相同。仿真设置的步进电机角位移输入信号为周期40 s、幅值1 080°的三角波型，对应的活塞理论位移曲线如图4中曲线4所示，为周期40 s、幅值0.225 m的三角波型。由图4可知:3种螺距下的活塞实际位移曲线与理论位移曲线频率相同，相位分别滞后0.4、0.2和0.15 s，可见随着阀芯螺杆螺距的增加(即系统增益增大)，位移曲线滞后量减小，活塞位移幅值增大。

图4 活塞位移－时间曲线

图5为3种螺距下液压缸的跟踪误差曲线，观察单个跟踪误差曲线可知:当活塞运动方向不改变时，活塞位移的动态跟踪误差随着位移量的增加而逐渐增大，且活塞缩回比伸出时的跟踪误差更大。具体原因是负载随着位移的增加而线性增大，导致工作腔压力升高，工作腔与供油系统的压差减小，供油流量的下降引起跟踪误差增大;有杆腔作为工作腔时由于有效面积小，腔内压力更高，所以跟踪效果要差于无杆腔作为工作腔时的。

对比3种螺距下液压缸的跟踪误差曲线可知:阀芯螺距P对跟踪误差有显著的影响，随着螺距P的增加，液压缸的动态跟踪误差减小，系统的静态误差也相应地减小。系统最终稳定后，螺距P=2、3.5、5 mm对应的静态误差分别为0.64、0.36、0.25 mm。综上所述，在其他条件都相同的情况下，阀芯螺距P增加 (即增益增大)，液压缸的位移滞后量减小，位移幅值增大，系统的动态跟踪误差及静态误差减小明显，数字液压缸的精度提高。

图5 液压缸跟踪误差－时间曲线

3 结论

利用AMESim软件建立了数字液压缸模型，仿真分析了螺旋传动机构中阀芯螺杆螺距对数字液压缸性能的影响。结果表明:在其他条件都相同的情况下，阀芯螺距P增加 (即增益增大)，液压缸的位移滞后量减小，位移幅值增大，系统的动态跟踪误差及静态误差减小明显，数字液压缸的精度提高。从本质上说，阀芯螺距的增大增大了数字液压缸的系统增益，使得系统频响提高，液压缸位移跟踪效果改善。但值得注意的是过大的增益可能导致数字液压缸系统的不稳定，在设计螺旋传动机构应进行稳定性分析。

［1］李良福.国外动力液压缸的发展状况［J］.机械工程师，2002，11(9):9 －11.

［2］邱法维，沙锋强，王刚，等.数字液压缸技术开发与应用［J］.液压与气动，2011(7):60 －62.

［3］吴文静，刘广瑞.数字化液压技术的发展趋势［J］.矿山机械，2007，35(8):116 －119.

［4］魏祥雨.闭环控制数字液压缸研究［D］.重庆:重庆大学，2005.

［5］魏祥雨，王世耕，胡捷，等.闭环控制数字液压缸及实验研究［J］.液压与气动，2005(7):19－22.

［6］潘易龙，张毅，魏祥雨.闭环控制数字液压缸及其控制系统［J］.液压气动与密封，2005(3):34－36.

［7］宋飞，邢继峰，黄浩斌.基于AMESim的数字伺服步进液压缸建模与仿真［J］.机床与液压，2012，40(15):133－136.

［8］肖志权，彭利坤，邢继峰，等.数字伺服步进液压缸的建模分析［J］.中国机械工程，2007，18(16):1935－1938.