全自动液压压砖机液压系统排气回路的建模与仿真研究

匡伟春+易平波+梁斯仁

【摘 要】根据压砖机排气回路的特点，建立了排气回路的功率键合图模型，并用Simulink软件为回路建立了仿真模型。设置系统参数，对排气回路进行仿真，重点观察液压泵出口流量的变化情况。仿真结果表明：压砖机在排气过程中，液压泵出口流量逐渐减小，参数变化基本符合设计要求。仿真模型的建立，为回路的参数设置和动态响应的观察提供了方便，能更好地呈现液压系统排气回路动态特性，提高了液压系统设计的效率。

【关键词】压砖机；排气回路；功率键合图；Simulink

0 引言

全自动液压压砖机（简称为压砖机）主要用于建筑、卫生陶瓷工业中陶瓷墙地砖的压制成形，介于粉料输送和窑炉烧制工序之间，是陶瓷墙地砖工业生产线中的关键机械设备。压砖机中排气装置的作用是在压机对粉料两次加压之后，使动梁稍许抬起，以便排除粉料中的空气。因此，排气过程的好坏直接关系到产品质量的优劣，而对压砖机液压系统排气回路进行动态分析就变得尤为重要。

功率键合图（Power Bond Graphs）简称键合图，1959年由美国MIT的H.M.Paynter教授提出，是一种用来描述工程系统能量结构的图示表示方法。文献[1]对混凝土泵车液压系统的泵送回路进行动态仿真，为系统的设计和改进提供可靠的分析依据；文献[2]对镁合金铸轧机液压系统倾翻回路进行动态仿真，为系统性能分析提供理论依据，文献[3]利用键合图，对轴向柱塞泵液压系统建模，通过仿真得到液压阀的压力变化曲线。鉴于排气回路的重要性，根据压砖机排气回路的特点，建立了排气回路的键合图模型，并用Simulink软件建立了仿真模型。设置仿真参数，对压砖机在排气过程中的两个重要参数液压泵出口流量和液压缸工作压力进行仿真，为压砖机的液压系统设计提供参考。

1 压砖机排气回路原理

压砖机的排气过程有两次，分别是在粉料第一次加压后和第二次加压后。压砖机一次排气过程，如图1所示。排气液压回路中，液压油经过锥阀V205、锥阀V201、锥阀V202、锥阀V204进入主油缸的下腔，使活动横梁进行上抬运动，这样坯体中的气体可以排出。主油缸的上腔为卸荷状态，主油缸上腔的液压油经锥阀V105流回油箱，排气过程结束。

2 液压缸的键合图模型

排气回路主要由液压缸、液压泵、蓄能器、锥阀、溢流阀、换向阀等主要元件组成。液压缸是排气回路中重要的能量转换装置，把系统中的压力能转换为机械能。液压缸的具体结构如图2所示，液压缸的上腔有效工作面积为A1，下腔有效工作面积为A2，输入压力为p1，输入流量为q1，回油的压力为p2，回油的流量为q2。活塞的运动速度为v，活塞输出力为F。

1-5、1-6、1-7：电磁阀6D；3-2：插装阀60B；10：插装阀40G ；11：插装阀40C ；15-1、15-2、15-3：蓄能器；16-1：插装阀32A；17：梭阀；20：比例阀；21：顺序阀；23：插装阀32H；29：滤油器；50：主油泵；51：电动机；56：主油缸；57：充液阀；58：接力缸；59：上油箱

图1 排气回路液压原理图

图2 液压缸

考虑进油腔和回油腔的液容效应、液感效应、液阻效应、活塞的惯性和液压缸的摩擦，液压缸键合图模型如图3所示。图中，Isq为液压缸上腔的液感；Csq为液压缸上腔的液容；Rsq为液压缸上腔的液阻；Ixq为液压缸下腔的液感；Cxq为液压缸下腔的液容；Rxq为液压缸下腔的液阻；Ia为液压缸的惯性；Rf为液压缸的摩擦。

图3 液压缸功率键合图模型

液压缸的液感可表示为

I=■（1）

式（1）中I为液感，l为液压缸的行程，ρ为液压油的密度，A为液压缸的有效工作面积。

液压缸的液容可表示为

C=■（2）

式（2）中C为液容，Be为体积弹性模量，V为液压缸压缩体积。

3 排气回路的键合图建模

为了分析计算的方便，建立排气回路键合图模型时不考虑控制油路上的元件。排气回路主要元件包括柱塞泵、滤油器、插装阀、蓄能器、液压缸、油箱等，排气回路的键合图模型如图4所示。

4 排气回路Simulink仿真

4.1 建立Simulink仿真模型

建立一个Simulink排气回路模型文件exhaust.mdl，根据排气回路的键合图模型，建立液压柱塞泵、滤油器、管道（包括高压胶管和低压胶管）、插装阀（包括插装阀1、2和3）、蓄能器、液压缸（包括缸上腔、负载连通腔和缸下腔）的仿真模型。添加阶越信号模型作为信号的输入，添加示波器模型用来显示系统参数的变化情况。根据排气回路液压原理图和排气回路键合图中的因果关系，进行建模。

4.2 参数设置

根据某压砖机的参数计算液压系统排气过程所需要的数据，部分数据按经验值选取。仿真算法采用变步长一步求解法的ode23s。

4.3 仿真结果

图5为排气回路液压泵出口流量qp曲线。如果希望得到某个液压元件的压力损失或流量变化，在建立模型时添加观测器，就可以显示参数的变化情况。由图5可知，泵的出口流量逐渐减小，由6.02×10-3m3/s减小到5.99×10-3m3/s，衰减过程近似为线性。

5 結论

本文根据压砖机排气回路的特点，建立了压砖机排气回路的键合图模型，并用Simulink软件为回路建立了仿真模型。仿真结果表明，压砖机在排气过程中，液压泵出口流量由6.02×10-3m3/s逐渐减小到5.99×10-3m3/s。总的来说，参数变化基本符合设计要求。仿真模型的建立，为该回路动态特性的获得提供平台，为参数的合理设置提供了仿真环境。

【参考文献】

[1]张桂菊，肖才远，葛动元.基于MATLAB/Simulink的混凝土泵车液压系统的动态仿真研究[J].液压与气动， 2012（10）：19-23.

[2]姚瑶，韩佳东，于晓光，等.基于功率键合图和MATLAB/Simulink的液压系统动态仿真[J].液压与气动，2013（12）：103-106.

[3]LUMKES J H，FRONCZAK F J.Design，Simulation，and Validation of a Bond Graph Model and Controller to Switch between Pump and Motor Operation Using Four on/off Valves with a Hydraulic Axial Piston Pump/Motor[C].Proceedings of the 2000 American Control Conference，Chicago，IL，June 2000：3605-3609.