摩擦力对双出杆液压缸性能影响的仿真研究*

□ 王佳玮 □ 马 可 □ 顾 乐

1.河海大学机电工程学院 江苏常州 213022

2.博世力士乐（常州）有限公司 江苏常州 213000

1 研究背景

液压缸在液压传动与控制系统中担负着将液压能转换为机械能并对外做功的重要任务，是液压传动与控制系统的重要元件［1-2］。存在液压缸摩擦力是影响液压缸工作效率及工作寿命的重要因素之一，由于存在摩擦，产生了有利于活塞杆运动的流体润滑作用，启停时表现出一定的缓冲能力。但另一方面，复杂的摩擦力可能造成液压缸爬行、抖动甚至振荡冲击等不利现象［3-4］。液压缸摩擦力的大小与工作油压、负载、密封件材料、密封形式，以及活塞与缸筒之间的润滑条件等因素密切相关［5-6］，因此，对液压缸动态特性进行分析研究，有利于液压缸的设计优化。与此同时，液压仿真技术迅速发展，应用仿真软件不仅可以指导新产品的设计开发，而且能够建立现有产品的仿真模型并进行参数修改，对液压缸的性能进行分析，进而更好地了解液压缸性能，并可达到优化设计的目的［7-10］。笔者以双出杆液压缸为研究对象，采用Simster软件进行仿真，分析摩擦力对其性能的影响。

2 Simster仿真软件

Simster液压仿真软件为设计和优化控制驱动系统提供了一个先进的多领域仿真环境，其仿真库中包含了通用液压元件及大多数驱动和控制产品的组合，在环境中无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，将所用组件拖放进工作表，就可以构造出复杂的系统。Simster提供了一种快捷、直接、明了的方式，支持快速、可靠的系统分析，并且用户可以通过初始参数的修改设置，立即看到系统的仿真结果曲线。Simster的基本操作界面如图1所示。

3 液压系统建模

▲图1 Simster基本操作界面

▲图2 双出杆液压缸

Simster拥有丰富的液压元件库、机械零件库及信号控制库，启动Simster进入起始页，点击“Start”下的“New Project”，生成新的工作表，通过拖拽库中元件建立仿真模型。在仿真过程中，仿真模型基于液压系统，参数设置则基于实际元件参数。测试用液压缸为双出杆液压缸，则执行元件选择双出杆液压缸模型，如图2所示。控制元件选择三位四通比例阀模型，如图3所示。动力元件选择压力控制泵模型，如图4所示。根据测试用液压系统原理图，在Simster中建立如图5所示液压系统仿真模型。

4 参数设置

在进行仿真时，主要考虑试验指标静摩擦力和动摩擦力两个因素对液压缸的综合影响。在液压缸开始运行时，初始静摩擦力即为启动摩擦力。整个运行过程中，静态摩擦力始终大于动摩擦力，且随着液压缸的运行，黏性摩擦系数增大，因此，仿真设计采用全试验的方法。

仿真目的为分析动静摩擦力对液压缸运动平稳性、定位精度、响应的影响程度，以优化设计参数，提高综合性能。仿真条件见表1。

根据设计的液压缸最低启动压力，计算初始静摩擦力F：

式中：S为有杆腔有效作用面积；R为缸径；r为杆径。

将表1中各参数值及最低启动压力p=0.1 MPa～0.3 MPa代入式（1），得到初始静摩擦力F=400～1 200 N。

随着液压缸开始运行，静摩擦力开始减小。在运行过程中，由于活塞杆与密封件间存在摩擦，因此动摩擦力逐渐增大。摩擦力参数设置界面如图6所示。

表1 仿真条件

▲图3 三位四通比例阀

▲图4 压力控制泵

▲图5 液压系统仿真模型

▲图6 摩擦力参数设置界面

对于三位四通比例阀，参数设置为输入-10～10 V，流速 50 L/min，压力控制 3.5 MPa，频率 120 Hz。

5 仿真结果分析

5.1 动静摩擦力差值

液压缸初始静摩擦力的可设置范围为400～1 200 N。以上述建立的液压仿真模型为对象，假设在合理的密封系统下，液压缸的内、外泄漏都为0，液压缸启动后的静态摩擦力分为400 N、380 N、360 N三种情形进行仿真，其它参数设置为换向过渡速度2 mm/s，动摩擦力300 N，黏性摩擦系数1 N·s/mm、2 N·s/mm和3 N·s/mm。将以上参数值导入Simster，得到的位移时间曲线如图7所示，活塞位置为绝对坐标。

单纯从仿真结果可以看出，三种情况的曲线总体变化趋势基本一致，差别非常细微。为了比较三种情况的精确差别，采用局部放大的方法，取仿真时间为0～0.1 s区间的21组位移数据进行细化分析，三组仿真曲线的时间与活塞位置见表2。在仿真时间0.040 s～0.045 s区间，第一组活塞位置由250.51 mm倒退至250.44 mm。在仿真时间0.090～0.095 s区间，第一组活塞和第二组活塞均发生了0.01 mm的微量倒退。

将启动后0～0.1 s的后台数据从Simster中导出，用可视化数据分析程序Origin进行分析，得到的动静摩擦力差值对运动平稳性影响分析结果如图8所示，其中第一组活塞数据曲线有较为明显的上下波动，第二组与第三组活塞数据曲线较为接近。

表2 动摩擦力300 N时仿真曲线时间与活塞位置数据

综合以上图表，液压缸启动后，当动静摩擦力差值较小时，位移曲线的振幅小，液压缸抖动幅度小，运行相对平稳，随着差值的增大，位移曲线的振幅呈增大的趋势，液压缸运动平稳性下降。

5.2 摩擦力等级

在试验中，使动摩擦力与静摩擦力差值保持不变，改变摩擦力等级，以考察摩擦力大小对液压缸运动性能的影响。使用图7（c）所示的动、静摩擦力分别为300 N、360 N的仿真曲线，另设置动、静摩擦力为600 N、660 N和800 N、860 N两组参数，进行仿真，得到曲线如图9所示。

▲图7 动摩擦力300 N时位移时间曲线

▲图8 动摩擦力300 N时运动平稳性影响曲线

同样，取仿真时间从0～0.1s区间内的21组位移数据进行对比，三组仿真曲线时间与活塞位置数据见表3。第一组活塞在0～0.005 s区间位移了0.01 mm。第二组活塞在0.005～0.010 s区间内开始产生位移，并位移了0.01 mm。第三组活塞在0.010～0.015 s区间内才开始产生位移，位移为0.01 mm。

将启动后0～0.1 s的后台数据导出，用Origin进行分析，得到摩擦力等级对响应速度的影响分析结果，如图10所示，其中最下方曲线为摩擦力较大时，中间曲线为摩擦力适中时，最上方曲线为摩擦力较小时。

从图10中可明显看到，液压缸启动后，活塞到达相同位置，当摩擦力较大时，所需时间较长，液压缸的灵敏度低，当摩擦力较小时，液压缸反应时间较短，液压缸的灵敏度高。

6 结论

▲图9 不同摩擦力等级位移时间曲线

表3 不同摩擦力等级时仿真曲线时间与活塞位置数据

基于Simster软件对不同动静摩擦力差值及不同摩擦力等级情况下的双出杆液压缸运行状态进行了仿真。通过对仿真结果进行分析，发现当动静摩擦力差值较小时，液压缸运行较为平稳。当动静摩擦力较小时，液压缸响应较快。密封材料、密封形式、工作油压、负载等条件决定了摩擦力的大小。笔者的研究结果为双出杆液压缸的优化设计提供了思路，并为进一步了解双出杆液压缸动态特性奠定了基础。

▲图10 摩擦力等级对响应速度影响曲线