Односторонний гидроцилиндр, переменная нагрузка

Требуется проанализировать односторонний гидроцилиндр (блок Single-Acting Hydraulic Cylinder). На шток гидроцилиндра действует переменная нагрузка, которая определяется кинематикой некоторого механизма и в данной задаче считается известной. Работаем в Simscape Fluids.

Схема

Схема гидравлической части устройства:

Односторонний гидроцилиндр в Simscape Fluids: схема.
Односторонний гидроцилиндр в Simscape Fluids: схема. В качестве модели гидроцилиндра задействован блок Single-Acting Hydraulic Cylinder.

Параметры цилиндра заданы. В качестве источника давления используется насос постоянной производительности с подключенным идеализированным источником угловой скорости. В конце статьи есть файл с моделью Simscape.

Описание блоков

Источник давления

  1. Mechanical Rotational Reference — то, относительно чего крутится вал насоса.
  2. PS Constant — константа. Определяет число оборотов в минуту для вращающегося вала насоса.
  3. Ideal Angular Velocity Source — источник угловой скорости. Держит постоянную скорость на порту R относительно порта С. Независимо от момента на валу, т.е. независимо от давления.
  4. Solver Configuration — обязательный блок. Без него моделирование не запустится.
  5. Fixed Displacement Pump — насос постоянной производительности, вернее, постоянного рабочего объема, но в нашем случае, производительность постоянна.
  6. Hydraulic Pressure Sensor — сенсор давления. Выдает разницу между давлениями на портах A и B. Порт B подключен к Hydraulic Reference, и давление на нем считается точкой отсчета.

Гидролиния с баком и предохранительным клапаном

  1. Hydraulic Reference — жидкость в баке. Можно считать, что это атмосферный бак большого объема, как и показано на пиктограмме.
  2. Pressure relief — предохранительный клапан. Не дает давлению на порту A гидроцилиндра подниматься выше 70 бар.

Гидроцилиндр, нагрузка, сенсоры

  1. Single Acting Hydraulic Cylinder — Гидроцилиндр одностороннего действия (односторонний гидроцилиндр). Шток такого цилиндра возвращается в убранное положение либо под воздействием пружины, либо под нагрузкой, когда давление на входе снимается. Пружины в модели понятное дело нет, и цилиндр по сценарию обратно не двигается. Давление подается на порт A. Выход штока снимается с порта P. Механическое усилие, действующее на шток цилиндра, подводится к порту R. Порт C — заделка корпуса, в нашем случае — неподвижна. Поршень движется до упора, согласно характеристикам цилиндра, максимальный ход 90 мм.
  2. Mechanical Translational Reference — то, относительно чего смещается шток гидроцилиндра. Блок подсоединен к порту C (корпус) цилиндра.
  3. Ideal Force Source —  сила, действующая на шток цилиндра. Величина силы определяется кинематикой. Поскольку кинематика жестко привязана к выходу штока, будет правильно считать, что сила на штоке зависит от выхода штока. В модели из-за этого есть алгебраический цикл, однако расчету он не мешает.
  4. Rod Force — блок 1D-Lookup Table. В этом блоке определяется то, как зависит усилие на штоке от его выхода. Обычно такая характеристика может быть получена в CAD системе в виде графика. Например в NX для таких целей есть специальное приложение «Motion Simulation» (в переведённых версиях NX перевод может отличаться, но по смыслу всегда близко к «Кинематика» или «Перемещение»). Аппроксимация в блоке линейная. Закон определяется тремя точками [0;2000], [30;2500], [80;6500]. Это означает, что при выходе штока, равном 0 мм, имеем усилие 2000 Н на шток, и так далее. Между точками — линия прямая (см ниже график Rod Force).
  5. PS-S, S-PS блоки преобразования сигнала в безразмерный и обратно в физический.
  6. Scope — блок построения «осциллограмм» (графиков по времени) результатов.

Результаты

Результаты моделирования:

Односторонний гидроцилиндр в Simscape Fluids: Результаты.
Односторонний гидроцилиндр в Simscape Fluids: Результаты. Stroke — ход штока гидроцилиндра, Pressure — давление в напорной линии гидроцилиндра, Rod Force — величина силы на штоке, получаемая путем линейной аппроксимации по трем парам точек.

По аналитическим подсчетам, исходя из диаметра поршня 1256 кв.мм, при усилии на штоке 2000 Н, давление составит 15,9 бар, при 2500 Н — 19,9 бар, при 6500 Н — 51,7 бар. Эти подсчеты совпадают с результатами, показанными на графиках. Скорость заполнения гидроцилиндра определяется расходом насоса, т.к. используется идеальный источник угловой скорости. Чуть позже 7 секунды усилие на штоке достигает значения 6500 Н. Далее работает линейная экстраполяция блока 1D Lookup Table и давление растет. После 8 секунды, ход цилиндра прекращается на уровне 90 мм. Давление начинает резко расти, но не может расти без конца из-за предохранительного клапана, поэтому остается на уровне 70 бар.

VariableForceCylinder(скачать модель)

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.