摘要：对液压机活动横梁偏载不平衡的动力学模型进行分析，运用AMESim仿真平台搭建一种溢流补偿型同步平衡控制系统的动力学模型，通过仿真分析了控制参数、加载速度、摩擦阻力和传感器精度对同步精度和调节时间的影响。验证了这种同步平衡控制系统和采用的有关液压元件能满足Y322315T试验测试性专用压机的设计要求。
关键词：同步平衡;AMESim软件;液压机;仿真研究

同步控制一直是液压行业的一个重要课题，它在巨型液压机的运动中显得尤为突出。模锻件各部位几何形状、温度等方面的差别导致其变形抗力的合力偏离液压机的中心，并且主工作缸的泄漏、摩擦、阻力、制造精度、油液中含气量及结构的弹性变形也能导致设备的不同步动作，从而产生偏心力矩，使活动横梁发生倾斜。部分力矩将传递给液压机框架，导致液压机各构件的受力情况恶化，立柱的附加弯曲力矩明显增加，有可能导致总应力超过允许值而发生事故。同时，巨型模锻液压机上模锻件的水平尺寸一般较大，活动横梁发生倾斜后，上、下模不能准确压合，必然使模锻件不能达到要求的变形量，满足不了精度要求。

液压同步平衡，本质上是一种液压位置保持系统，主要有封闭型、节流型和补偿型三种工作方式，目前最先进的方案是采用具有溢流控制的补偿型同步平衡系统，具有控制精度高、补偿时间短和能量损耗小的特点。

Y322315T试验测试性模拟样机为三梁四柱式结构。其同步平衡控制系统工作原理如图1所示。

图1 同步平衡系统工作原理图

该样机是在活动横梁和下横梁的四个角上各设置一个活塞式液压缸(同步平衡缸) ，缸体固定在液压机的下横梁上，活塞杆与液压机的活动横梁铰性连接。各对角线上一角的液压缸的上腔和另一角的液压缸的下腔用管道相连通，形成封闭系统。每组液压缸控制两对角液压缸活塞位移之差。其设计要求同步控制精度应达到01040mm /m，调节时间小于3 s。原理图1中的方向阀控制补、溢流油液的方向和通断;比例流量阀1、比例流量阀2分别控制补油流量和溢流流量。偏心载荷时，如活动横梁受到顺时针方向的偏心力矩，并发生倾斜，则对角液压缸活塞位移产生偏差，达到某一规定值时，通过控制器产生控制方向阀和比例流量阀的电压量，从而向管道B 中补充高压液体，并通过管道A 溢出部分液体， 使补偿平衡力矩增大，使活动横梁逆时针转动， 偏差减少。当偏差减小到一定值时， 控制器又产生信号， 控制方向阀和比例流量阀截断补、溢流通道。

1 仿真环境

基于Matlab平台的Simulink是动态系统仿真领域中著名的仿真集成环境，它借助Matlab 的计算功能，可方便地建立控制系统原型和控制对象模型，通过仿真不断地优化和改善设计。但是在Matlab /Simulink下对液压油源系统进行建模及仿真需要做很多简化工作，而模型的简化使得仿真结果往往出现较大的误差。

系统工程高级建模和仿真平台AMESim 软件是由法国IMAGINE公司推出的综合系统仿真软件，为多学科领域复杂系统建模仿真提供了解决方案。AMESim能够从元件设计出发，可以考虑摩擦、油液和气体的本身特性和环境温度等非常难以建模的部分，并由此组成部件和系统进行功能性能仿真和优化，使设计出的产品完全满足实际应用环境的要求。另外AMESim提供丰富的软件接口，可以与ADAMS、Matlab等软件联合进行更复杂的混合领域仿真。各个子系统在各自领域的专用软件下搭建，进行联合仿真，然后用各软件自身的处理工具对属于各自领域的结果进行分析研究。

为了设计、测试、验证和改进系统模型，需要把Simulink模型输入到AMESim环境中进行仿真，而为了对系统施加控制策略、改进系统的稳态和动态性能，则可以将AMESim模型输入到Simulink环境中进行仿真。

2 模型的建立及参数设置

2.1 活动横梁受力数学模型

活动横梁的受力模型如图2所示，其姿态是各种力矩综合作用于其上的结果。

图2 活动横梁的受力模型

同步平衡控制系统起作用时，活动横梁的运动方程为:

式中:活动横梁旋转惯性力矩Δx为对角液压缸活塞位移偏差， J 为活动横梁的转动惯量;锻造偏心力矩M = Fe， F为液压机主缸的工作压力， e为锻造偏心距;Mm 为干摩擦阻力矩;活动横梁旋转的黏性阻力矩Mz = - B dΔx / dt， B 为黏性系数;液压缸产生的平衡力矩Mt =Mf +Mb ，封闭平衡力矩Mf = - KfΔx，Kf 为液压缸内液体弹性刚度系数， 补偿平衡力矩Qt1为补液速度， Qt2为溢流速度。

当活动横梁处于水平静止初始状态时， 偏差及其导数均为零，则活动横梁的运动方程可化简为:

M - Mb +Mm = 0 …………………………… (2)

当偏心力矩M 逐渐增大超过Mm 的临界值MM时，式(2)平衡被打破，活动横梁开始偏转。同步平衡控制系统的目的就是控制Mb 做相应变化，使式( 2)重新成立，即:

|M - Mb | ≤MM

2.2 同步平衡控制系统的AMESim模型

首先在草图模式下选择相关单元，对于AMESim标准库中没有的单元可以通过液压元件设计(Hydraulic Component Design， HCD) 库很方便地搭建，然后连接相应的油路，并在子模型模式下为每个单元选择合适的子模型。搭建好的同步平衡控制系统的AMESim模型如图3所示。

图3 同步平衡系统的AMESim模型