冲击气缸的数学建模与动态仿真.pdf

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1、2013年4月机床与液压Apr．2013第41卷第7期MACHINETOOL＆HYDRAULICSVo1．41No．7DOI：10．3969／j．issn．1001—3881．2013．07．041冲击气缸的数学建模与动态仿真王成刚，谢小恒，郑晓敏，喻九阳(武汉工程大学机电工程学院，湖北武汉430205)摘要：以冲击气缸为研究对象，运用变质量气体热力学理论建立了该气缸工作过程的数学模型；在该模型基础上，利用四阶定步长龙格一库塔算法求解方程，得到了冲击气缸内冲击活塞速度、位移以及各腔室压力随时间的变化曲线，并对曲线的变化趋势进行了理论分析

2、。通过仿真计算还可以得出冲击气缸的运动特性，以选取最佳行程获得最大冲击功。关键词：冲击气缸；数学模型；仿真；冲击功中图分类号：TH138文献标识码：A文章编号：1001—3881(2013)7—143—3MathematicalModelingandDynamicSimulationf10rtheImpactCylinderWANGChenggang，XIEXiaoheng，ZHENGXiaomin，YUJiuyang(CoHegeofMechanicalandElectricalEngineering，WuhanInstituteof

3、Technology，WuhanHubei430205，China)Abstract：Takingaimpactcylinderasresearchobject，themathematicalmodelaboutthecylinderworkingprocessWaSestab-lishedbyusinggasthermo—mechanicstheorywithchanginggasmass．BaSedonthemodel，theequationsweresolvedbyusingforthorderRung—Kuttamethodwi

4、thfixedsteplength，andthecurvesofthepressure，piston’Svelocityanddisplacementchangingwithtimewereacquired．Thecurves’~endswereanalyzedtheoretically．Basedonthesimulationandcalculation，thekineticcharaeteris—ticsofimpactcylindercouldbegotteninordertoachievethemaximumimpactpowe

5、rbyselectingoptimalroute．Keywords：Impactcylinder；Mathematicalmodel；Simulation；Impactenergy冲击气缸是一种把压缩空气的能量转换成活塞杆与普通气缸不同的是，冲击气缸增加了蓄气腔和高速运动(最高速度可达到16m／s以上)的冲击动中盖，在较低的供气压力下可实现活塞杆的高速运动能的一种特殊气缸，冲击气缸内部采用安全气压，不和高冲击力。冲击气缸主要由蓄气腔、中盖、有杆消耗燃料，排气中无任何污染物质，属于安全环保类腔、无杆腔及活塞等部分组成，蓄气腔通过中盖上的高

6、速自动化工具，常用来完成冲孔、下料、铆接、破喷口与无杆腔相通，喷口面积同活塞面积比约1：9。碎等作业。冲击气缸体积小，输出力大，调位方便，活塞在气源压力的作用下处于上限位置，封住喷口，易与其他设备一起组成生产流水线、自动线等。气源向蓄气腔充气，同时有杆腔排气，由于喷口的面近二十年来，随着机械制造技术、自动化技术和计算积小，当蓄气腔压力比有杆腔压力大得多时，活塞才机技术的发展，冲击气缸的生产技术也得到了飞跃性开始移动，活塞离开中盖的瞬间，喷口打开，蓄气腔发展。作者针对冲击气缸内部气体状态，运用热力学内的压缩空气经喷口以声速流入无杆腔，则气

7、压作用在活塞上的面积突然增大，于是活塞高速向前冲击。原理建立冲击气缸工作过程的数学模型，结合仿真研当活塞杆运动到下限位置时，电磁阀换向交换气流方究得到了冲击气缸活塞速度、位移以及气缸各腔室压向从而驱使活塞杆回程完成一个冲击过程。力随时间的变化曲线，并对变化曲线进行了分析。1．2变质量气体热力学过程数学模型1冲击气缸的数学建模冲击气缸以压缩空气为工质，工质呈低压常温状1．1冲击气缸的结构原理态，远离液相。压缩空气在气缸内的状态变化为一个冲击气缸的结构如图1所示。热力学过程，该热力系统和外界既有机械功等能量交换，又有物质的交换，为典型的开口

8、热力系统，因此作者首先讨论变质量系统热力学的数学模型。源现取单个腔室作为一个热力学系统进行研究，系统的边界由气缸壁组成。图2为一变质量气体热力学过程模型，下标i、O表示流入和流出；h表示焓泄气口有杆腔工作气