基于AMESim的某混凝土泵液压回油管路分析.pdf

2 0 1 1 年 5月 第 3 9卷 第 1 0期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS Ma y 2 01 1 Vo 1 ． 3 9 No ． 1 0 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 1 0 ． 0 2 4 基于 A ME S i m的某混凝土泵液压回油管路分析 杨 鑫 三一重工股份有限公司，湖南长沙 4 1 0 1 0 0 摘要介绍了某混凝土泵液压系统回油管路的设计，分析了减小该液压系统振荡、保护关键液压元件的方法。采用 A M E S i m软件对该液压系统进行建模与仿真， 得出了该回油路优化设计的参数。 关键词A ME S i m；混凝土泵；液压系统；回油管路 中图分类号T H1 3 7 文献标识码 B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 1 00 8 2 3 An a l y s i s o f Hy d r a u l i c Oi l Re t u r n P i p e l i n e o f On e Co n c r e t e P u mp Ba s e d o n AM ES i m YANG Xi n S a n y i H e a v y I n d u s t C o ． ，L t d ，C h a n g s h a H u n a n 4 1 0 1 0 0，C h i n a Ab s t r a c t T h e d e s i g n o f h y d r a u l i c o i l r e t u r n p i p e l i n e o f o n e c o n c r e t e p u mp w a s i n t r o d u c e d ． Ho w t o d e c r e a s e t h e v i b r a t i o n o f h y - d r a u l i c s y s t e m a n d d e f e n d t h e k e y h y d r a u l i c c o mp o n e n t s o f t h e s y s t e m w e r e a n a l y z e d ． Mo d e l i n g and s i mu l a t i o n o f t h e h y dra u l i c s y s t e m w e r e d o n e o n AME s i m， a n d t h e o p t i mi z e d p a me t e m we r e g a i n e d ． Ke y wo r d s AMES i m； Co n c r e t e p u mp； Hy dr a u l i c s y s t e m ； O i l r e t u r n p i p e l i n e 随着液压技术的发展，工程机械的液压系统 自动 化程度越来越高，所用液压元件也越来越精密。因此 如何有效地减小液压系统的振荡，减小对液压元件的 冲击显得尤为重要O在液压油路中，某些元件的增加 或减少以及增加元件的位置是否合适或选择元件是否 合理 ，都能对液压系统产生较大的影响，如果设计不 合理，液压系统可能会产生较大振动、冲击 ，严重时 会破坏液压元件 ，使液压系统不能正常工作。 1 液压回油管路设计 图1 所示为某混凝土泵简化后的液压系统油路， 主要由油箱 1 、动力 2 电机或柴油机 、变量油泵 3 、 溢流阀4 、三位四通换向阀5 、油缸6 、单向阀7 、三通 接头8 、节流阀9以及胶管和钢管等连接部分组成。 图 1 某混凝土泵简化后的液压系统油路 柴油 机 向阀 其 中用节流阀9模拟系统中的散热器 ，由于系统 回油量较大，不能全部经由散热器 回油箱，故增加一 分支油路 ，其中单向阀7起稳压分流的作用。该油路 最终达到的目的是要有适量的液压油经过散热器 ，起 到降低液压系统温度，保证系统正常工作的效果 ，而 且经过散热器的液压油压力不能过高，防止破坏散热 器。因此，须对液压系统回油管路中管道、单向阀、 散热器等进行合理的选择和布置。 1 ． 1 流体管道的直径计算 当管路计算中的局部压力损失与速度之和，与沿 程压力损失相比，小到可以略去不计时，称为长管， 如输水管、输油管等。反之 ，当压力损失中沿程、局 部损失各占一定 比例时，称为短管，如液压管路。 管路计算中所涉及的参数为管道长度 z ，管道直 径 d ，压力损失 △ p和流量 q 。管道直径可根据推荐的 管中平均流速 来计算 d4． 61√ 詈 1 式中d为管道内径，m m； q 为管中流量 ，L ／ m i n ； 为管中推荐的平均流速 ，m ／ s 。 1 ． 2 流体管道的瞬态特性分析 对管内非恒定流动的时域特性分析 ，一般称为管 道瞬态特性分析。圆管内一维非恒定流动的数学模型 可由动量方程和连续性方程求得 收稿 日期 2 0 1 0 0 4 1 3 作者简介杨鑫 1 9 7 8 一 ，男，硕士，工程师。从事工程机械液压系统的设计与研究工作。电话 1 3 4 6 7 5 3 8 2 9 9 ，Em a i l y 【 a J 1 n t o r f h c o rn。 第 1 0期 杨鑫基于 A ME S i m的某混凝土泵液压回油管路分析 8 3 譬 警 厂 g 0 2 O A a A a ⋯ 、 } 0 3 a f A a A a 、 。 式中q 为流量； P为压力 ；A为圆管的截面积 ； P为 流体密度；a为考虑管壁变形时的压力波传递速度。 式 2 和式 3 即为管内非恒定流的基本方 程，又称波动方程，因为在一般 的流体管道 中，有 a ，因此式 2 和 3 中的第二项均可舍去 ， 波动方程可写为 号 害 q 0 4 0 q 0 5 a t A a 戈 、 基本方程 中压 力 P和流 量 q是 因变量 ， 和 t 是 自变量， ， q 是非线性的摩擦项。 对于式 4 如果考虑管道的流体惯量和层流以 及紊流管道摩擦、相对粗糙度和雷诺数的影响，用动 量守衡定律可得 告 警 - 9 ． 8 1 A s in 0 - v 缸o q ftg q ％ ig n q 6 式中D为管道直径；0为管道的倾角； 为摩擦因 数 。 在式 5 中令p a B，记为流体管道的综合有 效体积弹性模量，该值考虑了液体的可压缩性和管壁 受压膨胀的效应，方程 5 可写为 望 O q 0 7 df A‘d 2 基于 A M E S i m的管路设计与仿真分析 2 ． 1 A ME s i m软件工作特点简介 A M E S i m A d v a n c e d Mo d e l i n g a n d S i m u l a t i o n E n v i r o n m e n t f o r S y s t e m s E n g i n e e r i n g 全称为系统工程高级 建模和仿真平台，是 当今领先的传动系统和液 机 械系统建模、仿真及动力学分析软件。A M E S i m友好 的图形化界面使得用户可以通过在完整的应用库中选 择需要的图形模块来构建复杂系统的模型并能方便地 进行优化设计 ，非常适用于机械与液压领域的设计。 2 ． 2 仿真模型建立及参数设置 1 利用 A M E S i m建模 用 A M E S i m中的草图命令 ，根据液压管路设计的 要求，调用软件库中各液压元件，用管道及三通接头 连接，并给变量泵、电磁换向阀添加 电气控制信号。 最后添加液压特性符号和重力特性符号 ，完成该液压 回油管路模型。 2 参数设置 根据液压管路的设计要求，模型中各元件参数设 定如下 电机转速为 1 5 0 0 r ／ m i n ；油泵排量为 1 9 2 ． 7 m L ／ r ， 溢流阀调定压力为 3 2 M P a ，油缸内径为 1 4 0 m m，活塞 杆直径为 1 0 0 m r a ；电磁换向阀通流量为 2 8 5 L ／ ra i n ， 电磁 阀换 向频率 为 2 s ／ ／ 次；单 向 阀开 启 压 力 为 0 ． 0 3 M P a ，通流量 为 4 5 0 L ／ m i n ，压 降为 0 ． 1 M P a ； 节流阀通流量为 9 0 L ／ m i n ，压降为 0 ． 1 MP a ；油泵吸 油管管径为 8 9 m l n ，壁厚 5 l n m；其它管道均设为长 1 0 0 0 m i l l ，管径 4 0 m i l l ，壁厚 5 m mo 2 ． 3 用 A ME S i m软件仿真、分析 图 2中曲线 1为 一 单向阀进油口流量曲 ． 线，曲线 2为节流阀 进油 口流量曲线，图 3为单 向阀进油 口压 力 曲线，4为节流 阀 进油口压力曲线。由 图2可以看出单向阀 流量在 2 0 0 L ／ m i n左 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 时 间， s 图2 单向阀和节流 阀进油口流量 右波动 ，节流阀流量在 8 5 L ／ m i n左右波动，受换 向 冲击的影响，换向时流量波动较大。由图 3 、4可以 看出，单向阀进油 口压力在 0 ． 0 9 MP a 左右波动，节 流阀进油 口压力在 0 ． 1 M P a 左右波动，受换向冲击影 响，换向时压力波动较大。该系统中采用节流阀模拟 散热器 ，由于压力在换向时波动较大，因此在选择散 热器是要考虑散热器的动态冲击承受能力 ，而不能仅 仅考虑静态时的压力承受能力。由于要考虑散热器的 散热效果和承受压力冲击能力 ，所以在布置液压管路 以及选择液压元件时都要考虑进入散热器的流量和进 油 口压力两个因素。在散热器的通流能力范围内和压 力冲击允许的条件下应尽量让更多的油液流过散热 器 ，以期达到最好的散热效果。下面对影响进入散热 器油液流量和压力大小的几个因素进行分析。 0 5 l 0 l 5 2 0 2 5 3 0 0 5 l 0 l 5 2 0 2 5 3 0 时 间， s 时间， s 图 3 单向阀进油 图4 节流阀进油 口 压力曲线 口 压力曲线 2 ． 3 ． 1 胶管长度对节流阀9进油口流量和压力的影响 三通阀 8和节流阀 9之 间的胶管长度增加 5 0 0 m m后仿真结果如图5和图 6所示。图5与图2中的 曲线 2进行比较发现，增加胶管长度后，通过节流阀 的流量基本上没有发生变化。图6与图4比较发现， 8 4 机床与液压 第 3 9卷 胶管长度增加后节流阀进油 口的压力在 0 ． 0 9 MP a左 右波动，压力有所下降，而且波动幅度明显比增长前 下降。显然 ，增加胶管长度能够在保证流量基本不变 的情况下 ，减小压力和吸收压力波动。 2 ． 3 ． 3 增加蓄能器 图 9为三通 阀 8 和节流 阀 9之间增加蓄能器 后节 流阀进油 口的压力 曲线。蓄能器参数为氮气压力 1 M P a ，容量 为 1 0 L ，入 口直 径 2 0 m m。从 图 9可 以 ． 1薹50 霎 ． o ． 2 5 1 , 25． 茎 一 喜．萋1．4 ， 看出，刚开始向蓄能器充 ，， 0 5 l 0 1 S 2 O 2 5 3 0 0 5 l O l 5 2 O 2 S 3 0 时 间， s 时 间， s 图5 胶管加长后节流阀 图6 胶管加长后节流阀 进油 口流量曲线 进油口压力曲线 2 ． 3 ． 2 胶管弹性模量变化对节流阀 9进油 口流量和 压 力的影响 图7 、图 8为把胶管弹性模量从 2 ． 0 61 0 。 P a变 为 2 ． 9l O P a 后节 流阀进 油 口的流量 曲线 和压力 曲 线 。从图 7 、图8中可以看出，与胶管弹性模量变化 前相比流量基本不变 ，但压力波动明显减小。这说明 减小胶管弹性模量，胶管吸收液压油冲击 的能力增 强。选择胶管的时候应该在保证胶管强度的情况下增 加胶管的韧性，增加胶管吸收液压冲击的能力 ，这样 不仅能减小液压油对液压元件的冲击，还能增强整个 液压系统 的稳定性 。 媾 1 5 0 1 0 O 5 0 O ．5 0 1 ． 1 ． 1 _ 0 ． 0 ． O ． O ． ．O． 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 0 5 1 0 l 5 2 O 2 5 3 0 时 间， s 时 间， s 图7 减小胶管弹性模 图 8 减小胶管弹性模 量后 ，节流阀进 量后，节流阀进 油 口流量曲线 油口压力曲线 的冲击。与增长胶管长度 和减小 胶 管弹 性模 量相 比，选择合适的蓄能器并 合理选择参数是更加行之 有效的方法 。 3结论 0 5 l 0 I 5 2 0 2 5 3 O 时 间， s 图 9 增加蓄能器 后 ，节流阀进 油口压力曲线 1 选择单 向阀开启压力为 0 ． 0 3 M P a ，通流量 为4 5 0 L ／ ra i n ，压降为 0 ． 1 M P a ，节流 阀通流量 为 9 0 L ／ m i n ，压降为 0 ． 1 M P a 能够满足进入散热器的液 压油流量不超过9 0 L ／ ra i n的要求。 2 增加胶管长度和减小胶管弹性模量对流量 影响不大，但能吸收部分液压能量 ，减小液压系统的 振荡。 3 增加蓄能器并合理选择参数是吸收液压系 统多余能量、减小对液压元件冲击的有效方法。 参考文献 【 1 】付永领， 祁晓野． A M E S i m系统建模和仿真 从入门到精 通[ M ] ． 2 0 0 5 ． 【 2 】田树军， 张宏． 液压管路动态特性的 S i m u l i n k 仿真研究 [ J ] ． 系统仿真学报 ， 2 0 0 6 ， 1 8 5 ， 1 1 3 61 1 3 8 ． 【 3 】I M A G I N E S A A M E S i m 4 1 2 U s e r M a n u a l [ M] ． 2 0 0 4 ． 【 4 】 秦家升 ， 游善兰。A M E S i m软件的特征及其应用[ J ] ． 工 程机械， 2 0 0 4 1 2 6 8 ． 【 5 】 余佑官 ， 龚国芳， 胡国良． A M E S i m仿真技术及其在液压 系统中的应用 [ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 0 5 3 2 8 3 1 ． 上接 第 8 1页 代人流量脉动公式中，则有 Po 一 2 z R 。一 2 3 2 一 字 。 1 2 由此可得，如果在双斜齿轮泵的设计过程中尽量 满足 b t a n R 0 ，则满足 y m 旺 对应 y m i ，流量脉动最 小 。 3结论 通过对双斜齿轮的瞬间排量和流量脉动特性进行 分析 ，不难看出，合理设计参数的双斜齿轮泵采用两 组螺旋角相同，旋向相反的啮合斜齿轮间隔排列 ，并 采用错开半齿的方式安装 ，其两对斜齿轮排量大小区 域相对应 ，不仅有效地消除了附加轴向力的不 良影 响，而且改善了瞬间排量和流量脉动。 参考文献 【 1 】 赵亮 ， 王东屏， 任喜岩． 斜齿齿轮泵流量脉动特性分析 [ J ] ． 大连铁道学院学报， 2 0 0 1 4 2 52 8 ． 【 2 】 周骥平 ， 姜铭， 李益民， 等． 斜齿齿轮泵小脉动输出特性 [ J ] ． 机械工程学报 ， 2 0 0 0 1 2 1 8 2 0 ． 【 3 】 章宏甲， 黄谊． 液压传动[ M] ． 机械工业出版社 ， 1 9 9 3 ．