基于AMESim的钻机恒压变量泵控液压系统仿真分析 -.pdf

煤炭工程 2 0 1 1年第 l 2期 基于 A ME S i m 的钻机恒压变量泵控 液压系统仿真分析 王敬 国 中国煤炭科工集团 西安研究院，陕西 西安7 1 0 0 7 7 摘要 在分析 目前全液压钻机液压 系统控 制方式的基础上 ，从 节能的 角度考虑 ，应 用 A ME S i m液压仿真软件对采用恒压变量泵控制系统的钻机给进 回路进行建模仿真，通过软件施加 模拟载荷 ，分析 了给进液压 系统的动态特性。仿真结果表明，该控制 系统在工作时具有保持压力 恒定，流量随负载变化的特性 ，没有大量流量的损失，起到了很好的节能效果。 关键词全液压钻机 ；恒压变量；A ME S i m 系统仿真 中图分类号 T I M2 1 ． 3 文献标识码 B 文章编号1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 1 1 2 - 0 0 8 0 -0 3 1 概述 液压系统作为完成全液压钻机控制功能的重要组成部 分 ，经历了相当长的一段发展过程。2 0世纪 8 0年代以前全 液压钻机上定量泵、定量马达的应用较普遍。到了8 0年代 初期，为提高全液压钻机工作效率、减少能量消耗，一部 分钻机将定量泵改成变量泵，使发动机在较好的状态下运 行。到 8 0年代后期，液压系统已经发展到 比较成熟的地 步，双变量调速系统在国外先进设备上得到广泛应用，国 内也出现了一些采用双变量系统调速的机型，全液压钻机 采用 了更 多新 的控 制方 法和 手段 ，主要 目的是 为 了节能 ， 提高系统的工作效率” 。从 目前液压传动技术的发展状况 来看，液压传动控制系统可分为三个方面阀控制系统、 泵排量控制系统和泵转速控制系统。目前国外已经普及泵 排量控制系统，我国的阀控制系统比较普遍 。 目前全液压钻机给进液压系统中采用的节能控制系统 一 般为恒压变量泵 控方式 。恒 压泵 控系统 中系统 达到设 定 压力后，泵的排量减小，系统压力不变，只有少量的漏损 而没有流量 的溢 流 ，从而 大大减 轻 了系统 的发 热 ，节省 了 能源消耗。通过动态的仿真分析，深入研究恒压泵控给进 液压系统，进一步分析其特点，对提高系统的可靠性 ，提 高钻机效率具有现实意义。 2 研究方法的选择 研究液压系统动态特性的主要方法有传递函数分析法、 模拟仿真法、实验研究法和数字仿真法 。 传递函数分析方法是基于经典控制理论的一种研究方 法，其应用范围一般是线性系统，遇到非线性系统常常不 考虑其非线性或简化成线性系统，因而具有一定的局限性 ， 8 0 也不可避免地 出现误差 。 模拟仿真法是用模拟计算机或是模拟电路来进行液压 系统动态特性的模拟与分析，该方法具有接近实际情况、 系统参数调整和调试简单以及运算速度快等优点，最大缺 点是运算精度低。 实验研究法可以直观地、真实地了解液压系统的动态 特性和参数变化，但这种方法周期长、费用大，且往往不 具有通用性 。 数字仿真法问世以后，将液压系统动态特性研究带人 了一个新阶段，形成了传递 函数法、状态空间法和功率键 合图法等建模方法，并且出现了许多仿真软件，如俄克拉 荷马州立大学的 H Y D S I M软件 ，德国亚琛工业大学的 D S H 软件，英国巴斯大学的 H A S P仿真软件包 法国I ma g i n e 公 司的 A ME S i m仿真软件等。 A M E S i m A d v a n c e d Mo d e l i n g E n v i r o n m e n t f o r P e r f o r m i n g S i mu l a t i o n o f e n g i n e e r i n g s y s t e m s 是法 国 I ma g i n e 公 司于 1 9 9 5 年推 出的基于键合图的液压／ 机械系统建 模 、仿真及动力学 分析软件。它为用户提供了一个时域仿真建模环境，可使 用已有的模 型或建立新 的子 模型 元件 ，构建 优化设 计所需 要的实际模型；采用易于识别的标准 I S O图标和简单直观 的多端 F I 框图 ；方便 用户 建立 复杂系 统及用 户所需 的特定 应用实例；可修改模型和仿真参数，进行稳态及动态仿真、 绘制曲线并分析仿真结果 ，界面比较友好、操作比较方便。 本文选用 A ME S i m软件对系统进行仿真。 3 恒压变量泵控给进液压系统的工作原理 恒压泵在系统压力末达到设定值时，是最大排量的定 量泵。当系统压力达到设定值时，泵进入恒压T作段 ，即 在最大流量以下不论负载所需要的流量如何变化，恒压泵 收稿 日期 2 0 l 1 0 81 8 作者简介王敬国 1 9 7 9一 ，男，新疆乌鲁木齐人，从事钻探机具的牛产管理和技术推广丁作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1年第 1 2期 煤炭工程 均能保持与输入信号相对应的系统压力值不变。从作用原 理上讲，负载所需流量发生变化时，首先是通过负载压力 产生变化趋势 ，随后使泵 自动改变排量与之相适应，从而 保持系统压力不变，即泵的变量机构感受到负载变化信息， 才做适应性调节。 恒压泵控系统中系统达到设定压力后，泵的排量减小， 系统压力不变 ，只有少量的漏损而没有流量的溢流，从而 大大减轻了系统的发热 ，节省了能源消耗。 4 恒压变量泵控给进液压 系统建模及仿真 对简化后的恒压变量泵控给进液压系统建立 A ME S i m 模型如 图 1 所示 。 1 一异步电机 ；2 一恒 压变量 泵 ；3 一 吸油滤油器 ；4 一安全阀 ； 5 一 减压阀 ；6 一换 向阀 ；7 ～ 给进油缸 ；8 一模拟负载 图 1 恒压变量泵控给进液压系统仿真模型 异步电机 1 额定转速为 1 4 8 0 r ／ mi n ；恒压变量泵的最大 排量为 1 6 mL ／ r ；安全阀4设定最高压力为 2 1 0 b a r ，流量梯 度为 5 0 0 L ／ ra i n b a r ；减压 阀的出口压力设定为 9 0 b a r ，额 定流量为 2 4 L ／ m i n ，压力损失 l O b a r ；多路换向阀控制油缸 的给进起拔 动作 ，设定异 步电机运行 2 s 后 多路换 向阀推 向 左位；油缸为双杆双作用油缸，活塞直径为 8 0 ram，两端杆 径均为 4 5 mm，油缸行程为 1 ． 2 5 m；模拟负载的最大摩擦负 载为 2 0 0 0 0 N，可由信号源控制摩擦负载的大小。仿真环 境介质 密度 8 5 0 k g ／ m ，体 积模量 1 7 0 0 0 b a r ，绝对粘 度 5 1 c p ，参考温 度为 4 0 ℃。 对模型加载模拟给进起拔阻力如图 2所示，然后运行 仿真，仿真时间设定为 4 0 s 。钻机液压系统启动 2 s 后 ，推 动换向阀，系统处于给进动作 ，给进 2 5 s后，换向，系统 处于起拔动作，直至 4 0 s 仿真结束。仿真结果的各项特性 曲线如 图 3～ 6所示 。 结合以上变化曲线图可知从开始仿真 2 s到 1 4 s 过程 中，给进起拔换向阀手把推向给进位置。给进油缸活塞杆 从原点给进至 1 ． 2 5 m 参照图4 ，在此期间，泵全排量向系 统泵油，泵口压力与负载的变化相适应；1 4 s 到 2 7 s过程 中，油缸给进运动到极限位置，而给进起拔换向阀未换向， 此时系统压力达到泵的设定最高压力 2 1 MP a ，泵的排量相 应降低 ，流量基本为零 参照图 3 、图 5 ；2 7 s至 4 0 s过程 中，给进起拔换 向阀手把推 向起拔位置，油缸 活塞杆从 1 ． 2 5 m处起拔至原点，此时泵全排量运行 ，系统压力与负 载适应；恒压变量系统产生的溢流流量比较少，仅在系统 压力突然升高时有少量溢流。 1 ． 2 l O O ． 8 0．6 0．4 O ． 2 O 2 5 0 2 0 0 l 5 O 1 0 0 5 0 0 时间／ s 图2 模拟给进起拔动作阻力 图3 恒压变量泵泵口压力 时间／ s 图 4 给进油缸活塞杆 位移 曲线 目 宕 珂 田 j{ 2 5 2 0 l 5 l O 5 O 图 5 恒压变量泵 泵口流量 O 1 O 2 O 3 O 4 0 时 ， s 图 6 溢流阀溢流流量变化 曲线 恒压变量泵控给进液压系统中恒压变量泵的流量在正 常工况 系统无过载，压力未超调 下流量基本保持恒定， 在系统过载、压力超调时流量迅速降低，降至几乎接近于 零 ，大大降低 了系统的溢流损失 ，具有显著的节能效果 。 5结论与展望 仿真结果显示，钻机在待机状态时系统输出为高压小 流量，待机状态下的压力 由远控溢流阀调定，正常工况时 系统输 出恒定 流 量且 系统 压 力随 负载 压力 的变化 而变 化 ， 超载工况时系统输出为高压小流量。仿真结果验证了钻机 给进回路在应用恒压变量泵控给进液压系统后节能、降低 发热的特点。结合钻机的给进工况，可以总结出恒压变量 泵控给进液压系统的优点 1 钻机进行辅助操作时，系统空载运行，由于给进系 统 中换 向阀为Y型中位机能 ， 泵的输 出高压小排量 ， 一定 下转第8 4页 81 6 4 2 O 8 6 4 2 0 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭工程 2 0 1 1年第 1 2期 特征 曲线 ，如 图 5所示。 霉 g 龄 矗 凸_ 堪 球壳厚／ mm 图 5 固定载荷下不 同球 壳高度托盘的最大位移量、 最大应力与球 壳厚 之间的关 系曲线 分析图5可知，固定载荷作用下，相同球壳高度不同 球壳厚度时，A面发生最大位移，且最大位移量随球壳厚 度的增加呈明显降低趋势 ，可见此时球壳厚度是影响锚固 托盘变形的主要因素 ；相同球壳厚度不同球壳高度时，锚 固托盘最大位移量依然发生在 A面上，但并无显著变化， 显然球壳高度在小范围内变化对锚固托盘性能的影响并不 大。相同球壳厚度锚固托盘的最大应力随球壳高度的增加 无明显改变，但对相同球壳高度不 同球壳厚度锚固托盘的 最大应力则随球壳厚度的增加成不规则变化，球壳厚度在 3 5 m m变化时，最大应力明显降低；球壳厚度在 5～7 m m 变化时，最大应力无显著变化 ，显然球壳厚度是影响托盘 最大应力 的主要 因素 。 上接 第 8 1页 程度 上减 少了压力 和流量损失 。 2 钻机在正常钻进时，系统压力在泵的正常压力范围 内，系统的压力与负载变化相适应，流量基本恒定，满足 钻进需求。 3 钻机在钻进过程中，如果出现埋、卡钻工况，钻机 给进起拔负载超调，系统压力达到恒压变量泵设定的最高 压力，恒压变量泵控给进液压系统保持高压小排量运转， 减少了系统的溢流损失。 将恒压变量泵控技术应用到钻机的给进液压系统 中， 既能更好的符合钻机给进回路工况特点，又能满足钻机给 进回路性能要求。同时，减少液压系统的能量损失，降低 系统发热，达到节能的目的。对提高系统 的可靠性，提高 8 4 对相同球壳厚不同球壳高的托盘应力集中区进行分析 可发现，锚固托盘应力集中区都出现在 A接触面上，并不 随球壳高度的改变而改变。球壳厚 3 ram时，对不同球壳高 的托盘 ，球壳与托盘底板上的应力大小相 同，且均最小； 球壳厚 5 、7 m m时，随球壳高度的增加球壳上的应力逐渐 增大且区域不断增加，且厚 7 m m高 2 0 ram的托盘球壳上不 再出现应力最小区域。可见无论是球壳厚度还是球壳高度 均对球壳上应力的大小及区域范围有很大的影响。 4结论 1 固定载荷下，相同球壳高度不同球壳厚度时，球壳 厚度是影响托盘力学性能的主要 因素。 2 固定载荷下，托盘上的应力集中区发生在 A面上。 3 固定载荷下对相同球壳厚度的托盘，随球壳高度的 增加球壳上的应力逐渐增大。 4 由于 A面发生破坏很容易造成托盘的失效，故合理 的托盘参数应使 A面的最大位移和最大应力不超过极限值， 故轴向均布面载荷作用下合理的球壳厚度和高度分别确定 为 7 m m、1 8 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