基于ADAMS的预备口防护门液压开闭系统设计研究.pdf

Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ N O ． 1 0 ． 2 01 3 基于 A D A MS的预备 口防护门 液压开闭系统设计研究 陈居 术 ． 田 1 ． 后勤工程学院 机械电气工程系 ， 重庆4 0 1 3 1 1 ； 强 ． 土 明林 2 ． 后勤工程学院 军事土木工程系 ， 重庆4 0 1 3 1 1 摘要 该文对预备 口防护 门液压开 闭系统 的性能特点作 了分析 ， 设计 了液压 系统 图。应用 A D A MS软件对液压系统 进行 了仿真 ， 并作 了详 细的动态 分析 ， 验证 了设计计算 的正确性， 仿 真结果 同时也 为优化设计提供 了理论基础 。 关键词 A D A MS软件 ； 液压 系统 ； 防护 门 中图分类号 T H1 3 7 T B 2 1 文献标识码 A 文章编 号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 3 1 0 0 0 1 5 0 3 De s i g n S t ud y o n Hy d r a u l i c S y s t e m o f Op e ni n g Re s e r v e Pr o t e c t i ve Do o r Ba s e d o n ADAM S C H E N 厅 。 ， T I A N Q i a n g 2 ， T U Mi n g - l i n 。 1 ． D e p t ．o f Me c h a n i c al E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ， L E U， C h o n g q i n g 4 0 1 3 1 1 ， C h i n a ； 2 ． D e p t ．o f F o u n d a t i o n S t u d i e s ， L E U， C h o n g q i n g 4 0 1 3 1 1 ， C h i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r a n a l y z e T h e p r o p e r t y a n d c h a r a c t e r i s t i c o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m o f o p e n i n g r e s e r v e p r o t e c t i v e d o o r ， a n d d r a wi n g t h e ma p o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m． Th e h y d r a u l i c s y s t e m w a s s i mu l a t e d a n d a n aly z e d b y the AD AMS s o ft w a r e， the r e s u l t s h o w s t h a t t h e d e s i g n i s r e a s o n a b l e ， I t a l s o p r o v i d e s a t h e o r e t i c al b a s e f o r t h e d e s i g n a n d o p t i mi z a t i o n ． Ke y wo r d s ADAMS s o f t wa r e； h y d r a u l i c s y s t e m； p r o t e c t i v e d o o r O 引言 预备 口是 大型地下 工事 防护工程 的重要 组成部 分 ．主要用于当战时常用 出入通路遭到敌方攻击轰炸 而破坏时． 作为应急通道使用 。预备 口的防护门由于尺 寸及重量大 。 是预备 口通道设计的关键环节之一。预备 口通道应 能保证 各种 战场 所需物资 及大 型装 备 的进 出。在遭到敌方攻击时 ． 防护 门应具有一定 的抗冲击能 力 ， 并保持其性能稳定可靠。 1 预备 口防护 门液压开 闭系统 的分析与 1 ，艾 1 卞 1 ． 1 系统描 述 预备 口防护门系统主要 由预备洞 口、 伪装防护门、 液 压 开 闭系 统 及 附属 设 施 等组 成 伪装 防护 门包 括 钢 门和伪装防护层 ． 总重近 5 4 t 。 液压开闭系统如图 1 所示 。包括二个液压缸、 二个 蓄能器 、 二个平衡阀 、 一个安全 阀、 一个 液压泵及辅助 设备等。 液压开闭系统应具有以下的性能特点 ①二个 收稿 日期 2 0 1 3 0 3 1 8 作者简介 陈居术 1 9 6 7 一 ， 男 ， 重庆人 ， 副教授， 硕士 ， 主要从事机电液一体 技术研究。 液压缸动作须具有同步性 ， 防止系统损坏； ②防护门开 闭系统应具有抗冲击性 ．以承受爆炸 冲击波 的巨大冲 击力作用； ③防护门开闭系统应具有高的可靠性； ④防 护门开闭系统须具有 自锁能力 ．防止在防护门重力作 用下， 自动关闭， 造成事故 ； ⑤防护门开闭系统应能限 制关闭速度， 防止由于 自 重较大 ， 关闭速度过快 ； ⑥液 压系统应具有 防爆措施 ．防止由于系统压力高或在外 力作用下导致液压管爆裂 ， 造成安全事故。 1 一 防护门2 一 蓄 能器3 一 液压缸4 一 液压锁5 一 同步阀6 一 换 向阀 7 一 开关与压力表 8 一 安全 阀9 一 液压泵 1 o _ 滤油器 1 卜 电动机1 2 一 油箱1 3 一 补油阀 图 1 液压系统图 15 液 压 气 动 与 密 i - ／ 2 01 3年 第 1 O期 1 ． 2 液压系统建模及仿真 1 AD AMS中液压元件模型特点 在 A D A MS中． 液压元件都是可以直接调用的可视 化模块 ， 这些液压元件都是用标准方程式建立的 ． 保证 了模型库 的机动性和可扩展性 每个液压元件模型都 有 一 个 阀芯 或类 似 的机 械 部件 ．利用 阀芯 的位置 调节 液体的通流截面 各液压元件的油 口都是圆形 ， 流通面 积与阀芯的位置有关 ， 并且阀芯没有质量 流量由流通 面积和压力降共 同决定 A D A MS的液压元件流量模型 建 立 在基 本 的 节流孔 模 型 基础 上 ．节 流孔 模 型是 一个 分段 的流量模型， 压力较高时使用紊流流量模型 ． 在临 界压力以下时使用线性化经验公式 ．并且在层流和紊 流区域之间能够平滑过渡 通过节流孔 的流量按下式确定 】 ， 1 ／ 、 9 R p l- p 2 b L p - p 式 中口 流量 ； p l 、 p 广节流 阀进 、 出 口油压 ； R 液 阻 G 液 导 。 液压元件的油 口分输入压力 、输 出流量油 口和输 入 流量 和输 出压力 油 E l 两 种 ．它 们 的相互 连 接 必须 是 不同性质的 大多数液压元件的油 口都是压力输入 ． 流 量输出， 如果需要连接性质相同的两油 口． 中间可以加 连通 器过 渡 2 液 压 系统可 视化 模型 的建立 根据原理 图 1 ． 结合实际液压 回路 ， 采用集 中参数 法对模型进行简化 ． 在 A D A MS中直接调用各液压元件 模块 ．设置各个元件的参数后将各元件连接成完整的 液压回路 即可进行仿真分析。油液是系统的工作介质 ， 它的基本参数确定了整个液压系统的工作环境 油箱 是非封闭的， 其压力与大气压力相同 压力源相当于一 个由溢流阀调压的动力源 ．它向液压系统提供稳定 的 压力 ， 初 始压 力设 定 为 6 ． 8 5 7 2 E 0 0 6 P a 。换 向阀既用 于 控制液压缸输入输出的换向． 还起控制流量的作用。平 衡阀的功能由背压阀和单 向阀的组合共 同实现 同步 阀用一个可调节流阀代替 采用国际单位 MK S 制 。 大气压力设为 1 ． 0 3 2 5 E 0 0 5 P a 。建立液压缸模型时。 其中一个 MA R K E R点选择 活塞杆上端的铰接点 ． 另一个 MA R K E R点选择液压缸 下端的铰接点 。 这样液压缸才能随着机械模型回转 。模 型建好后 ．用 T E X T B O X工具条将元件连接成闭合 回 路 ， 建立如图 2所示 的液压系统可视化模块。 1 6 图 2液 压 系 统仿 翼 图 3 液压系统模型仿真 为了解液压系统 的动态性能．必须对液压系统模 型进行仿真并进行参数优化 ．为研究系统特性提供依 据。 在 AD AM S环境下， 设置仿真参数 ， 进行 1 8 0 ． 0 s 一 2 0 0 步的动态仿真 ． 可得到各类特性曲线图。 图 3是液压缸 A腔与 B腔的流量曲线图 由图可 知， 在仿真过程中。 液压缸 A腔的流量大于 B腔的流量 ， 这与实 际相符 。 液压 缸 A腔 的最 大流量为 0 ． 0 0 1 5 m3 ／ s ． 与 设计计算相吻合 。 在防护门关闭阶段 ， 由于液压缸 B腔 压力和防护 门的 自重共 同作用 ．导致防护 门关闭速度 过快 ．可采取减小 阀口开度或在系统 中增设节流调速 阀的措施 ． 保证防护门关闭过程速度的稳定。 下 毒 时 间 ／ s 图 3液压缸 A腔与 B腔的流量 曲线图 图 4是液压缸 A腔与 B腔的压力 曲线图 由图可 知 ． 液压缸 A腔的初始压力为 6 ． 8 7 E 0 0 6 P a ． 最高压力 为 1 ． 5 7 E 0 0 7 P a ．液压 缸 B腔 的最 高压 力为 7 ． 5 3 E 0 0 6 P a ． 与设计计算相吻合 ． 没有超过液压系统的最高工作 压力 1 ． 6 E 0 0 7 P a ， 符合设计要求。在仿真过程中， 整个 液压系统的工作 比较平稳 ． 只是在方 向控制阀换 向时 ． 防护 门由开 到关 的转换过程 出现 了一定 的压力 冲击 ． 这是 由于 B腔压力和防护 门的 自重共 同作用引起的 ． 可 通过 对平衡 阀的合 理选 择 和调整 得到 改善 。 2 ．O E 0 0 7 1 5 E 0 0 7 1 O E O 0 7 出5 0 E 0 0 6 0O 5 OO 1 o 0 ． O l 5 00 2 0 00 时间 ／ s 图 4液压缸 A腔 与 B腔的压力 曲线图 图 5是液压缸的受力曲线 图。由图可知， 防护门在 下转 第 2 1页 Hy d r a ul i c s Pn e uma t i c s＆ S e a l s ， NO． 1 0． 2 01 3 塞泵时 ． 使用补油泵对柱塞泵进行补油 ． 在一定程度上 可 以起到抑制气穴产生 的效果。将仿真和实验结果进 行 比较 ．模拟得到酌柱塞泵工作容腔的真空度和实验 得到的真空度 比较 吻合 ．表明非平衡壁面函数 的 k - 6 模型和带有空化作用的多相流混合模型能够有效地预 测柱塞泵工作容腔气穴流场的分布规律 。 4 结论 1 运用 F l u e n t 软件对 柱塞泵工作腔 的气穴流场 进行 了数值模拟 ．采用了非平衡壁 面函数的 k - 6模 型 和带有空化作用的多相流混合模 型 在相同的阀 口开 度 以及边界条件下 ．对不 同的进 口速度下的气穴流场 进行 了数值模拟 。结果表明 随着进 13 速度的增加 ， 各 对应时刻工作腔 的最低压力值均增大 当进 口速度 大 于等于 0 ． 4 5 m ／ s时． 此时各对应时刻工作腔的最低压力 值几乎相等且达到最大值 所以在今后柱塞泵的设计 中。 充分考虑进 口速度与柱塞运动速度 的匹配关系 ， 选 择合理的进 E l 速度 。 有助于减少气穴 。 降低噪声 。 2 在相同的进 口速度以及边界条件下 ， 对不同的 阀口开度下 的气穴流场进行 了数值模拟 。结果表明 随 着阀 口开度 的增加 ．各对应时刻工作腔的最低压力值 均增大 。所 以在今后柱塞泵 的设计中， 调节合理的阀口 开度 ， 有助于减少气穴 ， 降低噪声 。 3 为了对 比测试柱塞泵工作容腔的真空度大小 ， 实验 时采用 了不带补油 泵和带有 补油泵 2套 实验 装 置 。结果表 明 无补油泵 时， 不 同柱塞运动速度下柱塞 泵工作容腔的真空度都较大 ， 气穴 比较严重。当摆线齿 轮泵对柱塞泵进行正压补偿 时 ．柱塞泵 的工作容腔的 最低压力值均高于大气压 ， 抑制 了气穴的发生 。所 以在 今后设计和使用柱塞泵时 ．使用补油泵对柱塞泵进行 补油 。 在一定程度上可以起到抑制气穴产生的效果 4 将仿真和实验结果进行 比较 ， 模拟得到的柱塞 泵工作容腔 的真空度和实验得到的真空度 比较吻合 ． 表明非平衡壁面函数的 k - 6模型和带有空化作用的多 相流混合模 型能够有效地预测柱塞泵工作容腔气穴流 场 的分布 规律 参 考 文 献 [ 1 】 李流远． 油液含气量对液压系统的影响[ J ] ． 液压与气动 ， 2 0 0 1 ， 1 2 7 - 2 8 ． 【 2 】 祁冠方 ， 虞万海 ， 胡文续． 气泡对液压系统的危 害及其对策[ J ] ． 机床与液压 ， 1 9 9 9 ， 5 5 0 5 1 ． [ 3 】 江 帆 ， 黄鹏． F L U E N T高级应 用与实例 分析【 M 】 ． 北京 清 华大 学出版社 ． 2 0 0 8 ． [ 4 】 韩 占忠 ， 王敬 ， 等． 流体工程仿真计算实例与应用【 M ] ． 北京 北 京理工大学出版社 ． 2 0 0 4 ． [ 5 ] 高红． 溢 流阀阀 口气穴 与气穴噪声的研究[ D ] ． 杭州 浙江大学， 2 0 03． [ 6 】 毛华永 ， 李 国祥 ， 徐 秀兰 ， 等． 摆线转子式 齿轮泵的设计[ J ] ． 粉 末冶金技术 ， 2 0 0 3 ， 2 1 5 2 8 3 2 8 5 ． [ 7 ] 毛华永 ， 李国祥 ， 等． 摆线转 子式油泵齿廓的形成与参数方程 的建立[ J ] ． 山东大学学报 工学 版 ， 2 0 0 2 ， 3 2 2 1 7 4 1 7 5 ． 【 8 】 D．V e e c h i a t o ， A ． D e me n e g o ， J ． A r g y r i s ， F ． L ． L i t v i n ． G e o m e t r y o f a C y c l o i d a l P u m p [ J 】 ． C o m p u t e r M e t h o d s i n A p p l i e d Me c h a - n i c s a n d E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 1 ， 1 ． 上 接 第 1 6页 开启过程 中 ， 液压缸受力会逐渐增 大 。 在关 闭过程 中 ， 受力会逐渐减小 ， 这与实际相符。当完全开启时 ， 液压 缸受力最大 。 最大受力为 2 ． 4 1 E 0 0 5 N。 液压缸开启的平 均速 度 为 6 ． 5 2 E 一 0 0 2 m ／ s ．开 启过 程 所需 时 间为 7 6 s ， 满 足设计要求。 R 培 出 艇 2 结论 图 5液压缸的受力 曲线图 开启系统 的仿真模型 ． 并进行 了详细的动态分析 ． 得出 了液压缸 的压力 、 流量 、 速度 及受力情况 ， 验证 了设计 计算 的正确性 。并结合机械系统的仿真和数值分析结 果 。 对液压系统中各液压元件参数进行 了选取 、 调整和 优化 。 从而避免了由负载 突变 、 冲击对系统带来的不利 影 响。 利用虚拟样机技术 ．无需进行复杂的建模过程和 制造实物样机 。 就可方便地预见和预测产品的性能 ， 从 而减少 了费用 昂贵的物理样机制造研发过程 ．降低开 发成 本 ， 缩短 设计 周期 。 本 文在 A D A MS 环境下建立了预备 口防护 门液压 [ 2 ] 参考文献 陈德 民， 槐创锋 ， 张克涛 ． 精 通 A D A MS 2 0 0 5 ／ 2 0 0 7虚拟样 机 技 术[ M】 ． 北京 化学工业出版社 ， 2 0 1 0 ． 沈兴全． 液压传动与控制[ M 】 ． 北京 国防工业 出版社 ， 2 0 1 0 ． 21