基于AMESim的复合轮式海底车液压驱动系统建模与仿真.pdf

2 0 1 2年 7月 第 4 0卷 第 1 3 期 机床与液压 MAC HI NE TOOL HYDRAULI CS J u 1 ． 2 0l 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 1 3 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 1 3 ． 0 4 1 基于 A M E S i m的复合轮式海底车液压驱动系统建模与仿真 姜勇 北京矿冶研 究总院，北京 1 0 0 0 7 0 摘要以复合轮式海底车液压驱动系统为研究对象，利用 A ME S i m软件建立海底车液压驱动系统仿真模型，模拟深海 环境下海底车越障的各种极限工况，通过设置主要系统参数，实现海底车液压驱动系统的动力学仿真。仿真结果表明 液 压驱动系统及各液压元件在深海各种越障工况下安全可靠，系统稳定性好，为海底车液压系统的性能评估和优化设计提供 了一条新途径。 关键词复合轮式海底车；液压驱动系统；建模与仿真 中图分类号T P 2 4 文献标识码A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 1 31 4 0 3 M o de l i n g a nd Si mu l a t i o n o f Co mpo s i t e W he e l e d S u bma r i ne Ve hi c l e ’ S Hy d r a u l i c Dr i v i ng S y s t e m Ba s e d O H AM ES i m J I ANG Yo n g B e i j i n g G e n e r a l R e s e a r c h I n s t i t u t e o f Mi n i n gMe t a l l u r g y ，B e i j i n g l 0 0 0 7 0 ，C h i n a Ab s t r a c t T a k i n g t h e h y d r a u l i c d ri v i n g s y s t e m o f t h e c o m p o s i t e w h e e l e d s u b m a ri n e v e h i c l e a s r e s e a r c h o b j e c t ，t h e s i m u l a t i o n mo d e l o f t h e h y d r a u l i c d ri v i n g s y s t e m wa s b u i l t b y AME S i m t o s i mu l a t e t h e e x t r e me c o n d i t i o n s o f o b s t a c l e n e g o t i a t i o n i n t h e d e e p s e a e n v i r o n me n t ． D y n a mi c s s i mu l a t i o n o f t h e h y d r a u l i c d riv i n g s y s t e m w a s ma d e b y s e t t i n g t h e s y s t e m p a r a me t e r s ． T h e s i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e h y d r a u l i c d ri v i n g s y s t e m a n d h y d r a u l i c c o mp o n e n t s are s a f e a n d r e l i a b l e i n a v a rie t y o f d e e p s e a o b s t a c l e c o n d i t i o n s ， t h e s y s t e m i s s t a b l e ． I t p r o v i d e s a n e w wa y t o e v a l u a t e a n d o p t i mi z e t h e d e s i g n f o r t h e h y d r a u l i c s y s t e m o f t h e s u b ma r i n e v e h i c l e ． Ke y wo r d s C o mp o s i t e wh e e l e d s u b ma ri n e v e h i c l e ； Hy d r a u l i c d r i v i n g s y s t e m； Mo d e l i n g a n d s i mu l a t i o n 深海富钻结壳和金属热硫化物资源将成为本世纪 的新兴产业 。为 了在深海领域 占据有利地位 ，世界各 国纷 纷致力 于深 海技术 的研发 ，海 洋 已经成 为继 月 球、火星之后世界范围内又一争夺热点。针对我国深 海战略发展规划 ，设计了一款兼有主、被动混合越障 模式的深海复合轮式海底车 图 1 。 图 1 深海复合轮式海底车 作者以复合轮式海底车液压驱动系统为研究对 象，利用 A ME S i m软件建立海底车液压驱动系统仿真 模型，并在此基础上对深海环境下越障的各种极限工 况进行动态仿真，可大量减少设计过程中存在的不确 定性因素，大大提高液压系统的质量和可靠性，为液 压系统的设计和分析提供依据，为研制高越障性能的 海底车提供技术支持。 1 复合轮式海底车液压驱动系统设计 1 ． 1 驱 动 系统介 绍 工程机械的行走传动 目前主要有4种方式 ，即机 械传动、液力传动、内燃 一电传动和静压传动。其 中，静压传动与其他传动方式相 比有着独特的优点 1 易于大幅度减速 ，实现大范 围的无级 变速 ； 2 运动平稳 ； 3 易 于实现过载保护 ； 4 传 动装 置 质量轻、体积小，便于整体布置； 5 液压 、电气 、 机械易于集于一体，实现 自动控制； 6 操作简便 省力。因而 ，静液压驱动在过去的几年里倍 受重视 而 广泛采用。 1 ． 2 静液压驱动 系统设计 海底车工作环境要求驱动系统具有低速高马力 的特点 ，因而液压驱动系统采用静液压驱动。动力 设备选择柱塞泵 、变量泵加定量马达式容积调速。 从泵到马达再到主驱动轮的动力传输过程中不使用 任何机械变速设备 ，液压驱动 系统原理图如图 2所 示 。 收稿 日期 2 0 1 1 0 51 7 基金项目国家 自然科学基金资助项 目 5 0 8 7 4 0 0 6 ；国际海底区域性研究开发 “ 十一五”项 目 D Y X M一 1 1 5 - 0 4 - 0 2 - 0 3 作者简介姜勇 1 9 8 O 一 ，男，博士研究生，主要从事车辆的研究与设计，矿山机械。Em a i l j i a n g y o n g 2 3 1 6 3 ． c o rn。 第 1 3期 姜勇基于 A ME S i m的复合轮式海底车液压驱动系统建模与仿真 。1 4 1 图 2 液压驱动系统原理图 图 2中位置 l 处 的电磁换 向阀 ，作用是控制马达 支路 的通 断 ，4个 阀分别 独立 控制 4个 马达 的支路 。 当其中任何一个阀打滑的时候，转速传感器立即检测 到信号，并反馈给控制端，然后发出信号给该路电磁 铁通 电。这时 ，马达的进 出 口就处 于连通 位置 ，也就 是在 同一 条右 路 上 ，失 去 压差 的 马达就 失去 了驱动 力 ，但是并没有完全锁死 ，而是会 随着 车的前进 ，在 地面摩擦力的作用下随动转动。所 以此 时 ，该马达失 去的驱动力会平均分配给其他3个马达，也就是说车 子会加速离开使其打滑的不 良路面。待走过障碍后， 再给信号使电磁铁复位 ，恢复 4个马达的正常工作状 态。 图 2中位置 2元件是 由 2 个单 向阀和 2个 溢流阀 组合而成的双向缓冲阀，该阀的作用是调节两条供油 路的压差 ，当一侧轮子出现打滑或者抱死情况时，单 向阀自动开启 ，高压支路通过双向缓冲阀向低压支路 补油。另外，该阀还可以起到差速的作用，自动平衡 两侧流量差。最后，该阀可以起到安全阀的作用，当 主油路换向阀处于中间位置时，如果马达受到外力致 使右路压力过大，则溢流阀开启泄油，保证系统安 全。 图 2中元件3是由卸荷阀、减压阀和溢流阀组成 的控制阀组 ，由独立 的定量泵控制 。小泵通过卸荷 阀 给蓄能器充压，充满之后油路 4可以执行该车的其他 液压动作。蓄能器通过减压阀调定压力给变量泵的变 量机构供油。 1 ． 3 静液压驱动 系统参数设计 静液压驱动行走机械，其液压系统的参数选择与 匹配合理与否，对液压系统及整机性能的发挥起着决 定性的作用，只有其参数选择合理 ，后续控制器的设 计才有意义，才能最大限度地满足及实现机构的设计 要求 。因此 ，全液压驱动行走机械 的液压系统参数设 计是整机设 计的关键环节 。经计算选型 ，海底车液压 驱动系统主要参数如表 1 所示。 表 1 海底车液压驱动系统主要参数 系统额定压力／ M P a 1 6 液压泵排量／ m L r 1 6 0 系统最高压力／ M P a 2 5 马达排量／ m L r 8 0 8 电机额定转速／ r m i n 1 5 0 0 马达额定转速／ r ra i n 2 0 0 电机功-*／ k W 3 7 2 基于 A ME S i m液压驱动系统建模与仿真 2 ． 1 液压驱动 系统模型的建立 根据海底车液压驱动系统原理图，建立海底车液 压驱动系统 A ME S i m仿真模型如图 3 所示。 图 3 海底车液压驱动系统 A M E S i m仿真模型 2 ． 2液压驱动 系统仿真分析 液压驱动系统最主要的设计要求是稳定的工作压 力，尤其是启动和停车时要求冲击不要过大。下面分 别对平稳加速、前进转换为后退、单轮打滑等典型工 况进行仿真分析。 2 ． 2 ． 1 平稳加速过程仿真与分析 不考虑打滑，假设 4 个轮子都正常工作，其余液 压元件参数设计完全按照实际液压系统设计数据完 成。平稳加速时的马达入口液压及转矩曲线分别如图 4和 5所示 。 2 5 2 0 目 皇 l 5 最1 0 幽 5 0 0 2 4 6 8 1 0 时 间， s 0 一一2 鲁 主 ‘ 4 霾 6 辑- 8 一l O O 2 4 6 8 1 0 时间， s 图4 马达进油口压力 图5 马达转矩 1 4 2 机床与液压 第 4 0卷 从 图4和 5可知 整车在海底一般路况 时缓慢启 动 ， 4 s 中内速度从 0提 升到正 常行驶 速度 ，也就 是 变量泵的供油量从 0到 1 6 0 m L ／ r ，马达加速平稳，没 有出现明显冲击或其他异常状况。 2 ． 2 ． 2 前进转换为后退过程仿真与分析 通过控制主油路换向阀的电信号，来控制海底车 的前进与后退。整车先从静止开始启动，前行 2 S 后 缓慢停止，转为后退。从信号上来讲，变量泵给固定 信号0 ． 5 ，用固定流量。电磁阀在第 1 S 内从 0加到 4 0 m A，t 1 ～ 3 s 内，持续给4 0 m A信号，t 3～ 4 S 时，信号再从 4 0 m A减小到 0 ，t 4～ 5 s 内，保持0 信号，t 5～6 S 时，从 0减为 一 4 0 m A ，最后保持 一 4 0 m A 到实现结束。其实 在电磁阀在实际控制不存 2 0 在负信号，给 一 4 0的信号 是用来代替另外一侧电磁- ，1 铁的通 电，其实就是用一 - 3 0 个电磁铁的信号模型实现 了两个磁铁电磁阀的功能， 在效果上是一样 的。控制图6 总路换 向阀的信号如 图 6 所示 0 2 4 6 8 10 时 间， s 先 前进再后退 的主 油路换向阀信号 通过模型仿真可以得到液压马达进出口的压力曲 线 图7 、马达入口流量曲线 图 8 、马达加速度 曲线 图 9 、马达扭矩 曲线 图 l 0 。 ■ R 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 时 间， s 时 间／ s j 。 0 1 0o 百 ” 百 一 砉 8 马达进 油 口流量 0 2 0 40 60 80 1O0 0 20 40 6 0 80 1 00 时I．1／ s 时 间／ s 图9 马达加速度 图 1 0 马达承受的扭矩 由图6 一l O可知在进行前进后退的转换时 ，液 压系统工作平稳 ，转换较为缓和。但是每次转换方向 时，马达承受的扭矩会突然增大，马达扭矩最大值出 现在由静止转为运动的瞬间。产生这种突增扭矩的原 因是 由于计算时按照深海底质得 出的阻力矩 比较大所 致 ，所 以海底车在泥泞地形运行时 ，启 动 、停止动作 要缓和 ，不然会对 马达或 者轮轴造 成破坏 。 2 ． 2 ． 3 单轮打滑过程仿真与分析 按照模型 中预先设定 的方式 ，令其 中右后轮在第 t 5 S 出现打滑。作者将打滑的轮子速度变化与未打 滑轮子的速度进行 了比对 ，也就是 以右后轮和右前轮 为例 ，泵从 t 0开 始加速 ，然后 保持匀 速运 行 。马 达和代表轮子的质量块与之前仿真中设置的一样，其 他液压元件也没有做变动。单个轮子打滑时，打滑轮 与正常轮速 度的对 比如 图 l 1 所示 。 1 0 8 6 4 2 函 0 辩 一2 ．4 l 一 于 J 托Z 一止 雨 艳 ＼ i 2 1 ’ 0 2 4 6 8 1 0 l 2 时 间， s 图 l 1 打滑轮与正常轮速度对 比 从 图 1 1 可知 该 防打滑机 制可 以有效 防止 打滑 情况 ，阻断打滑轮 子 的供 油路 ，防止 “ 飞 轮” 情 况 的出现。而由于惯性 ，马达可能会出现瞬时反转的趋 势 。如果突然锁止 ，马达 由于惯性会产生一个很 大的 冲击。为避免冲击的出现，应该对防止打滑系统增加 缓冲装置 。 3结论 1 运用 A M E S i m软件对复合轮式海底车液压 驱动 系统进行 了建模与仿真 ，得到 了相关参数的仿真 曲线 。 2 仿真结果表明复合轮式海底车液压驱动 系统具有较 好的平 稳性 ，满足深海复杂地形 的实 际工 况要求。 3 仿真结果不仅为复合轮式海底车液压系统 的优化设计及控制提供了理论依据，也为液压系统的 性能评估提供了一条新途径。 参考文献 【 1 】 姜勇． 深海复合轮式行走机构通过性能研究[ D ] ． 北京 北京科技大学 ， 2 0 1 2 ． 【 2 】于淼 ， 石博强． 基于 A M E S i m的铰接式 自卸车液压制动 系统建模与仿真[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 9 ， 3 7 3 1 5 2 1 5 4． 【 3 】赵志国， 余洋， 鲁冰． 基于 A M E S i m的轨道架线车升降平 台液压系统仿真[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 1 0 ， 3 8 2 4 6 1 63． 【 4 】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] ． 北京 北京航空航天大学出版社， 2 0 0 6 ． 图 墨 曼