超大型起重机底盘调平液压系统仿真研究-.pdf

第 l 1 卷第 6期 2 0 1 3年 1 2月 中国工程机械学报 C HI N E S E J O UR N AL O F Y g N S T R UCF I O N MA C HI N E R Y Vo 1 ． 1 1 No ． 6 De c ．2 01 3 超大型起重机底 盘调 平液压 系统仿真研 究 赵炯 ， 王玉 宝 ， 任 改运 ， 张起伟 ， 韦公勋 1 ． 同济 大学机械与能源工程学院 ， 上海 2 0 1 8 0 4 ；2 ． 华电重工股份有限公 司， 上海 2 0 0 1 2 2 摘要为了检验所设计的 2 5 0 0 t 环轨起重机底盘调平液压系统的工作性能， 对该系统进行了基于 A ME S i m的建 模和动态仿真， 分析了液压系统在工作过程中的液压缸活塞杆的位移、 液压缸内流量和压力的变化情况， 确定了 本液压调平系统 良好的工作性能． 关键词 A ME S i m；电液比例； 调平；液压系统； 仿真 中图分类号 T H 1 2 2 文献标志码 A 文章编号1 6 7 2 5 5 8 1 2 0 1 3 0 6 0 4 9 8 0 4 ‘ ’ - ’ ’ ’ ’ ● 』 ‘ } ； i m ul at i on On hydraul i c l evel l ng s ys t em t - or ul t r a- l ar g e - s c a l e c r a ne c has s i s Z H A0 J i o n g ，W AN G Y u - b a o ，R E N G a i y u n ，Z H AN G q i w e i ，W E I G o n g - x u n C o l l e g e o f Me c h a n i c a l En gine e r i n g， r r 0 I i Un i v e r s i t y， S h a n g h a i 2 01 8 0 4， Ch i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o t e s t t h e wo r k i n g p e r f o r ma n c e o f t h e h y d r a u l i c l e v e l i n g s y s t e m f o r 2 5 0 0 t r i n g r a i l c r a n e c h a s s i s ， t h e AMES i m 一 b a s e d s y s t e m mo d e l i n g a n d d y n a mi c s i mu l a t i o n a r e c o n d u c t e d ． By a n a l y z i n g t h e v a r i a t i o n s o f d i s p l a c e me n t ， f l o w r a t e a n d p r e s s u r e o f h y d r a u l i c c y l i n d e r p i s t o n r o d d u r i n g t h e wo r k i n g p r o c e s s ， t h e g o o d pe r f o r ma n c e o f h y d r a u l i c l e v e l i n g s y s t e m i s i n d i c a t e d ． Ke y wo r d s A MES i m ；e l e c t r o h y d r a u l i c p r o p o r t i o n；l e v e l i n g；h y d r a u l i c s y s t e m；s i mu l a t i o n 在现代 国防与 民用 技术 中， 常常需 要把一 个 装载某些设备的承载平 台精确地调整到水平位 置 ， 以提高 系统 的工作性 能 ， 达到某一 指标要求 ． 飞航导弹 、 战术 地空导 弹以及战斗火 炮等 的发 射 平台的调平 ， 对它们本身 的性能有 着很 大的影 响． 除此之外调平技术还应用在道路施工 的沥青混凝 土摊铺机、 大型工程运梁车、 静力压桩机等设备 上l 1 ] ． 本文针对 2 5 0 0 t 环轨起重机的底盘调平液 压 系统进行仿 真 ， 为其 适用 于整个装置 的设计制 造提供经验 ． 中， 大多采用传统的设计方法 ， 运用经验公式 ， 其液 压系统整体性能是否合理一般都要装备组装完成 后依靠 调试 来 发 现 ， 反应 出 了设 计 工 作 的不 完 善性． 为了解决这一问题， 在系统设计完成后， 依据 系统计算出的各项参数， 对液压系统进行计算机仿 真， 了解系统的运行特性 ， 包括液压系统动态性能、 压力变化及波动、 流量变化等． 根据仿真结果修改 设计不合理的部分 ， 减少设计后期 以及实际运行 中 不必要的返工 ． 1 仿真问题的提 出 2 A ME s i m软件介绍 传统的设计方法 往往是通过 反复的样品试制 和试验来分析系统是否达到设计要求 ， 此设计方法 不但加长了设计周期， 同时需要投入大量的人力物 力 ， 增加设计成本． 2 5 0 0 t 环轨起重机液压系统设计 A MES i mE z ] Ad v a n c e d Mo d e l i n g E n v i r o n me n t f o r P e r f o r mi 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 ms 是法国 I ma g i n e公 司于 1 9 9 5推出的基于键合 图、 机械系统建模、 仿真及动力学分析的软件． 作者简介 赵炯 1 9 6 3 一 男， 副教授， 博士． E - m a i l j i o n g ． z h a o t o n g j i ． e d u ． c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 赵炯 ， 等 超大型起重机底盘调平液 压系统仿 真研究 伍S i m为流体 动力、 机械 、 热流 体和控 制系 统提供 了一个 完善而优越 的仿真环境及灵活的解 决方案 ， 使得用户从繁琐的数学建模 中解放 出来 ， 从而专注于其专业物理系统本身的设计， 借助其友 好 、 面向实际应用的方案 ， 用户可 以研究 任何元件 或 回路的动力学特性 ． E S i m 的智能求解器能够 根据用户所建模型的数学特性 自动地在 l 7种算法 中选择最佳 的积分算法 ， 并在不 同的仿真时刻根据 系统的特点动态地切换积分算法和调整积分步长， 以缩短仿真时间和提高仿真精度 ， 而内嵌式数学不 连续性处理工具有效地解决了数值仿真的间断点 问题 ． 诸多优点使得 讧 E S i m在航空航天工业 、 汽车 制造和传统液压行业等领域得到了广泛 的应用 ． 9 3 仿真模 型的建立 3 ． 1 液压 系统原理 本文所设计的液压系统采用定量开式 回路 ， 原 理如图 1所示 ． 由 4个液压缸共 同支撑起独立 平 台， 每一液压缸的伸缩都由回路上对应的电液 比例 阀控制 ； 整个平 台承重 大， 该系统的液压缸无杆腔 的压力总是大于有杆腔的压力 ， 因此在无杆腔 回油 处设有平衡 阀， 此平衡 阀由有杆腔油压控制 ， 保证 了系统的安全性 ； 液压缸的无杆腔人 口设有管路爆 破阀， 防止管路压力 巨变导致管路破裂 ， 导致液压 缸无杆腔压力消失 ， 造成整个平 台的倾覆 ． 液压系 统的主要参数如表 1所示 ． 1 ． 泵和电动机 ； 2 ． 电磁溢流阀 ； 3 ． 过滤器 ； 4 ． 单向阀 ； 5 ． 比例方向阀 ； 6 ． 液压锁 ； 7 ． 单项节流阀 ； 8 ． 平衡阀 ； 9 ． 管路爆破阀 ； 1 0 ． 液压缸 ； 1 1 ． 电磁阀 图 l 调平液压 系统原理 图 Fi g． 1 S c he ma t i c o f h y d r a ul i c l e v e l i n g s y s t e m 表 1 液压 系统的的主要参数 Ta b ． 1 Ma i n p a r a me t e r s o f h y d r a ul i c s y s t e m 额定工作压力 ／MP a 最 大工作压力 ／MP a 液压泵排量 ／ mLr I 1 电机转 速／ r mi n 液压缸内径／Ⅱ Ⅱ n 活塞杆 直径／mm 单顶承载重量／t 3 ． 2 液压 系统建模 3 ． 2 ． 1 平衡阀建模 平衡阀又称限速阀， 广泛应用于负载下降系统 中． E S i m软件液压库里面没有现成的平衡 阀模 块 ， 为了完成液压系统的仿真， 这 里需要运用 H C D 液压元件设计库 里面的模 型进行设计 ． 如图 2所 示 为 搭 建好 的平 衡 阀 i m模 型 ． 利 用 液 压 元 件 设 计 库 H y d r a u l i c C o m p o n e n t D e s i g n ， H C D 里面的模块 B A P 1 2和 B A P l l做平衡 阀的主腔室． 平衡阀的阀芯上有若干条带锥度的 矩形槽， 又有锥形密封面， 锥形密封面有可靠的密 封功能 ； 带锥度 的矩形 槽均匀 地分布在 主阀 的圆 柱部分 ， 它的面积梯 度小 ， 通流 面积变化缓慢 ， 且 水力半径较大 ， 不易堵 塞 ， 因此 ， 这种 阀芯既能保 证平衡 阀的锁紧能力 ， 又有低速微动 的稳定性 ． 这 捣 默 姗 伽 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中国工程机械学报 第 1 1卷 里我们用模型 0 0 2 ， 作为平衡 阀阀芯 ． 整个 阀 芯的重 量 由 机 械 库 中 的模 块 0 5来 代 替 ． MA S 0 O 5模块是具有 两个 端 口的在外力作 用下 的 一 维运动质量模型 ． 对于控制腔 ， 模 块 B H 0 0 1 1做 节流 口， 模 块 B A P 1 l做 控 制 腔 的 左 腔 室 ， 模 块 B A P 0 1 6做控制 腔的右腔室 ． 此平衡 阀为外控外泄 型 ， 重物上升时， 1 ， 2油 口接进油路 ， 3油 口接 回油 路 ， 为控制油 口． 3 ． 2 ． 2 系统建模及其参数设定 整个 电液比例系统建模如图 3所示 ． 高压油从 泵出 口分成 4路， 分别供 给 4个独立 的支路 ， 每个 支路由各 自的比例方向阀控制． ④ 图 2 平衡 阀 A ME S i m 模型 Fi g． 2 Mo d e l o f b a l a n c i n g v a l v e i n AMES i m 图 3 液压系统仿真模型 Fi g ． 3 S i mu l a t i o n mod e l o f h y d r a u l i c s ys t e m 系统采用位移负反馈控制， 在液压缸伸出杆处 安装位移传感器 ， 位移信号传 给控制器 ， 控制器计 算给定信号与传感器信号的偏差， 经过 P I D P r o p o r t i o n I n t e g r a l D e r i v a t i v e 运算输出一定信号至 比例方向阀， 以此控制比例阀开口大小． 仿真模型中的主要参数设置如下 油液密度为 8 9 0 k g m， 油液运动粘黏度为 4 0 mm 2 S ～， 油液 体积弹性模量为 l 0 0 0 MP a ； 液压缸内径为 5 6 0 m m， 液压缸活塞杆直径为 4 0 0 mm， 液压缸行程为 O ． 4 m， 活塞杆初始位移为为 O m； 泵排量为 3 0 m l r ～， 溢 流阀开 启 压力 为 2 5 MP a ， 电 机转 速 为 1 5 0 0 r m i n ～； 液压缸的负载设定单个缸为为6 0 0 t ． 4 信号模拟及仿真结果分析 这里采用直接信号加载的方式， 用给定信号的 变化 ， 来模拟路面的不平 ． 平 台移动过程 中， 若平台 出现倾斜， 则由控制系统发出信号对电液比例阀进 行调控 ， 改变阀开 口大小， 调节液压缸 的伸缩量 ， 使 平台重新调节至水平． 为验证不 同路面情况下系统 的响应情况 ， 这里给的位移信号有一定差别 ， 如图 4 所示． 信号 1 ， 2 ， 3 ， 4分别对应的是给液压缸 1 ， 2 ， 3 ， 4的信号 ， 信号给定时间总长 1 O O O S ． 皇 ＼ 妊 稍 蜒 图 4 给定位移信号 Fi g ． 4 Gi v e n d i s p l a c e me n t s i g n a l 此种工况为液压缸 1处地基较低 ， 液压缸 4地 基较高， 此时需要 给定信号使液压缸 1伸长 ， 液压 缸 4缩短． 最终阶段地基处于水平 ， 4个液压缸回到 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6 期 赵炯 ， 等 超大型起重机底盘调平液压系统仿真研 究 同一水平高度． 通过此信号能够一次性仿真出每个 液压缸在不同状况下的调平性能． 各液压缸 0位移 情况下加载仿真结果如图 5所示． 与 图 4相 比， 跟 随效果较为理想． 昌 ＼ 毯 艄 烬 图 5液压缸位移 特性 曲线 Fi g ． 5 Di s p l a c e me n t c u r v e o f h y d r a u l i c c y l i n d e r 为了更清楚表示仿真结果 ， 将 1号液压缸的给 定信号与液压缸位移量进行比较， 其结果如图 6 所 示 ． 在 2 0 0 s 时 ， 液压缸能够达到初始给定位移 1 5 0 mm， 在信号改变时， 液压缸的位移存在一定的滞后 效应 ， 但是从 总体情况来看 ， 液压系统在位移跟 随 方面性能良好． 、 椭 蜒 图 6 1号缸信号位移 曲线 Fi g ． 6 S i g na l a n d d i s p l a c e me n t c u r v e o f t h e 1 s t c y l i n d e r 为了保证系统 的安全运行 ， 必须保证系统的最 高压力小于设定值 ． 图 7为 1号液压缸进 出 口压力 在液压缸动作工程 中的变化曲线． 在液压缸活塞杆 伸出过程 中， 液 压系 统压力 相对恒 定 ， 约为 2 4 ～ 2 5 MP a ． 但是在活塞杆缩 回过程 中， 液压缸进 出口 压力都会有所增大 ， 进 口压力即有杆腔压力 约达到 2 3 2 5 MP a ， 而无杆腔压力增大至 3 5 MP a左右 ， 接 近最大工作压力． 分析其原 因， 主要有两个方面 ， 首 先， 由于液压缸无杆腔始终要承受外界载荷， 其次， 在活塞杆回缩过程中， 液压缸有杆腔受压力作用， 增大了有杆腔受力． 图 8所示为 1号缸进 出口流量特性 曲线． 在活 塞杆停止运动保持原来伸 出量的情况下 ， 液压缸进 出 口流 量 趋 于 0 ；系 统 最 大 流 量 在 1 1～ 1 2 L mi n 之间， 流量波动平稳 ， 满足系统要求 ． 4 O 矗 30 皇 、2 0 l 0 ．二蓄 昌厂一 ⋯ - 出 口 f ， ● 一 ● l ● - l - l ● - ，．一一一．．．一一一，．一 一一● O ． 4 0． 6 0 ． 8 1 ． 0 时间 ／ S 1 0 3 图 7 1号缸压力特性 曲线 Fi g． 7 Pr e s s u r e c ur v e o f t h e 1 s t c y l i n d e r ．亘 图 8 1号缸流 量特性 曲线 Fi g． 8 Fl o w r a t e c u r v e o f t h e 1 s t c y l i n d e r 5 结论 基于 E S i m所建立 的电液 比例调平液压系 统仿真模型， 为其动态特性分析提供 了一种手段． 通过仿真可以得 出 系统的响应是 快速稳定的， 即 在装置移动过程 中， 能够根据路面情况及时调节各 个液压缸的伸缩量 ， 达到系统调平 ． 在调平过程 中 系统压力 、 流量波动较为稳定． 该仿真对 电液 比例 调平液压系统的设计具有一定的参考价值． 参考文献 [ 1 ] 甘志梅， 寇桂岳． 基于 P L C的车载平台液压自动调平系统设 计[ J ] ． 南昌工程学院学报， 2 0 1 2 ， 3 1 4 3 8 4 0 ． GAN Z h i me i ， KOU Gu i y u e ． De s i g n o f h y d r a u l i c a ut o ma tic l e v e l a d j u s t in g s y s t e m o f v e h i c l b o r n e p l a t f o r m b a s e d o n P L C [ J ] ． J o u r n a l o f N a n c h a n g I n s t i t u t e o f Te c h n o lo g y ， 2 0 1 2 3 1 3 8 4 0． [ 2] 余佑官 ， 龚 国芳 ， 胡国 良． 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 ． YU Yo ug u a n， G0NG Gu o f a n g， HU Gu o l i a n g． S i mu l a t i o n t e c h - n i q u e o f A ME S i m a n d i t s a p p l i c a t i o n i n h y dra u l s y s t e m[ J ] ． Hy d r a u l i c s Pn e u ma t i c s S e a l s， 2 0 0 5 3 3 84 0． [ 3 ] 秦家升， 游善兰． A ME S i m软件的特征及其应用[ 3 3 ． 工程机 械， 2 0 0 4 1 2 68 ． Q I N J i a s h e n g ， Y O U S h a n l a n ． T h e c h a r a c t e r i s t i c s a n d a p p l i c a - t i o n s o f A ME S i m[ J ] ． J o u r n a l o f C o n s t r u c t i o n Ma c h i n e r y ， 2 0 0 4 1 2 68． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m