堆取料机俯仰机构液压系统改进与AMESim的仿真研究.pdf

2 0 1 4年 1 月 第 4 2卷 第2期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS J a n ． 2 0 1 4 Vo 1 ． 4 2 No ． 2 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 0 2 ． 0 1 7 堆取料机俯仰机构液压 系统改进 与 A M E S i m的仿真研究 肖艳军 ，韩静粉 ，梁新宇 ，关玉明 1 ．河北工业大学机械 学院，天津 3 0 0 1 3 0 ；2 ．天津重钢机械装备股份有 限公 司，天津 3 0 0 4 5 9 摘要斗轮堆取料机俯仰机构依靠两个同步液压缸的伸缩实现俯仰动作，同步液压缸是否同步至关重要。对原俯仰液 压系统进行改进 ，避免了同步液压缸不同步的问题 ，并且利用 A ME S i m对原有系统及改进系统进行仿真分析，验证了改进 后的机构满足使用要求。 关键词 A ME S i m；堆取料机；俯仰机构；液压系统；改进 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 20 4 8 3 I mpr o v e me nt f o r Hy d r a ul i c Sy s t e m o f Pi t c h i ng M e c ha n i s m o f Buc ke t W h e e l S t a c k e r - r e c l a i me r a n d Si mu l a t i o n Re s e a r c h Ba s e d o n AM ES i m X I A O Y a n j u n ，H A N J i n g f e n ，L I A N G X i n y u ，G U A N Y u m i n g 1 ． He b e i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，T i a n j i n 3 0 0 1 3 0 ，C h i n a ； 2 ． T i a n j i n H e a v y s t e e l Me c h a n i c a l E q u i p m e n t C o ． ，L t d ． ，T i a n j i n 3 0 0 4 5 9 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e p i t c h me c h a n i s m o f b u c k e t wh e e l s t a c k e r r e l i e s o n t wo s y n c h r o n i z e d t e l e s c o p i c h y d r a u l i c c y l i n d e r t o r e a l i z e p i t c h i n g a c t i o n ． S y n c h r o n o u s p r e c i s i o n i s c r u c i a 1 ．T h e p i t c h i n g h y d r a u l i c s y s t e m w a s i mp r o v e d t o s o l v e t h e s y n c h r o n i z a t i o n p r o b l e m， a n d AMES i m wa s u s e d t o ma k e s i mu a h o n a n a l y s i s ． I t i s v e rifi e d t h a t t h e i mp r o v e d s y s t e m s a t i s fi e s t h e u s i n g r e q u i r e me n t s b y s i mu l a t i o n a n a l y s i s o f t h e o r i g i n a l s y s t e m a n d t h e i mp r o v e d s y s t e m． Ke y wo r dsAMESi m ；Buc k e t whe e l s t a c k e r ；Pi t c h i n g me c h a n i s m ；Hy dr a ul i c s y s t e m ；I mp r o v me nt 斗轮堆取料机是料 场一种大型高效的物料搬运和 堆取设备 ，它具 有堆取 料能力大 、空间及料场 的占地 面积小 、操作简便、较容易实现 自动控制等优点而被 广泛应用于钢铁厂、矿 山、码头、电厂 、化工厂等 原 、燃料场。斗轮堆取料机的俯仰机构有机械和液压 变幅两种形式，后者具有体积小 、结构简单、维修量 小、工作可靠等优点而被得到广泛应用，俯仰装置简 图如 图 1所示 。 门座 转 盘 图 1 俯仰装置简图 斗轮堆取料机俯仰机构的作用是支承取料斗轮、 悬臂机构及配重装 置的重力 ，并在俯 仰液压缸 的牵引 下 ，改变取料斗轮的高度，使斗轮机构可以在原、燃 料场 中的不 同高度 的料堆上方便地进行堆料 和取料作 业，俯仰机构的工作安全可靠性非常重要。 1 斗轮堆取料机俯仰机构液压系统原理分析及结 构改造 斗轮堆取料机原俯仰机构液压系统如图 2所示 ， 由于两油缸完全对称 ，所 以只分析 电磁阀右位接通的 情况 。变量泵 1 输送液压油通过 电磁换 向阀，此 时电 磁阀右位接通 ，通过双向节流单向阀3进行调速把油 液分成两部 分 ，分别 进入俯 仰液 压缸 7 、1 1 无 杆 腔 ， 由有杆腔排出油液到油箱 ，实现液压缸伸长状态。其 中溢流阀6 、1 0调压起安全保护防过载的作用，单向 阀5 、1 2防止油液逆流，防爆阀4 、9在 回路 中出现 管道断裂情况下能及时地截止油缸油液的流出，使其 停住 ，起安全保护作用。电磁换向阀左位接通，俯仰 液压缸有杆腔进油 ，无杆腔 出油 ，两液压缸处 于压缩 状态；中位接通时，液压油中位卸荷，两俯仰液压缸 处于静止不动 的状态 。两 同步俯仰液压 缸因此 实现上 升 、下降和停止各个动作。斗轮堆取料机俯仰机构由 两个液压同步油缸共同支撑着工作装置使其绕着支座 收稿 日期 2 0 1 21 2 0 5 基金项目河北省科学技术研究与发展计划项 目 1 0 2 1 3 9 4 7 ；河北省科技支撑计划项 目 1 2 2 2 7 1 0 9 D 作者简介肖艳军 1 9 7 6 一 ，男，博士研究生，副教授，主要研究方向为机电成套设备及其关键技术。通信作者关玉 明，Em a i l g y u m i n g 1 6 3 ． c o m。 第 2期 肖艳军 等 堆取料机俯仰机构液压系统改进与 A M E S i m的仿真研究 4 9 的铰接点作俯仰运动，从而实现俯仰动作。 l 一变量泵 2 一 电磁换 向阀 3 一 双 向节 流 调速 阀 4 、 防爆 阀 5 、l 卜 单 向阀 6 、l 溢 流 阀 7 、l 1 一 俯 仰液 压 缸 8 、l 卜 平 衡 阀 图2 原俯仰液压原理图 两个液压油缸理论上承受的力大小相同，但由于 安装精度等问题两个液压缸位置并不对称 ，在实际运 行中两个液压缸所受压力不相同，从而使进入各个液 压缸的流量也不等量。液压缸动作不同步，继而一缸 受拉一缸受压，受压液压缸承受了所有的支撑力容易 损坏。为解决这个问题 ，建议在俯仰液压系统中使用 分流阀。分流阀的作用是使液压系统中由同一个能源 向两个执行元件供应相同的流量 等量分流 ，以实 现两个执行元件的速度同步。修改后的液压系统图如 图3 所示，在原有 的液压 系统中串联了单 向分流阀 4 。还以电磁阀 2右位接通为例 ，变量泵输送液压油 通过双向节流调速阀 3调速 ，经单向分流阀 4分流， 液压油等量分配给俯仰液压缸 8 、9无杆腔，经有杆 腔流回油箱。修改后的系统避免了原系统分流不等造 成的液压缸损坏。 8 1 一 变 量泵 2 一 电磁 换 向阀 3 一双向节流调速 阀 4 -- 单 向分流 阀 5 、l 卜防爆 阀 6 、l l 一 单 向 阀 7 、l o _ _ 溢 流 阀 8 、9 _ _ 俯仰液压缸 图 3 改进液压系统原 理图 2 A M E S i m研究分析 A ME S i m是 I M A G I N E公司推 出的基于功率键合 图的机电液仿真分析软件，以其强大的仿真和分析能 力在各个领域得到了广泛的应用 ，尤其在液压基本元 件建模方面表现出色。它是一个方便、高效、直观的 动态系统建模和仿真分析工具 ，用其进行仿真分析避 免了繁琐的公式推导。下面用 A ME S i m软件进行分 析 。 2 ． 1 建立 A ME S i m液压系统仿真模型 为了便于分析分流阀在该系统中分流的效果 ，且 原液压系统与改进后液压系统区别仅在于后者加了分 流阀，对原液压系统和改进后液压系统进行简化，假 设油源为恒流源，且油液无泄漏，并简化所有油缸及 阀类为压力源，图2的仿真模型简化为图4所示，图 3的仿真模型简化为图5所示。 ]广 1长 r 一 ● 9 山 图4 原系统简化模型 图 5 改进后系统简化模型 2 ． 2 设置仿真参数 仿真成功与否 ，除了正确建立模型以外 ，参数 的合理性也必不 可少。各 模型主要参数如表 1 所 示 。 表 1 原液压系统简化模型的参数 原动机转速／ r ra i n 泵转速／ r m i n 泵排量／ m L r 1 4 5 0 1 45 0 9 2 5 0 机 床与液 压 第 4 2卷 表2 改进后系统简化模型的参数 原动机转速／ r rai n 泵转速／ r ra i n 泵排量／ m L r P口等效直径／ ra m 弹簧腔固定小孔直径／ ra m 入 口容 mL 左 、 右腔容 积／ m L 弹簧左右腔容积／ m L 初始弹簧弹力／ N 弹簧刚度／ N mm 初始弹簧腔长度／ ra m 零开 口量／ ram 阀芯质量／ k g 结合堆取料机俯仰液压缸实际工况，对两系统模 型左右端压力进行设置。为了便于分析分流阀分流效 果 ，设左端压力为常值 3 5 M P a ，如图6 a 所示 ； 右端压力为变量 ，0～ l S 压力为3 5 M P a ，1 ～ 2 S 压力 为 4 5 M P a ，2～ 3 S 压 力为 5 5 MP a ，3～ 4 S 压力 为 6 5 M P a ，具体 如图 6 b 所示 。 t ／ s a 左端压力 65 6 0 啊 55 至 5 0 4 5 4 0 3 5 图 6 压力设置 0 ． 0 1 ． 0 2 ． 0 3 ． 0 4 ． 0 t l s b 右端压力 2 ． 3仿真结果分析 设置仿真时间为4 S ，采样频率为 1 0 0 0 0 H z ，研 究 两端压差为 0 、l 0 、2 0 、3 0 M P a时分流阀的分流精 度 。 1 未加分流阀时原液压系统分流精度 未加分流阀时，各种压差下原液压系统端 口1 、 3流量曲线和分流精度如图 7所示。分析可得 未加 分流阀的液压系统 ，随着压差的变化 ，流向两端口的 流量也在变化 ，当压差为 0时，端口 1 、3流量相等 ； 当压差为 1 0 、2 0 、3 0 M P a 时，两口流量差越来越大 ， 分流误差也逐渐增大。负载压差变化瞬间，两口流量 及分流精度都有较 大波 动 ，后趋 于平缓 ，稳定后 ，分 流误差最大可达 5 8 ％ 。 7 0 6 0 f 5 O 暑4 0 3 0 2 0 l O O 0 ． 0 1 ． 0 2 ． 0 3 ． 0 4 ． 0 t ／ s a 端 口 l 的 流量 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 0 1 00 ， 80 1 6 0 争 4 0 20 0 0 ． 0 1 ．0 2 ． 0 3 ． 0 4 ． 0 t ／ s b 端 口3的流 量 0 ． 0 1 ． 0 2 ． 0 3 ． 0 4 ． 0 t ／ s c 1 分流 误差 曲线 图 7 未加分流阀时各种压差下原液压系 统端口1 、3流量曲线和分流精度 2 加分流阀改进的液压系统分流精度 加分流阀时，各种压差下改进 的液压系统端 口 1 、3流量曲线和分流精度如图 8所示。分析可得 无论两端压差为多少 ，端 口l 、3流量基本维持在 6 8 L ／ m i n ；只在压差 变化 瞬间 ，1 、3端 口流量 和分流精 度产生较大波动 ，经过一定时 间调整恢 复到平衡 ；随 着 压 差 增 大 分 流 误 差 逐 渐 增 大 ，但 最 大 不 超 过 0 ． 0 7 5 ％ ，说 明加 了分流 阀后 ，分流精度明显提高 。 l 5 0 l 00 50 ． 0 ．50 巴 一 1 0 0 ．I 50 ．200 ．250 0 ． 0 1 ． 0 2 ． 0 3 ． 0 4 ． 0 t ／ s a 端1 3 1流量曲线 0． 100 0 ． 0 8 0 0． 060 0． 040 0． 020 0． 000 0 ． 0 1 ． 0 2 ． 0 3 ． 0 4 ． 0 t ／ s b 端 口3 流量曲线 L OM Pa Z 0M P日 3 0M P 压 差 压 差 压 差 压差 为 0 0 ． 0 1 ． 0 2 ． 0 3 ． 0 4 ．0 t | S c 分流 误 差 线 图8 加分流阀时各种压差下改进后液压系 统端口1 、3流量曲线和分流精度 3 总结 1 原俯仰 液压 系 统两 液压 缸在 受力 不 均时 造 成分流不均容易使一缸受拉一缸受压而导致液压缸寿 命缩短 ；改造后 的堆取料 机俯仰液压系统 ，克服 了原 有的分流不均造成 的一缸承受所有力 的缺 点 ，在两缸 受力不均的情况下依然可以保持液压缸同步。 下转 第 6 5页 坝 坝 m 7 ∞ ∞ 加 2 第 2期 徐平 等多功能液压元件性能检测台设计 6 5 表 1 系统的组成元件 3 多功能液压元件性能检测台及其液压系统特点 该检测台与其他类似设备相 比既可检测多种元 件 ，又可检测不同规格的相同元件，应用范围广 ，且 结构简单 ，易于装拆 ；采用计算机辅助测试 ，测量准 确，效率高 ；液压系统采用双变量泵提供动力，通过 组合可满足不同动力的需求 ，节省能源；元件及各监 测点的联接采用快换接头，方便可靠；利用元件间的 调整设置 ，形成的回路可不互相干涉 ，确保检测数据 的准确性 ；根据阀的规格流量，设计了一套相应的阀 板转换块 ，使不同通径阀的检测更加快捷方便；整套 系统采用 P L C控制 ，操作简单，易于实现 ；通过编 制相应程序 ，使检测结果一 目了然。为液压元件的维 修、定损提供可靠的理论根据。 4 结束语 从满足工作需要出发 ，经过全面考虑 ，设计出多 功能液压检测装置。该装置具有结构简单、方案合 理、操作方便 、准确度高、安全可靠、一机多用等特 点，得到使用方的好评。该设备的使用 ，将对工厂的 修旧利废 、增产节约、降低消耗 、提高效益等起到积 极的作用。 参考文献 【 1 】王积伟， 章宏甲， 黄宜． 液压传动[ M] ． 北京 机械工业出 版社， 2 0 0 9 ． 【 2 】赵月静． 液压实用回路 3 6 0例[ M] ． 北京 化学工业出版 社， 2 0 0 8 ． 【 3 】张利平． 液压控制系统及设计[ M] ． 北京 化学工业出版 社 ， 2 0 0 6 ． 【 4 】 曹金福． 电气控制及 P L C [ M] ． 北京 化学工业出版社， 201 0． 【 5 】张利平． 液压站[ M] ． 北京 化学工业出版社， 2 0 0 8 ． 【 6 】路甬祥． 液压气动技术手册 [ M] ． 北京 机械工业出版 社 。 2 0 0 9 ． 【 7 】黎保新． 大功率超高压安全阀试验台的设计 [ J ] ． 机床 与液压， 2 0 0 4 2 5 7 6 0 ． 【 8 】 张利平． 液压传动系统设计 [ M] ． 北京 化学工业出版 社 。 2 0 0 5 ． 【 9 】周恩涛． 液压系统设计元器件选型手册[ M] ． 北京 机械 工业 出版社 ， 2 0 0 7 【 1 0 】 王守成． 液压元件及选用[ M] ． 北京 化学工业出版社， 2 00 7 上接 第 5 0页 2 利用 A M E S i m仿真验证了分流阀在该液压 系统中应用的合理性。通过图 7 8的对 比，明显看 出加了分流阀后分流精度显著提高。 3 现在市场上部分用户采用机械方式弥补俯 仰 液压系统 的缺 陷 ，但机 械方 式又 带来 了价格 昂贵、 体积庞大等不足。文 中提出的改进措施节省开资，且 液压系统结构紧凑 、体积小。液压方式明显优于机械 方式 。 参考文献 【 1 】吕明会， 李毅民． 斗轮堆取料机的发展趋势[ J ] ． 港 口装 卸， 2 0 0 8 2 6 9 ． 【 2 】张绍濂． 悬臂式斗轮堆取料机结构形式分析[ J ] ． 上海 电力， 1 9 9 8 1 71 0 ． 【 3 】李玉民， 刘勤国． 臂架型堆取料机俯仰液压系统[ J ] ． 起 重运输机械， 2 0 0 8 1 1 8 58 7 ． 【 4 】刘飞鹏． 斗轮堆取料机液压系统改造分析[ J ] ． 包钢科 技， 1 9 9 8 4 1 71 9 ． 【 5 】 章宏甲， 黄谊． 液压传动[ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 O 0 0 ． 【 6 】郭铁桥， 刘长青． 臂式斗轮堆取料机俯仰液压系统分析 [ J ] ． 物流技术， 2 0 0 0 3 1 41 5 ． 【 7 】赵宗华， 侯友夫． 基于 A M E S i m分流阀静动态特性分析 仿真 [ J ／ O L] ．中 国 科 技 论 文 在 线 ， 2 0 1 3 ．h t t p ／ ／ w ww ． d o c i n ． c o m／ p一3 9 0 6 3 7 0 0 2 ． h t m1 ． 【 8 】 付永领， 祁晓野． A M E S i m系统建模与仿真[ M] ． 北京 北京航空航天大学出版社， 2 0 0 6 ．