AMESim仿真技术在换管机液压系统中的应用.pdf

2 山西冶金 S HAN XI MET A L LU RGY T o t a l 1 3 8 No ． 4，2 01 2 文章编号 1 6 7 2 1 1 5 2 2 0 1 2 0 4 0 0 04- 0 4 A M E S i m仿真技术在换管机液压系统中的应用★ 程慧 ， 卫 东东z ， 李超 z ， 原思聪 z 1 ． 西安重装铜川煤矿机械有限公司， 陕西铜川7 2 7 0 0 0 ； 2 ． 西安建筑科技大学机电学院， 陕西西安7 1 0 0 5 5 摘要 提出一种新型液压地下换管机， 介绍其结构组成， 分析其液压系统工作原理。运用液压 ／ 机械仿真软件 A ME S i m对给进 ／ 回拖机构液压系统进行建模与仿真， 分析了影响液压系统动态特性的主要参数， 得 出液压系 统的动态特性曲线。 对后续全自动液压地下换管机物理样机的改进试制具有理论依据和参考价值。 关键词 地下换管机液压 系统A ME S i m建模与仿真 中图分类号 T H1 3 7 ； T P 3 9 1 ． 9 文献标识码 A 收稿日期 2 0 1 2 - 0 6 - 2 7 液压地下换管机是一种应用非开挖技术实施地 下管线工程的关键施工设备。这种技术是利用岩土 导 向、定 向钻进等手段在地表不挖槽的情况下 ， 铺 设 、 跟换或修复各种地下管线的施工新技术 ， 特别适 用于穿越公路、 铁路、 建筑物、 河流、 商业区、 各类保 护区等需要非开挖施工的作业区域[ 。 图 1 为西安建筑科技大学研制的H G 一 8 0 T型液 压换管机虚拟样机三维模型。 其结构主要包括给进 ／ 回拉机构、 回转机构和夹持， 拧卸机构等。给进 ／ 回 拉机构主要提供给进回程中对钻杆 的推力 ，以及 回 拉新管过程 中的拉力。回转机构即液压换管机动力 头提供上 ／ 卸钻杆所需的转矩和转速 ； 夹持 ／ 拧卸机 构用以提供装载和卸载钻杆所需要 的夹紧力和拧卸 力；夹持 ／ 拧卸机构与换管机回转机构配合完成钻 杆的装载卸载钻杆动作 。对于该液压换管机 的液压 系统的设计及仿真， 传统方法多是依靠设计者本身 的知识和经验进行系统设计 ， 然后对物理样机进行 实验和改进， 设计效率低、 生产成本高。随着计算机 仿真技术的迅速发展，在系统设计中使用计算机对 实际系统进行建模仿真， 在制造物理样机之前， 在计 算机上进行仿真实验， 并及 时修改 ， 可以大大缩短设 计周期， 降低设计成本。 1 A ME S i m 软件简介 A ME 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 me n t f o r S im u l a t i o n s o f e n g i n e e r i n g s y s t e m s 表示 “ 工程系统仿 ★基金项目 陕西省教育厅专项项 目 0 9 J K 5 5 9 ； 陕西 省科 技攻关项 目 2 0 1 1 KI O 一 1 8 第一作者简介 程慧 1 9 6 6 一 ， 男 ， 就职于西安重装铜 川煤矿机械有限公司， 助理工程师。E m m l y s c _ 3 c 1 6 3 ． t o m 1 一 夹持 ／ 拧卸机构 ； 2 一机体 ； 3 一回转机构； 4 一给进 ／ 回拉机构 图1 液压换管机结构组成 真高级建模环境”，是法国I M A G I N E公司于 1 9 9 5 年推出的基于键合图的液压 ／ 机械建模、仿真及动 力学仿真分析软件 。它是基于直观的图形界面的建 模平台 ， 使用 图标符号代表系统中的各个元件 ， 仿真 时系统模拟可以显示在该平台中。 在表示元件方面， 对于液压元件采用基于工程领域 的标准 I S O符合 ； 对于控制系统， 则采用图表符号； 对于没有标准符合 的， 则可以 自定义系统图形符号 。A ME S i m软件采用 的建模方法相比传统的功率键合图的建模方法其优 势在于系统模型更能直观地反应系统的工作原理， 用 A M E S i m建立的系统模型与系统工作原理图几乎 一 样。 为满足复杂多样的建模需求， A M E S i m开发有 丰富的元件库， 主要由标准库和附加库组成。 标准库 由包括机械和控制两大类； 附加库包括压液、 液阻、 气动、 热量、 热液等十二大类。A M E S i m的最大优势 在于可以在仿真过程中监视方程特性的改变并 自 动 变换积分算法以获取最佳结果 。这意味着对于普通 用户而言， 只需要设定仿真开始、 结束时间、 最大时 间步长 以及误差限即可进行仿真 ，而不必关系其背 2 0 1 2 年第4期 程慧， 等 AM E S i m仿真技术在换管机液压系统中的应用‘ 后复杂的数学运算。 此外， A M E S i m还具有非常好的 兼容性， 提供了丰富的第三方软件接E l [ z ．3 ] 。 2 换管机液压系统组成及工作原理图 见图 2 l 一 三联柱塞泵 ； 2 -油箱 ； 3 -进油滤油器 ； 4 -内燃机 ； 5 ， 1 0 ， 1 4 ， 2 0 -单 向阀； 6 ， 1 5 ， 2 1 一 先导溢流阀； 7 一 压力表； 8 一回油滤油器； 9 一 截止阀； 1 1 一 调速阀； 1 6 ， 1 9 ， 2 5 ， 2 9 一 节流阀； 1 2 ， 1 7 ， 2 2 ， 3 0 一 三位四通手动换 向阀； 1 3 ， 2 4 ， 2 8 ， 3 1 一液压缸； 1 8 一 液压马达； 2 3 ， 2 7 一 双液控单向阀 图2 地下换管机液压系统原理图 初始状态 各换向阀处于中位 ， 各液压缸为收回 状态 。 装杆过程 将第 1 根拉杆放入夹紧装置中， 调整 换向阀 2 2使前夹紧缸 2 4伸出 ， 夹紧拉杆一端 阴 螺纹 ； 调整换向阀 1 7 使液压马达 1 8 正转， 动力头 上所带阴螺纹与拉杆阳螺纹一端咬合上紧后 ，液压 马达 1 8 压力上升， 调整换向阀 1 7 使其停止转动， 溢 流 阀 1 5卸荷溢流 ； 前夹 紧油缸 2 4收回， 松开拉杆 ； 再调整换向阀 l 2 使主液压缸 1 3 伸出；调整换向阀 2 6 使后夹紧缸 2 8 伸出，夹紧拉杆的另一端 阳螺 纹 ， 使液压马达 1 8反转 ， 动力头上所带阴螺纹与 拉杆阳螺纹松开 ， 动力头停止转动 ， 主液压缸 l 3收 回至初始位置 ； 将第 2根拉杆放在夹紧装置 中， 并使 第 2根拉杆的阴螺纹与第 1 根拉杆的阳螺纹手动旋 合对 中； 调整换向阀 l 7使液压马达 1 8正转 ， 螺纹旋 合后 ， 液压马达 1 8停止 ； 夹紧缸 2 8伸出夹紧第 2根 拉杆的一端 阳螺纹 ； 液压马达 1 8反转 ， 松开 咬合 螺纹 ； 主液压缸 l 3后退至初始位 置 ， 准备安装下一 个拉杆 ， 重复上述过程 ， 直至装杆过程结束 。 卸杆过程 后夹紧缸 2 8 处于伸出状态 ， 其余液 压缸均是收 回状态 ，调整换 向阀 1 2 使 主液压缸 1 3 伸出， 运动至前夹紧处； 液压马达 1 8 正转， 旋合上紧 螺纹 ； 调整换 向阀 2 6 ， 后夹紧缸 2 8收 回， 调整换 向 阀2 2 、 2 6 使前夹紧缸 2 4 和后夹紧缸 2 8 伸出，分别 夹紧旋合在一起的2 根拉杆， 再调整换向阀3 0 使卸 扣缸 3 1 伸出，带动前夹紧装置旋转预定角度后， 前 夹紧缸 2 4和卸扣缸 3 1 立即收回， 动力头马达 l 8反 转， 松开两拉杆的咬合螺纹； 再次执行上一步的动作 后夹紧刚 2 8 处于伸出状态 ，使拉杆与动力头的 咬合螺纹松开； I R出拉杆。重复上述操作， 卸杆过程 结束 。 3 换管机给进， 回拉液压 系统建模与仿真 3 ． 1 给进 ／ 回拉液压系统建模 根据换管机的设计思想和液压系统工作原理， 可按执行机构数量将整个系统的液压 回路分为 3个 相对独立的子系统 ， 以简化研究对象 ， 即动力头回转 回路、 给进 ／ 回拉回路和夹持 ／ 拧卸 回路 。 限于篇幅 ， 本文仅对地下换管机中给进 ／ 回拉回路液压系统进 行建模仿真研究， 另外两个液压回路研究方法类似。 为建立较为准确合理且与实际相符的仿真模 型， 需要作如下假设 忽略液压泵的惯性、 摩擦及内 部泄漏 ， 只考虑其容积效应 ； 根据实际情况， 在有限 的动态分析中， 可以忽略单向阀对系统的影响； 忽略 液压缸的液阻 ， 可以认为油液的密度 、 黏度和弹性模 量为理想状态， 不因压力和温度的变化而变化。 建模 过程如下依据图 2 所示地下换管机液压系统工作 原理 ， 在草图模式 s k e t c h m o d e 下 ， 分别从机械库 M e c h a n ic a 、液压库 H y d r a u l i c 、信号控制库、 S i g n a l ， C o n t r o l a n d O b e r v e r s 选择合适元件并按照 原理图连接好 。建立的地下换管机给进 ／ 回拉机构 的A M E S i m仿真模型如下页图3 所示。值得注意的 是， 图2中集流分流阀 2 3 ， 2 7 并不是 A M E S i m元 件库中标准模型， 需要在液压元件设计库 H y dr a u l i c C o m p o n e n t D e s i g n 中根据其元件结构建立其等效 模型功能的基本单元体[ 引 。 在子模型模式 S u b mo d e l m o d e 1 下 ， 依据具体 问题依次对各元件选择与之对应合理 的数 学模型 ； 在参数模式 P a r a me t e r mo d e 下 ， 为各个 元件设 置 相关属性参数 ；最后进入仿真模式 S im u l a t i o n m o d e ， 设定仿真时间、 时间步长以及误差限后， 开 始仿真 S t a r t a s im u l a t i o n 完成后，可执行分析 A n a l y s i s 菜单下回放 R e p a l y 工具 以检查 系统的 油路图， 从而初步验证所建立的模型是否正确[ 引 。 3 ．2 仿真结果分析 H G 一 8 0 T全液压换管机液压系统仿真结果如 图 4 ～图 1 1 见第6页 ～ 7 页 所示。 6 山西冶金 E- ma i l v e i i n s x 1 2 6 ． c o m 第 3 5 卷 ④ 图 3 给进 ／ 回拉机构液压系统 A ME S i m仿真模型 图 4 一图 7是负载为 4 0 0 k N，手动换 向阀突然 换向时的动态响应 曲线 。从图 4的液压缸无杆腔压 力变化曲线可以看出 系统开始有一个振荡过程， 最 高压力达到 1 4 9 ． 1 8 7 b a r ， 到 l 3 ．3 S 后， 系统到达稳定 状态 ， 压力值为 1 2 9 ． 4 5 2 b a r ； 图 5是液压缸无杆腔流 量 变化曲线 ， 在换 向阀换 向时 ， 流量有个变化过程 ， 1 0 ．5 S 时流量达到峰值 4 7 ． 1 2 0 L ／ m i n ， 1 3 ． 8 S 后流量 完全稳定为 4 5 L ／ ra i n 。图 6为活塞杆速度变化曲线 ， 经过 4 -3 s 的振荡 ，速度到达稳定值 0 ．0 2 3 7 m ／ s ； 由 图 7活塞杆位移变化 曲线可以看 到 活塞杆移动 4 6 _ 3 s 后 ， 位移值为 1 ． 1 m。 下页图8 一图 1 1 是在回拉过程中， 模拟负载的阶 跃信号由4 0 0 k N增至5 0 0 k N时的动态响应曲线。 由 图 8液压缸无杆腔压力变化曲线可以看出 在负载突 然 增加 的瞬 间 ，液 压缸 无杆 腔 的压力 也 随之 由 1 2 9 ．4 5 2 b a r 的稳定值增至最高压力 1 8 6 ．3 5 1 b a r ， 经过 2 ．8 s 的振荡， 压力趋于稳定状态 1 6 1 ．2 7 5 b ar ； 图 9 时间 ， s 图 4 液压缸无杆腔压力变化 曲线 f 4 0 0 k N负载 1 0 2 0 3 0 4 0 5 O 6 0 时间 ， 日 图5 液压缸无杆腔流量变化曲线 4 0 0k N负载 0 ． 0 3 0 O ． 0 2 0 0 ． 01 0 1 O 2 0 3 0 加 5 O 6 o 时间 ， s 图 6 活塞杆速度变化曲线 4 O Ok N负载 时间 ／ s 图 7 活塞杆位移变化曲线【 4 0 0 k N负载 中， 液压缸无杆腔的流量在负载突然变动的瞬间有短 暂 的波动 ， 经过 1 ． 4 s 又恢复稳定流量 4 5 L ／ ra i n ； 图 1 O 中，活塞杆 的稳定运动速度 在负载变动前后 同为 0 ．0 2 3 7 m ／ s ， 在负载变动的瞬间有 2 ．2 s 的振荡； 从图 l 1 活塞杆位移变化曲线看出 经过 4 6 ．6 S ， 活塞杆移 动了 1 ． 1 m。 4 结论 1 由仿真结果可以看出， 在换向阀突然换向以 及负载突然增大时， 液压缸的压力、 流量、 运动速度 都有短时间的振荡， 之后都快速趋于一个稳定值， 说 明系统是稳定的而且响应速度较快。 2 系统的工作参数对给进 ／ 回拉机构的工作性 能有较大的影响， 为了提高其工作性能， 需要匹配合 ∞ ∞ ∞ 加 m O 一 ． - Ⅱ ． 1 一 、 嘲塔翟 幽矮 一 【 ． s - Ⅲ一 、 越 稍蝗 幽逍 出 2 0 1 2 年第 4 期 程慧， 等 A M E S i m仿真技术在换管机液压系统中的应用 7 时间 ／ s 图8 液压缸无杆腔压力变化曲线 5 0 0 k N负载 _ ● l 『 f I ● 0 l O 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 时间 ， s 图 1 0 活塞杆速度变化曲线 5 0 0 k N负载 理的系统工作参数，这对后续的优化设计具有一定 的指导意义 。 参考文献 [ I ] 原思聪， 徐毅， 朱秋菊， 等．基于 A D A M S 的地下换管机液压系 统建模与仿真[ J ] ．煤矿机械， 2 0 1 0 4 6 1 6 3 ． [ 2] 刘海丽 ， 李华聪． 液压机械 系统建仿真 软件 A ME S i m及其应用 [ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 6 6 1 2 4 - 1 2 6 ． 、 ’ 套 蛔 瑗 翟 燃 ● 搂 [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] 时间 ／ s 图 9 液压缸无杆腔流量变化曲线 5 0 0 k N负载 时间 ／ s 图 1 1 活塞杆位移变化曲线 5 0 0k N负载 付永领， 祈晓野． 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 ． 郭军， 吴亚峰， 储妮晟． A M E S i m仿真技术在飞机液压系统中的 应用[ J ] ．计算机辅助工程， 2 0 0 6 6 4 2 - _ 4 5 ． 卫东东 ， 原思聪， 尚敬强， 等． 基于 A M E S i m的液压锚杆钻机冲 击系统建模与仿真 [ J ] ． 煤矿机械， 2 0 1 2 1 7 6 7 8 ． 编辑 胡玉香 Ap p l i c a t i o n o f AM ES i m i n P i p e b u r s t e r Hy d r a u l i c S y s t e m CHENG HI I i ， W EI Do ng do n g 2 ， LI Cha o 2 , YUAN S i c o ng 2 1 X i a l l H e a v y E q u i p m e n t M a n u f a c t u r i n g G r o u p C o ． ， L t d ． ，T o n g c h u a n 7 2 7 0 0 0 ， C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f M e c h a n i c a l and E l e c t r i c a l E n g i n e e ri n g X i a l l U n i v e r s i t y o f A r c h i t e c t u r e a n d T e c h n o l o g y ， X i an 7 1 0 0 5 5 ， C h i n a Abs t r ac t A n e w t y p e h y d r a u l i c u n de r g r o un d p i p e bu r s t e r wa s p r o p o s e d ，t he c o mpo n e n t o f the s t r u c t u r e w a s i n t r o d u c e d ，a n d t h e o p e r a t i o n a l p ri n c i p l e o f the h y d r a u l i c s y s t e m wa s an a l y z e d ．Us i ng h y d r a u l i c ／ me c h a n i c a l s i mu l a t i o n s o f t w a r e AMES i m， the mo d e l i n g a n d s i mu l a t i o n o f t h e p u l l an d p u s h i n s t i t u t i o n s we r e c o n d u c t e d ． T h e n the ma i n p ara me t e r s t h a t i n fl u e n c e the d y n a mi c c h ara c t e r i s t i c s o f t h e h y dra u l i c s y s t e m we r e an a l y z e d ， a n d t h e c u r v e s o f d yn a mi c c h ara c t e ris t i c s w e r e a c h i e v e d ．Th e t h e o r e t i c al b a s i s a n d r e f e r e n c e v alu e we r e p r o dd e d f o r t h e p h y s i c a l p r o t o t y p e t r i al and p a r am e t e r d e s i g n o f the p i p e b u r s t e r ． Ke y wo r d s u n d e r gro u n d p i p e b u r s t e r ，h y dra u li c s y s t e m，AME S i m，mo d e l i n g and s i mu l a t i o n 啪 呦 啪晰咖 0 O O O 0 O 0 n n n 一 【- g 一 、 毯 b } 稍蜒