管柱移运机械臂液压系统仿真-.pdf

第 1 2卷第 3期 2 0 1 4年 6月 中国工程机械学报 C H I N E S E J 0 U R N A L 0 F C O N S T R U C TI O N M AC HI N E R Y Vo 1 ． 1 2 No ． 3 J u n ．2 0 1 4 管柱移运机械臂液压系统仿真 王 妍， 常玉连， 王 晶， 张瑞杰， 雷 娜 东北石油大学 机械科学与工程学院 ， 黑龙江 大庆 1 6 3 3 1 8 摘要 管柱移运机械臂是新型不压井作业装置系统中的一部分 ， 其作用是将水平管柱起升至垂直位置或其逆过 程． 针对机械臂液压系统的性能要求， 对大臂起升过程进行分析并将其简化为阀控非对称缸和定量泵一 溢流阀等 液压单元 ， 建立系统结构模型． 基于 A ME S i m软件搭建大臂起升系统的仿真模型并进行变参数仿真试验． 对试验 结果进行分析， 从而掌握液压系统的动态特性及系统参数随时间的变化情况， 为系统的优化及实际液压系统的 搭建提供了理论支持． 关键词 机械臂；液压系统； A ME S i m； 动态仿真 中图分类号 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 2 5 5 8 1 2 0 1 4 0 3 0 2 1 80 5 Hydr a ul i c s ys t e m s i m ul a t i on o n m e c hani c a l ar m of pi pe - s t r i ng c o nv e y or s W AN G Y a n ，C H A N G Y u - l i a n， W AN G J i n g ， Z H A NG Ru i - j i e ， L E I N a No r t h e as t P et r o l e u m Un i v e r s i t y， Da q i n g 1 6 3 31 8， Ch i n a Ab s t r a c t Du e t h a t t h e p i p e - s t r i n g c o n v e y i n g me c h a n i c a l a r m i s a p a r t o f n e w s n u b b i n g o p e r a t i o n s y s t e ms ,the p i p e - s t r i n g i s h o i s t e d b i d i r e c t i o n a l l y b e t we e n h o r i z o n t a l a n d v e r t i cal p o s i ti o n s ．A c c o r d i n g t o the h y d r a u l i c s y s t e m s p e c i f i c a t i o n s o f me c han i cal a r ms ，t h e b i g a r m h o i s ti n g p r o c e s s i s a n a l y z e d a n d s i mp l if i e d a s h y d r a u l i c u n i t s o f v a l v e - c o n t r o l l e d n o n - s y mme t r i c c y l i n d e r ，con s t a n t r a t e p u mp a n d r e l i e f v a l v e ． B y con s t r u c t i n g the s y s t e m s t r u c t u r e mo d e l ，the b i g a r m h o i s t i n g s y s t e m，t o g e the r t h v a r i a b l e p a r a me t e r s ，i s s i mu l a t e d u s i n g v I I i m s o f t wa r e ．T h e r e f o r e ，i t i s f o u n d f r o m tes t i n g a n d ana l y s i s r e s u l t s t h a t the ti me - r e l a t e d v a r i a ti o n s o f h y d r a u l i c s y s tem d y n a mi c p r o p e r ti e s a n d p a r a me ters a r e s p e c u l a t e d t o p r o v i d e the the o r e ti c a l r e f e r e n c e s t o s y s t e m o p timi z a ti o n a n d p r a c t i c a l h y d r a u l i c s y s t e m e s tab l i s h me n t ． Ke y wo r d s me c h a n i c a l a r m；h y d r a u l i c s y s t e m；AME S i m；d y n a mi c s i mu l a t i o n 管柱移运机械臂是新型不压井作业装置系统 中 的一部分 ， 其作用是将水平管柱起升至垂直位置或 其逆过程． 两个驱动液压缸对称位于大臂两侧 ， 液压 缸缸体与大臂底座铰接 ， 液压缸活塞杆与大臂连接 铰耳相铰接， 驱动液压缸 即可将大臂 由水平位置起 升到竖直位置． 机械臂末端安装有两个机械手， 用来 保证起升管柱时机械手能够顺利抓取水平管柱及将 其运送到管排架． 机械臂的结构如图 1 所示． A ME S i m是法 国 I MA G I N E公 司于 1 9 9 5年 推 出的一种基于键合 图的高级系统建模 、 仿真及动态 性能分析软件 1 ] ． 本文应用A ME S i m对大臂起升 系 图 1 机械臂结构 Fi g． 1 St r u c t ur e o f me c h a n i c a l a r m 基金 项 目 黑龙 江省教育厅科学技术研究项 目 1 2 5 3 1 0 8 8 ； 东北石油大学 2 0 1 2年度青年基金项 目 k y 1 2 0 2 2 0 作 者简介 王妍 1 9 8 0 ． ， 女 ， 博士 ， 副教授． E - ma i l j wx 0 2 1 2 6 ． c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 王妍 ， 等 管柱移运机械臂液压系统仿真 统进行动态特性分析及参数优化 ， 了解各参数变量 如压力 、 速度 、 位移等 随时间变化 的规律 ， 以确保 现场试验过程 中系统及液压元件 的安全性和稳定 性 ， 并缩短调试周期 叫] ． 1 系统结构模型 与分析 在 A ME S i m的 P L M模块中建立不压井作业装 置大臂起升机构的机械模型 ， 在 A ME ． A n i ma t i o n模 块中的大臂起升机构如图 2所示． 图 2 模块 中的大臂起升 系统 Fi g． 2 Li Ri n g s y s t e m o f me c h a n i c a l a r m i n t he mo d u l e 液压缸启 动时， 大臂处于水平状态 ， 液压缸所 受的负载最 大， 由于启动时 的压力突变 ， 会 出现液 压冲击现象． 随着大臂旋转角度 的增加 ， 液压缸行 程逐渐增加 ， 负载逐渐减小． 当大臂旋转至 9 0 。 时 ， 传感器给出停 止信 号， 系统停止工作 ． 由于液压 系 统流量 的突变， 系统将 出现小 幅度 的振 动 ， 在 阻尼 的作用下 ， 振动逐渐衰减． 2 大臂起升系统建模 2 ． 1 大臂机械模型的建立 根据实际 的大臂起 升作 业系统利用 A ME S i m 平面机构库构建大臂模型 ， 机械模 型如 图 3所示 ． 根据起升系统 的实际情况 ， 设 置模 型的参数如表 1 所示 ． 表 1 系统机械模型 主要参数 Ta b ． 1 Ma i n p a r a me t e r s o f me c ha ni c al mo d e l 模块 主要参数 杆机构 M P2 3 0 0 3 0 k g2 , ． G 4 9 4 m 5． ， 5 P 1 2 2 3 m ,G 一 0． - 1 08 0． 0 m 1 8 m 缸d6 5 rai n ， D1 6 0 ra i n 表 中 M 为机械臂质量 ； G ， G 分别为机械臂 重心的 和 坐标 ； Pz 3 ， P 2 3 分别 为液压缸支 点处的 和 Y坐标 ； d为活塞杆直径 ； D 为液压缸 缸筒内径． 图 3 大臂 机构在 A MES i m 中的机械模型 Fi g ． 3 Me c h a ni c a l mo d e l o f a r m i n AMESi m 在 A ME S i m草图模式中， 利用液压库搭建油源 与阀控模型 ， 与库 中液压缸模 型连 接， 构建成完整 的起升系统[ 5 ] ． 为 了防止大臂 由于 自重 自行下落而 造成事故或冲击 ， 将单 向顺序 阀设 置在承载液压缸 下行的回油路上， 产生一定的背压， 阻止其下降或 是使下降缓慢进行 ， 并将单向顺序阀的调定压力调 整到与重物相平衡或是大于它 ， 这种液压 回路即为 平衡 回路． 此回路中由于大臂起升过程 中负载是变 化 的， 变负载下的平衡 阀需要选择开 口面积 ， 此 面 积决定 了液控力 ， 并且在负载变化较大时需要选择 外控式平 衡 阀， 因而建立 的大 臂起 升 系统如 图 4 所示 ． 1 _ 重力标记 ；2 ． 液 压流 体特性索引标记；3 ． 机构运动标记 ； 4 ． 角位移传 感器；5 ． 杆机构 大臂 ；6 ． P I 肌 液压缸； 7 ． 液压模块中液压缸；8 ． 软管9 ． 平衡阀；1 O ． 三位六通控制阀 l 1 ． 溢流阀；1 2 ． 高压泵；l 3 ． 过滤器1 4 ． 电机1 5 ． 单向阀； l 6 ． 信号增益；1 7 ． 反馈信号 ；l 8 ． 分段线性信 号源 图4 大臂起升系统仿真模型 Fi g ． 4 S i mu l a t i o n mo d e l o f a r n l l i f t i n g s y s t e m 3 液压 系统仿真分析 在A ME S i m中设定仿真时间和通讯间隔， 运行 工作循环并输出系统的仿真曲线． 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 2卷 3 ． 1 阀控仿 真分 析 一 1 三位流通换向阀的控制输入信号如图 5所 示 ． 大臂起升和下降的总过程设置为 1 8 0 S ， 0 ～8 0 S 为大臂机构的起升阶段 ， 旋 转角度 由 0 。 ～9 0 。 到达 起竖位置； 中间停顿 2 0 S时间， i 0 0 1 8 0 S为大臂 机构的下降阶段 ， 旋转角度 由 9 0 。 ～0 。 回到初始水 平位置 ， 通过 阀控信号实现大臂起升和下降的匀速 运动 ， 速度均为 O ． 0 2 r a d S ． 图 5阀输 入 信 号 Fi g． 5 I n p ut s i g n a l o f t h e v a l v e 运行后得到的大臂机构 的旋转角速度 ， 如 图 6 所示 ． 由控制 阀的输入信号控制换 向阀的动作 ， 由 仿真曲线可以看出， 大臂机构起升和下降过程中速 度均保持 0 ． 1 8 7 rrai n ～， 并且基 本保持 匀速运 动 ， 符合设计要求 ． 由图 6可 以看 出， 大臂 刚刚起 升， 以及下降位置时的速度波动较大． 液压缸启动 时 ， 大臂处于水平状态 ， 液压缸所受 的负载最大 ， 由 于启动时的压力 、 流量突变 ， 从 而出现液压 冲击现 象 ， 使得大臂机构 刚刚起升 时的速度波 动较大． 随 着大臂机构 回转角度 的增 大 ， 液 压缸行程 逐渐增 大 ， 负载逐渐减小 ， 速度趋于稳定 ． 大臂下降过程 中 当大臂趋于水平位置时， 同样 由于压力突变为零 以 及流量的突变 ， 使得大臂速度出现较大波动． 图 6 大臂旋转角速度 曲线 Fi g． 6 Ang ul a r v e l o c i t y c u r v e o f me c h a n i c a l a r m 2 大臂升降过程中液压缸活塞杆的位移 、 速度 曲线分别如图 7 ， 8 所示 ， 液缸有杆腔、 无杆腔 的工作 压力分别如图 9 ， 1 0 所示． 液压缸的压力、 流量 以及活 塞杆的速度曲线波动较大 ， 同上述一样 ， 液压系统启 动时， 压力流量突变 ， 产生液压冲击， 从而引起波动． 0 ． 5 ～8 0 S ， 两液压缸 由杆腔进油， 推动活塞杆推出， 起升大臂 ， 起升速度的峰值为 0 ． 1 7 m s ～， 而后基 本保持匀速运动． 工作压力刚刚起升时最大， 随着大 臂旋转角度的增大， 压力逐渐减小 ， 旋转到竖直位置 时， 压力趋 近 于零 ， 最大 工作 压力 为 7 MP a ． 8 0 ～ 1 0 0 s ， 大臂处于工作位置， 停止运动． 1 0 0 1 8 0 s ， 大 臂开始下降 ， 由于大臂较重 ， 为防止其 由于重力原 因， 出现 自行下落造成事故或是冲击 ， 因而在回油路 上安放了外控式顺序阀即平衡阀， 使其平稳下降， 大 臂的下降速度峰值也为 0 ． 1 7 m s 左右 ， 而后速度 稳定． 由于回油路上设置 的平衡阀使得液压缸产生 较大的背压， 因而压力剧增 ， 峰值达到 8 MP a左右． 由活塞杆 的外力． 时间曲线可以看出， 当大臂处于水 平状态时所受的力是最大的， 为 1 1 5 5 7 7 N． 该压力可 以指导验证液压系统设计过程 中参数计算是 否正 确． 经验证基本与设计计算参数吻合． 图 7 活塞杆 位移- 时 间曲线 Fi g ． 7 Di s p l a c e me n t - t i me c ur v e o f t h e pi s t o n r o d 3 ． 2 阀控仿真分析二 1 三位流通换向阀的控制输入信号如图 1 1 所 示． 大臂起升和下降总过程的时间设置为 1 8 0 S ， 此时 仅给出阀的一个开启闭合的信号分析仿真曲线． 2 运行后得到的大臂的旋转角速度 ， 如 图 1 2 所示． 可以看 出， 与仿 真分 析一得 出的大臂机构 的 速度曲线大不相同． 仿真分析一基本实现大臂的匀 速旋转 ， 而此仿真中起升和下降的过程 中均是变化 的， 升降的过程 中速度是逐渐增大 的， 最大值达 到 1 ． 5 r mi n ～， 约为仿 真一 中大臂旋转角速度 的 8 倍 ． 升降时间均减小为 2 0 s ， 提高 了大臂工作效率 ， 但速度过快导致大臂升降过程 的稳定性大大降低 ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 王妍 ， 等 管柱移运机械臂液压系统仿 真 2 2 1 因而应通过控制使大臂起升速度稳定到某一范围 内， 从而提高整套机构的稳定性和安全性 ． Z ＼ 时间 ／ S 图 8 活塞杆速度一 时间曲线 Fi g ． 8 S p e e d - t i me c u r v e o f t h e p i s t o n r o d 1 o 3 时间 ／ S 图9 活塞杆外力- 时间曲线 Fi g． 9 Fo r c e - t i me c u r v e o f t h e p i s t o n r od 时间 ／ S 图 l 0 液压缸进油 回油腔压 力． 时间 曲线 Fi g ． 1 0 Oi l c a v i t y’ S p r e s s u r e - t i me c u r v e o f t h e h y d r a ul i c c y l i n d e r 一 ＼ 搬 样 时间 ／ S 图 1 1 阀输入信号 Fi g ． 1 1 I n p ut s i g na l o f t h e v a l v e 图 1 2 大臂旋转角速度曲线 Fi g． 1 2 An g u l a r v e l o c i t y c u r v e o f m e c h a n i c a l a l ff t 3 大臂 升降过程 中液压缸所 受外力 曲线如 图 1 3所示． 与仿真一 中的外力变化趋势基本相同 ， 大臂升降过程中液压缸活塞杆的位移 、 速度及液缸 有杆腔的工作压 力 曲线分别如 图 1 4 1 6所示． 可 以看出活塞杆速度变化较大 ， 导致大臂升降速度变 化 ， 而 液 压缸 进 口压 力 变 化 趋 势 与仿 真一 基 本 相同． 图 1 3 活塞杆外力 时间曲线 Fi g． 1 3 Fo r c e - t i me c u r v e o f t h e p i s t o n r od T s ．葺 ／ 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 2卷 图 l 4 活塞杆位移- 时间曲线 Fi g ． 1 4 Di s p l a c e m e n t - t i me c u r v e o f t h e p i s t o n r o d 0 ． 1 5 0． 1 0 三 0 ．0 5 邑 ＼ { 赵0 一0．0 5 0． 1 0 0 50 1 0 0 1 5 0 2 0 0 时间 ／ S 图 1 5 活塞杆速度- 时间 曲线 Fi g ． 1 5 S p e e d - t i me c u r v e o f t h e p i s t o n r od 1 2 0 1 0 0 8 0 喜60 4 O 幽 2 0 O -2 0 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 时间 ／ S 图 1 6 液压缸进油腔压力- 时间曲线 Fi g ． 1 6 Oi l c a v i t y ’ S p r e s s ur e - t i me c u r v e o f t h e h y d r a u l i c c y l i nd e r 4 仿真试验结论 1 由仿真分析可以得 出 仿真模型 的搭建基 本正确 ， 仿真结果满足设计要求． 2 同一液压系统模型， 控制 阀的输入信号不 同， 对大臂的起升过程具有不同的作用效果． 仿真一 的控制信号能够使大臂以匀 角速度起 升， 仿真二直 接给控制阀一开启信号 ， 同样能够实现大臂的升降， 但大臂为变速旋转运动 ， 且与仿真一相 比速度变化 较大， 使得大臂运动不稳定 ， 因而在试验中我们应通 过控制阀开 口变化来实现大臂升降的匀速运动． 3 仿真一中， 大臂起升下 降的过程基本实现 匀速运动状态， 符合设计要求， 系统启动和停止时 由于压力流量的突变存在一定 的速度波动 ， 因而试 验研究时同样 可通 过调节手动换 向阀的方法逐渐 减小阀的开 口大小 ， 使流量尽可能地逐渐减小 ． 压 力波动可以从机械设计上着手 ， 设计压力缓 冲装置 可以减小大臂升降过程中的冲击 ． 4 对于整个系统 ， 最好加 蓄能器 以吸收液压 泵突然启动或停止 ， 阀突然关闭、 开启或换 向时 由 系统压力突变产生的冲击， 同时也能吸收液压泵工 作时的流量脉动所引起的压力脉动 ， 从 而控制大臂 速度 波动 ． 本文利用 A ME S i m 软件对 大臂起 升系统进行 了动态特性 的仿真分析 ， 首先对 E S i m软件 的功 能特点以及操作步骤作 了简要介绍 ， 然后建立 了大 臂起升系统 的仿真模 型， 通过得到的仿真 曲线 ， 对 各个液压系统 的动 、 静态特性进行分析 ， 验证 液压 系统建立的正确性 ， 并提出 了一些合理化建议 ， 为 改进设计提供理论依据． 参考文献 [ 1 ] 侯琳． 多学科领域复杂系统仿真平台A M E s i m软件功能 简介E J ] ． C A D ／ C 与制造业信息化， 2 0 0 5 ， 1 0 1 2 5 6 5 9 ． H0U L i n ．C o mple x s i mu l a t i o n p l a t f o r m i n mu l t i d i s c i pli n a r y f i e 1 1 _t h e i n t r o d u c t i o n o f A ME S i m s o f t w a r e[ J] ．Di g i t a l Ma n u f a c t u r i n g I n d u s t r y， 2 0 05， 1 0 1 2 5 65 9． [ 2 3 杨典作 ． L G 6 6 0挖掘 机液压 传动 系统研 究 E D] ． 长 春 吉林 大 学 ， 2 0 0 9 ． YA NG Di a n z u o ． Re s e a r c h o n t h e h y d r a ul i c t r a ns mi s s io n s y s t e m o f L G 6 6 0 e x c a v a t o r [． D ] ． C h a n g c h u n J i l i n U n iv e r s i t y ， 2 0 0 9 ． [ 3 ] 李成功， 和彦淼． 液压系统建模与仿真分析[ M] ． 北京 航空工 业出版社 ， 2 0 0 8 ． LI Ch e n g g o n g，HE Ya n mi a o． Mo d e l i n g a n d s i mu l a t i o n o f the h y d r a u l i c s y s t e m[ M] ． B e i j i n g A v i a t i o n I n d u s t r y P r e s s ， 2 0 0 8 ． [ 4 ] L I C h e n g g o n g ， J I A O Z o n g x i a ． T h e r m a l - h y d r a u l i c m ode l in g a n d s i mu la t i o n o f p i s t o n p u mp [- J ] ． C h i n e s e J o u r n a l o f A e r o n a u t ic s ， 2 0 0 6， 1 9 4 3 5 4 3 5 8． [ 5 ] 谢建， 罗治军， 田桂， 等． 基于 A ME S im的导弹起竖系统建模与 仿真r J ] ． 流体传动与控制， 2 0 0 9 ， 9 5 1 3 1 5 ． XI E J i a n， L U0 Z h i j u n， T I A N Gu i ， e t a 1 ． Mo d e l i n g a n d s i mu l a t i o n o f mi s s i l e e r e c t i n g s y s t e m b a s e d o n A ME S i mE J } ． F l u i d P o w e r Tr a n s mi s s i o n Co nt r o l ， 2 0 0 9。 9 5 1 31 5． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m