基于AMESim的全功能强力液压支架试验台垂直加载系统的研究.pdf

Hv dr a u l i c s Pne u ma t i c s S e a l s ／ No． 8 ． 201 0 基于 A M E S i m 的全功能强力液压支架 试验台垂直加载系统的研究 芮 丰 李 然 陈忠强 冯 晓迪 万理想 煤炭科学研究总院上海分院， 上海2 0 0 0 3 0 摘要 本文应用 A M E S i m软件对全功能强力液压 支架试验 台垂直加载系统进行仿真分析。 该 系统是一个典型的四缸同步控制的电液 系统 ， 其特点是大负载 、 大偏载 。 针对试验台工作情况 ， 对垂直加载 系统进行模型设计 、 参数选择和仿真分析 。在总 负载 3 6 0 0 0 K N， 偏载 2 0 0 0 K N情况下 ， 得到四缸位置误差 不超 过 3 ． 8 m m， 对该试验 台的设计制造提供了有价值的参考 。 关键词 A ME S i m， 四缸同步 ， 大 负载 ， 大偏 载 中图分类号 T G1 5 6 文献标识 码 A 文章编号 1 0 0 8 - 0 8 1 3 2 0 1 0 0 8 - 0 0 4 1 - 0 4 An a l y s i s o n t he Ve r t i c a l Lo a d S y s t e m o f Fu l l -f u n c t i o n Po we r f u l Hy d r a u h c S u p po r t Te s t BED Ba s e d o n AM ES i m RU／ LI Ra n CHEN Zh o n g- qi an g FENG 一 WAN Li - xi an g F l u i d P o we r Re s e a r c h I n s t i t u t e S h a n g h a i B r a n c h， Ch i n a C o a l Re s e a r c h I n s t i t u t e， S h a n g h a i 2 0 0 0 3 0 C h i n a Ab s t r a c t I n t h i s p a p er AMESi m s o f t wo l e i s pr o po s e d t o f o c us on t h e s i mul a t i o n a nd a n a l y s i s f o r t h e v e r t i c a l l o a d s y s t e m of f u l l f un c t i on p o w e rf u l h y d r a u l i c s y s t e m t e s t - b e d ． T h e s y s t e m i s a c l a s s i c e l e c t r o h y d r a u l i c s y s t e m o f f o u r c y l i n d e r s y n c h r o n i z a t i o n ， wi t h l a r g e l o a d a n d l a r g e un e v e n l o a d． Co mpu t a t i on a l s i mul a t i o ns a r e c a r r i e d o ut for t h e s y s t e m wi t h AMESi m un d e r t he c o n di t i o ns o f t o t a l l o a d o f 36 0 0 0 KN a n d un e v e n l o a d o f 2 O 0 0KN． Th e s i mu l a t i o n r e s u l t s s ho w t h a t f ou r c y l i n de r p o s i t i o n e r r o r l e s s t h a n 3． 8 mm． The r e i s i mp o r e a nt r e f e r e nt i a l v a l u e f o r t he d e s i gn a nd ma n uf a c t ur e o f t h e t e s t b e d． Ke y W o r d s AME S i m； f o u r c y l i n d e r s y n c h r o n i z a t i o n ； l a r g e l o a d ； l a r g e u n e v e n l o a d U 日 IJ舌 液压支架试验台是检测煤矿用液压支架的重要设 备， 其检测能力保障着液压支架的可靠性和安全性 ， 促 进 着 大尺 寸 、 大 负载 液 压支 架 的研 发 和 应用 。 目前 ， 国 内还 没有 带 外加 载 的液 压 支 架试 验 台 ，不 能 满足 国家 标准 、 行业标准对液压支架 的试验要求 。因此 ， 研发该 收稿 日期 2 0 1 0 0 4 2 3 作者简介 芮 丰 1 9 5 8 一 ， 男， 煤炭科学研 究总院上海 分院硕士 研究生 导 师 、 研究员 ， 主要研究方向为机电液一体化系统设计。 类 型 的试 验 台具有 重 要应 用价 值 。本 文 即是 对该 试 验 台整体进行初步研发的关键部分。 垂直加载系统是试验台的重要部分 ，其实质是 四 缸在大负载大偏载情况下的速度 同步。在四缸初始位 置相 同时 ， 速度 同步 也表现 为位 置 同步 。多缸 同步在 液 压 领 域是 一 个 经典 的 控制 问题 ．在各 种 工程 机 械 中有 非 常广 泛 的实 际应用 。从 理论 上讲 ， 四缸 结构 的对称 性 使得它们很容易进行同步。在实际应用中 ， 由于泄漏 、 负载变化和元件死 区等因素 ， 尤其是在数万 k N级大负 载 以及数 千 k N大偏 载情 况 下 ， 实现 四缸 同步 具有 较 大 十一十一十-十一十一十一十一十-十一十-十一十一十一十。十-十-十。十。十。十 十 十。十 。 。 。 卜 。 卜 。 卜 。 。 。 卜 。 卜 。 。 。 卜 。 卜 。 卜 。十。 ‘ ‘ 卜 十 1 。十。十 十。十。十 十 4 结 诊 【 2 】 齐潘国． 飞行模拟器液压操纵负荷系统力感模拟方法研究 『 D 1 ． 哈尔滨工业大学博士学位 论文， 2 0 0 9 6 4 6 7 ． 从 控 制算 法 上解 决 了操纵 负 荷 系 统 的惯性 补 偿 问 [ 3 1 J H N D ． HAL L ， J 0HNs 0N c I r r Y ． AL F RE D s ． 题 。提出的基于力控制回路的控制算法 ， 可 以在不对原 s i l a 【 I 】 。 t l l o a d i g i n e r t i 。 p 。 I o r 『 P 1 ．Uni t e d 有的操纵负荷系统硬件做任何修改的情 况下 ，补偿操 S t P a l e t 4 , 2 3 6 ． 3 2 5 fi l 。 d 1 9 8 0 ． 纵负荷系统的机构惯量 ， 实现小惯性力的模拟。该算法 I 4 I H I L D R E T H ，B R U C E L ．M o t o r c o n t r o l l o a d i n g s y s t e m 的稳定 性 和有效 性均 得 到充分 的 实验 验证 。 a n d m e t h o d [ P ] ．E u r o p e a n P a t e n t U S 6 0 4 4 7 9 fi l e d 1 9 9 1 ． 【 5 】 MART I N EZ M，RAHK OL A A，WOODARD M．De v e l o p 一 参 考 文 献 i t 】 齐潘国 ， 等． 基于位置控 制的液压操纵 负荷系统⋯． 吉林大学 学报 工学 版 ， 2 0 0 8 ， 3 8 s 2 l 2 8 一 l 3 3 ． me nt o f a 1 0 c h a nn e l r e c o n fig u r a bl e hi g h p e rfo r ma nc e c o n t r o l l o a d i n g s y s t e m [ J ] ．A I A A M o d e l i n g a n d S i m u l a t i o n Te ch n ol o g i e s Co n f e r e n c e． Mo nt r e a l ， 2 0 0 1 I - 9． 【 6 】 I5 I 行模拟设备的鉴定和使 tI C C A R 一 6 0 I s ] ．2 0 0 5 6 8 7 0 ． 41 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 0年 第 8期 难度。本文针对试验 台垂直加载系统的工作情况， 设计 主从式阀控缸系统。使用 A ME S i m软件对该系统进行 仿真分析 ， 到四缸同步精度 ， 并对结果进行分析。 l 试验 台介绍 全 功 能 强 力 液 压 支 架 试 验 台 三 维 结 构 如 图 1所 示。试验台主要是依照国家标准和行业标准中的试验 项 目对液压支架进行内加载试验和外加载试验。其 中 垂直加载系统对完成外加载试验具有重要作用。 1 一项梁2 一右 门架 粱3 一 上 平 台4 一左 门架 梁5 一F平 台组 件 图 1 全功能强力液压支架试验台三维结构 结构方面 ， 顶梁 、 左右门架梁和下平台组件 中的固 定梁组成一个固定的封闭空间，上平台的高度有级可 调 ， 垂直 加载系统 集成在 下平 台组 件里 面 。 2 垂直加载系统建模及负载分析 2 。 1 垂直加载 系统模 型建立 A ME S i m是世界著名的工程系统高级建模与仿真 平台， 它提供了一个系统级设计仿真的完整平台． 使得 用户可以在单一的平台上建立复杂的机电液一体化系 统模型 ， 并在此基础上进行仿真计算和深入的分析。 基 于 A ME S i m 的 电液位 置 同步 系统 的简化 模 型如 图 2 所示。 系统使用 比例阀控制液压缸的主从方式。 液 压油 源 1 、电动机 2 、泵 3和溢 流阀 5为 系统 提供 3 1 ． 5 MP a的稳定压力油源 。系统包括四套阀控缸子系 统。最右面的阀控缸系统为主令系统 ， 其他三套为从动 系统。 在主令系统中， 信号源 3 1 作用于伺服阀 l 5 ． 从而 使主令缸 1 9做主运动 ，并通过位置传感器 2 6组成主 令系统的闭环控制系统。从动缸 1 6 、 1 7和 1 8在主令系 统传感器 2 6 、 2 7的作用下产生从动，并通过各 自位置 传感器 2 3 、 2 4和 2 5的反馈构成从动系统的位置闭环 控制。主令系统的传感器包括位移传感器 2 6和速度传 感器 2 7 。 其 中速度传感器 2 7的信号通过积分环节传送 到三个从动系统 ， 用以弥补位置传感器的信号滞后。 42 1 一 液压油源2 一电动机3 一 泵4 、 6 、 8 、 9、 1 0 、 l 】 一 油箱 5 ～ 溢流阀7 一 蓄能器 l 2、 l 3 、 l 4 、 1 5 一 比例阀 l 6 、 l 7 、 l 8 、 1 9 一 液压缸 2 O 、 2 1 、 2 2 一 P I D控制器2 3 、 2 4 、 2 5 、 2 6 一 位移传感器2 7 一 速度传感器 2 8 、 2 9 、 3 0 一 积分环节3 1 一 位移信号发生器3 2 、 3 3 、 3 4 、 3 5 一 力信号转换器 3 6 、 3 7 、 3 8 、 3 9 一 力信号发生器4 O、 4 1 、 4 2 、 4 3 、 4 4、 4 5 、 4 6 一 比较器 4 7、 4 8 、 4 9 、 5 O 、 5 1 、 5 2、 5 3 、 5 4 、 5 5、 5 6 、 5 7 一 放 大器 图 2基于 A ME S i m的电液位置同步系统 的模型 2 ． 2子模型 参数选 择与 计算 四缸总负载包括额定载荷 、下平台组件的部分重 力载荷和被试支架重力载荷。 经计算 ， 四缸总负载约为 2 7 4 0 0 k N， 每缸负载 68 5 0 k N左右 。考虑到四缸分布情 况、 实际试验情况以及下一阶段的研发工作， 本文为每 缸提出仿真负载为 主令缸 1 9 、 从动缸 1 8的负载为 1 0 0 0 o k N， 从动缸 1 6 、 l 7的负载为 8 O 0 0 k N。 在 A ME S i m中为每个元件选择子模型。系统设定 压力 3 1 ． 5 MP a ， 液压缸最大负载 1 0 0 0 0 k N， 这样得到缸 内径为 6 2 9 ． 5 4 mm， 设定缸内径 6 3 0 m m， 杆径 3 1 5 mm。 在 这个简化系统 中，泵流量的设置远远大于系统最大流 量， 用来弥补四个比例阀的泄漏。 系统其他参数设置如表1 所示 。 表 1 元件参数设置表 Hy dr a u l i c s Pne u ma t i c s＆ S e a l s ／ No． 8 ． 2 01 0 HS v3 4 0 1 4 HS V3 4 0 1 3 } V3 4 ．_ O1 2 m v 0 1 ． 1 HI 0 4 HI O 0 00 H『 0 0 0 - 2 Ⅲ OO 0 - 1 P Ⅲ0O l 一 3 P 正 o 0 1 2 P 瑾 0 0 1 ． 3 姗1 4 啪1 3 I Dl 2 咖1 0 - l VI U1 l DⅡ 3 2 D 1 UD0 o_ 2 UD0 o - 3 UDO o 4 UD0 0 - 5 1 2 P o r t Pt oA fl o w r a t e 7 5 I ／ mi n l 3 P o r t Bt oTf l o wr a t e 7 5 I J mi n 1 4 Po r t Pt o Bfl ow r a t e 75 L ／ rai n l 5 Po r t A to Tf low r a t e 75 I J mi n Pis ton d i a m e t e r 6 3 0 n 玳1 ● Di a n tero f r o d 31 5 r 唧 1 1 6 L e n gth o f s tr o k e l m l 7 To t a l I m s s b e in g l 8 mo v e d 7 4 5 Kg l 9 c o u l o mbf r i c fi o n 1 0 O N s ti c li ou f o r c e 1 0 O N l e a k a g e c o e f fic ie n t 0 ． 0 1 L ／ mi n ／ b a r 2 0 prop o r t i on a l gai n 4 5 n u l l 2l de r i v a t i v ega i n 7 0 n u U 2 2 2 3 o f f s e t tob e s u b tr a c ted 2 4 f r o m d i s p la c e me n t 0 ． 1 m 2 5 2 6 g a i nf o rg n a l o u t p u t 2 0 1 ／ m o f f set t o t x s ub t r a c ted 27 f rom v e lo c i t y l n d s g a i nf o r s i g n a l o u t p u t 50 s h n 28 29 o u t p u t f r o m i n t e r g r a tor l n u l l 3 0 nt m 4 9 e r of s ta g e s 3 o utp u t a t e n do fs ta g e1 l e 0 7 n u l l du r a t io n o f s t a g e l 2 O 瞻 o u t p u t a t s t a ll o f 36 s t a ge 2 l e 0 7 n u l l 3 7 ou t p u t a t e n dof s tag e 2 l e 0 7 n u l l du r a t io n of s tage l 3 0 0 s o u t p ut at s t a r t of s tag e 3 l e 0 7 n u l l durati o n of s tage l 2 0 n u mbe ro f s ta g e s 3 o u t p ut at e n d o f s t a g e l 8 e 4 0 6 n u l l d urati o n of s t a g e l 2 O 魄 ou t p ut at s t a rt o f 3 8 s t a ge 2 8 e 0 6 n ull 3 9 on t p ut a t e n d of s t a g e2 8 e 0 6 n ull d ura t i o n o f s t a ge l 3 0瞻 o u t p u t a t s t a rt of s tage 3 8 e 0 6 n ul l d ur at i o no f s tage 1 2 O 0 s GA ∞ - 7 GA0 o GA 0 o_5 GA0 04 GA0 0 1 1 G枷0 GA 0 0_2 GAo D一 1 GA0 0 GAo 09 4 7 48 4 9 5 0 5l 5 2 5 3 5 4 5 5 5 6 5 7 v a l u eof g a in v a l u eof g a i n v a l u eo fg a in v a l u eof g a in 2 3 0 0 n u l l 2 4 0 0 n u l l 5 0 0 n u l l 1 7mm v du eof g a i n 2 0 0 n u l l 2 ． 3 仿 真结 果分 析 设定仿真时间 7 0 0 s ， 保压 3 0 0 s 。采样周期 0 ． 0 0 5 s 。 得到四缸位移曲线如图 3所示。曲线 1 、 2 、 3和 4分别 是液压缸 l 9 、 1 8 、 l 7和 1 6的位移曲线 。 X Time ／ s 圈 3四缸 位 移 曲 线 在 A ME S i m 中，还可以得到主令缸与从动缸 的位 移差值与时间的关系曲线 ， 曲线如图 4所示。曲线 1 、 2 和 3分别是主令缸与从动缸 l 8 、 l 7 、 l 6的位移差值 与 时间的关系曲线。仿真显示 ， 从动缸与主令缸位移最大 差值是 3 ． 7 8 5 1 1 6 ram。 X l me／ s 图 4主令缸与从动缸 的位移差与时间的关 系曲线 2 ． 4 部分参数对仿真结果的影响 在 如 图 3所 示 的 电液 系统 中 ，液 压元 件 的参 数 由 计算得到 ，主要调试 的是闭环 回路中反馈信号对位移 同步的影响。在仿真过程 中， 发现以下主要参数的单独 变化引起仿真结果变化的大致趋势。 当放 大 器 、 、 的值 为分 别 为 2 0 0 、 1 0 0 0 、 3 0 0 0时， 位移差值曲线如图 5中曲线 l 、 2 、 3所示 ， K值 4 3 液 压 气 动 与 密 封／ 2 0 1 0年 第 8期 越大 ， 位移差值越大。 在实际应用 中，可以采用信号放大电路来实现放 大器值的设定。 一一1 - - -d 4[ m 一 一 一 一 一 一 一 一 簿 一 ～31 6J mL _ 一 7 麦 1 2-一 3一 l 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 5 0 0 7 0 0 X T i me ／ s 图 5 K4 7 、 、 ， 鹌分 别 为 2 0 0、 1 0 00、 3 0 0 0时位 移 差 值 曲 线 在每一个单独的从动阀控缸系统，如阀 1 2 、缸 l 6 系统中， 和 的差值变大会引起该从动缸与主令缸 位移差值变大。本文中， 取 K 和 K 研值相同， 为 2 0 0当 这个值分别为 l O、 l O 0 、 3 0 0时，位移差值曲线分别如图 6中曲线 3 、 2 、 1 所示。 值越小， 位移差值越大。 j ； ／ 三 I I t I y ／ 1 2 一 O 8 I m ] 7 _ ■T -- -- l d 7 I m 】 X T i me ／ s 网 5 K K 分别为 1 0、 1 0 0、 3 0 0时位移差值曲线 仿真中采用的 P I D控制实际上是 P D控制 ， P -- 4 5 ， D 7 0。 3 结论 AME S i m软件是对机 电液系统进行联合仿真的一 个有效手段。本文通过建立大负载大偏载情况下的四 缸位移同步系统， 并通过 AM E S i m软件进行仿真， 得到 了位移及位移差值 。还考查到各环节对同步控制的影 响。这些工作将为对该试验台的进～步研发提供可靠 的基础数据 ， 将为下一阶段 的偏载分析 、 元件选型和机 械结 构设计 提供初 步参 考。 参 考 文 献 【 l l 陈忠强． 3 0 0 0 k N液压支架试验 台系统方案设计[ R I ． 上海 煤 炭科学研究总院上海分院液压所． 2 0 0 9 ． 【 2 】 董玉红 ， 徐丽 萍． 机械控制工程基础[ M I ． 北 京 机械工业 出版 社 ． 2 0 0 7 ． 【 3 】 刘豹 ， 唐万生． 现代控制理论【 M 】 ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 5 ． [ 4 j 吴振顺． 液压控制系统I M ] ． 北京 高等教育出版社 ， 1 9 7 6 ． 【 5 】 王金利． 液压支架试验台升降同步控制 系统的研究【 D 】 ． 上海 煤炭科学研 究总院上海分 院液压所， 2 0 0 9 ． 【 6 】 M T 3 l 2 2 0 0 0 ． 煤 矿用 液压 支架安 全性 第 l 部 分 通 用技 术条件f F I ． 北京尉家家煤炭工业局， 2 0 0 2 ． 十 一- - 卜一 一 一- - - 一 一 -一 - 4 -一 一 一一 一 一一 一 一 - 一 一一 - 一 - 4 - -- 4 - - 一- - 4 - - - 4 -- - *- 一 4- - “ 4 - - - - 4 - - - 4 ． - -- 4 - 上接第 3 l 页 3 结论 本文建立 了流量限制装置抗 冲击特性数学模型及 S i m u l i n k仿 真模 型 ，进 行 了无 冲 击工 作状 态 下 及分 别 x、 Y两冲击方向的仿真及分析 ， 仿真结果表明 1 流量限制装置在无冲击工作状态下工作稳定 、 响应灵敏、 超流量时关断迅速。 2 在船用冲击指标下分别对 x、 Y两个方 向进行 冲击，主阀芯均未出现误动作 ，符合船用 冲击指标要 求 。 3 在 接近关 断 流量 时 的流 量状 态下 ， X方 向受 到 冲击时， 比较阀芯出现大幅度波动 ， 在油压及弹簧力作 用下 ， 能很快恢复原位 ， 且 因有阻尼孑 L 存在 ． 可以很好 的减小对 主 阀芯 被压腔 压 力和 流量 的影 响 ．故主 阀芯 不会出现误动作 ，此处 比较阀j 芷 及阻尼孑 L 存在对抗 冲 击特性起到重要作用。 4 抗 冲击特性仿真模型及结果显示流量限制装 置的工作状态稳定， 抗 冲击特性 良好， 可为进一步对限 速阀类抗冲击特性的仿真研究有一定的参考价值。 参 考 文 献 【 l 】 杨峥． 限速切断阀柱液压系统失压保护中的应用I J 1 ． 液压与气 动 ， 2 0 0 0 8 2 7 2 8 ． 【 2 】 胡 同良， 徐兵 ， 杨华 勇， 张一丁． 新 型限速切 断阀的流量关断 特性分析f J 1 ． 机械 I 学报 ， 2 0 0 4 ， 4 0 6 l 3 2 一 l 3 7 ． 【 3 J 主华， 唐困金． 川遗传算法求解 双冲 最优 交会问题f J 1 ． 中国 窄 M 技 术 ， 2 0 0 3 ， 2 3 I 1 2 5 3 0 ． 『 4 l 褚德英 ， 汪 K， F贞献 ， 华宏 ． 重 载舣波冲 击试验机正波系 统建模与仿 真【 J 1 ． 系 统 仿 真学 报 ， 2 0 0 8 ， 2 0 4 1 0 3 l 一 1 0 3 5 ． 【 5 】 姚熊亮， 冯麟 涵， 张阿漫． 舰船设备抗 冲击时域模拟研究【 J 】 ． 汽 轮机技术 ， 2 0 0 9 ， 5 l 3 l 9 O l 9 4 ． 蹴 越 c ； m m n n n n n m n O O O O 0 0 0 O O n