基于ADAMS的80T液压裂管器液压系统建模与仿真分析.pdf

1 8 6 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 第 1 期 2 0 1 1 年 1月 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 1 O 1 0 1 8 6 0 2 基于 AD A MS的 8 0 T液压裂管器液压 系统建模 与仿真分析 术 原思聪 裴喜永 刘 波 李志远 ’ 西安建筑科技大学 机电工程学院， 西安 7 1 0 0 5 5 重庆宜康实业有限公司， 重庆 4 0 1 1 4 7 Dy n a mi c s i mu l a t i o n f o r h y d r a u l i c s y s t e m o f h y d r o s t a t i c p i p e b u r s t e r b a s e d o n ADAMS YUAN S i - c o ng ， P EI Xi - y o n g ， L I U Bo ， LI Z hi - y ua n S c h o o l o f Me c h ． E l e c ． E n g ． ， X i ’ a n U n i v ． o f A r c h ． T e c h ． ， X i ’ a n 7 1 0 0 5 5 ， C h i n a 。 C h o n g q i n g A p p r s p r i i a t e K a n g I n d u s t n e y C o ． ， HD， C h o n g q i n g 4 0 1 1 4 7 ， C h i n a 中图分类号 T H1 3 2 ， T P 3 3 文献标识码 A 随着城市化建设的快速发展， 地下管道因锈蚀、 容量小等因 素与城市化的发展进程已不相协调 ，改善这些不堪重负的管道 ， 就面临管道的修复、 扩容问题。而传统的地下管道更换方法是通 过开挖地面然后再掩埋沟槽， 然而由此产生的交通堵塞和改道 以及令人不快的噪音和视觉污染 ， 对人们的日常生活、 活动和施 工地周围的商业有着严重的影响_1 I。 基于这一背景 ， 我们设计了新 型的裂管器， 用来替换或修复天然气管道 、 污水管道和管线， 它是 一 种管道在线更换的设备， 可对控制范围内的地下管道进行更换 而不用对地面进行开挖， 不仅能完成管道替换的工作， 还可以增 加管径。 目前， 在国外裂管器已经发展的相当成熟， 美国和丹麦都 已经研发出了适用于不同拉拔力的裂管器， 但换管机在我国的研 发还处于初级阶段， 采用这种非开挖技术安装地下管道， 不仅费 用低、 不破坏路面， 而且还大大减轻了操作者的劳动强度。 根据裂 管器液压系统工作原理， 在 A d a m s ／ H y d r a u l i c s 环境下对裂管器液 压子系统进行仿真研究， 取得了良好效果。 1系统描述 1 ． 1系统主要参数 系统主要参数 ， 如表 1 所示 。 表 1系统主要参数 1 - 2系统工作简述 该液压裂管器的额定拉拔力为 8 0 T ， 可换管直径 2 0 0 , ,．4 0 0 m m， 换管速度为 l O 0 m ／ H r 。换管具体操作过程如下 首先开挖出 放置裂管器以及刀具和新管的工作坑， 然后分别将裂管器以及刀 具放入各自坑中。这时调整裂管器四个支腿的调整机构， 使裂管 器动力头的中心与旧管的中心保持同一水平， 并使裂管器整体保 持水平。 完成后将拉杆一节一节的通过裂管器输送到放置刀具的 坑中， 然后将刀具安装在拉杆上， 新管安装在刀具后边。 之后裂管 器工作， 将拉杆一节一节地卸下。 在卸杆的过程中， 拉杆拉动刀具 和新管一起前进， 即刀具在前爆裂旧管， 新管随后安装。 这样将所 有拉杆拉出时， 两坑之间的旧管就更换完毕。 1 ． 3液压系统工作原理图 8 0 T裂管器工作装置的液压系统原理， 如图 1 所示。其特点 在于多个液压油缸组成的液压回路结构紧凑 、 功能多样 、 且具有 大行程、 大推力等优点， 系统中的5个三位四通手动换向阀分别 控制 5 个不同的液压回路， 可实现工作机构的协调动作。该系统 包括主伸缩回路， 夹紧回路 前后夹紧 ， 扭转回路， 和由马达为执 行机构的旋紧回路等 5个液压回路， 限于篇幅， 本文仅对主回路 液压系统进行仿真分析。 1 ． 4建立系统模型 根据 8 0 T 裂管器的设计思想和工作装置液压系统的工作原理， 可按工作装置的数量将 七 述液压系统划分为 5 个相列独立的的子系 ★来稿 日期 2 0 1 0 0 3 0 4 ★基金项 目 陕西省 自然科学基金资助 2 0 0 7 E 2 1 8 ， 陕西省教育厅科研项 目资助 O 9 J K 5 5 9 第 1 期 原思聪等 基于 A D A MS的 8 0 T液压裂管器液压 系统建模与仿真分析 1 8 7 统， 以简化研究对象， 有主回路、 前加紧回路、 后加紧回路、 扭转回路、 动力头马达回路， 各子系统除执 亍 机构有所不同外， 液压 回路的其它 部分的结构和工作原理基本是相同的，其中除动力头马达回路的执 行机构为液压马达外， 其 它工作回路的执行机构均为液压缸。 利用 A D A MS 建立的虚拟样机 主要由机械系统、液压系统 和控制系统等组成， 建立的工作装置系统模型。 8 0 T裂管器工作时， 控 制系统读 速嚏、 加速度以及液压元件的工作参数等， 然后按照预定 的工作方案控制液压系统各换向阀的开度 ， 实现对整个系统的控制。 图 1工作装置 的液压系统原理图 1 ． 双联泵 2 、 3 ．进油滤油器 4 油 箱 5 、 6 ．溢流阀 7 、 1 4 ． 单向阀 8 、 1 5 ．压力表 9 、 1 6 、 2 1 、 2 2 、 2 3 三 位 四通手动换 向阀 1 0 ． 电磁调速阀 1 1 ．分流集流阀 1 2 、 1 3 ． 主回路油缸 1 7 、 2 5 ． 液压锁 1 9 、 2 0 ．前加紧 回路油缸 2 7 、 2 8 ．后加紧 回路油缸 2 9 ．扭转缸 2 4 ．马达 1 8 ．截止 阀 2 6 ． 回油滤油器 3 O ． 水冷式冷却器 3 1 溢 流阀 2系统的可视化模型 2 ． 1 A D AMS中液压元件模型特点 通过节流孔地流量按式 1 确定 g G P l 一 1 l I 2 J 式中 q 一 流量 ； 、 JP ， 一 节流阀进 、 出口油压 ； 尺 一液 阻； G 液导。 可以看出， 节流孔流量模型具有线性化特点。利用 A D A MS 建模的封装性，只需输入一些必要的参数即可建立元件模型， 并 且该模型具有 良好的复用性 ， 为二次开发提供了极 大的方便。 2 ． 2液压 系统可视化模型的建立 根据图 1 所示的原理图 ， 结合实际液压回路 ， 采用集中参数法 对模型进行简化 ， 在 A D A MS中直接调用各元件模块， 设置各个元 件的参数后将各元件连接成完整的液压回路即可进行仿真分析。 采 用国际单位制 j MK S ， 大气压力设为 1 0 1 ． 3 2 5 k P a 。 其中， 建立液压 缸模型时， 2 个 MA R K E R点中要有一个是旋转副， 这样油缸才能随 着机械模型 回转。模型建好后 ， 用 T E X T B O X工具条将元件连接成 闭合回路， 建立如图2 所示的液压子系统模块可视化模型。 图 2液压系统子模块可视化模型 该 8 0 T 裂 管器 的的液压油缸有 4对 ，均为非对称 的单 出杆 油缸 ， 除几何参数有所不同外 ， 其工作原理均相 同 ， 因此这里建立 的液压缸子模块对于各个液压回路的仿真具有通用性。 3 裂管器的动态性能仿真分析 对主 回路 油缸进行 了仿真 ， 在液压系统回路 中 ， 控制元件通 过控制方程表达式 ， 控制液压流量 ， 从 而控制液压 阀并驱动 液压 破碎机完成预定 的运动 ， 本例用的是阀芯控制 函数 s t e p t i m e ， 0 ．0 ， 0 ．0 ， 0 ．2 ， 1 ．0 s t e p t i m e ， 0 ．4 ， 1 ．0 ， 0 ．6 ， - 1 ． 0 s t e p t i m e ， 0 ． 8 ， 一 1 ．0， 1 ． 0 ， 0 ． 0 ， 进行 1 ． 0 r 1 0 0 步 的动态仿真 。 在 A D A M S环境下， 模拟 主回路油缸的伸缩过程 ， 观察 液压参数的变化。 设置仿真参数 ， 选 择显示液压缸的测量曲线图， 如图3所示， 描述主回路油缸压力 与流量 的变化情况 。 油缸截面积一定时 ， 流速进入油缸的时候 ， 是 没有压力的。流量为零时分别对应着压力的峰值 ， 说明油液不再 进入油缸或者完全排 出油缸 的时候 ，压力达到最大或者最小 ， 这 也符合实际情况 。如 图 3 a 所示 ， 有 杆腔 的压力和 流量 ， 由于负 载的作用， 有杆腔初始压力从接近 1 0 k P a 开始变化。由于伸缩组 成 了主 回路动作 的一个周期 ， 因此在 仿真 时间内， 其压力和流量 曲线在一个周期 内变化 ， 与实测情况相符。 J 、 ／ ， 、 ， n e l r 、 ， ， ， ， 、 ， ， 、 ， ， -● ● 、 ’ l ＼ ， ， ， 、 l ， a 有杆腔的压力和流量曲线 ， ， 『f、、 ＼ E鎏 ， 』 ’ 、 ， ’ 、 | l 、 J ＼ b 无杆腔的压力和流量曲线 图 3主回路油缸的压力和流量仿真 通过在主回路液压缸上加载荷 ， 模拟负荷的变化。 选择液压缸 测量曲线 ，在 c h a r a c t e r i s t i c 里选择油缸速度和油缸受力来进行分 析。 如图4 a 所示， 是负载改变前的方针曲线， 在A D A MS中利用主 工具栏的a p p l i e d f o r c e 载荷包， 在主回路液压缸加载荷， 可得到图4 b 的仿真曲线。 可以看出 负载变化前后主回路油缸的速度和受力 的大小有明显变化， 这与实际情况相符； 负载变化前后主回路油缸 的速度和受力的曲线形状变化不大 ， 说明负载变化前后主回路油缸 都能按照固定的参数曲线工作， 动作协调而不会卡死。 0 2 01 {0 ．0 ～01 言 {～ 0 ． 2 ～0 3 -0． 4 0 -1 r | l | ， 、 ， -_ ● -_- | l ／ l ， 0 ／ - ， ＼ ， ， ， a 负载变化前 的仿真曲线 l 8 8 机 械 设 计 与 制 造 Ma c hi n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 第 1 期 2 0 1 1 年 1月 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 1 0 1 0 1 8 8 0 3 花键冷滚压成形力测试与分析 术 刘志奇 李永堂 李旭 东 齐会萍z ’ 兰州理工大学 甘肃省有色金属新材料国家重点实验室， 兰州 7 3 0 0 5 0 太原科技大学 机电工程学院， 太原 0 3 0 0 2 4 Te s t a n d a n a l y s i s o f t h e r O r mi n g f o r c e i n c o l d r o l l i n g s p l i n e L I U Z h i - q i ， L I Y o n g - t a n g ， L I Xu - d o n g ， Q I H u i - p i n g 。 S t a t e K e y L a b o r a t o ry o f G a n s u A d v a n c e d N o n F e r r o u s Me t a l Ma t e r i a l s ． L a n z h o u U n i v e r s i t y o f S c i e n c e T e c h n o l o g y ， L a n z h o u 7 3 0 0 5 0 ， C h i n a Z S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g ， T a i y u a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， T a i y u a n 0 3 0 0 2 4 ， C h i n a 中图分类号 T H1 6 ， T G 3 0 1 文献标识码 A 1 前言 的 主 要 工 艺 手 段 。 冷 滚 压 过 程 中 的 滚 压 力 是 滚 压 机 床 设 计 的 重 渐开线花键冷滚压成形工艺， 具有生产效率高， 产品质量稳 要参数 ， 对机床的能力衡量， 强度和刚度设计等起到至关重要的 定， 原材料消耗少， 可以有效地改善成形件会属的内部组织、 提高 作用。目前模具和机床设计时滚压力计算主要依靠经验值， 实际 产品机械性能、 延长产品使用寿命等优点， 已经成为花键类零件 生产中机床刚度不足造成废品、或者力能过剩造成浪费经常发 女 来稿 日 期 2 0 1 0 0 3 1 1 -k 基金项目 国家 自 然科学基金资助项 目 5 0 6 7 5 1 4 5 ， 山西省科技攻关项目 2 0 0 6 0 3 1 1 4 7 - ．- ◆-◆一一- - ● --◆-◆一。●--◆-◆一◆- -◆-◆一 -● -◆- - ●- - ●-◆一‘◆ -1 - - ’ ● 一 r | ， ⋯ J | ＼ ／ 、 ， ， _ -， ， J ， l ， 、 ， ， ／ 』 ， ， ＼ ， b 负载变化后的仿真曲线 图 4负载变化前后油缸的仿真曲线 4结论 本文在 A d a m s ／ H y d r a u l i c s 环境下建立了裂管器 的主 回路液 压系统回路， 并对主回路油缸的受力、 流量、 速度和压力进行了仿真 分析， ， 使系统的设计更加合理。 利用 A D A MS 虚拟样机建立液压模型显得非常方便 ，它无须 考虑数学建模的问题， 只要建立准确的液压模型， 就可方便地预测 产品的性能， 从而减少了费用昂贵的物理样机制造研发过程， 降低 开发成本 ， 缩短设计周期 ， 并 目 ．数据结果分析起来也更直观、 形象。 参考文献 1丁文捷．正在兴起 的非开挖技术爆管法 [ J ] ．宁夏工程计术， 2 0 0 7 9 2 李增刚．A D A M S 入门详解与实例[ M] 一 E 京 国防工业出版社， 2 0 0 6 3 郭金平， 原思聪等． 基于 A D A M S的多功能开沟机液压系统建模与仿真 [ J ] ． 建筑机械 ， 2 0 0 6 1 0 5 9 ～ 6 3 4余 新康 ， 王 健． 基 于 AD A MS的液压系统虚 拟样机 [ J ] ． 煤矿机 械 ， 2 0 0 3 1 1 4 2 ～ 4 5 5金康进 ， 李勇 ， 施光林． 基于 A D A MS的液压控制系统仿真[ J ] ． 液压 与气 动 ， 2 0 0 6 7 4 ～ 6 6 Y I N H u a b i n g ， L I H o n g - w u ， L V Q i n g - j u n ， Z HO U G u a n g - mi n g ．I n t e g r a t e d Mo de l i n g a n d S i mu l a t i o n o n T o r s i o n a l L o a d s o f Tr a c k e d Ve h i c l e ’ S Po we r T r a i n a n d P r o p u l s i o n S y s t e m l J ] J o u r n a l o f S y s t e m S i mu l a t i o n ， 2 0 0 8 ， 2 0 1 9 5 1 7 1 ～ 5 1 7 6 一 l 一 兽8