液压打桩锤液压系统仿真分析.pdf

液压- 液力 H y d r o s t a t i c s a n d H y d r o d n a mi c s 液压打桩锤液压系统仿真分析 许佳音 ， 王克文， 赵永富 天津工程机械研究院 摘 要 I 对液压打桩锤的打击过程和液压系统工作原理进行分析 ， 建立液压系统 A ME S i m模型， 并根据液压系统关键元件主 阀的结构原理及运动特性建立主阀的 AME Si m模型。模拟液压打桩锤完整的打击周期， 获得液压缸活塞杆位移、 速度和加速 度变化曲线， 并得到打击力、 打击周期等性能参数， 仿真结果符合预期要求。 关键词 液压打桩锤 主阀 ； 复合动作； AME Si m 液压打桩锤具有打桩效率高 ， 噪声低 ， 振动小 ， 无油 烟污染的特点 ， 其先进性已经被广泛 认可。如今 ， 在西方 发达 国家和亚洲的 日本 、 韩 国、 新加坡等国家 ， 液压打桩 锤已经完全取代了柴油打桩锤 。目前 ， 我国的桩工产品在 技术上与国外先进水平相比， 还有较大差距， 液压锤基本 依赖进口， 柴油锤仍是市场的主力设备。为此， 我国的一 些企业正在积极开展液压打桩锤的研究和开发工作 ， 而 对于液压打桩锤液压系统及其关键元件的研发 ，则是其 中的关键环节。 本文将利用计算机仿真技术， 对打击能量 为 1 5 0 k N m的某型液压打桩锤液压系统的工作过程进 行分析。 1 液压打桩锤的工作过程 液压打桩锤液压系统的工作原理如图 1 所示 ，其工 作过程主要包括锤头下落、 冲击、 加压以及锤头提升 4 个 阶段。 1 锤头下落。在液压油的驱动下， 液压缸 5 将锤头 6 提升到最大行程 以后 ， 控制器控制二位三通电磁换向阀 1 换向，二位三通电磁换向阀 l 控制主阀2 变换给油方 向 ， 此时液压缸无杆腔和有杆腔连通 ， 锤头 6 在液压油压 力与自重的作用下 ， 产生向下运动的加速度。 2 冲击。锤头 6 以较大的加速度向下冲击 ， 击打桩 作者简介 许佳音 1 9 8 2 一 ， 女， 黑龙江大庆人 ， 高级工程师， 博士， 研究方向 工程机械虚拟样机分析。 钙 l 工 霏 以 械 } 2 0“15 ．t2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 缸 拭 第 4 6 卷 l 第1 2 期 总第 5 0 6 期 1 ． 二位三通电磁换 向阀2 ． 主阀3 ． 低压蓄能器 4 ． 高压蓄能器5 ． 液压缸6 ． 锤头 图 1 液压打桩锤液压系统原理图 头， 进行沉桩作业 。 3 加压。在液压油压能的作用下 ， 锤头 6 继续对桩 施加压力。 4 锤头提升。液压缸 5的有杆腔进油， 锤头 6 被提 升起来， 同时高压蓄能器 4 充液， 完成整个循环过程。高 压蓄能器与低压蓄能器在整个工作过程中起到稳定液压 系统压力与流量的作 用。 2 液压系统与主阀建模 2 ． 1 液压系统建模 根据液压打桩锤的液压系统原理图及液压系统性能 参数 见表 1 建立打桩锤液压系统A ME S i m模型 ， 如图 2 所示。液压系统模型通过插装阀和主阀的通断来控制液 压打桩锤的动作， 以及高低压蓄能器的充液与排液过程。 由于 A ME S i m液压元件库中没有主 阀模型 ， 因此 ， 需 要根据液压系统的实际参数通过 H C D库建立主阀模型。 2 - 2 主阀建模 主阀是液压打桩锤液压系统中的关键元件 ，主要功 能是在电磁换向阀控制下进行周期性的全开口、闭合切 换 ， 使液压系统功率得到最大限度的利用。 主阀性能好坏 直接影响打桩锤的冲击能和冲击频率，其结构与常规液 表 1 液压系统参数 系统供油f ／ L ／ m i n 3 8 0 液压缸行程／ m m 1 1 0 o 锤头质量／ k g 8 7 0 0 活塞直径／ n u n 1 0 0 活塞杆直径／ m m 6 3 溢流阀设定压力／ MP a 2 9 高压蓄能器充气压力 P a 2 0 低压蓄能器充气压力／ MP a 0 ． 4 高压蓄能器容积几 l 1 ． 4 低压蓄能器容积／ L 1 1 ． 4 液压油密度／ k g ／ m 7 8 9 液压油黏度／ mm 2 ／ s 4 6 3 8 O 1 ． 主行程阀与换向阀封装模块2 ， 3 ， 4 ． 插装阀封装模块 图 2 液压系统 AME S i m模型 压控制阀不同。 液压打桩锤 的主阀结构如图 3 所 示， 主要由阀体、 滑 阀阀芯 、 电磁换向阀、 电磁阀板及阀板总成等组成。通过 控制液压油作用在滑 阀阀芯的环形腔面积，可以控制主 阀的油路换向， 从而实现锤头的提升和下降 ； 当液压油作 用在滑阀阀芯右端环形面积时，滑阀阀芯在液压压力及 弹簧力作用下处在左端， 此时 A口与 T口相通； 当液压 油作用在滑阀阀芯左端环形面积时 ，滑阀阀芯在液压压 力作用下克服弹簧力处在右端， 此时A口与P口相通。 滑 阀阀芯在运动过程中会与阀体、 孔口螺母形成缓冲腔 ， 起 到缓冲阀芯撞击力的作用。 为深入研究主阀的稳态压差一 流量特性 、 内部泄漏量 和瞬态响应特性， 根据主阀的结构与性能参数 见表 2 建 一 I I 柏 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 液压 - 液力 H y d r o s t a t i c s a n d H y d r o d y n a mi c s 1 ． 阀体2 ． 滑阀阀芯3 ． 电磁阀板4 ． 阀板总成 5 ． 孔 口螺母6 ． 电磁换向阀 图 3 主阀结构 原理图 表 2 主阀性能参数 主 阀阀芯的行程／ ram 2 2 主阀阀芯的质量 g 3 ． 6 主阀阀芯台肩直径／ mm l 2 0 主阀负载端阀口最大开度／ mm 1 3 主阀回油端阀口最大开度／ m m 9 主阀环形控制腔外径／ m m ． 3 5 主阀环形控制腔内径， m m 2 2 主阀黏性摩擦系数， N ／ r n ， s l 1 ． 5 2 4 主阀密封摩擦力／ N 9 3 ． 8 主阀进油口压力／ MP a 2 9 主阀 回油 口压力， M P a 3 弹簧刚度系／ N ／ m 2 3 7 2 零位移时的弹簧力， N 9 7 ． 2 阀芯控制压力／ M P a 2 9 立了主阀的 A ME S i m模型 ， 如图 4 所示 ， 其中液压管路 1 的管路直径为 5 r m ， 长度为 2 1 6 mm； 液压管路 2 的管路 直径 为 5 I m ， 长度为 1 5 0 m m； 负载 口压力为 2 9 MP a ； 回 油口背压为 3 MP a 。 3 液压系统动态仿真及结果分析 根据系统需要选取恒流源，其流量为 3 8 0 L ／ m i n ， 液 压系统压 力为 2 9 MP a ， 在完成整体模型参数设置后 ， 对主 阀以及插装阀施加控制信号 ，以完成一次完整的打击过 程。打桩锤锤头开始位于最低位置 ， 模拟打桩锤 “ 升起一 落下一升起” 的工作过程。 卯I I 嬲1 2 I l ④ 2 图 4 主阀 A ME S i m 模型 图 3 ． 1 液压缸活塞杆位移 、 速度 、 加速度分析 由于打桩锤在工作过程 中， 锤头的行程 、 速度、 加速 度直接关系到打桩锤的打击频率与打击力，因此有必要 对锤头的行程 、 速度 、 加速度进行监测 ， 以分析打桩锤 的 打击效果。由于锤头与液压缸活塞杆相连接 ， 因此对液压 缸活塞杆进行分析即可。 仿真得到的液压缸活塞杆位移曲线和速度曲线分别 如图 5 和图 6 所示，液压缸活塞杆加速度曲线如图 7 所 示 ， 阀芯跟随电信号曲线如图 8 所示。 蠢 时 间， s 图 5 液压缸活塞杆位移曲线 由图 5 可以看出 ，液压缸活塞杆 的初始位置在最底 部，上升时间为 1 ． 4 9 s ，到达最顶端位置后开始下降， 在 0 ． 3 5 s 的时间内达到最大行程 1 ． 1 m，达到最低位置时开 始上升 ， 第二次上升时间为 1 ． 1 6 S 。由图 6 所示的液压缸 活塞杆速度变化曲线可见，液压缸活塞杆下降的速度在 0 ． 3 5 s 内达到最大为 6 ． 0 6 m／ s ，打桩锤的最大打击能量为 1 5 6 ． 6 k j ，液压缸活塞杆在 1 ． 1 6 s 内达到最大上升速度为 1 ． 8 6 m ／ s ， 下降的速度远大于上升的速度， 上升、 下降一个 周期的时间为 1 ． 5 l s ， 在 6 0 s 内打击次数为 3 9 次 ， 满足打 L L L n 0 O O O 0 O O O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 和 械 第 4 6 卷 I 第1 2 期 总第 5 0 6期 7 6 5 憾 2 _I 蕃 f 1 O 1 吨 - l _ 一 ⋯⋯⋯／ | 3 川 0 4 ． 4 4 ．￡ 图 6 液压缸活塞杆速度曲线 ‘、 ⋯ ⋯⋯⋯● ●⋯⋯⋯⋯⋯⋯‘ l_、 1 ． 6 ； 亨 ， 8 3 ． 2 3 ． 6 4 ． o 4 ． 唾 哇 ． 8 时 间 ， - 图 7 液压缸活塞杆加速度曲线 阀芯位移 ⋯⋯‘ 电流 D 0 ． 4 O ． 8 1 ． 2 1 ． 6 Z 4 2 ． 8 3 ． 2 6 4 ． 0 屯 4 4 ． E 时间『 s 图 8 阀芯跟 随电信号 曲线 桩锤在最大行程时， 打击频率 3 8 次 ／ n d n的设计要求。由 图 7 可见， 液压缸活塞杆的最大加速度为 1 7 ． 9 I S 2 9 大于 重力加速度， 这是差动回路起到的作用， 由图 8 可见， 阀 芯位移能够很好地跟随 电信号。 3 ． 2 高低压蓄能器流量、 压力分析 图 9 所示为仿真后得到的蓄能器 、液压缸无杆腔流 量变化曲线 ， 高低压蓄能器压力变化曲线如图 1 0 所示。 投 压缸 尤 杆 腔 流量 ⋯⋯ 高压蓄能器流量 ／ ⋯ 一低压蓄能器流量 ⋯⋯ ． f ／ ． ．．．．⋯ 州 1 ⋯ ⋯． ． ． ． ． ． ． ． ．． ． ． ． 傩‰⋯ 4 ． 2 t ． 5 4 ． 8 图9 蓄能器、 液压缸无杆腔流量变化曲线 图 l 0 高低压蓄能器压力变化曲线 由图 9 可见， 在一个“ 升起一落下” 循环 中， 液压缸活 塞杆第 1 次上升时， 高压蓄能器开始充液， 液压缸活塞杆 运动速度逐渐加快， 在 1 ． 0 3 s 时， 高压蓄能器开始排液， 此 时液压泵同时向液压缸和高压蓄能器充液；当液压缸活 塞杆达到最顶端后开始下降，此时，高压蓄能器开始充 液 ， 随着液压缸活塞杆运动速度的加快 ， 在 1 ． 6 2 s 时 ， 高压 蓄能器开始排液 ， 直到液压缸活塞杆到达最低位置， 开始 下一次循环； 当液压缸活塞杆第 1 次开始上升时， 低压蓄 能器开始充液 ，液压缸无杆腔排 出的液体充入低压蓄能 器； 当液压缸活塞杆到达最顶端后开始下降， 此时， 低压 蓄能器流量不变， 当液压缸活塞杆到达最低位置后， 液压 缸活塞杆开始上升， 进入下一个循环。 一 l I 5 ’ 垂 } 蝴瑚栅m湖湖| 言 砉 l 啪啪。撕湖蝴枷 3 3 2 2 2 1 1 l I _一1 I l 厂 I 一 ， 善爆 ． 埔 心9 6 3 0 ， 皿v 氯 谰景 m 啷 咖㈣㈣ ㈣．喜㈣ n n n n n n n n n a Ⅲ ， j 目 } 曩羽 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 液压 - 液力 H y d r o s t a t i c s a n d H y d r o d y n a mi c s 图 1 0 可见 ， 在一个 “ 升起一落下” 循环内 ， 在液压缸 活塞杆上升过程中， 高压蓄能器的最大压力为2 4 ． 9 MP a ， 液压缸活塞杆运动到最顶端时，高压蓄能器压力为 2 3 ． 5 MP a ； 液压缸活塞杆下降过程 中， 高压蓄能器最大压 力为 2 2 ． 8 MP a ， 最小时为 2 0 ． 6 MP a ； 低压蓄能器在液压缸活塞 杆由下降转换为上升时， 压力有一个减小的过程， 其余时 间都在上升 ， 最大值没有超过 3 MP a 。 3 ． 3 液压缸进 出口压力流量分析 如图 1 1 所示 ， 当液压缸活塞杆上升时 ， 液压 缸有杆 腔的压力逐渐上升， 当活塞杆上升到最高位置时， 主阀变 换给油方向， 此时液压缸无杆腔和有杆腔连通 ， 无杆腔压 力达到最大 2 2 ． 7 MP a ， 此时锤头开始下降， 当下降到最低 位置时 ， 无杆腔压力降至 0 ． 8 MP a ， 随后液压缸活塞杆开 始上升 ， 开始下一次循环 ； 同时， 液压缸有杆腔压力逐渐 增大 ， 在 1 ． 0 6 s 时达到最大 2 3 ． 5 MP a ， 当液压缸活塞杆上 升到最高位置时 ，液压缸有杆腔和无杆腔的压力变化一 致 主阀变换给油方向，此时液压缸无杆腔和有杆腔连 通 。当液压缸活塞杆下降到最低位置时， 液压缸有杆腔 和无杆腔压力为 1 9 ． 8 MP a ，随后，液压缸活塞杆开始上 升， 有杆腔压力逐渐增大， 在0 ． 2 5 2 s 时， 压力达到最大值 2 4 ． 9 M P a 时 间， s 图 l l 液压缸压力变化曲线 如图 1 2所示 ， 在锤头下降过程中 ， 主 阀变换给油方 向， 此时液压缸无杆腔和有杆腔连通 ， 有杆腔流量全部进 入无杆腔 ， 液压缸活塞杆速度最大为 6 ． 0 6 m／ s ， 因此有杆 腔流量最大为 1 7 4 8 ． 5 L ／ m i n ，无杆腔流量最大为 2 8 5 8 ． 7 L ／ m i n ， 高压蓄能器流量最大为 7 3 8 ．7 L ／ m i n ， 液压泵流量 为 2 8 5 8 ． 7 1 7 4 8 ． 5 7 3 8 ． 7 3 7 1 ． 5 L ／ m i n 。锤头上升过程中， 液压缸有杆腔最大流量为5 4 8 ． 6 L ／ re _i n ，高压蓄能器提供 流量为 1 6 8 ． 1 L ／ ra i n ，液压 泵流量 为 5 4 8 ． 6 1 6 8 ． 1 3 8 0 ． 5 L ／ m i n ， 与定量液压泵提供流量相同。 l l 一 - 一， ， _ ／ 液压缸无杆腔流量 ⋯ 液压缸有杆腔流量 一一， ，一l1 ． ． ． ． 。 。 ． z 。 ． s ． 伯 ．| 时间， 量 图 1 2 液压缸流量变化 曲线 4 结论 对液压打桩锤的打击过程及液压系统工作原理进行了 分析， 重点分析了液压系统中的关键元件主阀的原理与动作 过程 ， 并建立了主阀的 A ME S i m模型 ， 为打桩锤整体液压系 统的仿真建模工作提供了数据依据。 通过仿真， 得到了液压缸活塞杆的位移、 速度、 加速度变 化规律， 结果表明， 该液压打桩锤液压缸活塞杆的最大位移 为 1 ． 1 m， 最大速度为 6 ． 0 6 m ／ s ， 最大打击能量为 1 5 6 ． 6 k J ， 一 个打击周期为 1 ．5 1 s ， 打击次数为 3 9次 ／ n fi n ， 仿真结果均符 合打桩锤设计要求。 此外， 通过液压缸、 蓄能器流量的分析， 还推导出了液压 泵的流量 ， 仿真得出的流量与计算得出流量吻合 ， 因此仿真 结果可以为试验提供可靠的依据。 j | } 考文献 【 l 】李壮云． 液压元件与系统 I M1 ． 北京 机械I业 出版社 ， 2 0 0 5 ． f 2 J 胡俊平， 史天亮， 张灵． 新型气液联合液压打桩锤的仿真研 究砚． 计算机仿真． 2 0 0 9 8 2 7 4 - 2 7 7 ． 【 3 】 李华聪，李吉． 机械 ／ 液压系统建模仿真软件A ME S i m l 1 ] ． 计算机仿真， 2 0 0 6 1 2 2 9 4 - 2 9 Z 7 史天亮 打桩锤气液联合驱动系统关键部件结构设古 及动 态过程研究p1 ． 长沙 中南大学． 2 0 0 8 ． [ 5 1邓克． 叶小华 ． 王戳 二通插装阑启闭动态试验及特性分析 田． 机在 } 工程师， 2 0 0 6 7 7 1 7 2 ． 【 6 1赵铁栓。 蔡应强． 基于 A ME S I M 的混凝搅拌车液压系统 仿真啦． 工程tg t ／． 2 o o 5 s 5 2 5 6 ． 通信地址 天津市北辰科技园区华实路 9 1 号天津工程机械 研究院 3 0 0 4 0 9 收稿日期 2 0 1 5 - 0 7 - 1 7 垂 } ㈣垂 } 咖羞 至 湖。喜 ； 啪湖㈣ 3 3 2 2 l 1 _ 1 2 一 口 ， 1v 、 啊璐 ． ． ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m