液压换管机液压系统可靠性设计与动态仿真研究.pdf

2 0 1 1 年 7月 第 3 9卷 第 1 4期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUUCS J u 1 ． 2 0l 1 Vo l | 3 9 NO ．1 4 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 1 4 ． 0 1 9 液压换管机液压系统可靠性设计与动态仿真研究 张锦华 ，原思聪，林艳 西安建筑科技大学机电学院，陕西西安 7 1 0 0 5 5 摘要 液压系统可靠性表现为在设计时克服系统先天设计的不足 ，在后天使用过程 中规范操作。在液压换管机液压系 统方案设计时，从系统结构合理性、元件选型合理性及参数匹配合理性进行可靠性设计 ，使用中通过监控液压系统状态及 重要参数可靠完成装杆、卸杆过程。通过 A D A MS ／ H y d r a u l i c s 模块建立主伸缩回路液压系统模型，进行机液耦合动态仿真分 析 ，结果表明液压缸运动平稳 ，无较大冲击载荷。仿真结果验证了设计系统的可行性，为国内液压换管机的进一步研发 及优化提供了理论参考。 关键词液压换管机；可靠性设计；动态仿真 A D A MS 中图分类号T H1 3 7 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 1 4 0 5 6 4 Hy d r a u l i c S y s t e m Re l i a b i l i t y De s i g n a n d Dy n a mi c S i mul a t i o n Re s e a r c h f o r Hy d r o s t a t i c Pi p e bur s t e r Z HANG J i n h u a ，YU AN S i c o n g ，L I N Ya n C o l l e g e 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 ， Xi a n Un 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 ．Xi ’ a n S h a a n x i 7 1 0 0 5 5．C h i n a Ab s t r a c t T h e p e r f o r ma n c e o f h y d r a u l i c s y s t e m r e l i a b i l i t y i s t o o v e r c o me t h e i n h e r e n t d e s i g n d e fic i e n c i e s a n d t o ma n i p u l a t e w i t h r e a s o n ． T h e h y d r a u l i c s y s t e m r e l i ab i l i t y d e s i g n f o r h y d r o s t a t i c p i p e b u r s t e r wa s b a s e d o n r a t i o n a l s t r u c t u r e ， r e a s o n a b l e s e l e c t i o n o f h y d r a u l i c c o mp o n e n t s a n d i n t e l l i g e n t p a r a me t e r ma t c h i n g ． By mo n i t o r i n g t h e s t a t e o f h y d r a u l i c s y s t e m a n d i mp o r t a n t p a r a me t e r s ， t h e t a s k s o f u n l o a d i n g t r o l l e y p r o c e s s a n d l o a d i n g t r o l l e y p r o c e s s we r e c o mp l e t e d r e l i ab l y ． Us i n g AD AMS ／ Hy d r a uli c s mo d u l e ， t h e ma i n t e l e s c o p i c c i r c u i t h y d r a u l i c s y s t e m mo d e l w a s e s t ab l i s h e d a n d d y n a mi c s i mu l a t i o n o f t h i s me c h a n i c a l h y d r a u l i c s y s t e m w a s ma d e ． T h e r e s ult s s h o w t h a t h y d r a u l i c c y l i n d e r mo v e me n t i s s t e a d y w i t h o u t b i g i mp a c t ． T h e s i mu l a t i o n r e s u l t s p r o v e t h e d e s i g n e d s y s t e m i s f e a s i b l e w h i c h p r o v i d e t h e o r y r e f e r e n c e for t h e f u r t h e r r e s e a r c h a n d o p t i mi z a t i o n o f d o me s t i c h y d r o s t a t i c p i p e b u r s t e r ． Ke y wo r d s H y d r o s t a t i c p i p e b u r s t e r ； R e l i a b i l i t y d e s i g n ；D y n a mi c s i m u l a t i o n A D A MS 现代的非开挖地下管线施工法是一种环境友好的 施工方法，其中裂管法就是在液压动力机强大的牵引 力作用下，切割刀头沿着旧管道将其切开，连接在切 割刀头后的扩张器紧接着将切开的旧管道撑开并挤入 周围的土层，以便回拖头将新管拉入旧管所在的位 置。目前 ，处于国际领先水平的是美 国P I M公司的 C o n s p l i t 裂管器和丹麦 生产 的 T系列 裂管器 。文 中讨 论的 H G - 8 0 T N液压换管机就属于采用裂管法的换管 设备，其额定拉拔力为 8 0 t ，可换管直径为 2 0 0～ 4 0 0 m m，换 管能力 1 2 0 m ／ h 。它是一种全液压工程机 械，但是液压系统故障难以诊断，这也成为液压换管 机使用中的难点。液压系统可靠性表现为在设计时克 服系统的先天不足 ，在使用过程中规范操作 。所以 在进行液压系统方案设计时就应进行可靠性设计，并 将该思想贯穿于系统设计、生产、安装、调试 、运行 的整个过程 中。 A D A M S ／ H y d r a u l i c s 模块是 A D A M S中一个对 液压 系统 进行 仿 真 的扩 充模 块 ，利 用 A D A MS ／ H y d r a u l i c s 模块 可以在 同一界 面下建立机械 系统与液压 回路之 间 相互作用的模型并 在计算 机 中设 置系统 的运 动特性 ， 进行各种静态 、模 态和瞬态的分 析。 作者进行换管机液压系统方案的可靠性设计，通 过 A D A MS ／ H y d r a u l i c s 模块 建立 主 伸缩 回路 液压 系 统模型 ，验证设计 系统的可行性 ，为国内换管机技术 研究及优化提供 了理论参考 。 1 液压换管机液压系统可靠性设计 液压系统设计中的可靠性主要体现在系统结构合理 性、元件选型合理陛及参数匹配合理l生。设计换管机液 压系统时，通过计算、仿真实验研究测试新设计元件各 个结构参数对系统动态性能的影响，确定参数的最佳匹 收稿 日期 2 0 1 0 0 7 2 1 基金项目陕西省 自然科学基金资助项目 2 0 0 7 E 1 8 ；陕西省教育厅 自然科学专项 0 9 J K 5 5 9 作者简介张锦华 1 9 7 0 一 ，女，博士研究生，讲师，主要研究 方向为智 能计 算、机械设计及理论。电话0 2 9 8 1 2 1 5 9 1 2，Em a i l z h a n g j h 0 8 0 8 1 2 6 ． c o m。 第 l 4期 张锦华 等液压换管机液压系统可靠性设计与动态仿真研究 5 7 配，其他可靠性设计主要体现在以下几个方面 1 采用开式串联液压系统结构 在串联机构中，执行机构的运动速度不随外界负 载的变化而变化，并且各个机构可以实现同时动作而 不受干扰。假如液压系统是由n 个子系统和部件组成 的串联结构 ，第 i 个子系统和部件的可靠性记为 c 则系统的可靠性为 c Ⅱ 1 一 c 。可见一个系统结 构越简单 ，串联环节越少 ，其可靠性必然越高。该系 统采用串联结构，也是本着结构越简单越好的原则。 2 主伸缩液压缸、前后夹紧液压缸全部采用 双缸同时工作 此结构使得拉杆在运动过程中受力平衡，提高运 行稳定性。另外单缸作用时，缸体积大，工作压力 大，运动泄漏问题会影响缸的运动速度 ；采用双缸作 用 ，工作压力降为单缸的一半 ，运动泄漏容易治理。 3 主回路调速采用电液换向阀 防止换向阀在快速动作时产生液压冲击 ，系统主 回路采用电液换向阀，通过控制先导阀的压力和流量 来减缓滑阀的换向速度 ，减慢换向阀换向前的流速。 4 动力源 考虑到换管机实际工作环境 ，采用发动机为原 动力 。 5 液压泵 按照换管机工作要求，变量泵 、定量泵都能满足 工作要求，但是 由于定量泵角功率大 最大压力与 最大流量之积 ，要求发动机功率大，即发动机利用 率低，同时定量泵不能按照需要变流量供油 ，油耗 高。从换管机功能和可靠性角度出发应采用变量泵。 6 液压缸 行程长达 1 m，有可能从活塞杆与导套的配合间 隙中进入污物污染油液 ，进一步加速液压缸组件 的磨 损 ，故在活塞杆上外加防护套。 选择单杆双作用液压缸 ，无杆腔面积大，在同样 油液压力条件下，驱动负载大，所以使活塞杆固定缸 体运动。 2 液压换管机工作过程 换管机系统液压原理图如图 1所示。系统分为 5 个相对独立的子系统主伸缩回路、前夹紧回路 、后 前夹紧回路、拧转回路、旋紧回路，工作部件转动执 行器是液压马达，移动执行器是液压缸。主伸缩回路 调速用调速阀，旋紧回路调速用节流阀。典型工况是 装杆和卸杆。 图 1 液压系统原理图 2 ． 1 装杆过程 拉杆放在后夹紧装置中，后夹紧缸 2 3将拉杆一 端 阳螺纹夹住 ，动力头马达 1 7正转 ，动力头上 所带阳螺纹与拉杆阴螺纹咬合上紧后，动力头马达 1 7压力上升，停止正转 ，溢流阀6卸荷溢流。然后 后夹紧油缸2 3 松开，主液压缸 1 3前行，到达前夹紧 5 8 机床与液压 第3 9卷 处时停止前进。前夹紧缸 2 2工作，夹紧拉杆的另一 头 阳螺纹 ，动力头马达 1 7反转，动力头上所带 阳螺纹与拉杆阴螺纹脱开，动力头停止转动 ，主液压 缸 1 3 后退至初始位置 。 将第二根拉杆放在后夹紧装置中，并使第二根 拉杆的阳螺纹与第一根拉杆 的阴螺纹旋合一些。动 力头 马达 l 7正转 ，螺纹 上 紧后 ，动力 头 马达 1 7停 止 正转 ，前夹 紧缸 2 2松 开 ，主液 压缸 1 3前 进 至最 大 行程时 停 止 前进 ，前 夹 紧 缸 2 2夹 紧 拉 杆 的 另 一 头 阳螺纹 ，动力头马达 1 7反转，脱开螺纹。主 液 压缸 1 3后退 到初 始 位 置 。此 后 再 装 拉 杆 ，重 复 此 过程 。 2 ． 2卸杆过 程 当第一根拉杆拉出来时，前后夹紧缸分别夹紧两 根拉杆的相邻两端头，扭转缸 2 4正转，松开两拉杆 螺纹连接处，扭转缸 2 4反转复位，后夹紧缸 2 3松 开 ，动力头马达 1 7反转完全松开螺纹。然后后夹紧 缸 2 3夹紧 ，动力头马达 1 7反转 ，松开拉杆与动 力头 之间的螺纹连接 ，操作工人拿出第一根拉杆。 主液压缸 1 3前进至最大行程时停止，同时动力 头马达 1 7正转，动力头上阳螺纹与拉杆阴螺纹咬合 上紧，动力头马达 1 7停转，前夹紧松开 ，主液压缸 1 3 后退停止。后夹紧缸 2 3夹住拉杆 ，动力头 l 7反 转 ，松开螺纹，工人取出拉杆。如此循环。 3 机液耦合动态仿真分析 为了证实换管机液压系统设计的可行性 ，作者利 用 A D A M S ／ H y d r a u l i c s 模块建立主伸缩 回路液压系统 模型 其他子系统类同 ，将液压系统和机械模型通 过执行元件 液压缸关联起来，进而对其进行机 液耦合动态仿真分析，得到液压缸的速度、位移、压 力 以及流量 的变 化曲线 。 3 ． 1 换管机液压 系统的虚拟样机建模 液压系统一般是由动力元件、执行元件、控制元 件 、工作介质和辅助装置组成的。液压系统各部分组 成一个有机联 系的整体。在 A D A M S ／ V i e w环 境 中， 液压元件采用图形符号进行建模。 1 加载液压传动模块 A D A M S ／ H y d r a u l i c s 在 A D A M S ／ V i e w中单击菜单 [ t o o l s ]一[ p l u g i n ． M a n a g e r ]后，弹出插件管理器对话框，在对话框 中 选择 A D A MS ／ H y d r a u l i c s ，单 击 o k就可 以加 载 A D ． AMS ／Hy d r a u l i c s 。 2 建立液压回路 在 A D A M S ／ H y d r a u l i c s 环境下建立液压 回路，设 置环境参 数，创 建工 作介 质 F l u i d 、体积 容 器 T a n k 、压力 源 P r e s s u r e S o u r c e 、单 向阀 C h e c k V a l v e 、调速 阀 F l o w C o n t r o l V al v e 、三 位 四通 阀 D i r e c t i o n a l C o n t r o l V a l v e 4 w 3 、液压缸 C y l i n d e r 2 、 三通接头 J u n c t i o n 3 ，并进 行 液 压 元 件参 数 设 置 ， 然后在 H y d r a u l i c s 下使用 C o n n e c t 命令 ，依次选择液 压元件 的端口 ，将选定 的液压元件连接到一起 ，连接 的液压传动回路如图2所示。 图 2 液压传动 回路 3 ． 2 虚拟样机机械 系统与液压 系统接 口 换管机由液压缸驱动机械系统控制装杆、卸杆。 在液压缸的缸筒和活塞杆上分别创建点 M a r k e r l 和点 Ma r k e r 3 ，通过 M a k e r 点 就 可 以实现 机械 与液 压 系统 的连接 ，且机械系统和液压系统可以在同一界面下 同 时进行仿真计算和分析，完成整机系统的虚拟仿真。 3 ． 3 建立电液换向阀控制函数 主伸缩液压缸通过电液换向阀实现往复运动。通 过设置控制 函数来实现液压油路换 向。阶跃函数和脉 冲函数 是 最 常用 的驱 动 函数 形 式 。文 中利 用 S T E P 函数控制换向阀阀芯位置 ，进而控制油缸的 运动。为方便研究，每个动作间隔 1 S ，仿真周期 2 S ，其中 0～ 1 s 为卸杆过程 ，t 1 ～ 2 S 为装杆过 程 。控制 函数为 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 ． 8 ， 0 ． 0 ， 1 ． 2 ， 一1 ． 0 S T E P t i m e ， 1 ． 8 ， 0 ． 0 ， 2 ． 0 ， 1 ． 0 3 ． 4仿 真分析 初步进行液压系统静态和动态的仿真分析，通过 对液压系统压力和流量参数的调整，使其能够满足液 压换管机主伸缩回路来回往复运动所需的驱动力及速 度要求，运行一个 E n d T i m e 为 2 ． 0 S 、S t e p s 为 5 0 0步 的动态仿真。仿真曲线如图3 - _ 6所示。由于液压换 管机每完成一个规定动作液压缸循环一次，曲线首尾 相连 ，呈周期性变化 。 液压换管机要求每工作 1 0 0 m大概需要 5 0 m i n ， 得到卸杆速度 0 ． 0 3 3 m ／ s ，装杆速度为 0 ． 0 5 m ／ s ，液 压缸行程为 1 m。由图 3 、4可 以看 出 没计满 足要求 ， 并且液压缸在运行过程中，无明显速度波动，运动平 稳 ；上升时间短，响应快；换向阀换向时，速度变化 大 ，液体阻力大，但是仍能满足液压缸单方向移动， 没有系统振荡 ，设计系统安全可靠。 第 1 4期 张锦华 等 液压换管机液压系统可靠性设计与动态仿真研究 5 9 ／ 、 ＼ ． 1 ． 2 1 ． 0 0 ． 8 罢 0 ．6 0 ． 4 0 ． 2 0 ． 0 0． 0 o ． 5 1 ． 0 1 ． 5 2 ． o 0 ． 0 0 ． 5 1． 0 1 ． 5 2 ． 0 An a l y s i s L a s t _Ru n t l s 2 0 1 0 - 0 4 - 1 5 1 0 3 2 1 3 An a l y s i s La s t_Ru n t ／ s 2 0 1 0 - 0 4 - 1 5 1 0 3 2 1 3 图3 液压缸速度 图4 液压缸位移 变化曲线 变化曲线 图 5 、6表 明无杆腔压力在初期 时为 8 ． 5 MP a ， 这与液压系统在建压时元件初始压力设定值 8 ． 5 MP a 相一致 ，与此同时液压油进入油缸对应的流量为 0 ， 开始 时压力 和流量有短 时的上升 ，这是 由液压系统在 建压初始阶段过渡引起的。卸杆过程中，受到外界条 件干扰 ，负载大小会有所变化，故压力、流量有波 动 。在 t 1 S 时换 向阀换 向 ，压力 、流量均有 大的变 化，然后进入装杆阶段 ，压力和流量趋于平稳 ，一直 到工作完成。最后 t 2 S 时，油液完全排除油缸 ，有 杆腔、无杆腔压力分别达到峰值和最小值 0 ，同时可 见 ，快速改变液流速度时，会引起液压冲击，这与实 际情况相符。整个装杆与卸杆过程中，有杆腔、无杆 腔最大压力 2 7 MP a ，小于所 选液 压泵 的额定 压力 3 5 MP a ，说明此次设计的合理性。 2 1 ． 5 1 0． 5 0 一 o ． 5 吾 ．1 ．1 _5 ．2 0 1 0 3 2 1 3 图5 液压缸无杆腔压力、流量变化曲线 图6 液压缸有杆腔压力、流量变化曲线 4 换管机液压监控 系统 液压系统最终可靠性体现在使用上，与其在故障 发生后进行诊断，不如在使用过程 中预防故障的发 生，这就是液压系统后天可靠性主要 内容。文中采用 液压系统的状态检测与参数测量法 ，对油液温度、 压力、黏度，马达转速，主液压缸的位置，夹紧力等 进行在线检测，实时监控液压系统的状态及重要参数 的动态变化 ，以便及早发现问题 、预测故障趋势。监 控界面如 图7所示 。 图7 液压控制系统主监控界面 5结论 1 液压系统的可靠性设计思想主要表现为克 服先天设计的不足 ，在后天使用规范操作。作者在液 压系统方案设计阶段 ，从系统结构合理性、元件选型 合理性、参数匹配合理性对系统进行可靠性设计 ，并 通过液压监控系统来实现使用过程中状态检测及重要 参数测量，以便及早发现系统 问题，为系统合理使 用、维护保养、故障预测提供数据依据。 2 基于 A D A M S ／ H y d r a u l i c s 模块建立主伸缩 回 路的液压模型，并进行机液耦合动态仿真分析。从仿 真曲线可以看出在工作工程中，液压换管机速度能 达到实际要求，并且液压缸运动平稳，换管工作安全 可靠，无较大载荷冲击。进而说明系统设计的合理性。 虚拟样机模型的仿真结果为模型结构的研制、改 进及特性研究提供了重要的数据和可靠的理论依据， 可以提高设计质量、降低设计成本 ，为缩短研制周期 创造了良好的必要条件。该液压系统的设计方法及理 论对其他同类系统的研究具有一定的参考意义 ，为国 内液压换管机的进一步研发、优化及生产提供了重要 的参 考依 据 。 参考文献 【 1 】 郭雄华 ， 韩慧仙， 曹显利． 工程机械液压 可靠性分析 [ J ] ． 制造业 自动化， 2 0 1 0 ， 3 2 5 2 2 5 2 2 7 ． 【 2 】 李增刚． A D A M S 入门详解与实例 [ M] ． 北京 国防工业 出版社 ， 2 0 0 6 2 4 32 5 7 ． 【 3 】 王国有 ， 陈新响， 李文华， 等． 基于 A D A M S ／ H y d r a u l i c s 模 块的液压离合器液压系统仿真[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 1 0 ， 3 8 9 6 9 7 0 ， 4 2 ． 【 4 】 张俊俊 ， 张辉． 装载机工作装置建模和运动学分析[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 1 0， 3 8 7 1 0 61 0 8 ． 【 5 】 祖英利 ， 章文斌， 冯培昌， 等． 挖掘装载机的整机参数化 建模及仿真研究 [ J ] ． 上海第二工业大学学报， 2 0 0 6 ， 2 3 3 2 3 62 4 0 ． 5 3 5 0 5 3 5 6 4 0 1 L l 0 4 O 0 m 0 0 0-O． H I s ． 目 ， d