AMESim软件在导向钻机液压系统仿真中的应用.pdf

2 0 1 0年 l O月 第3 8 卷 第 l 9期 机床与液压 MACHI NE TO0L＆ HYDRAUL I C S 0c t ．2 0 1 0 Vo 1 ． 3 8 No ．1 9 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 9 ． 0 2 7 A M E S i m软件在导向钻机液压系统仿真中的应用 沙永柏 ，于萍，张萃 吉林大学机械科学与工程学院，吉林长春 1 3 0 0 2 5 摘要A ME S i m软件是一款出色的用于解决 目前实际问题的液压／ 机械系统建模、仿真和动态性能分析的软件。利用 A ME S i m软件建立导向钻机给进液压系统的仿真模型，进行仿真分析；并应用 A M E S i m软件的批处理方式，以等效阻尼系 数和油液弹性模量为例进行参数优化。 关键词导向钻机；A ME S i m；液压系统 中图分类号 T U 6 8 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 1 9 0 9 4 3 Ap p l i c a t i o n o f AM ES i m i n S i mu l a t i o n o f Di r e c t i o n a l Dr i l l ’ S Hy d r a u l i c S y s t e m S HA Yo n g b a i ．YU Pi n g．ZHANG Cu i C o l l e g e o f M e c h a n i c a l S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， J i l i n U n i v e r s i t y ，C h a n g c h u n J i l i n 1 3 0 0 2 5 ，C h i n a Ab s t r a c t AMES i m i s o n e k i n d o f r e ma r k a b l e s o f t w a r e s w h i c h i s u s e d t o s o l v e t h e p r a c t i c a l p r o b l e ms o n mo d e l i n g ．s i mu l a t i o n a n d d y n a mi c p e r f o r ma n c e a n a l y s i s o f h y d r a u l i c ／ me c h a n i c a l s y s t e m．T h e s i mu l a t i o n mo d e l o f t h e d i r e c t i o n a l d r i l l f e e d i n g h y d r a u l i c s y s t e rn wa s b u i l t u s i n g AME S i m a n d t h e s i mu l a t i o n a n a l y s i s e s w e r e ma d e ．T h e b a t c h r u n n i n g me t h o d o f AME S i m w a s i n t r o d u c e d t o o p t i mi z e p a me t e m ．s u c h a s e q u i v a l e n t d a mp i n g c o e mc i e n t ．mo d u l u s o f e l a s t i e i t y o f t h e 0 i l ． Ke y wo r d s D i r e c t i o n a l d r i l l ； AMES i m ； Hy d r a u l i c s y s t e m 随着计算机仿真技术 的发展 ，在工程 系统 的设计 中使用计算机对实际系统 的动态特性进行数字仿真成 为可能 。通过对液压 系统 的仿真 ，设计人员可以在设 计 阶段就考虑到液压 系统动态特性 ，这会大大地缩短 液压系统或元件的设计周期，避免因重复试验及加工 所带来的昂贵费用 ，且可及早地认识到该系统在动态 特性方面所存在 的薄弱环节并加以消除 。而 目，通过 仿真还可以对所设计 的系统有更深入 的了解 ，了解多 负载系统中负载之间的相互作用，或了解多作用元件 系统中各元件之 间的相互影 响 ，或认识单个元件在整 个系统中的作用等，从而达到优化系统、优化元件、 优化参数 的 目的⋯ 。 导 向钻机要求输 出功率较 大 、起 动制 动迅 速 和 运动平稳 ，因此整 台机器 的传 动及控 制都 普遍采 用 液压传动及控制 系统 。液 压系统 性 能的好 坏直 接影 响到整机 的性能 。 由于 导 向钻机作 业过 程 复杂 ，在 工作过程中启动 、换 向等动作 比较频繁 ，对于方 向 控制精度要求较高，施工中的外来干扰较多。如果 动态 响应特性较 差 ，就 会 出现振 荡 、液压 冲击 ，或 速度 、控制精度不稳定，以及工作器件运动失调等 动态品质问题。因此对液压系统进行动态特性研究 十分必要 。作 者应 用 A M E S i m仿真 软件 平 台 ，对钻 机 的给进 液压 系统进 行 仿真 分 析 ，并 采用 A ME S i m 的批处理方 式优化系统参数 。 1 A ME S i m软件简介 仿真技术作为液压系统或元件设计研究的重要手 段 ，已被业界广泛认识。液压仿真技术，从诞生到今 天 ，已经有 5 0多年的历史 ，在我 国也有 2 0多年 的发 展历史。随着流体力学、现代控制理论、算法理论、 可靠性理论等相关学科的发展，特别是计算机技术的 突飞猛进，液压仿真技术也日益成熟，越来越成为液 压系统设计人员 的有力工具 。 目前 已有多种液压仿真 软件 ，A M E S i m 软 件 即 为 其 中一 款 优 秀 的 仿 真 软 件 。 AME S i m A d v a n c e d Mo d e l i n g E n v i r o n m e n t f o r p e r f o r m i n g S i mu l a t i o n o f e n g i n e e r i n g s y s t e ms 是 法国 I ma g i n e 公司于 1 9 9 5年推 出的一个出色 的用于解决 目前实 际问题的液压／ 机械系统建模 、仿真和动态性能分析 的软件 。A ME S i m软件 的界面用 c语言实现 ，算法用 F O R T R A N语言实现，不需要其他商用软件作支撑。 A M E S i m软件系列包括用于系统设计 的 A ME S i m， 用于创建应用库的 A ME S e t ，用于模型定制的 A M E C u s t o m和传 送至 最终 用户 的 A M E S i m 的只运 行版本 A ME R u n 。 A ME S i m的模型库多 达 2 0种 ，子模型 总数 多达 1 5 0 0多个 ，并且支持数据库管理。该系统 面向 原理图建模 ，保留了 4个层次的建模方式 数学方程 收稿 15 1 期 2 0 0 9 0 91 6 作者简介 沙永柏 1 9 7 1 一 ，男 ，副教授 ，研究方 向为机械电子 。E m a i l s h a y b j l u ． e d u ． c n 。 第 l 9期 沙永柏 等A ME S i m软件在导向钻机液压系统仿真中的应用 9 5 级 、方块级 、基本元素级和元件级 ；并且具有多种仿 真运行模式动态仿真模式、稳态仿真模式、间断连 续仿真模式以及批处理仿真模式 ；A M E S i m提供了丰 富的 和 其 他 软 件 的 接 口Ma t l a b ，M a t r i x X，A d a m s ， S i mp a c k， VL Mo t i o n ． F l u x， x PC， d S P CE， i S I GHT， O P T I MU S ， E x c e l 。该系统面向原理图建模 ，使用者不 用编制任何程序代码。这样使得用户可以从繁琐的数 学建模 中解放 出来 ，只专 注于物理 系统本 身的设 计 。 2 给进系统工作原理 给进机构是导 向钻机的主要执行机构 ，它主要用 于提供钻进过程 中对钻杆 、钻具的推力及回拉扩孔或 铺管过程 中的拉力。工作时 ，由给进 机构 带动动力 头 升降，进而实现钻杆的给进与回拖。由于钻进在地下 进行 ，地层情况 的复杂性给导 向钻进 的施工带来较大 的困难 ，如会遇到负载 的突变等状况 。给进机构 的合 理与否直接关 系到钻机总体性能 ，如施工效率 、施工 精度 、施工能力 、施工成本等 。 由于 液 压 驱 动 的 给进 机 构 具 有 给 进 力 大 、可 无 级 调 速 等 优 点 ，故 现 有 导 向钻 机 的给 进机 构 几乎 都 采 用液 压 驱 动 。图 1为 一 导 向钻 机 给进 系 统 的液 压 原 理 图。液 压 泵 1通 过 换 向 阀 5向 液压马 达 6 、7提供 压 力 油 ，换 向 阀 5 左 、 右 位 接 通 时 ，分 别 实 现 两 马 达 正 、反 转 ， 图 1 给进液压系统图 两马达输 出轴共 同驱动链 轮转 动 ，从 而带动动 力头给 进或回拖。当系统压力达到或超过额定工作压力时， 溢流阀4开启，工作腔压力油溢流回油。两马达刚性 联结 ，图中用一负载示意表示其连接方式 。 3 仿真模型的建立 在 A M E S i m仿 真软件 的液压库子模 型库中集成 大 多数标准液压元件 的仿真子模型 ，最大程度地避免仿 真者 自行设计数学模型 。同时 ，对系统 中的特定元件 模型，可根据其物 理结构，使 用液压元 件设计库 H y d r a u l i c C o m p o n e n t D e s i g n 里 的最 小模 型 单元 搭 建完成。在 S k e t c h Mo d e中建立 的给进 系统模 型见 图 2 。完成系统模型图以后，选定系统元件子模型并进 行参数设定 ，图 3及 图 4分别为其 中的液压油及马达 参数设定 。 9 6 机床与液压 第 3 8卷 4仿真结果分析 4 ． 1 负载 突变时 的动 态响应 完成各子模型参数设定后 ，设定仿真时间及步长 等项 ，即可运行仿真得出动态响应 曲线 。可以给定不 同的输入信号及参数，进而得出不同元件相关参数的 动态响应曲线，作者针对在钻进过程中负载突然增加 情况下，仿真马达输出转速与马达进口压力的动态响 应情况 。 图 5 、6为在给进 过程 中，在 t 1 S 时 刻 ，负 载 由 7 5 k N突然增至 1 5 0 k N时的动态响应曲线。其 中 ， 图 5为马达输 出转速的动态响应曲线 ，可 以看出 在 负载突然增 加 的瞬 间，转 速 降 为 0 ，说 明 系统 产 生 “ 后座冲击”现象；经过 0 ． 0 3 S ，转速开始回升 ，到 t 1 ． 0 5 S 时 ，已升至峰值 ，经过 0 ． 2 S ，系统 已进入 稳定状态 。对 比负 载变 化前 、后 的稳态 值 ，可 以看 出 ，负载增加后 ，转 速有 微 小 幅度 的减 少 ，误 差为 1 ． 3 ％ ，可见 系统 能够 比较 准确地 回到稳 态值 。图 6 为马达输入端压力动态响应 曲线 ，可以看 出，在 负载 突然增加的瞬间，压力有个小幅值的振荡状态，超调 量较小 ，经过 0 ． 1 S ，压 力进入稳定状态 。 ，、 30 25 ’ i 2 0 1 5 商1 0 样5 0 1 ． 00 1 ． 05 1 ． 1 0 1 ． 1 5 1． 2 0 时 间／ s 图5 马达输出转速 图6 马达压力动 动态仿真结果 态仿真结果 从仿真结果看出 在 负载阶跃 变化时 ，系统输出 瞬态响应随时间推延而逐渐衰减 ，使输 出量趋于一个 稳定值 ，可见系统是稳定的；并且进入稳态值的时间 较短 ，说明系统 响应较快 ；当外 载发生 阶跃 变化 时 ， 马达输 出转速较快地 回到稳态值 ，误差较小 ，反 映了 系统 的抗干扰能力较强 。 4 ． 2 有关参数对系统动态特性的影响 为了更好地掌握影响系统 动态特性的因素 ，利用 A M E S i m的批处理功能设定模型元件 的参 数值 ，可 以 提供一组不同设定值下的仿真结果，从而了解有关参 数对系统性能影响的程度，方便系统参数优化 ，为改 善系统动态性能提供依据。在此以等效黏性阻尼系数 及油液弹性模量为例说明参数对系统的影 响。 4 ． 2 ． 1 等效黏性阻尼系数 的影响 图 7 、8 为换 向阀由中位换 向至左位 时系统 的响 应情况 ，给定的换 向信号为阶跃信 号。图中分别 以等 效黏性阻尼 系数 曰为 1 、1 0 、5 0的系统 为例 进 行分 析 。图7为马达输出转速 的响应 曲线 ，图 8为马达输 入端压力的响应 曲线 。 ．曼 詈 商 辩 时 间， s l 5 1 0 奋s 0 0． OO 0． 0 5 0． 1 0 0． 15 时间， s 图7 不同B值下的 图8 不同B值下 马达输出转速 的马达压力 仿真曲线 仿真曲线 从仿真结果可 以看 出 当 B1 时 ，为欠 阻尼状 态 ，系统频率较高 ，转速响应曲线 的振荡程度 相对 比 较剧烈 ，系统的稳定性变差 ，过渡时间变长 ；当 B l 0时，系统经轻微振荡 ，就进入稳定状态；而B 5 0 时 ，为过阻尼状态 ，稳定性较好 ，但系统过渡过程时 间变长 。从图 8可以看出 当 日增加时 ，马达人 口压 力 明显加大 ，因此 系统功率损耗增加 ，即随着 黏性阻 尼系数 B的增加，消耗的功率增多。综合对比各种 结果，对于该系统来说 ，当 日值在 1 0左右时，动态 特性较好 。 通过上述分析 即可明确等效黏性阻尼系数对系统 响应特性的影响情况，进而采取相应的措施改善系统 动态特性 。在钻 进作 业 中 ，黏性 阻尼受 很多 因素 影 响 ，如钻压 、转速 、机械结构的摩擦 、钻杆与孔壁间 的摩擦 、泥浆黏度等等。根据系统动态特性 的具体要 求 ，可通过改善润滑条件 ，降低泥浆黏度 、增大泥浆 量等措施来降低黏性阻尼；还可通过在液压系统中设 置节流阻尼等方法来增大黏性阻尼。 4 ． 2 ． 2 油液 弹性模量的影 响 对 于工程 中常用 的矿物 系液压 油 ，弹性模 量 值变化不大 ，但如果油 中混入气体 ，压缩性将显著增 加，E 值明显降低。通常，如果油中没有混入空气， 可取 E 1 ． 4～ 2 ． 0 1 0 P a 。当油中混入 1 ％的空气 时，E 值将降到原来的5 0 ％左右 。下面分别 以E 值为下述情况进行仿真分析1 7 0 0 MP a 、8 0 0 M P a 及 8 5 MP a ，仿真结果如 图 9所示 。 U- U 0． 2 0． 4 0． 6 0． 8 1 ． U 时 间／ S 图9 不同E 值下马达输出转速的仿真曲线 可 以看出 当 E 1 7 0 0 M P a 时 ，系统响应速度 很快， t 0 ． 0 6 S 即上升至峰值 ，t 0 ． 3 0 S 达到稳定 下转第 1 0 0页 如 加 2 5 0 一 卜 u 目． J 一 、 毒 毒 1 0 0 机床与液压 第 3 8卷 高，动态性能较好 ，但液压马达输 出转速稍有脉动。 下一步将尝试调整模糊规则、隶属 函数 、清晰化方 法 、量化 因子及 比例因子等 以获取更好 的控制效果 。 言 量 蜱 罨 幅 ’ 量 三 霜 珂 r 楚 图 6 发动机转速控制仿真结果 图7 液压马达转速控制仿真结果 5 结束语 通过以上仿 真研 究 ，可 以得 出 以下结论 1 采用 A M E S i m和 M a t l a b联 合仿 真技 术简 化 了静 液压 无级变速系统 的仿真建模过程 ； 2 自适应模糊 P I D 控制 器对静液压无级 变速系统 的控制 效果 明显优 于 P I D控制器的控制效果，是可选方案。但由于作者偏 重于系统建模及仿真的基本思路研究，而忽略了许多 实际应用中需考虑 的影 响因素 ，故 在实际应 用中 ，模 型 特别是液压系统 需加 以完善 ，模糊控制规则及 量化因子 、比例因子等需根据实际经验做进一步调整 。 参考文献 【 1 】 黄爱勇． 静液压传动试验台的控制研究[ D ] ． 南京 南京 农 业大学 ， 2 0 0 7 ． 6 1 3 ． 【 2 】 杨瑞． 基于模糊 P I D控制的压注机电液伺服系统的应用 研究 [ 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系统最高处设置排气塞或排气 阀 ，液压泵吸油 口 管径尽可能大一些 ，减少管路的弯曲，选择合理的密 封件及密封结构，保持油箱中足够的油液等措施均能 有效地减少油液 中的空气含量 。 5 结论 经过仿真分析可了解 系统动态特性的优劣 ，并可 分析相关参数对系统特性 的影响 ，从而为进一步完善 系统提供依据。利用计算机仿真技术分析液压系统动 态特性具有精确、可靠 、经济、适应性强等优点。由 于 A ME S i m软件的简洁性及操作方便性，可以相信， 它在工程领域 中的应 用将会越来越广泛 。 参考文献 【 1 】潘东升， 陈松茂， 丘宏扬． 液压仿真技术的现状及发展趋 势[ J ] ． 新技术新工艺， 2 0 0 5 4 71 1 ． 【 2 】 刘海丽， 李华聪． 液压机械系统建模仿真软件 A M E S i m 及其应用[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 6 6 1 2 41 2 6 ． 【 3 】付永领， 祁晓野． A ME S i m系统建模和仿真从入门 到精通[ M] ． 北京 北京航空航天大学出版社 ， 2 0 0 6 ， 6 ． 【 4 】邓爱民， 肖娇美， 田流． 现代非开挖工程机械[ M] ． 北京 人民交通 出版社 ， 2 0 0 3 ． 【 5 】何凤英． 浅谈空气对液压系统的危害及防治[ J ] ． 中国 矿业 ， 2 0 0 0 6 6 8 6 9 ． 【 6 】关长 旭． 空气对工程机械液压系统的危害及预防[ J ] ． 工程机械 ， 2 0 0 2 8 4 3 4 4 ． 【 7 】杨扬 ， 龚国芳， 胡国良， 等． 基于 A M E S i m和 MA T L A B的 盾构推进液压系统仿真 [ J ] ． 机床 与液压 ， 2 0 0 6 6 1 1 9 1 2 0． 6 8．