基于AMEsim的轨道架线车升降平台液压系统仿真.pdf

2 0 1 0年 l 2月 第 3 8卷 第 2 4期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I C S De c ． 2 0 1 0 V0 1 ． 3 8 No ． 2 4 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 2 4 ． 0 2 2 基于 A M E s i m的轨道架 线车升降平台液压 系统仿真 赵志国 ，余洋。 ，鲁冰 1 ．淮阴工学院，江苏淮安 2 2 3 0 0 1 ；2 ．北京科技大学，北京 1 0 0 0 8 3 ； 3 ．抚顺矿业集团西露天矿 ，辽 宁抚顺 1 1 3 0 0 1 摘要以轨道架线车升降平台液压系统为研究对象 ，利用 A ME S i m软件建立升降平台液压系统模型，通过设置主要参 数 ，实现液压系统动力学仿真。仿真结果表明系统响应速度较快，上升和下降稳定性较好，为轨道架线车升降平台液压 系统的性能评估和优化设计提供了一条新途径。 关键词升降平台；液压系统；A ME S i m 中图分类号U 2 7 3 ． 1 文献标识码A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 2 4 0 6 1 3 Hy dr a u l i c Sy s t e m S i mu l a t i o n f or Li f t i ng Pl a t f o r m i n W i r i ng Ra i l c a r Ba s e d o n AⅣI ES i m ZHAO Zh i g u o ， YU Ya n g ， L U Bi n g 1 ． Hu a i y i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ，H u a i ’ a n J i a n g s u 2 2 3 0 0 1 ，C h i n a ； 2 ． 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 gy B e i j i n g ，B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ； 3 ． T h e We s t O p e n Mi n e s o f F u s h u n Mi n i n g G r o u p 。F u s h u n L i a o n i n g 1 1 3 0 0 1 ，C h i n a Ab s t r a c t T a k i n g t h e l i ft i n g p l a t f o r m h y d r a u l i c s y s t e m o f wi rin g r a i l c a r a s a n e x a mp l e， t h e mo d e l o f t h e s y s t e m w a s e s t a b l i s h e d w i t h AME S i m s o f t wa r e ． B y s e t t i n g t h e ma i n p a r a me t e r s ，t h e h y d r a u l i c s y s t e m’ S d y n a mi c s s i mu l a t i o n w a s ma d e ． T h e s i mu l a t i o n r e s u l t s s ho w t h a t t h e r e s p o n s e s pe e d o f t he s y s t e m i s f a s t e r a n d t h e s t a b i l i t i e s o f t he ris i ng a nd f a l l i n g a r e b e t t e r ． A n e w wa y f o r pe rfo rm a n c e e v a l u a t i o n a n d o p t i mal d e s i g n o f t h e l i ft i n g p l a tf o r m h y d r a u l i c s y s t e m o f w i ri n g r a i l c ar i s p r o v i d e d ． Ke y wo r d s L i ft i n g p l a t f o r m ； Hy d r a u l i c s y s t e m； AME S i m 轨道架线车在铁路运输接 触网架线工程施工 和架 线维修施工中，已成为必不可少的架线专用轨道车。 目前国内轨道架线车功能比较单一，不具备多功能的 特点 。某 大学与某公 司根据市场 的需 求和轨道架线车 的发展 趋 势 ，联 合 开 发 设 计 了 多 功 能 轨 道 架 线 车 图 1 。该车具有牵引 、 自动 收放线 、升 降平 台架 线 及 维护 、起重机 吊运货物等功 能。 图 1 多功能轨道架线 车 图 2为整车液压系统原理 图 ，整车液压系统 由起 重机液压 系统 、升 降平 台液压 系统和收放线装置液 压 系统 3部分组成 。升降平 台、随车起 重机 、收放线装 置液压泵共用 1 个液压油箱 ，设有 3台泵 ，动力 由发 动机提供 ，3个系统相互独立，满 足各 自的工作要 求。由于篇幅有限，作者只对升降平台液压系统进行 研究。升降平台是轨道架线车主要部件之一，用于高 空架线作业 和维护 的一种 装置 ，而液压系统性能的好 坏将直接影响架线施工作业的安全性及工作效率。 目前系统元件 的选 型与匹配主要以常规计算选择 为主，传统设计方法中主要采取稳态设计计算 ，无法 考虑元件各结构参数 、管道以及油液黏度等参数对系 统及整车使用的影响，尤其无法预测当系统参数及其 使用 工况发生变化后 的液压 系统性 能变 化情况。现代 的工 程设计方法采用 系统仿真技术 ，有效地缩短 了研 发周 期 、降低 了产 品研发成本及风 险、促进 了各个不 同领 域的融合 。因此 ，系统仿真技术 已经成为工程设 计 中必不可少的核心技术手段 。 作者以轨道架线车升降平台为研究对象 ，采用 A ME S i m软件对轨道架线车升 降平 台液 压系统 进行建 模 ，并在此基础上，模拟实际工况进行动态仿真，可 以大量减少 设计 过程 中存在 的不确定性 因素 ，大大提 高液压 系统 的质量和可靠性 ，为液压系统 的设计和分 析提供一定 的参 考依据 。 收稿 日期 2 0 0 91 1 1 3 作者简介 赵志 国 1 9 7 7 一 ，男 ，博 士研 究 生 ，讲 师 ，主要 从事 车辆 结构 设计及 液压系统设 计。电话 1 3 5 0 5 2 3 5 4 3 6 ， E ma i l l n z z g 98 1 63． c o rn。 6 2 机床与液压 第 3 8 卷 图 2 整车液压 系统原理 图 1 A ME S i m软件介绍 A M E S i m是法 国 I m a g i n e 公 司于 1 9 9 5年推出的基 于键合图的液压／ 机械系统建模、仿真及动力学分析 软件 ，至今 已经发 展到 A ME S i m 7 ． 0版本 。它是 一个 图形化的开发环境 ，是面 向工程系统的高级建模仿真 软件 ，也是面向应用 的高级软件。 A M E S i m仿真软 件的基本 模块有 A M E S i m、A M E S e t 、A M E C u s t o m和 A ME R u n 。其 中 A M E S i m能完 成系 统仿真模型图的建立、模型的选择、参数的设定、仿 真和动态性能的分析。A M E S i m可与其他软件接口进 行更复杂 的混合领域仿真 ，提供 丰富的软件接 口，如 控制软件 M a t l a b ／ S i m u l i n k 和 M a t r i x x ，多维软件 A d a m s 、 S i m p a c k和 3 D v i r t u a l ，F E M 软件 F l u x 2 D，编程 语 言 C 或 F o r a n 等 ，其思想是在各 自领域专用软件下搭建各 个子系统模 型，进行联合仿真 ，然后用 各个软件 自身 的处理工具对属于各 自领域的结构进行分析。 2 升降平台结构组成及液压系统原理 2 ． 1 升 降 平 台机械 系统模 型 升 降平 台 为作 者 所 在单 位 自行 设计 ，主 要 由平 台、平 台 内架 、平 台 内 套 梯 、平 台 外 架 、 升降油 缸及 抽拉 式 滑道 等组 成 ，见 图 3 。其 优 点是强 度 高 、举 升 高 度 可调 、自锁 性好 、维 护 方便 。 图 3 升降平 台 2 ． 2升降平台液压系统设计 升 降 平 台 液压 系 统 采 用开 式 系 统 ，具 有如下特 点 1 进 油 路 中 加 装 平 衡 阀， 实现 作业 平 台升起 后 的保 压 制 锁 ，防止 作 业平 台在 上 升过 程 中 及在升起后 突然降落 ， 保证人和车的安全性； 2 采 用“ H” 型 中 位机 能 的 三位 四通 电 磁 换 向 阀，换 向 时 冲 击 小 ，运 行 平 稳 ，中 位时 P口与 T口连通 ， 1 一油箱 2 一齿轮泵 3 一溢流阀 4 一压力表 s 一 压力表开关 6 一 电磁换 向阀 7 平衡阀 8 一升 降缸 9 一升 降平台 I O 一回油过滤器 图4 升降平台液压 系统原理图 泵卸荷减小了功率损失 ； 3 系统最高压力由溢流 阀限定 ，压力 可调 。升降平 台液压 系统原理 图如 图 4 所示 。 2 ． 3 液压 系统的设计计算 依 据升 降平 台的升起高度及运行平 稳性要求 ，确 定液压缸行程 为 2 ． 3 m，平 台上升时间为 3 0 s 。 ；升 降平 台和重物 总质量 为 4 ． 5 t ，选 定 系统工作 压力 为 6 MP a 。 2 ． 3 ． 1 液压缸参数计算 1 缸筒 内径 、杆径的确定 进油压力 P 。 6 M P a ，回油压力 P 0 ，推力 F 4 5 k N，为了保证 活塞 杆 的稳 定性 ，活塞杆 径取 d 第 2 4 期 赵志国 等 基于 A M E s i m的轨道架线车升降平台液压系统仿真 6 3 0 ． 7 D，D为缸筒 内径 。由活塞受力平衡得 F p ， I T D 一d 2 p 。 得 D0 ． 9 5 5 I n9 5 ． 5 mm，圆整 取 D1 0 0 mm，d 7 0 mm 。 2 液压缸流 量的确定 根据 工作要求 ，升 降平 台 的升 起高 度 为 2 ． 3 I n ， 上升 时间为 t 3 0 s 。 一o． 0 7 6 m／s 口 A 0 ． 0 7 6 6 0 半 1 0 0 1 0 一 4 0． 0 3 6 m ／ mi n3 6 L ／ mi n 2 ． 3 ． 2 泵 的选取 考 虑 到 取 力 器 提 供 的 转 速 范 围 为 6 0 0～9 0 0 r ／ m i n ，以及生产泵 的厂 家提 供 的排 量 范 围 ，选定 泵 的排量选为 4 8 ． 4 m L 。 3 基于 AM E s i m的液压系统建模与仿真 根 据升降平 台液压 系统原 理图 ，建立升降平 台液 压系统 A M E S i m仿真模 型如图 5所示 。 图 5 升降平台液压系统仿真模型 表 1 仿真主要参 数设置 泵排量／ m L r 发动机转速／ r mi n 平衡 阀开启压力／ M P a 升降平台载／ k N 溢流 阀开启 压力／ M P a 三位 四通 电磁换 向阀 P口到 A 口的最大流量／ r m i n I 1 P口到 A 口的压力损失／ MP a B口到 T口的最大 流量／ L m i n B口到 T口的压力损失／ MP a 液压缸 活塞杆 ． ／ mm 内径／ m m 行程／ m m 48． 4 8 o0 6 4 5 1 0 1 2 O 0．3 1 2 0 0． 3 70 1 00 1 3 00 在 A ME s i m 软 件仿 真 时 系 统所 有 模 型 均被 参 数 化 ，各元件 主要参数设 置如表 1 所示 。 3 ． 1 举升过程仿真与分析 举升过程设置仿真 时间为 3 5 S ，得各参数 曲线 如 图 6 、7所 示。 O0 j 0 l 0 20 3 0 40 时间／ s 举升过程 系统流 量 、压力 曲线 暑 z ． 邑 越 L 鎏 o ． 0 1 0 2 O 3O 40 时 间， s 图 7 举 升过程平 台速 度 、位移曲线 从图6可知 ，在前 6 s 内，系统压力、流量存在 波动 ， 6 s 后系统压力、流量趋于稳定 ，压力稳定在 5 ． 7 M P a ，流量稳定在 3 8 ． 7 L ／ m i n 。 2 8 8 时活塞 上 升到终点压力迅速升高，压力升高到 1 0 MP a时，达 到溢流 阀的开启压 力 ，系统溢 流。从 图 7可知 ，在前 6 s 内 ，速度 不够稳定 ，6 s 后 速度趋 于稳定 ，稳定在 0 ． 0 8 m ／ s 。在开始时 ，流量 、压力存 在波动 ，主要是 因为电磁阀通 电时 ，系统存在液压 冲击 现象。 从 图 6 、7可知 ，整个举 升时 间为 2 8 S 左右 ，平 均 上升速 度为 0 ． 0 8 m ／ s ，行程 2 ． 3 m。整个 举升过程 运行 较平 稳 ，虽然在升 降过程 开始 时速度 存在 波动 ， 但 波动范围小 、时间短 ，在正常范 围内。 3 ． 2下降过程仿真与分析 下降过程设 置仿真时间为 2 0 S ，得各仿 真参数 曲 线如 图 8 、9所示 。 出0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 时 间， s 0 5 l 0 1 5 20 25 时 问， s 图8 下降过程系统流 图 9 下降过程平台速 量 、压力曲线 度、位移曲线 从 图 8可知 ，在 前 2 s内，系 统压力 、流量 存在 微小波动 ，2 S 后 系统压 力流量趋 于稳 定 ，压力 稳定 在 1 M P a ，流量稳定在 3 8 ． 7 L ／ m i n 。 1 4 s 时活塞下 降到终点 ，压力迅速升高 ，压力升高到 1 0 M P a时，达 下转第 6 8页 加 ∞ 舯 砷 0 u l 田． 1J、 蛔 媾 ‘ n I I -。 6 8 机床与液压 第 3 8卷 成其他形式的回路 ，影响了叠 加阀的推广应用 。 1 叠加功能块的原理及结构 针对上述 的 “ 一个叠加 阀组 即一个 执行 元件 系统 只能安装 一 只换 向阀” 问题 ，经过 长期 工作 摸索到一种新方法 ，设计 出一种叠加功能块 ，应用于 各种液压叠加阀系统。多年 的使用证明 其可 以满足 各 种复杂液压系统的要求 ，拓宽叠加阀的应用 。现介 绍如下 。 叠加功能块 的长度 、宽度 、油孔 、螺栓孔大小及 数量均与同一通径 的叠加阀相同 ，叠加功能块的高度 根据所需要 的换 向阀宽度方向的安装尺寸而定。一般 叠加功能块的高度略大于所需要的换向阀宽度方向的 安装尺寸 ，例如 1 0 m m 系列 的叠加 功能块 高度 可取 4 0～6 0 mm。 a 主 视 图 t b 俯视 图 图 3 叠加功能块的结构图 叠加功 能块 的结 构 图如 图 3所 示。叠加 功 能块 图形 符 号 参考 图 4 。 在叠加功 能块 的 四周表 面 上 ，根据设计 要求 可安 装各种 换 向阀，同理 也可 安装 叠加 阀 系列 中没 有 的任 何 液 压 阀件 ， 图 4 叠加功 能块 图 形符号参考图 然后依 据安装液压阀的种类及安装尺寸在其安装表 面 加工出相应的孑 L ，同时也需要其安装表面有一定 的平 面度和表面粗糙度要求。 现 以图 1所 示 多 面铣 组 合机 床 的 液 压 原理 图 中 的 主 进 给 系 统 为 例 ，应 用 叠 加 功 能块 设 计 其 液压 叠 加 阀回路 ，其 工 作 原 理 见图 5 。从而实现 了组 合机 床 全 部 采 用 液 压 叠加 阀 回路 ，缩 短 了 设计 和 生 产 周 期 ，使 其结 构 紧凑 、体积 小 、 外形 整 齐 美 观 、使 用 安 全 可 靠 等 。特 别 是 当 系 统 需 要 改 变 时， 可很方便满 足其 要求 ， 充分 体 现 出组 合 机 床 的特点。 2结束 语 图5 多面铣组合机床主进给 系统液压叠加阀回路 应用标准叠加功能块设计的液压叠加 阀回路适用 于工作压力低于 2 0 MP a ，流量小于 2 0 0 L ／ ra i n的机 床 、铸造机械 、工程机械 、冶金设备 、塑料机械 、模 具设备等 。 当使用标准叠加功 能块数量少时 ，可以把相应 的 叠加阀系列 中的阀件改装成标准叠加功能块 ，这样可 以缩 短设计 和生产周期 、节省成本。 参考文献 【 1 】雷天觉． 液压工程手册 [ M] ． 北京 机械工业出版社， 1 99 0． 【 2 】陶亦亦． 机械设备液压气压控制技术[ M] ． 南京 东南大 学 出版社 ， 2 0 0 1 ． 【 3 】徐长寿． 设计叠加阀液压系统的几个基本原则[ J ] ． 液 压与气动 ， 2 0 0 1 1 2 3 5 ． 上接第 6 3页 到溢流阀开启压力 ，系统溢流。 由图9可知，整个下降时间为 1 4 S 左右，平均下 降速度为 0 ． 1 6 m ／ s ，行程 2 ． 3 m，整个下降过程运行 平稳。在开始时 ，流量 、压力存在波动 ，主要是 因为 电磁 阀通 电时 ，系统存在液压 冲击现象。下降过程较 举升过程平稳 ，主要是下降时平衡阀的背压作用 。 4结 论 1 运 用 A ME S i m软件 对 轨道架 线 车升 降平 台 液压系统进行了建模与仿真，得出了仿真曲线。 2 仿真结 果证 明 ，升降平 台液 压 系统具 有较 好的平稳性 ，满足实际工况要求 。 3 仿真结果为升降平 台液压系统的优化设计 及控制提供 了理论依据 。 参考文献 【 1 】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 ． 【 2 】 于淼， 石博强． 基于 A M E S i m的铰接式 自卸车液压制动 系统建模与仿真 [ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 9 ， 3 7 3 1 5 2 1 5 4． 【 3 】余佑官， 龚国芳， 胡国良． A ME S i m仿真技术及其在液压 系统中的应用[ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 0 5 3 2 8 3 1 ． 【 4 】 吴亚锋 ， 郭军． 基于 A M E S i m的飞机液压系统仿真技术 的应用研究[ J ] ． 沈阳工业大学学报 ， 2 0 0 7 ， 2 9 4 3 6 8 3 71 ．