水力式升船机液压系统管道共振分析.pdf

水力式升船机液压系统管道共振分析 常奎 邱亚峰 赵晓军 毛喜旺 1南京理工大学 南京2 1 0 0 9 4 2南京晨光集团有限责任公 司 南京2 1 0 0 0 6 摘要升船机液压系统的管路共振，严重威胁升船机工作的稳定性及安全性。现采用 A ME S i m和 A n s y s 软 件共同对管道共振进行评估。利用 A M E S i m软件对承船厢液压系统进行建模仿真，并验证其仿真结果的准确性， 进而得出液压管道内部压力曲线及压力幅频特性曲线。再用A n s y s 软件对液压管道进行模态分析，得出管道的固 有频率。通过比较管道内部压力幅频特性曲线和管道固有频率 ，得出液压管道不会发生共振，验证了承船厢液 压 系统管道布局设计 的合理性 。 关键词升船机；液压系统 ；管道；共振；模态分析 中图分类号U 6 4 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 7 8 5 2 0 1 2 0 7 0 0 5 8 0 6 Ab s t r a c t P i p e l i n e r e s o n a n c e o f s h i p l i ft h y d r a u l i c s y s t e m s e r i o u s l y t h r e a t e n s t h e s t a b i l i t y a n d s a f e t y o f t h e s h i p - l i f t ． T h e A MES i m a n d A n s y s s o f t w a r e a r e b o t h a d o p t e d f o r e v a l u a t i o n o f p i p e l i n e r e s o n a n c e ． AME S i m s o f t w a r e i s u s e d f o r mo d e l i n g a n d s i mu l a t i o n o f s h i p c h a mb e r h y d r a u l i c s y s t e m ，a n d f o r v e r i fi c a t i o n o f s i mu l a t i o n r e s u l t s ’ a c c u r a c y，t h u s o h t a i ni n g t h e h y dr a ul i c p i pe l i ne i n t e r n al pr e s s ur e c u r v e s a n d p r e s s u r e a mpl i t u de f r e q ue n c y c h a r a c t e r i s t i c c u rve s ． Th e n Ans y s s o f t wa r e i s u s e d for mo d a l a n a l y s i s o f t h e h y d r a u l i c p i p e l i n e ， t o f i g u r e o u t t h e p i p e l i n e n a t u r a l f r e q u e n c y ． C o mp a r e d w i t h p r e s s u r e a mp l i t u d e f r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i c c u r v e s i n s i d e t h e p i p e l i n e a n d p i p e l i n e n mu r al f r e q u e n c y ， i t i s c o n c l u d e d t h a t t h e n o r e s o n a n c e w i t h t h e h y d r a u l i c p i p e l i n e o c c u r s ，p r o v i n g the r e a s o n a b i l i t y of p i p e l i n e l a y o u t d e s i g n i n s h i p r e c e p t i o n c h a mb e r h y d r a u l i c s y s t e m． Ke y wo r d s s h i p l i ft；h y d r a u l i c s y s t e m； p i p e l i n e；r e s o n a n c e ； mo d a l a n a l y s i s 0 引言 了新途径。 液压系统管道共振会造成系统寿命的锐减 ，削 弱系统可靠性 ，甚至会造成工程事故。因此 ，管道 共振分析是液压系统设计的重要步骤。承船厢液压 系统是水力式升船机液压系统的重要组成部分，承 船厢液压系统管道振动 ，严重威胁系统工作的稳定 性和安全性 ，如造成船厢倾斜 、突然下滑等事故。 因此 ，对承船箱液压系统管道共振的研究对我 国 水力式升船机性能及安全性的提高意义重大。 液压系统中管道 振动主要 是以工作 中的流体 冲击管壁为激励而引起的振动 ，流体 冲击不便 于 观测 ，因而采用合理方式对液压管道 的共振进行 分析至关重要。A M E S i m 软件 图形化 的建模方法 ， 可以直观动态地反映 出液压管道 内的压力 、流量 等各种曲线及其幅频曲线。它克服了传统理论力 学建模 困难 ，计算复杂等缺陷。再结合 A n s y s 模态 分析得 出的系统 固有频率 ，可 以对液压管道 是否 共振进行评估 ，为分析液压管道 的共振 问题 提供 一 5 8 1 升船机承船厢液压 系统工作原理 承船厢液压 系统分 为调平液压 系统 、夹 紧液 压系统、顶紧液压系统和 防撞 液压系统。调平 液 压系统的功能 是完成 船厢水平位置调整。夹紧和 顶紧液压系统是通过调节摩擦 片挤压船厢运动轨 道 ，以确保船厢与坝体位置锁定 。防撞液压 系统 的功能是升降防撞梁 ，以防止船身撞击船厢 。 船厢上的设 备分为 4组 ，分别设 置在 以船厢 中心为原点的 4个象限 ，每个象 限的设 备 由一个 液压能源进行控制。列举 一个象 限进 行分析 ，承 船厢液压系统原理 图如 图 1所示 ，调 平 、夹 紧及 防撞液压缸 由一个液压能源控制 。采用 电磁换 向 阀、比例溢流 阀与 电磁溢 流阀的组合形式进行调 压。当系统达到额 定压力后 ，根据系 统指令 ，比 例换向阀的相应 电磁铁通 电动作 ，液压缸开 始工 作；待工作部件达到预定位置后，比例换向阀断 电，阀芯 回中位 ，液压缸腔保压 。在每个液压缸 起重运输机械 2 0 1 2 7 调 正 液 压 缶 I 图 1 承船厢液压 系统原理图 的有杆腔和无杆腔均设置了压力及位移传感器， 对液压缸两腔的压差和活塞杆位置进行检测 。 2液压系统模型建立及仿真 2 ． 1 A ME S i m 模型的建立 根据升船机承船厢液压 系统设计 图及 管道布 局 图，在 A ME S i m草 图模 式下 ，从 元件库 里选取 相应的液压元件构建承船厢液压系统 的仿真模型。 A ME S i m模 型库中没有提供的元器件模型 ，根据相 关的液压元器件资料，利用 H C D库中相应的模块， 搭建出性能一致可以替代 的元器件模型。这些模型 的工作原理和特性达到仿真的要求，不会造成结果 失真。模型 中设 有位移传感器 和力传感器 ，以实 现液压系统 的闭环控制 ，更加真实地反 映实际样 机的工作状况 ，具体 A m e s i m模型图如图 2所示 。 图2 A ME S i m仿真模型图 2 ． 2 AME S i m 模型参数设置 在参数模式 下设定 每个图形模块所 需 的特定 参数 ，主要仿真参数如表 1 所示 。 其中位移传感器设置的0 ． 0 0 1 m为假设调平液 起重运输机械 2 0 1 2 7 压缸活塞偏离水平位置的距离。0 ． 0 6 m、3 m分别 为夹紧和防撞液压 缸的工作行程。力 传感器设置 的 9 2 0 0 0 0 N为夹紧液压缸工作载荷 的大小。仿真 模 型中其他参数 ，如各类 阀 、管道的尺寸参数等 一 5 9 表 1 A ME S i m 仿真参数 液压液压缸 系统项 目 调平液压 缸 夹紧液压缸 防撞液压缸 单缸工作 载荷／ k N 5 6 l 9 2 0 5 0 杆径 d ／ m m 1 4 0 1 8 0 4 5 缸径 D ／ m m 3 o o 2 5 0 1 0 0 行程 L ／ mm 8 0 0 ／ 9 0 0 6 0 ／ 9 0 3 0 0 0 所需流量 4 ．2 41 6 推出 1 8 推 出2 4 Q l／ L ra i n 缩回1 1 缩回1 9 位移传感器 0 ． 0 0 1 0 ． 0 6 3 力传感器 9 2 1 0 0 0 都是根据升船机液压系统设计 中的具体参数设置 ， 现不一一列出。 根据升船机 的工作流程设置控制信号 ，以船 厢上行为例 ，将船厢上行简化为 船厢调平一夹 紧机构推 出 船厢位置锁定 一 降防撞梁 开舱 门，等待船入船厢 一 提 防撞 梁 船入船 厢 ，关 舱门 一收回夹 紧装 置 位置锁 定解除 ，船厢 上 行 。船厢设备液压系统的控制信号如 图 3所示 ， 轴为 时间，Y轴为信 号的大小 。其 中实 线 、虚 线和点划线分别为调平 、夹紧及防撞 液压缸控制 信号。 图 3 A ME S i m仿真控制信号 2 ． 3 A ME S i m仿真结果与分析 输入相应 的仿真参数和控制信号后 ，设 置仿 真时间为 1 0 0 S ，步长为 0 ． 1 S 。得到系统的仿真 结果 。 由图 4 、5得 ，1 3～1 7 S 调平液压缸活塞杆 由 偏移 水平 位置 的 一0 ． 0 0 5 5 m，回到水平 位 置 一 0 ． 0 0 4 5 m，与预设的偏移量 0 ． 0 0 1 m相符。换 向阀 动作时 ，液压缸内压力 略有升 高，幅度 为 0 ． 0 2～ 一 6 0 0 ． 0 3 M P a 。其他时间段液压缸 保压 ，有 杆腔和无 杆腔压力分别为 1 0 ． 2 7 4 MP a和 0 ． 1 MP a 。 I 6 0 1 2 0 山 8 0 蘑 4 O 0 - 2 0 有杆腔 一 无杆腔 0 2 0 4 0 6 0 8 O 1 O O t ／ s 图4 调平液压缸内部压力曲线 图5 调平液压缸活塞杆位移曲线 由图 6 、7得 ，3 5～3 8 S 夹紧液压缸活塞杆空 载推 出。当活 塞杆 前端 摩 擦 片碰 到 滑 动导 轨 时 位移为0 ． 0 6 m ，无杆腔内的压力升高 ，压力达 到预定值时 9 2 0 0 0 0 N ，力传感器发出控制信 号 ，系统保压 。3 88 0 s系统处于保压状态 ，无杆 腔和有杆腔压力分别保持在 2 0 MP a和 0 。8 0～8 3 S 活塞杆 收回 ，活 塞杆位 移 由 0 ． 0 6 m 回到初 始位 置 0 。 图 6 夹紧液压缸内部压力曲线 由图 8 、9得 ，5 05 8 s 防撞液压缸无杆腔进 起重运输机械 2 0 1 2 7 图 l l 夹 紧管道 A n s y s 模型 图 l 2防撞管道 A n s y s 模型 表 4 管道固有频率 液压缸 频／ l -I z 调平液压缸 夹紧液压缸 防撞液压缸 1阶 1 0 ． 3 7 8 2 4 ． 7 3 5 1 3 ． 2 1 3 2阶 1 1 ． 4 6 5 2 4 ． 9 3 1 1 4 ． 5 3 6 3阶 1 4 ． 3 0 7 3 0 ． 0 4 2 1 6 ． 8 7 5 4阶 1 5 ． 2 9 2 3 0 ． 0 5 3 1 7 ． 2 0 1 5阶 1 5 ． 6 1 6 3 8 ． 4 0 6 1 7 ． 7 8 5 6阶 2 6 ． 2 7 1 3 8 ． 4 O 6 2 5 ． 4 5 0 7阶 3 3 ． 4 o 0 3 9 ． 3 3 0 2 9 ． 7 8 7 8阶 3 4 ． 1 5 4 4 4 ． 4 3 4 3 7 ． 8 5 4 9阶 3 4 ． 2 8 2 4 4 ． 4 5 9 3 8 ． 6 7 7 1 0阶 3 5 ． 3 8 1 4 4 ． 4 6 0 3 8 ． 8 8 4 液压管路的共振评估 各系统管道压力与其连接 的液压油 腔压力基 本相同，因篇 幅问题 不一一列 出。由调平 、夹紧 和防撞管道内部 的压力 曲线可得其压力 幅频 曲线， 以供共振 评估 使用 ，压 力 幅频 曲线 如 图 1 31 5 所示 。 由压力幅频 曲线可得 ，承船厢 液压系统大部 分时间处于保压状态，只有在换向阀动作时才会 出现相对 较大 的压力 冲击 ，引起 大 的压 力波 动 ， 从而产生共振。由图 4、图 6 、图 8可得 ，调 平 、 一 ； 2一 图 l 3 调平液压缸压力幅频曲线 图 1 4 夹 紧液压缸压力 幅频 曲线 y mz 图 1 5 防撞 液压 缸压 力幅频曲线 夹紧和防撞管道 内部压力变化 比较平稳 ，其 中调 平管道 内部压力变化 最平稳。由图 1 3～图 1 5可 得 ，调平管道内部压力变化在 2 ． 7 H z处达到最大 值 ，之后又趋于稳定 ，未达到 A n s y s 计算得到调平 管道 1阶固有频率 1 0 ． 3 7 8 H z 。夹紧管道 内部压力 变化在频率段 1 5 H z 之间趋于稳定 ，也未达到夹 紧管道 1阶固有频率 2 4 ． 7 3 5 H z 。防撞管道 内部压 力变化在 4 ． 4 H z处达到最大值 ，与防撞管道 1阶 固有频率 1 3 ． 2 1 3 H z 相差甚远。 当激励频率等于或接近 于系统 固有频率时 会 发生共 振。而 以上 分 析得 ，液 压 管 道 的 激励 频 率 ，即液压管道 内流体 的压力 变化频率远小 于液 压管道 的 1阶固有频 率 ，并且管道 内部 的压力 变 起重运输机械 2 0 l 2 7 化幅度 也 比较小 调平 约为 0 ． 0 2 MP a 、夹 紧约 0 ． O 1 MP a 、防撞 约 为 0 ． O 1 MP a 。据 此 可 以 得 出，该 升船 机 承船 厢 液压 系 统管 道 不会 产 生 共 振 ，系统安全可行 。 5 结论 1 通过 理论 计 算 结 果 与 仿 真 结果 的 比较 ， 证明此 A ME S i m模 型可 以准确地 反映实 际样 机的 工况 ，仿 真 分 析结 果 是进 一 步分 析 管道 共 振 的 基础 。 2 通过 比较激励频率与管道固有频率 ，得 出 激励频率远小于 固有频 率，升船机船厢 液压系统 管道不会 发生共振 ，验证 了承船厢液压 系统管道 布局设计 的合理性 。 3 验证了采用 A ME S i m 和 A n s y s 软件共 同对 升船机承船厢液压 系统管道共振评估 的新方法可 行 ，是研究液压管 道共振 的新思路 。提 高了升船 机承船厢 液压 系统设计 的效率 ，进一步保证 了升 船机液压系统的质量。 参考文献 [ 1 ]付永领，祈晓野 ． A M E 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 ]侯国志，渠立红 ．王丽国 ．基于 A ME S i m的液压卷带 机构动态分析研究 [ J ] ．起重运输机械，2 0 1 0 7 4547 ． [ 3 ]谭宗柒，戴浩林 ．基于 A M E S i m的双阀芯控制液压缸 研究[ J ] ．起重运输机械，2 0 0 8 1 0 1 31 6 ． [ 4 ]包陈，王胡佳 ． A n s y s 工程分析进阶实例 [ M] ．北京 中国水利水电出版社 ，2 0 0 9 ． [ 5 ]王囡囡，何景润 ．基于 A n s y s的双质体振动给料机模 态分析[ J ] ．起重运输机械，2 0 0 5 8 6 4 6 6 ． [ 6 ]尚刚，权龙 ．基于 A ME S i m的挖掘机回转液压系统仿 真分析[ J ] ．液压气动与密封，2 0 0 9 5 4 9 5 1 ． 作 者 常奎 地 址 南京市宣武区孝陵卫 2 0 0号 南京理工大学机械 学 院 邮 编 2 1 0 0 1 4 收稿 日期 2 0 1 1 0 9 0 9 ●⋯- ●⋯ - 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