基于AMESim船舶风翼回转液压系统仿真分析.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 3年 第 0 4期 基于 A M E S i m船舶风翼回转液压系统仿真分析 刘 绪儒 ， 黄连 忠 ， 林煜翔 ， 客振 亚 大连海事大学轮机工程学院 ． 辽宁 大连1 1 6 0 2 6 摘 要 根据功率键合图理论 ， 建立 船舶 风翼 液压 回转系统数学模型 ， 并利用高级仿真软件 A ME S i m对该液压 回转 系统进 行 了系统 建 模和仿真研究。针对船舶在航行过程 中， 风翼 回转时可能遇到 的工况对液压系统进行加 载 ， 得到系统运行时帆位角随设定信号 的变化 规律 ， 以及伺服 阀和液压马达 的动态特性 ， 并通过改变液压系统的相关参数 ， 对液压系统进行 优化 ， 提高船舶风翼 回转液压 系统 的安全 性 和稳定性 。 关键词 风翼 ； 伺服阀 ； 动态特性 ； 仿真研究 中图分 类号 T H1 3 7 ． 1 ， U 6 6 4 ． 3 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 3 0 4 0 0 3 0 0 5 An a l y s i s o f W i n g S a i l Hy d r a u hc S l e wi n g S y s t e m Ba s e d o n AM ES i m L I U Xu 一 Ⅲ ， HU ANG Li a n - z h o n g， L I N Yu - x i a n g， KE Z h e n - y a D a l i a n Ma r i t i me U n i v e r s i t y Ma ri n e E n g i n e e r i n g s c h o o l ， D a l i a n 1 1 6 0 2 6 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e mo d e l o f wi n g s a i l h y d r a u l i c s l e wi n g s y s t e m i s e s t a b l i s h e d b a s e d o n P o w e r B o n d Gr a p h t h e o r y a n d S i mu l a t i o n a n a l y s i s i s ma d e b y u t i l i z i n g AME S i m． T h r o u g h r u n n i n g t h e s i mu l a t i o n u n d e r s e v e r al wo r k i n g c o n d i t i o n s ． t h e c h a n g e l a w o f s e r v o v alv e a n d mo t o r ’ S d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s i s f o u n d o u t I n o r d e r t o i mp r o v e s a f e t y a n d s t a b i l i t y ， S y s t e m o p t i mi z a t i o n i s d o n e b y c h a n g i n g r e l a t i v e p ar a m e t e m ． Ke y W o r d w i n g； S e r v o v alv e； d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c ； s i mu l a t i o n a n aly s i s O 引言 在世界航运界 。 由于燃油价格 的上涨 ， 航运公司营 运成本在不断增加。风能 以其清洁 、 可再生 、 分布广泛 和能量丰富的特点得到世界各国航运公 司的青 睐。从 上世界七 十年代起 ，世界对风翼助航技术 的研究逐渐 增加 ， 并且已经相继有几艘风翼助航船舶下水 。 但是研 究大部分集 中在翼型设计 和控制系统的开发上 ，对于 风翼 回转液压系统的研究 至今较少 ，研究该液压系统 对提高风翼在船舶上的应用具有重要的意义。 近年来 ， 液压仿真技术得到长足进步 ， 很多液压仿 真软件相继推 出，在准确性和可操作性方面有了显著 提高 ，利用仿真软件对液压系统进行特性研究 以及 系 统优化提供了方便。A ME S i m是由法国 I m a g i n e 公司推 出的基于功率建合图原理的一款软件 ，该软件采用图 形化建模 ， 形象直观 ； 并且采用智能求解器 ， 根 据系统 特性的不 同， 自动选择最优积分方法 ； 从而保证系统仿 基 金项 目 国家高技术研究发展计 划 8 6 3计 划 课题 大型远洋船一 风翼 柴油机混合动力低碳控制技术 2 0 1 2 A A1 1 2 7 0 2 收稿 日期 2 0 1 3 0 1 2 6 作者简介 刘 绪儒 1 9 8 9 一 ， 男 ， 山东菏泽 人 ， 硕士研 究生 ， 主要 研究方 向 风 帆回转液压系统特性研究。 30 真的速度与精度【 ” 。 1 风翼 回转液压系统原理 船舶在海上航行时 ，因为海风的非定常性和船舶 航向的变化 ， 需要根据风向的变化转动风翼 ， 产生沿船 舶航 向的最大推力， 辅助船舶航行。这就要求风翼在可 利用的风速范围内能够准确转动到最佳帆位角 ；考虑 到船舶 的安全性 ，要求液压系统能够在极限风速下转 动并降下风翼闭 。 由于风翼在极限风速下 ， 转帆扭矩过大 ， 本文在保 证系统功能不变的前提下 ，对系统参数进行 了合理缩 小 。系统原理图如图 1 所示。 回转液压系统为开式系统 ，主要 由液压泵 ，伺服 阀 ． 液压马达 。 加载器等构成。[ 3 1 由液压泵供给油液至液 压马达 ， 通过齿轮传动 ， 带动风翼 回转 。伺服阀根据控 制信号的变化实现系统调速及换向功能。帆位角控 制 原理为 由偏航控制器根据外界风 向风速 。 计算得到最 佳操帆角 ， 并按照线性变化规律输 出信号 ， 逐渐过渡到 最佳操帆角 ； 同时风翼桅杆处安装位置传感器 ， 采集实 际帆角信号 ，将这两种帆角信号进行 比较 ，得到偏差 值 ， 经 P I D调节器调节后 ， 当做伺服阀输入信号 ， 进而 控制风帆转角 。风翼控制系统原理如图 2所示 。 Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ NO ． 0 4． 2 01 3 1 5 凸 16 嗖 由 l 0 O ／ l l 9 加载器 1 8 制动器 1 7 摩擦片 l 6 大转盘 1 5 小齿轮 1 4 压力传感器 1 3 径向柱塞马达 1 2 压力传感器 l 1 单向节流阀 1 0 流量传感器 9 单向阀 8 单向阀 7 溢流阀 6 溢流阀 5 电磁换向阀 4 校 阀 3 伺服阀 2 溢流阀 l 齿轮泵 图 1 回转液压 系统原理图 图 2风 翼 控 制 系 统 原 理 图 液压 系统采用驻车制动 。当风翼转动到指定角度 后 ， 马达停止转动 ， 制动器 1 8动作 ， 将风翼 固定在此帆 位角上 ； 当风翼需要转动时， 制动器先脱离 ， 液压马达 转动。 2 液压系统建模和仿真 2 ． 1 绘制液压 系统功率键合图 功率键合图是一种统一处理多种能量范畴系统的 动态建模与分析的图解表示方法 ，能直观显示出功率 的流 向， 并且能够有效解决问题。 在分析该液压系统特性时 。仅考虑对系统影响较 大的因素 ， 忽略一些次要 因素 ， 对 系统模型进行简化。 这样不仅对系统性能影响较小 ，而且还能降低系统的 复杂性 ， 减小仿真时的累积误差。在对此系统建模时 ， 由于电机为定速电机 ， 泵为定量泵 ， 故将系统流量设置 为恒流源 ； 忽略了系统管道的影响 ， 并对伺服阀进行相 应 的简化。系统马达在回转时， 绘制的功率键合图如图 3所 示 【5 I 6 】 键合图中各符号意义 1 阻性元 为供油管路 中溢流 阀液阻 ， R 为伺服 阀中减压 口液阻 ， R 为伺服 阀中溢流 口液阻 ， R h 为液压马达泄 露 液阻 ， R 为伺服阀 回油 口液 阻， 尺 为 回转机构摩擦 损失 ， 为风帆回转时风阻扭矩。 2 容性元 一 固妻 嚣 i ＼ ＼ t _＼ 。 一3 bT F T R ‰ C 和 C 分别为液压马达进回油端液容。 3 惯性元 ， a 为液压马达运动部件的质量 ， ， w 为风帆回转时回 转装置的质量。 根据 以上建立的功率键合 图， 结合阻性元关系式 、 容性元关系式和惯性元关系式 ，即可建立系统状态方 程同 。 伺服阀模型状态方程 根据功率键合图，将伺服阀简化为阻尼量损失和 泄露流量损失两种 。 进油口 Q s v △ p △ p a 回油口 Q jsv 卸 A p j p ．- p e 液压马达模型状态方程 进油口p a f A Q ad t p 0 U a 出 油口p e J △ Q p 。 0 U ae 键合图中主要结点状态方程依次为 T F结 p V ∞l Q ． ／ V 1 结 ∞ 1 1 佤 I A T a d t t o l O T F结 p e T J V Q h 1 V T F结 叫 2 2 ． 2 建立 A ME S i m 系统仿 真模 型 前面画出了风帆回转液压 系统功率键合图 ． 列出了 系统状态方程 ， 下面将使用基于功率键合图原理的高级 仿真软件 A ME S i m对 回转液压系统进行仿真研究。 进人 A ME S i m软件后 ， 在 S k e t c h M o d e下 ， 根据液 压系统原理图和功率键合图建立仿真系统。[ 8 1 风翼转动 阻 扭 矩 由 t o r q u e u n i t模 块 直 接 加 载 ； 控 制 系统 由 31 写 一 一 一 一 一 一 制信 控统 液 压 气 动 与 密 封 ， 2 0 1 3年 第 0 4期 p i e c e w i s e l i n e a r s i g n a l s o u r c e给定信号 。 给定帆位角和 实际帆位角比较信号经 A ME S i m 中 P I D模块和增益模 块调理后 ， 输出至伺服阀。搭建完成的仿真系统如图 4 所示 。 图 4液压 系统仿真 图 2 ． 3参数设置 在 P ara me t e r Mo d e下 ， 设置系统各元件参数 ， 如表 1所示 。 表 1 系统各元件参数表 由于海洋风风速和风向的非定常性 ，风翼在回转 时风阻扭矩的变化规律难以确定 。本文采用三种不 同 信号来模拟转帆时风阻扭矩的变化规律 。阶跃信号用 来模拟开始使用风翼时的风阻扭矩变化 ；线性信号代 表转帆时风阻扭矩与帆位角成线性变化规律 ；正弦信 号代表转 帆时风速正弦变化的风阻扭矩变化规律 。三 种加载信号如下图 5 ～ 7所示 。 2 ． 4系统仿真 阶跃信号加载 在 S i m u l a t i o n Mo d e下 ， 设置运行结束时间为 2 2 s ， 通信时间设置为 0 ． 0 1 s ，点击运行仿真 ，仿真结果如图 8 、 9所示 。 图 8为实际帆角信号和给定信号的追随图。 由图 8 可知 ， 在 l s 时 ， 系统开始运转阶段 ， 帆位角调节速度稍 3 2 大于给定信号的变化速度 ， 运行至 3 s 时， 风帆根据给定 信号变化稳定转动 ， 当回转至最佳帆位角 时， 经过短暂 的调整动作 ， 准确维持在最佳帆位角上。由图 9知 ， 在 马达刚开始转动时 ， 速度突然增加 ， 随着系统的运行 ， 马达慢慢达到稳定运行状态 ， 当达到最佳 帆位角时， 经 过短暂调整动作 ， 转速回零 。 吕 辑 图 5阶跃 加载信号 曲线 图 6 线性加载信号曲线 7 0 6 O 三 、 5 0 萋 0 一 l 0 0 5 1 0 l 5 2 O 2 5 3 0 3 5 时间 ／ s 图 7 正弦加载信号曲线 图 8 实际帆位角与信号追随图 量 g ； 瓣 图 9马 达转 动速 度 图 线性加载信号 对系统加载线性 负载信号 ， 点击运行 ， 仿真结果如 曼 g ； 皇 瑙 辩 6 时间 ／ s 时间 ／ s 图 1 0 实际帆位角与给 定信 号追 随图图 1 1 马达转动速度 图 由图 l 0实际帆位角和设定帆位角追随图可知 ． 在 l s 时 ， 风帆刚开始转动 ， 实际风帆调节速度大于设定帆 位角变化速度 ， 运行至 3 s 时 。 回到设定帆位角变化 曲线 上 ， 运行至 l 1 s 时 ， 给定信号达到最佳帆位角 ， 实际帆位 角经短暂调整 ， 在 1 3 s 时稳定在最佳 帆位角上。由图 1 1 知 ， 马达在转动开始阶段有个较大冲击 ， 运行至 3 s 时 ， 经 过小 幅波动 ， 恢 复稳定 运行 状 态 ， 运行 至 l l s时 ， Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ No ．0 4 ． 2 0 1 3 马达出现反转现象 ， 在 1 3 s 时 ， 转速为零。 正弦加载信号 对系统加载正弦负载信号 ， 点击运行 ， 仿真结果如 图 l 2 、 l 3所 示 。 7 O 6 O 、5 0 1 0 O 2 4 6 8 l 0 l 2 l 4 1 6 时间 ／ s ．吕 g ； 辩 图 1 2 买 际帆 位 角 与 给 定 信 号追 随 图 图 1 3 马达 转 动 速 度 图 由图 1 2知 ， 在系统开始运行 时 ， 风翼偏离 了给定 信号 ； 当运行至 3 s时， 风翼运行逐渐稳定 ， 但帆位角也 会围绕给定信号上下浮动 ，这是由负载按照正弦规律 变化导致 。从图 1 3可知， 马达在开始运行时 ， 转速有较 大波动， 在 2 s 时出现 了反转情况 ， 随着系统 的运行 ， 在 4 s 处达到稳定运行状态 ， 但 运行 至 9 s时 ， 转速 出现两 次明显波动 ， 随后转速下降 ， 在 1 3 s 转速 回零 。 以上三组不同加载信号的仿真结果显示 在不同 风阻扭矩变化规律下 。帆位角能够较好跟 随给定信号 的变化 ，该系统能够实现根据控制系统信号调整帆位 角的功能 ； 并且通过 帆位角信号反馈和 P I D信号调节 ， 使帆位角能够保持在较高的精度上 ，满足 了风帆对控 制精度的要求。仿真结果达到了预期 目标。 但系统在开始运行阶段 ，液压马达转速产生 了一 定的冲击 ， 会缩短液压马达工作寿命 并且在正弦波加 载时． 马达转速 出现明显波动， 这可能会导致马达出现 “ 爬行现象” ， 致使调帆时产生较大振动 ， 降低 了调帆动 作的稳定性 ； 所 以需要对系统参数进行优化 。 2 ． 5 系统参数优化研究 液压马达的转速 由通过伺服滑阀的流量控制 ， 改善 伺服阀的动态特性 即可优化液压马达转速变化规律。 在 A ME S i m伺服阀组件中 ，分别改变伺服阀固有 频率 和阻尼 比两项 参 数 ，使 用软 件 中批处 理 b a t c h p a r a me t e r 功能 ， 得到伺服阀出 口流量和液压 马达转速 变化曲线 。如图 1 4 l 7所示 。 譬 1 0 8 厘 4 0 Hz 一 5 0 Hz 一 6 o Hz 一 7 0 Hz 一 8 O Hz 一 9 0 Hz 一 1 O O HZ l l 0 Hz O 2 4 6 8 l O l 2 l 4 1 6 时间， s 图 1 4 伺服 阀出口流量 一 时间 ／ s 图 1 5马达转速 阻尼比 一 0 2 一 伺服 阀出 口流量 - 0 ．4 - 0 ．6 √ ] 一 O．8 一 1．O l 2 一 l 4 _ J l I ／ _ 、 一 ． ． ． ． ． 1／． 。 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 时间 ， s 1 6伺服 阀出口流量 童 瑙 癣 d 图 1 7马达转速 从 以上 四图可 以看 出。改变伺服阀的固有频率和 阻尼比对伺服阀出口流量和液压马达几乎没有影响。 改变伺 服 阀控 制信 号 增益 值进 行仿 真研究 ， 在 A ME S i m软件 中设 置 b a t c h p a r a m e t e r ，设置不 同的增 益值进行仿真 ， [ 9 1 仿真结果如图 1 8 ～ 2 1 所示。 吕 { 翅 韬 霆 罄 尼 _ - 量 ； 辩 出 0 2 4 6 8 1 0 1 2 l 4 1 6 时间 ， s 图 1 8伺服阀 阀芯位移 童 g 咖I 塘 口 廿 出 矮 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 时间， s 1 9伺服 阀 A口流量 图 2 O液压马达转速 图 2 1 液压 马达进 口流量 在 k 4时 ， 伺服阀出口流量 、 伺服阀阀芯行程和马 达转动速度变化 幅度最 大， 随着增益值 k的不断增大 ， 增至 4 4时 ， 伺服阀出 口流量 、 伺服阀阀芯行程 和马达 转动速度振动幅度达到最小 ， 工作状态最稳定 ； 当 k继 续增大时， 阀芯出现震荡 ， 震荡频率和幅度随着 k的增 大而增加 ， 系统愈加不稳定。这是因为增益值太小时 ， 伺服阀响应速度慢 ， 帆位角不能及时跟随给定值变化 ， 导致系统振动幅度较大； 而增益值太大时 ， 伺 服阀响应 速度太快 ， 帆位角 和给定值稍有偏差 ， 经增益值放大 ， 使伺服阀芯迅速动作 ， 发生超调现象 ， 致使系统震荡幅 度增加 ， 稳定性下降。经上述分析 ， 当增益值在 4 4附近 时 ， 液压马达的转速最为稳定 ， 冲击性最小 ， 并且避免 了马达“ 爬行现象” 。 3 结束语 本文使用 A ME S i m软件对风翼 回转液压 系统进行 仿真研究 ， 仿真结果表明 1 在不 同的负载规律下 ， 液压系统能够较好的完 3 3 8642O 图 _． u 1山． 岫堰Ⅱ丑窿苍军 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 3年 第 0 4期 重型特种汽车极限转向卸载系统研究设计 李 静 ， 负 涛 山东泰安航天特种车有限公司 技术 中心 ， 山东 泰安2 7 1 0 0 0 摘要 对常用转向系统作了分析研究 ， 以重型特种汽车转 向为基础 ， 设计了转向极 限状态卸荷的液压系统和电气控制系统 ， 并讲述系统 工作原理和技术特性 ， 解决机械杆系受力变形 、 轮胎磨损 、 液压元件烧坏等不利问题， 提高转 向系统安全性。 关键词 转向 ； 液压系统 ； 杆 系变形 ； 轮胎磨损 ； 限位卸载控制 中图分 类号 T H1 3 7 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 3 0 4 0 0 3 4 0 3 R D o f S t e e r i ng S y s t e m f o r He a v y S p e c i a l Ve h i c l e wi t h L i mi t Po s i t i o n Un l o a d i ng F u nc t i o n L I rin g， YU N T a o O 引言 转向系统在重型特种汽车构造 中起着关键作用 ， 特别是 在多轴转 向重型特种 汽车领域 内作 用更 为重 要 。重型特种汽车转向系统在功能上可分为机械反馈 杆系和液压助力系统 ，我们知道重型特种汽车机械反 馈杆系主要功能有两点 ，一为控制方向盘至转向轮 的 传动 比，二为通过转向器控制液压系统卸荷和工作状 态 的机械反馈控制 。目前汽车制造企业虽然对转 向系 统 的设计都有 自己成熟 的技术 ，但 当转向轮达到极 限 状态 ，即机械限位起作用时 ，液压系统处于满负荷状 收稿 日期 2 0 1 2 1 1 - 1 5 作者简介 李静 1 9 7 9 一 ， 女 ， 山东济宁人 ， 工程 师 ， 硕士 ， 研究方 向为特种 汽 车转 向系统 。 态 ， 机械杆系受力大甚至变形 ， 导致各转向轮不在一个 转弯瞬心 ， 轮胎滑动磨损 ， 同时 ， 液压系统发热 ， 引发液 压元件烧坏等现象 。本文对此问题进行专项研究和分 析 ， 目的是设计出一种能用 国产半整体式转 向器解决 以上不足之处的简单又实用 的液压控制系统。 1 常用汽车转 向系统结构及工作原理 本文 以前两个车轴为转 向轴为例 ，针对新型设计 涉及范围 ．对常用转 向系统的机械反馈杆系和液压助 力系统进行相应的介绍 。 1 机械反馈杆系结构 机械反馈杆系主要 由纵拉杆 、 直拉杆 系、 前桥横拉 杆 、 二桥横拉杆 、 二桥机械 限位等五部分组成 各分组 如图 1 双点划线椭 圆范围所示 。 成转帆工作 ， 并且能够保证较高的控制精度 ； 2 改变伺服阀 的固有频率和阻尼 比对伺服 阀动 态特性几乎没有影响 。而增益值对伺服阀及液压系统 有较大的影响 ， 找到合适的增益值 ， 能够使系统达到最 佳工作状态， 提高风翼系统的安全性和稳定性 。 风翼 回转液压系统 的仿真研究为风翼助航技术的 进一步发展奠定 了基础 ，并对风翼助航技术在船舶的 推广应用具有较高的指导意义。 参 考 文 献 [ 1 】 马长林， 黄先祥， 郝琳． 基于 A ME S i m 的电液伺 服系统仿 真与 优化研究【 J 】 ． 液压气动与密封， 2 0 0 6 ， 1 3 2 3 4 ． [ 2 】 王 立 明． 风帆 辅助推 进装 置及控制 系统 的建模 与仿 真研 究 [ D 】 ． 武汉理 工大学， 2 0 1 0 ． 3 4 [ 3 】 入浞 登 美男， 王宝姊． 装帆商船 “ 新 爱德丸 ” 的液压系统 [ J ] ． 国 外舰船技 术 特辅机 电设备类 ， 1 9 8 5 ， 5 ． [ 4 ] 黄朝明． 船舶风 帆助航 的实验研 究[ D ] ． 大连 大 连海事 大学， 20 08． 【 5 】 蒋 守仁， 赵小 勇， 蒋丹 青． 键合 图法在液压 伺服 系统动态 特性 分析 中的应用 【 J 1 ． 合 肥工业 大学学报 自然科学 版 ， 1 9 9 5 ， 2 1 0 4 -1 1 2 ． [ 6 】 方庆瑁 ． C M1 4型液压马达动特性 的数字仿真[ J 】 ． 华东 冶金学 院学报， 1 9 8 6 ， 0 4 4 2 5 0 ． 【 7 ] 郑建校， 王苗， 贺 利乐． 基 于功率键合 图的轮式装 载机工 作装 置液压系统的建模与仿真[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 0 ， 2 0 ． 【 8 】 杨非， 雷金柱 ． 基 于 A ME S i m 的工程 车辆液 压悬架 系统 仿真 f J 1 ． 液压气 动与密封， 2 0 0 8 ， 2 3 1 3 4 ． [ 9 】 江玲玲， 张俊俊 ． 基 于 A ME S i m的液 压位置 伺服 系统动 态特 性仿真【 J 1 ． 机 械工程 与 自动化， 2 0 0 7 ， 1 ．