基于AMESim的轴箱轴承试验机液压系统设计与仿真.pdf

2 0 1 4年 1月 第 4 2卷 第2期 机床与液压 MACHI NE TOOL ＆ HYDRAULI CS J a n ． 2 0 1 4 Vo 1 ． 4 2 No ． 2 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 0 2 ． 0 1 8 基于 A ME S i m的轴箱轴承试验机液压系统设计与仿真 施志辉 ，郜 乐滨，汤武初，朱乾敏 大连交通大学机械工程学院，辽宁大连 1 1 6 0 2 8 摘要针对轨道车辆轴箱轴承试验加载的需要设计了轴承试验机的液压系统 ，通过计算确定 了主要液压元件的型号， 参照原理设计方案利用 A ME S i m软件建立液压系统模型，设定各液压元件模型的具体参数并进行仿真分析，判别液压系统 的设计是否合理、能否达到预期的设计 目的，从而有效地缩短设计周期。 关键词轴承试验机；液压系统 ；A ME S i m仿真 中图分类号T H8 7 T H 1 3 7 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 2 0 5 1 3 De s i g n a n d S i mu l a t i o n f o r Hy dr a ul i c S y s t e m o f Ax l e Bo x Be a r i n g Te s t M a c h i n e Us i ng AM ESi m S HI Z h i h u i 。G A 0 L e b i n ，T A N G Wu c h u ，Z H U Q i a n mi n C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， D a l i a n J i a o t o n g U n i v e r s i t y ，D a l i a n L i a o n i n g 1 1 6 0 2 8 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e h y d r a u l i c s y s t e m wa s d e s i g n e d f o r r a i l v e h i c l e s a x l e b o x b e a r i n g t e s t ma c h i n e ，t h e ma i n h y d r a u l i c c o mp o n e n t s mo d e l s w e r e d e t e r mi n e d b y c a l c u l a t i n g ．AME S i m s o f t w a r e wa s u s e d t o b u i l d a h y d r a u l i c s y s t e m mo d e l a c c o r d i n g t o t h e d e s i g n p r i n e i p i e s ， t h e mo d e l p a r a m e t e r s o f h y d r a u l i c c o mp o n e n t s w e r e s e t a n d t h e s i m u l a t i o n w a s r u n ．I t c a n b e j u d g e d w h e t h e r t h e d e s i gn i s r a t i o n a l ，w h e t h e r t h e d e s i g n g o a l i s a c h i e v e d ．S o t h e d e s i g n c y c l e c a n b e e f f e c t i v e l y s h o r t e n e d ． Ke y wo r d s B e a ri n g t e s t ma c h i n e ；Hy d r a u l i c s y s t e m ；AMES i m s i mu l a t i o n 轨道车辆轴箱轴承试验机用于检验轨道车辆轴承 在接近于实际运用的载荷和速度条件下正确运转的能 力 ，试 验结果可反 映出轴 承在设 计 、制造 、原材料及 润滑等方面的质量水平，是综合评价轴承质量的重要 手段。轴承试验机液压系统负责提供对试验轴承施加 的径向与轴向载荷，它们是模拟车辆沿轨道运行时， 由车辆的车体、转向架、轮轨之间的相互作用产生的 各种垂向和横向作用力 。 在设计液压系统时 ，国内外一直沿用经验设计与 试验研究相结合的方法 ，主要是凭借局部系统设计经 验 、现有资料等进行粗略计算与绘图。设计出的液压 系统往往需要大量试验和反复修改才能满足性能要 求。文中在设计轴承试 验机液压系统原理时 ，借助 A M E S i m对液压系统模型进行动态仿真 ，通过对仿真 结果的分析，初步判别液压系统的设计是否合理、液 压元件参数 的选择是否准确 ，并对不足之处加以改 进。 1 轴承试验机液压系统设计 1 ． 1 液压 系统 原理 设 计 轴承试验机对液压系统提出的要求是对试验轴承 施加沿 z方向的恒定径向力与最大 0 ． 1 H z 频率的交 变轴向力 。综合国内外轴承试验机设计经验与轴承 制造企业的试验方案要求，轴承试验机液压系统提供 的恒定径向力 1 5 0 k N，交变轴向力 5 0 k N，初选径向 加载工作压 力为 1 2 MP a ，轴 向加 载工作压力 为 5 MP a ，且要求变动量不超过 4 - 2 ％ 。轴承试验机试 验动作循环比较单一 ，加载系统机械结构紧凑使液压 缸加载行程很短，所以定量泵 一 溢流阀液压源回路的 功能就可以满足向液压系统提供执行元件需要的压力 和流量 。 轴承试验机在结构型式上采用了模拟实车运行条 件，卧式中间驱动、两头安装试验轴承。径向载荷作 用在轴箱的弹簧上 ，采用两个单活塞杆式的双作用工 程型液压缸 ，安装型式为杆侧长方法兰式。轴向载荷 是通过油缸杠杆增力机构作用到轴箱的端盖上，根据 交变载荷的设计要求选用双活塞杆式的双作用工程型 液压缸，安装型式为轴向脚架式。液压缸压力控制元 件应能远程地 、便捷地调整液压缸工作压力，同时可 以与反馈检测装置 力传感器组成闭环控制系统 以提高载荷精度。在此采用先导式比例减压阀，与定 量泵搭配使用的先导式比例减压阀虽然在工作时泄油 量稍大，但加载压力稳定性好 ，该阀二次压力值由 电气信号控制的比例电磁铁设定 ，可以实现无级降低 某一回路中的压力。对于径向加载液压缸 ，仅有加载 与卸载两个动作步骤 ，在方向控制元件的选择上采用 收稿 日期 2 0 1 3 0 1一 O 8 作者简介施志辉 1 9 6 0 一 ，女 ，硕士 ，教授 ，主要从事数字化制造理论与实用技术研究。Em a i l 5 1 0 3 3 9 6 9 1 q q ． c o m。 5 2 机床与液压 第 4 2卷 两位四通电磁换向阀。而轴向加载方面需要完成拉压 两个方向的加载动作 ，在此采用三位四通电磁换 向 阀、滑阀机能 H型以利于中位卸荷。轴承试验 中试 验轴承模拟运行速度低于5 0 k m ／ h时或试验方案中无 轴向加载时，轴向加载油路处于闭合状态，在此采用 两位两通换向阀作为开关阀。在试验循环中，轴向加 载频繁换向会对系统工作压力产生影响，径向力会因 压力不稳出现波动。所以在伺服阀的供油 口前设置蓄 能器 ，在系统产生压力 冲击时有效减小压力 冲击 的峰 值 ，且蓄能器可 以减小 液压泵 的额定 流量 ，减小能源 损失。综合上述条件设计的液压系统如图1 所示。 YA l 巴 3 M YA 3 l 一 定 量泵 2 一 溢 流阀 卜 蓄 能器 4 、5 一 比例 减压 阀 6 一 两 位两 通换 向阀 7 一两位四通换 向阀 8 ． _ 三 位 四通 换 向阀 9 一径 向加载液压缸 1 O ～ 轴 向加 载液 压缸 图 1 液压系统原理图 1 ． 2主要 液压 元件 选择 径向加载根据径向力设计值 1 5 0 k N的要求 ，经 过计算再根据常用液压缸内 外径 尺 寸选 择 D1 4 0 m m、 d1 0 0 m m。因轴 向加 载 机 械结构 采用杠杆 增力 机构 的 设 计形 式 ，需对 液压 缸 的推 力值进行换算 ，轴向加载轴 向力 设 计 值 为 F 5 0 k N， 液压缸 输出力 F o F ． 6 0 0 ／ 9 0 0十 6 0 0 2 0 k N，参 照 常用液压缸 内外 径 尺寸选 择 轴 向 加 载 液 压 缸 D 1 1 0 m m、d8 0 m m。轴 向 加 载 机械结构如图2所示。 图2 轴向加载机 械结构图 该试验属于多液压缸 同时工作 ，液压泵根据前 述 最大工作压力和最大流量选择 。液压泵的最大工作压 力由液压缸的最高工作压力与管路系统总压力损失组 成 ，管路系统总压力损失在初算时可以取 4 M P a ， 液压泵的最大工作压力为 1 6 M P a 。液压泵的最大输 出流量可按下式计算 q ≥k ∑q v 式中k 为系统 的泄漏修正系数，一般取 k1 ． 1～ 1 ． 3 ； ∑q v 为同时工作的液压缸所需最大工作流 量 。 试验轴承 的轴 向游 隙为 0 ． 2～ 0 ． 4 m m，综合机 械 结构装配精度误差，取中间加载部位的行程为2 m m， 根据增力机构换算油缸的行程为 0 ． 8 m m，最短行程 时 间 0 ． 2 S 。径 向加载先 于轴 向加 载完成并 保持恒 定 ， 所以液压泵输出流量主要针对轴向加载液压缸。液压 缸的最大工作流量可按下式计算 q v Av 1 ． 1 L ／ mi n 式中A为液压缸有效作用面积； 为活塞与缸体的 相对速度 。 因液压 系统 中采用 蓄能器供 油 ，液压泵 的最大流 量由系统一个工作周期 中的平均流量确定 ，由下式 计算 k 口 ． q ≥ 一 0 ． 2 7 L／ mi n 式中q 为系统在整个周期 中第 i 个阶段内的流量； 为一个工作循环 时间 ；k为系统泄漏 系数 。 系统选用效率较高的柱塞泵，柱塞泵的柱塞和缸 体内孔都是圆柱表面，容易得到高精度的配合 ，密封 性能好，在高压下工作仍能保持较高的容积效率和总 效率。采用 2 ． 5 MC Y 1 4 ． 1 B型轴向柱塞泵 ，排量 2 ． 5 m L ／ r 、转速 1 5 0 0 r ／ m i n 、压力级 3 1 ． 5 M P a 、驱动功 率 6 k W。但柱塞泵的缺点是噪声较大，对油的污染 敏感性较高，所 以需要 对油路 清洁元件 做更 高要 求 。柱塞泵液压系统在油液清洁度标准 I S 0 4 4 0 6 1 6 ／ 1 3 条件下可以 良好地工作 ，其要求的过滤精 度为 1 0 m。所 以在液压系统 中同时采用吸油过滤 器 、空气过滤器和高压过滤器，其精度效果见表 1 。 表 1 液压系统过滤器选择 2 液压 系统建模与仿真 2 ． 1 A ME S i m软件简介 A M E S i m软件的仿真过程简单易用，可帮助用户 便捷地建立液压系统模型，并在此基础上进行仿真计 算和深入的分析。A M E S i m的图形化用户界面使得用 户可以在完整的应用模型库中选择需要的模块来构建 复杂系统的模型，所有这些来自不同物理领域的模型 都是经过严格的测试和实验验证的 。 第 2期 施志辉 等 基于 A M E S i m的轴箱轴承试验机液压系统设计与仿真 5 3 2 ． 2 液压 系统建模 A M E S i m采用类似于功能键和图法 的图形化物 理建模方式来描述系统中各元件的相互关系，能够反 映元件间的负载效应及系统中功率流动情况，各元件 采用的复合接口可以同时双向传递多个变量。仿真模 型的创建与修改都是通过 图形界面 G U [ 来完成 的，参照轴承试验机液压系统设计原理创建的系统模 型如 图 3所示 。 径向加载液压缸 轴向加载液压缸 阀 图3 试验机液压系统 A ME S i m模型 文中仿真分析的侧重点在于借助 A ME S i m的系统 仿真结果检查液压系统的原理设计是否合理、液压元 件参数选择是否比较准确 ，由此在子模型特性选择上 可以忽略温度与泵的脉动等变量，这样可使模 型简 单 、仿真速度加快 、仿真重点突出。例如液压缸有 Ⅲ0 2 0与 T F H J 0 2 0两个子模型，T F H J 0 2 0的特点是考 虑液压系统中温度的影响 ，该液压系统仿真优先采用 H J 0 2 0子模型。系统仿真方案设定在液压系统提供最 大加载力的情况下，此处压力控制元件采用直动式减 压阀模型代替 ，降低模型复杂度 ，排除无关变量。根 据选择的各液压元件参数设置子模型参数，同时设置 液压特 性参数 。 表 2 液压系统主要参数 最高压力／ MP a 3 1 ． 5 介质密度／ k g 1 T I 。 8 5 0 电动机转速／ r ra i n 1 5 0 0 体积模量／ M P a 1 7 0 o 液压泵排量／ m L r 2 ． 5 动力黏度／ P a S 0 ． 0 5 1 蓄能器容量／ L 0 ． 4 参考温度／ q c 4 O 2 ． 3 系统加 载仿 真 A ME S i m采用鲁棒性极强的智能求解器 ，可 以根 据用户所建立的模型的数学特性 自动选择最佳的积分 算法，并根据在不同的仿真时刻系统特点动态地切换 积分算法和调整积分步长来缩短仿真时间和提高仿真 精度 ⋯。根据 系统仿真动作方案 ，电磁换 向阀信号 源模型中的输人信号参数如 图4 、5所示 ，设定运行 喜三100兰 图4 径向换向阀信号 输入源参数设置 通过液 压系统动态仿 真模式输 出 的结果 ，比较 各系统元件仿 真参数 曲线 后发 现 ，径 向 加 载 液 压 缸 无杆腔压力 曲线仿 真结果 与设计要求不符。由图6可 知 压力值在 达到工作压 力后 出现两处压力 降低 的 波谷 曲线 ，出现时间分别 是在轴 向加载 的正反 两向 动作 时。 ，阀的额定 电流 4 0 m A。 n u l 1 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 t ／ s 图 5 轴向换向阀信号 输入源参数设置 l 2 l0 _ 8 皇6 4 2 0 O l 0 2 0 3 0 4 0 5 0 t ／ s 图 6 径向加载液压缸 无杆腔压力曲 线仿真结果图 在设计液压系统原理时，加入蓄能器的目的就是 抵消压力冲击 ，在此说明蓄能器没有达到设计要求。 通过分析蓄能器各项参数，发现蓄能器容积偏小 ，对 径 向加载液压缸的补油不足 ，说明在蓄能器容积计算 过程中出现偏差。在再次系统仿真中把蓄能器容积调 整为 1 L ，通过对轴径向加载液压缸压力仿真曲线图 7 、8的分析 ，发现改变蓄能器容积后液压系统可以 按设计要求正常工作。 l 2 1 0 目 8 皇6 4 2 0 5 4 3 1 O 2 2口压 力 1 ＼ ＼ 2 0 1 0 2 0 3 O 4 0 5 0 6 O 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 t ／ s t ／ s 图7 径向加载液压缸压 图8 轴向加载液压缸压 力曲线仿真结果图 力曲线仿真结果图 3结 论 通过对轴承试验机液压系统模型工况仿真分析得 知 ，该液压系统满足轴承试验机的原理设计要求。但 蓄能器的容量较小会无法抵消轴向加载换向对系统的 压力冲击 ，所以提高蓄能器容量可以有效增加系统工 作稳定性。通过A M E S i m仿真软件在液压系统设计中 的应用，降低了液压系统设计所需成本 ，缩短了液系 统的设计周期 ，提高了系统的设计质量。 下转第 3 2页