基于AMESim带式输送机断带抓捕器液压控制系统的研究.pdf

２０１６ 年 ２ 月 第 ４４ 卷 第 ４ 期 机床与液压 ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ｆｅｂ􀆱 ２０１６ Ｖｏｌ􀆱 ４４ Ｎｏ􀆱 ４ ＼ＤＯＩ１０．３９６９／ ｊ􀆱 ｉｓｓｎ􀆱 １００１－３８８１􀆱 ２０１６􀆱 ０４􀆱 ０１７ 收稿日期 ２０１４－１２－１９ 作者简介 陈思瑶 （１９８８）， 男， 硕士研究生， 主要研究方向为液压传动与控制工程。 Ｅ－ｍａｉｌ ｃｈｅｎｓｉｙａｏ１１＠ ｓｉｎａ􀆱 ｃｎ。 基于 ＡＭＥＳｉｍ 带式输送机断带抓捕器液压控制系统的研究 陈思瑶， 周连佺， 仲召明 （江苏师范大学机电工程学院， 江苏徐州 ２２１０００） 摘要 对 ＺＤＢ⁃４００ 型断带抓捕器液压控制系统的组成进行了介绍， 并利用 ＡＭＥＳｉｍ 仿真软件的图形化建模方法建立了 该断带抓捕器液压控制系统的仿真模型， 分析了断带前后液压系统的响应情况， 绘制出系统压力曲线、 液压缸无杆腔压力 曲线以及活塞位移曲线， 为断带抓捕器性能的优化提供了有价值的参考。 关键词 断带抓捕器； 液压控制系统； ＡＭＥＳｉｍ 仿真 中图分类号 ＴＨ１３７ 文献标志码 Ａ 文章编号 １００１－３８８１ （２０１６） ４－０５６－３ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｂｒｏｋｅｎ Ｂｅｌｔ Ｃａｔｃｈｅｒ ｏｆ Ｂｅｌｔ Ｃｏｎｖｅｙｏｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＭＥＳｉｍ ＣＨＥＮ Ｓｉｙａｏ， ＺＨＯＵ Ｌｉａｎｑｕａｎ， ＺＨＯＮＧ Ｚｈａｏｍｉｎｇ （Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ， Ｊｉａｎｇｓｕ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｘｕｚｈｏｕ Ｊｉａｎｇｓｕ ２２１０００， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ＺＤＢ⁃４００⁃ｔｙｐｅ ｂｒｏｋｅｎ ｂｅｌｔ ｃａｔｃｈｅｒ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ． Ｇｒａｐｈｉｃａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｐｐｒｏａｃｈ ｏｆ ＡＭＥＳｉｍ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｅｓｔａｂｌｉｓｈ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ｂｒｏ⁃ ｋｅｎ ｂｅｌｔ ｃａｔｃｈｅｒ． Ｔｈｒｏｕｇｈ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｙｓｔｅｍ ｂｅｆｏｒｅ ａｎｄ ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｂｒｏｋｅｎ， ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｕｒｖｅｓ， ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｒｏｄｌｅｓｓ ｃｈａｍｂｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｉｓｔｏｎ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｃｕｒｖｅｓ ｗｅｒｅ ｇｏｔｔｅｎ． Ｉｔ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｖａｌｕａｂｌｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｂｒｏｋｅｎ ｂｅｌｔ ｃａｔｃｈｅｒ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｂｒｏｋｅｎ ｂｅｌｔ ｃａｔｃｈｅｒ； Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ； ＡＭＥＳｉｍ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 带式输送机经过近两个世纪的发展， 已从最初的 雏形发展成高强度、 大运量、 大功率的现代化的运输 设备。 今天， 带式输送机已经成为散状物料的主要输 送设备之一， 被广泛用于煤炭、 冶金、 电力、 化工、 港口及建材等行业。 由于带式输送机长期工作在大负 荷运转的工况下， 所处工作环境比较恶劣， 另外输送 带本身可能存在一些潜在的质量问题， 断带事故常有 发生。 目前国内已有许多厂家研制了多类带式输送机 断带抓捕器， 在一定程度上减小了断带事故带来的损 失。 文中利用多领域系统仿真集成平台 ＡＭＥＳｉｍ 对 ＺＤＢ⁃４００ 型矿用带式输送机断带抓捕器液压控制系统 进行了建模和仿真， 通过分析仿真结果了解了断带抓 捕器液压控制系统在不同工况下的响应情况， 为日后 断带抓捕器的优化提供理伦依据。 １ 断带抓捕器液压控制系统 ＺＤＢ⁃４００ 型断带抓捕器液压控制系统由液压缸、 液压锁、 电液换向阀、 蓄能器、 压力变送器、 液压 泵、 单向阀、 溢流阀和控制单元等组成［１－２］， 其原理 图如图 １ 所示。 图 １ 断带抓捕器液压控制系统原理图 在没有发生断带事故时， 断带抓捕器处于待机状 态。 压力变送器实时检测系统压力， 当压力变送器检 测到系统压力低于 １３ ＭＰａ， 控制单元启动电机， 使 系统压力逐渐增加； 当压力变送器检测到系统压力高 于 １８ ＭＰａ， 控制单元控制电机停转。 由于泄漏的情 况不可避免， 电机停转后系统压力会慢慢降低， 为了 弥补泄漏造成的压力损失， 电机会间歇性工作以使压 力维持在 １３～１８ ＭＰａ 之间。 当发生断带时， 光电编 码器检测到带速异常， 控制单元接收到断带信号后立 即打开电液换向阀， 释放储存在蓄能器内的液压能， 液压缸在高压油的作用下使活塞迅速伸出推动抓捕机 构完成制动。 ２ ＡＭＥＳｉｍ 模型的建立 ＡＭＥＳｉｍ 为多学科领域复杂系统建模仿真平台。 在这个单一平台上可以建立复杂的多学科领域的系统 模型， 并在此基础上进行仿真计算和深入分析， 也可 以在这个平台上研究任何元件或系统的稳态和动态性 能。 面向工程应用的定位使得 ＡＭＥＳｉｍ 成为汽车、 液 压、 航天航空工业研发部门的理想选择。 文中利用 ＡＭＥＳｉｍ 建立带式输送机断带抓捕器液压控制系统仿 真模型， 建模过程如下［３－４］ （１） 进入 ＡＭＥＳｉｍ 软件平台， 在 Ｓｋｅｔｃｈ 草图模 式下， 从 Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ 库、 Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ Ｄｅｓｉｇｎ 库、 Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ 库和 Ｓｉｇｎａｌ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ 库中选取相应 的元件搭建如图 ２ 所示的系统模型。 图 ２ 断带抓捕器液压控制系统仿真模型 （２） 系统模型搭建完成后， 进入 Ｓｕｂ Ｍｏｄｅｌｓ 子 模型模式， 为模型中的每一个元件选择一个数学模 型。 根据实际需要以及简单起见， 首选子模型。 （３） 完成以上操作后， 进入 Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ 参数模 式， 为系统的每一个元件设置参数。 主要参数设置如 表 １ 所示， 其余参数默认。 表 １ 主要仿真元件参数 内径／ ｍｍ８０ 液压缸活塞直径／ ｍｍ５０ 行程／ ｍｍ４００ 电机额定转速／ （ｒｍｉｎ －１ ）１ ４４０ 液压泵排量／ （ｍＬｒ －１ ）５ 溢流阀设定压力／ ＭＰａ２０ 蓄能器 初始压力／ ＭＰａ 容积／ Ｌ ９ ４０ 弹簧 弹簧刚度（Ｎｍ －１ ） 预紧力／ Ｎ ５０ ２０ 质量／ ｋｇ０．０５ 质量块位移上限／ ｍ０．００２ 位移下限／ ｍ－０．００２ 泄漏和黏滞 摩擦模块 间隙直径／ ｍｍ 外部活塞直径／ ｍｍ ０．０４ １０ ３ 液压控制系统仿真分析 进入 ＡＭＥＳｉｍ 的 Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 仿真模式， 开始对断 带抓捕器液压控制系统进行仿真并对仿真结果进行分 析［５－６］。 （１） 为了研究带式输送机断带抓捕器在输送带 未发生断带事故前液压系统的工作情况， 先对断带发 生前的断带抓捕器液压系统进行仿真。 设置触发器模 块的阈值下限为 １３０， 上限为 １８０， 开关模块的两个 输入分别为 ０ 和 １ ４４０。 设置仿真时间为 ２００ ｓ， 仿真 间隔为 ０􀆱 １ ｓ， 运行仿真得到第一次开机后液压泵向 蓄能器蓄能过程的仿真结果［７－８］， 并绘制出仿真曲线 如图 ３ 所示。 从仿真曲线可以看出 系统压力由蓄能器初始压 力 ９ ＭＰａ 上升到 １８ ＭＰａ， 用时 ８０ ｓ， 并在达到 １８ ＭＰａ 后停止上升。 压力上升平稳， 并能在较短的时 间内达到设定值。 由于断带抓捕器液压系统存在泄漏， 系统压力会 在一定时间内有所下降。 在此仿真模型中用泄漏与黏 滞摩擦模块模拟阀内的泄漏， 间隙直径设置为 ０􀆱 ０４ ｍｍ。 将仿真时间设置为 ８６ ４００ ｓ， 仿真间隔设置为 ３ ｓ， 运行仿真得到液压系统在 ２４ ｈ 内的仿真结果， 系 统压力变化曲线如图 ４ 所示。 图 ３ 断带前系统压力曲线 图４ 考虑泄漏时系统压力曲线 ７５第 ４ 期陈思瑶 等 基于 ＡＭＥＳｉｍ 带式输送机断带抓捕器液压控制系统的研究 从图 ４ 可以看出 电机大约每 ６ ｈ 启动一次， 系 统压力维持在 １３～ １８ ＭＰａ 之间。 因此， 为了减少电 机启动的频率以降低能耗， 可以通过降低液压泄漏来 实现。 （２） 经过带式输送机断带抓捕器在输送带未发 生断带事故前液压系统的仿真分析， 可知系统压力可 以在 ８０ ｓ 内上升至 １８ ＭＰａ， 并维持在 １３～１８ ＭＰａ 之 间。 现在对断带抓捕器抓捕过程进行仿真以了解这一 过程中液压系统的平稳性及液压缸的响应过程。 根据 实际情况， 设置活塞质量为 ２０ ｋｇ， 液压缸平均载荷 ２ ０００ Ｎ。 设置仿真时间 ２００ ｓ， 仿真间隔 ０􀆱 １ ｓ。 为了 在 ｔ＝１００ ｓ 时使换向阀切换到左位， 将分段信号源设 置为 ２ 个阶段 第一阶段设置为 ０， 持续 １００ ｓ； 第二 阶段设置为２００， 持续１００ ｓ。 运行仿真得到液压控制 系统的仿真结果， 并绘制 ｔ＝ ９９～１０１ ｓ 之间系统压力 随时间变化的曲线以及液压缸无杆腔压力和活塞位移 随时间变化的曲线， 如图 ５ 所示。 图 ５ 液压缸无杆腔压力、 系统压力 和活塞位移随时间变化的曲线 从图 ５ 可以看出 断带抓捕器液压控制系统仿真 模型在 ｔ＝１００ ｓ 时接到断带信号后， 在 ０􀆱 ５ ｓ 的短时 间内， 系统压力迅速从１８ ＭＰａ 降至 １５ ＭＰａ 左右。 整 个过程快速而且平稳， 说明在输送带发生断带后， 断 带抓捕器抓捕过程中系统压力变化迅速、 平稳且无振 荡现象； 活塞位移从 ０ 增大到 ０􀆱 ４ ｍ， 其变化规律基 本与液压缸无杆腔压力变化同步， 但液压缸无杆腔压 力由于液压锁的影响出现了短时、 小幅波动现象， 其 对系统影响很小。 活塞位移变化平稳且快速， 说明断 带抓捕器的液压控制系统在抓捕过程中响应速度快， 灵敏度高。 ４ 结束语 通过多学科领域复杂系统建模仿真平台 ＡＭＥＳｉｍ 对断带抓捕器液压控制系统进行了建模与仿真， 并对 仿真结果做了进一步的分析， 得出了 ＺＤＢ⁃４００ 型断 带抓捕器液压控制系统响应速度快、 运行平稳、 灵敏 度高的特点， 为日后断带抓捕器的优化与改进提供理 伦依据。 采用 ＡＭＥＳｉｍ 仿真软件对液压系统进行建模 与仿真， 不仅可以避免复杂数学模型的推导， 而且可 以方便快捷地了解各参数变化对系统特性的影响， 大 大缩短了产品设计的周期， 降低了设计成本， 也提高 了设计的质量。 参考文献 ［１］ 陈标．矿用带式输送机断带抓捕器设计与系统仿真［Ｄ］． 西安西安科技大学，２０１３． ［２］ 陈伟林．电液控制型带式输送机断带抓捕器研制［Ｄ］．西 安西安科技大学，２０１１． ［３］ 任中全．基于 ＡＭＥＳｉｍ 的断带抓捕器液压控制系统仿真 研究［Ｊ］．煤矿机械，２０１４，３５（１）３８－４０． ［４］ 吴亚锋，郭军．基于 ＡＭＥＳｉｍ 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，２００７，２９（４）３６８－ ３７１． ［５］ 马长林，黄先祥，郝琳．基于 ＡＭＥＳｉｍ 的电液伺服系统仿 真与优化研究［Ｊ］．液压气动与密封，２００６（１）３２－３４． ［６］ 张宪宇，陈小虎，何庆飞，等．基于 ＡＭＥＳｉｍ 液压元件设 计库的液压系统建模与仿真［Ｊ］．机床与液压，２０１２，４０ （１３）１７２－１７４． ［７］ ＷＵ Ｚ，ＳＨＩ Ｈ．Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｒｅ⁃ ｌｅａｓｅ Ｖａｌｖｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＭＥＳｉｍ ［ Ｊ］． Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，２０１３，７５３－７５５２６５９－２６６２． ［８］ ＫＯＮＧ Ｘ，ＬＩＡＮＧ Ｊ，ＫＯＮＧ Ｐ，ｅｔ ａｌ．Ｃｏｍｂｉｎｅｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＭＥＳｉｍ ａｎｄ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ ｆｏｒ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｃｙｌｉｎｄｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｂｙ Ｓｅｒｖｏ Ｖａｌｖｅ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｍａ⁃ ｔｅｒｉａｌｓ，２０１４，４７０３１６－３１９． 􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽 􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽 􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽 􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀤽􀦽 􀦽 􀦽 􀦽 工信部将全面启动实施 “中国制造 ２０２５” 国务院新闻办举行了工业稳增长调结构有关情况的新闻发布会。 工信部部长苗圩出席会议时指出， ２０１６ 年工信部 将全面启动实施 “中国制造 ２０２５”， 全力以赴保持工业经济平稳增长， 坚定不移推进化解产能严重过剩， 大力扶持小 微企业的发展， 持续推进简政放权、 放管结合、 优化服务五个方面的工作， 其中重点强调了实施 “中国制造 ２０２５” 的 具体工作。 苗圩指出， ２０１６ 年工信部将着力推进供给侧结构性改革， 确保工业稳增长调结构。 苗圩提出了五项措施， 其中第 一项措施就是全面启动实施 “中国制造 ２０２５”。 具体来看 （１） 正在加紧编制的 １１ 个重点工程实施方案、 重要规划、 行动计划； （２） 围绕国家制造业创新中心 建设、 智能制造、 工业强基、 绿色制造和高端装备创新五大领域， 推动五大工程； （３） 制定 “中国制造２０２５” 和 “互 联网＋” 融合发展的指导意见， 把制造业、 “互联网＋” 和 “双创” 紧密结合起来； （４） 继续出台一批配套政策。 （内容来源 中国机械网） ８５机床与液压第 ４４ 卷