基于AMESim的液压阻尼缓降器仿真研究.pdf

２０１６ 年 ４ 月 第 ４４ 卷 第 ８ 期 机床与液压 ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ａｐｒ􀆱 ２０１６ Ｖｏｌ􀆱 ４４ Ｎｏ􀆱 ８ ＤＯＩ１０．３９６９／ ｊ􀆱 ｉｓｓｎ􀆱 １００１－３８８１􀆱 ２０１６􀆱 ０８􀆱 ０２９ 收稿日期 ２０１５－０３－２５ 作者简介 曹传剑 （１９８４）， 男， 研究生， 讲师， 主要从事机械工程方面的研究工作。 Ｅ－ｍａｉｌ ｌｗｃａｏｃｈｕａｎｊｉａｎ＠ １６３􀆱 ｃｏｍ。 基于 ＡＭＥＳｉｍ 的液压阻尼缓降器仿真研究 曹传剑１， 曹爱霞１， 张华涛２， 李传福２， 法元梅１ （１􀆱 青岛黄海学院机电工程学院， 山东青岛 ２６６４２７； ２􀆱 山东科技大学机械电子工程学院， 山东青岛 ２６６５９０） 摘要 介绍液压阻尼缓降器的工作原理， 利用虚拟仿真平台 ＡＭＥＳｉｍ 软件建立液压阻尼缓降器的动力学模型， 仿真分 析下降速度与流控阀通径之间的关系， 并确定合理的流控阀通径； 仿真分析不同负荷情况下， 液压阻尼缓降器的工作性 能。 结果表明 该缓降器满足使用要求。 仿真结果对液压阻尼缓降器的生产使用具有一定的指导意义。 关键词 液压阻尼； 缓降装置； ＡＭＥＳｉｍ 仿真 中图分类号 ＴＤ５２４􀆱 ３ 文献标志码 Ａ 文章编号 １００１－３８８１ （２０１６） ０８－０８７－２ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｄａｍｐｉｎｇ Ｄｅｓｃｅｎｔ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｄｅｖｉｃｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＭＥＳｉｍ ＣＡＯ Ｃｈｕａｎｊｉａｎ１， ＣＡＯ Ａｉｘｉａ１， ＺＨＡＮＧ Ｈｕａｔａｏ２， ＬＩ Ｃｈｕａｎｆｕ２， ＦＡ Ｙｕａｎｍｅｉ１ （１􀆱 Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ＆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｑｉｎｇｄａｏ Ｈｕａｎｇｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｑｉｎｇｄａｏ Ｓｈａｎｄｏｎｇ ２６６４２７， Ｃｈｉｎａ； ２􀆱 Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｑｉｎｇｄａｏ Ｓｈａｎｄｏｎｇ ２６６５９０， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｄａｍｐｉｎｇ ｄｅｓｃｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｄｅｖｉｃｅ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ． Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｓｅｔ ｕｐ ｂｙ ｔｈｅ ｖｉｒｔｕａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｐｌａｔｆｏｒｍ ＡＭＥＳｉｍ． Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｄｅｓｃｅｎｔ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｏｒｉｆｉｃｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｃｏｎｔｒｏｌ ｖａｌｖｅ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｏｒｉｆｉｃｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｗａｓ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ． Ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｄａｍｐｉｎｇ ｄｅｓｃｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｄｅ⁃ ｖｉｃｅ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌｏａｄ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｓｃｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｄｅｖｉｃｅ ｍｅｅｔｓ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ． Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａ⁃ ｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｃａｎ ｇｕｉｄｅ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｄａｍｐｉｎｇ ｄｅｓｃｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｄｅｖｉｃｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｄａｍｐｉｎｇ； Ｄｅｓｃｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｄｅｖｉｃｅ； ＡＭＥＳｉｍ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 随着社会的不断进步， 城市高层建筑越来越普 及， 高层建筑的安全问题也日益突出， 居民的生命财 产安全在火灾等险情面前得不到有力保障。 消防救援 设备远落后于高层建筑的发展速度， 而配备高层逃生 辅助设备的建筑却少之又少， 这给消防安全工作带来 了极大的挑战［１－５］。 目前， 逃生辅助设备主要有缓降 绳索类、 滑降管道类、 升降机和滑翔机等， 考虑到使 用安全性和经济性， 缓降绳索类逃生设备更受关注。 缓降绳索类逃生设备按工作原理可以分为以下 ３ 种 摩擦阻尼式、 液压阻尼式和电磁阻尼式。 摩擦阻尼式 缓降器是利用机械摩擦来消耗人体的重力势能， 设备 结构简单， 但速度可控性和安全可靠性不高； 电磁阻 尼式缓降器是将人体重力势能转化为电能， 设备承载 能力大， 速度可控性好， 但是结构复杂， 成本高， 不 利于推广普及； 液压阻尼式缓降器是将人体重力势能 转换为流体动能， 避免了机械摩擦， 安全耐用， 而且 速度可调、 结构简单， 宜于产品的推广和普及［６－９］。 文中着重介绍液压阻尼缓降器的工作原理， 并利用虚 拟仿真平台 ＡＭＥＳｉｍ 软件建立液压阻尼缓降器的动力 学模型， 对其工作性能进行仿真研究。 １ 液压阻尼缓降器结构原理 图 １ 所示为液压阻尼缓降器的工作原理图［８］， 装 置整体安装在高层建筑上， 钢丝绳 １ 缠绕在储绳筒 ２ 上， 大齿轮 ３ 和小齿轮 ４ 组成增速装置， 储绳筒 ２ 通 过该增速装置与油泵 ５ 相连， 并可带动油泵 ５ 转动， 油泵 ５ 的出口处安装有流控阀 ６。 当遇到火灾等险情 时， 可将钢丝绳 １ 与人身上的安全带相连， 人在重力 作用下不断下降， 带动储绳筒 ２ 旋转， 人的重力势能 也就通过储绳筒 ２ 和增速装置传递到油泵 ５， 驱动油 泵 ５ 转动， 进而将油液从油箱 ８ 中抽出， 通过流控阀 ６ 的阻尼作用， 人体的重力势能最终转化为高速流体的 动能和部分热能。 通过调节流控阀 ６ 的阀口通径， 可 以改变阀口的阻尼大小， 进而改变人体的下降速度。 图 １ 液压阻尼缓降器工作原理图 液压阻尼缓降器通过传动机构和液压管路将人体 的重力势能转换为油液的动能和部分热能， 以达到缓 速的目的。 该缓降器避免了机械摩擦， 可大大提高装 置的使用寿命； 而且， 人体下降速度可通过调节流控 阀的通径来改变， 使用方便； 同时， 该装置结构简 单， 成本低廉， 宜于推广普及。 ２ 建立缓降器仿真模型 为研究该液压阻尼缓降器的工作性能， 可利用虚 拟仿真平台 ＡＭＥＳｉｍ 软件建立其动力学模型， 仿真分 析恒定负载情况下， 下降速度与流控阀通径之间的关 系。 在建立仿真模型时， 为了简化仿真过程， 可将负 载的下降和储绳筒、 增速装置的转动直接等效到油泵 的转动上， 储绳筒和增速装置的质量与负载重力相比 可忽略不计。 油泵驱动转矩计算如下 Ｔ＝ＧＲ／ ｉ 式中 Ｔ 为油泵驱动转矩； Ｇ 为人体／ 负载重力； Ｒ 为储绳筒半径； ｉ 为增速装置传动比。 考虑到节能环保， 应该尽量选用小排量的油泵， 此处为该装置选用排量为 １０ ｍＬ／ ｒ 的油泵。 详细的设 计计算参数如表 １ 所示。 表 １ 设计计算参数 储绳筒半径 Ｒ／ ｍｍ３０ 传动比 ｉ６ 油泵排量 Ｖ／ （ｍＬｒ －１ ）１０ 图 ２ 所示为液压阻尼缓降器的动力学仿真模型， 此处为了简化仿真过程模型中忽略了传动机构的摩擦 和过滤器的节流作用所产生的影响。 图 ２ 液压阻尼缓降器仿真模型 ３ 缓降器仿真分析 建筑火灾逃生避难器材 中要求， 在规定的最 小负荷 Ｇｍｉｎ、 标准负荷 Ｇ０和最大负荷 Ｇｍａｘ状态下， 救 生缓降器的安全下降速度应为 ０􀆱 １６～１􀆱 ５ ｍ／ ｓ［１０］， 即 油泵的旋转角速度应保持在 ３２ ～３００ ｒａｄ／ ｓ 以内。 表 ２ 为规定的负荷数值。 表 ２ 负荷数值［１０］ 最小负荷 Ｇｍｉｎ３４３５ 标准负荷 Ｇ０６８７５ 最大负荷 Ｇｍａｘ９８１５ 以标准负荷 Ｇ０为测试载荷， 仿真分析流控阀不 同通径情况下， 缓降器的下降速度。 设置流控阀的通 径 ｄ 分 别 为 １、 １􀆱 ５、 ２、 ２􀆱 ５、 ３、 ３􀆱 ５ ｍｍ， 运 用 ＡＭＥＳｉｍ 的批处理功能进行仿真分析， 运行结果如图 ３ 所示。 可以看出 所有曲线最终都达到一个稳定的 速度值， 而且流控阀通径越大， 缓降器的下降速度越 快。 图中， 曲线 ２、 ３、 ４、 ５ 稳定后的角速度均控制 在 ３２ ～３００ ｒａｄ／ ｓ 以内， 符合 建筑火灾逃生避难器 材 中的相关要求。 为了使人员尽快逃离险情， 可 将流控阀通径 ｄ 初步设定为 ３ ｍｍ。 图 ３ 流控阀通径对缓降器工作性能的影响 设定好流控阀通径之后， 为保证该液压阻尼缓降 器能够满足 建筑火灾逃生避难器材 中对下降速 度的要求， 应该仿真分析该缓降器在最小负荷 Ｇｍｉｎ、 标准负荷 Ｇ０和最大负荷 Ｇｍａｘ这 ３ 种负荷状态下的工 作性能。 保持流控阀通径 ｄ＝３ ｍｍ 不变， 依照表 ２ 中 图 ４ ３ 种负荷状态下缓 降器的下降速度图 的数据改变负载载荷， 进 行仿真分析， 运行结果如 图 ４ 所示。 可以看出 液 压阻尼缓降器的下降速度 随负荷的增大而增大， 而 且， 当流控阀通径 ｄ 设定 为 ３ ｍｍ 时， 液压阻尼缓 降器在这 ３ 种规定的负荷 状态下， 下降速度均在规 定的数值范围内， 工作性 能满足使用要求。 ４ 结束语 阐述了逃生救援装置对当今社会消防安全工作的 重要性， 介绍了液压阻尼缓降器的工作原理， 然后， 利用虚拟仿真平台 ＡＭＥＳｉｍ 软件建立了液压阻尼缓降 器的动力学模型， 仿真分析了下降速度与流控阀通径 之间的关系， 并确定了合理的流控阀通径； 最后， 仿 真分析了液压阻尼缓降器在最小负荷、 标准负荷和最 大负荷状态下的工作性能。 结果表明 该缓降器满足 使用要求， 仿真结果对液压阻尼缓降器的生产使用具 有一定的指导意义。 参考文献 ［１］ 姚燕生，朱达荣，吴振坤．高层建筑火灾缓降逃生设备综 述［Ｊ］．安徽建筑工业学院学报，２０１３，２１（４）４１－４５． ［２］ 张清林．高层建筑应急逃生装置研究综述［Ｊ］．消防科学 与技术，２０１２，３１（１）５３－５６．（下转第 １０２ 页） ８８机床与液压第 ４４ 卷 仿真过程中系统负载建立过程与实际系统负载建立过 程有差异， 马达和油缸的流量在加载之初有负值现 象， 这是由于在模型中， 负载为给定值， 即先有负载 之后， 系统压力才建立起来。 各个执行元件流量在 ０􀆱 ０５ ｓ 后恢复稳定， 之后维持在各个负载敏感阀所 控制的流量范围之内。 图 ７ （ｂ） 是各个执行元件 压力变化曲线。 在系统压力建立初始， 有压力超调 现象， 后迅速恢复各个阀口调定压力值。 以上仿真 曲线为系统在正常工作情况下的压力流量曲线， 与 液压系统设计及参数设置相一致， 验证了系统设计 的合理性。 图 ７ 负载敏感系统系统仿真结果 ３ 结论 针对全液压伞钻能量损失较大的问题， 设计了全 液压伞钻负载敏感液压操控系统。 并通过对全液压伞 钻液压系统模型的仿真分析， 验证了系统的负载敏感 性能、 回转回路的调速性能， 结果说明 负载敏感回 路中流量与控制阀开口量相关； 在多个负载同时工作 时， 系统流量为各负载所调定流量， 系统压力为负载 敏感阀所设定压力。 通过仿真， 验证了系统设计的合 理性。 参考文献 ［１］ 何志清，李条．ＹＳＪＺ４􀆱 ８ 型全液压伞钻在平煤六矿北二 进风立井井筒施工中的应用［Ｊ］．建井技术，２００９（３） ３３－３４． ［２］ 李静，徐建方，岳振勇．全液压伞形钻架在立井井筒施工 中的应用［Ｊ］．中州煤炭，２０１０（１）５５－５６． ［３］ 龚维东，张小美．五臂液压伞钻的研制与应用［Ｊ］．能源 技术与管理，２０１０（１）１０９－１１０． ［４］ 程志彬，马传银，杨晓信．液压伞钻研制及其在立井硬 岩爆破施工中的应用［Ｊ］．建井技术，２０１０（１）３５－３８， ３４． （上接第 ８８ 页） ［３］ 陈海初，吴方义，张厚宝，等．基于 ＡＤＡＭＳ 的缓降救生器 仿真［Ｊ］．机械设计与研究，２０１４，３０（３）１２７－１３１． ［４］ 韦建军．离心摩擦式高楼逃生缓降器的研发［Ｊ］．制造业 自动化，２０１２，３４（２）９０－９２． ［５］ 兰自勉，钟清．一种逃生液压缓降器的设计［Ｊ］．液压与 气动，２０１２（１２）７－８． ［６］ 康辉，陈沫．高层逃生自救设备的研究与创新设计［Ｊ］． 机械设计，２０１４，３１（１２）７８－８１． ［７］ 王兴东，钟升，王强，等．往复式液压缓降装置的动态特 性仿真研究［Ｊ］．机床与液压，２０１３，４１（１）１４２－１４５． ［８］ 王立杰，宋飚，黄平，等．液压阻尼式高楼救生装置设计 ［Ｊ］．液压与气动，２０１１（２）４４－４６． ［９］ 兰杰，许颖．一种液压阻尼式高楼逃生装置的设计［Ｊ］． 机械工程师，２０１３（５）３０－３１． ［１０］ ＧＢ ２１９７６􀆱 ２⁃２０１２ 建筑火灾逃生避难器材［Ｓ］． （上接第 ９５ 页） 吸油管和补油管的壁厚为 ２􀆱 ５ ｍｍ； 高压管的壁 厚为 ４ ｍｍ， 选用 ２０ 号冷拔无缝钢管。 管接头联接螺 纹为 Ｍ６０２ ｍｍ， 在具体情况选用时还要考虑其他元 件的尺寸。 δ高压管＝ ２４􀆱 ５ ０􀆱 ０５７ ２ ５００ ４ ＝ ０􀆱 ００５ ６ ｍ ７ 系统性能验算 该系统不是很复杂， 压力损失验算可以忽略。 由 于工作时间较短， 功率使用合理， 功率损失较小， 所 以不必要进行系统温升的验算。 ８ 结论 系统性地以力伺服波浪补偿吊机的相关技术参数 为依据， 对其力伺服液压系统进行设计和液压元件选 型， 不足之处在于未进行系统性能验算。 参考文献 ［１］ 鄢华林，姜飞龙．海洋平台吊机波浪补偿系统研究［Ｊ］． 液压与气动，２０１１（２）２２－２５． ［２］ 鲁克明．深海采矿双波浪补偿系统自适应跟踪控制［Ｊ］． 船海工程，２０１１，４０（３）９４－９７． ［３］ 余建星，李红涛．高架索海上补给装置在小型船舶补给 上的应用［Ｊ］．海洋技术，２００５，２４（２）５９－６２． ［４］ 胡火焰，邓智勇，张浩立．潜水器吊放回收装置液压系统 设计［Ｊ］．液压与气动，２００９（８）５７－５９． ［５］ 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