基于AMESim的汽车起重机液压系统仿真.pdf

HvdraulicsPneu matics＆ Seals／No．12．2013 基于A MESim的汽车起重机液压系统仿真 田国徽 ’ ，王 玉林 。 ，张鲁邹 。 ，李 1 ．青岛大学机 电工程学院液压研究所 ，山东 青岛 266071； 莹 。 ，丁 波 ’ ，朱虹燃 ’ 2．淄博友谊液压科技有 限公司 ，山东淄博 255000 摘要为提高国内起 重 机液压技术水平 ，以某型号汽车起重 机作为研究对象，利 用A M ESim软件对包括变 幅 ，伸缩，起升机构在 内的 液压系统建立了仿真模型 ，分析了起重 机空载情况 下执行机构的复合动作特性以及变 幅联，伸缩联和卷扬联换 向阀节 流 13开13面积与 通过流量之 间关 系 ，验证 了负载敏感系统的阀前补偿特性，为以后 汽车起重 机液压系统的研究提供了重要参考。 关键词汽车起重机；液压系统；AMESim ；仿真分析；负载敏感 中图分类号T H l37；T P391．92；222．57文献标 识码A文章编号1008 0813201312 0051 04 Simulatio noftheH ydrauhc SvstemobileCr aneBasedonAME Sire T IANGuo - hui 。 ，W A NG Yu - lin’，Z H A NGLu - zou ‘ ，L1 Yi，学，D IN GBo ‘ ，Z H U Hong - r an 。 1 ．Col legeofMechanicalandElectronicEngineering，QingdaoUniver sit y，Qi ngdao266071 ，Chi na； 2．ZiboYouyi H yd raulicTechnologyCo．，Ltd．，Z ibo255000，China AbstractToimprovethetechnicallevelofhydrauliceraneinour country，takingamodelofMobileCraneastheresearchobject，using thesoftw areofA ME Simtoestab lishitscor respondinghydraulicsystemmodelsofampl itude ，st r e tchingandliftingmechani sm ．A lso anal yze theactuator oper atingcharacteristicsfor case - loadcranecomposite，andr elationshi ps ofluffingstr etchandwinchassociatedwith valveorificeopeningar eaand flow．Verif y thefeatur esof loadsensingvalvebefor ethecompensationsystem ，pr ovides animportant referencefor resear chofMobilecranehydraul icsysteminfuture． Keyw ordsm obilecrane；hydr aulicsystem ； A ME Sim ； sim ulationanal ysi s；load - sensing O引言 随着工业建设和民用建设 的飞速发展．汽车起重 机已成为水利 ，电力，冶金，化工，港 口装卸 ，国防建设 及房屋建设必不 可缺 的工程 机械 【 l j 。目前随着社会 发 展 ．国内对大吨位，高起 重力矩的全地面汽车起重 机的 需求越来越 大．用户对 汽车起 重机的功能要求上也日 趋 多元化．已不仅仅是用来搬运重物，而是要满足各种 不同工种 的需求．国内现在汽车起重 机 生产企业正在 努力打造自己的核心技 术和 品牌，使自己发展壮 大。 1995年．法国Im agine公司推出的A MESimadvanced m odeling envir onm entfor perf or ming sim ulationof engineeringsystem s，集液压 ，机械，控 制，电磁等工程 系统．提供了 一 个较为完善的仿真环境和解决方案[2 -31 。 近年 来 ．随着 计 算机仿真 技 术在科研中的 应 用． A MESim使得工程师迅速达到建模仿真的最终目标分 析和优化工程师 的设计．解决了数字仿真 的难题．从而 帮助用户降低开发成本和缩短开发周期。本文对五岳 某型号16吨汽车起重 机的执行机构液压系统进行了 收稿日期2013 09 22 作者简介田国徽198 7 一 ，男，山东淄博人，硕士研究生，研究方向为液压与 流体传动。 建模和仿真． 以期为汽车起重 机液压系统 的设计研究 提供参考。 1执行机构液压系统建模 该汽车起重机采用力士乐生产 的轴向定量柱塞泵． 该泵 主要由驱动轴，液压缸体，柱塞，固定斜盘，配油孑L 盖 ．泵壳等组成。泵额定压力为21MPa，系统 由三个液压 泵供油 ，泵P 164 L ／ min；P 2126L／min；P 3200L ／min。仿真 采用idealfixed displacementhydr aulic pu mp模块代替 泵 的真实结构．对定量泵进行简化．建立能实现定量泵 功能的模型。汽车起重机液压系统为负载敏感型．采用 各阀杆单独压力流量补偿控制。主油路的溢流阀主要是 防止系统压力过高．和主溢流阀并联 的为次级溢流型压 力补偿阀，该补偿阀由弹簧液压作用腔、比例阀口 、以及 液压作用腔组成。溢流型压力补偿阀的初始开启压力为 1．8MPa此时各级换 向阀处于中位 ，主油路闭死，液压 泵经此溢流型压力补偿 阀卸荷。换 向阀的阀芯推力为 25 ～ 35kg。由实物结构建立的三维模型如图 1所示。 负载敏感 变幅联多路 阀主要有主换 向阀．压力补 偿 阀和安全阀等组成。主油路压力 油由P口进入阀块 内部。通过压力补偿阀与阀块之间的空隙减压 后进入 主油道L ．此时操纵换 向阀手柄克服弹簧3的作用力． 5 1 液压气 动与密封／ 2013年第12期 阀芯向右移动 ，使L 口经2上的节流槽 与A口接通 ，压 力油进入A 口 ．同时液压油经过减压阀芯的小孔k流 人补偿阀芯左侧 ．与阀芯右侧的弹簧力和反馈油压共 同维持补偿 阀阀芯 的动态平衡。 l ～压力补偿 阀阀芯 2 一换 向阀阀芯 3 一换向阀弹簧座 4 一安全阀 5 一 补偿阀弹簧 6 一 梭阀F 一 反馈压力油 道P 一 主压力油人口 A A口压力油B B口压力 油T T口回油 图1变幅联压力补偿 阀与主换向阀结构示意图 节 流槽的特殊 形 状开口用spoolwithsD ecific orificeflowarea，hydraulicdiameter模块 ．阶梯孑L用 spoolwithannularsectionorifice模块 ．先导信号采 用 pi ecewiselinearsi gnal sour ce模块来 模 拟 手 动操 纵阀杆的力源信号．加入了动态hydraulicvolume with pressure dynamicsm模块来模拟腔体对 系统的影 响．液压缸用hydr aulicactuatorwithsingleshaft and doublefiow por ts模块，执行机构平面模块采用 pi lot i unction ，4pon body以及zer of or cesour ce等 子模型来构建。构建机构液压系统模型如 图2所示 。 2仿真分析 2．1空载复合动作仿真与分析 汽车起重机采用带有 阀前补偿功能 的负荷敏感手 动比例控制系统．主操 纵 阀为具 有负载压力补偿 功能 的多路换向阀．这种多路 阀内具有负载压力检测通道． 经过内部梭 阀相互连通 ．将负载压力信号传递到压力 补偿阀．压力补偿阀借助于调节 弹簧使泵口与阀出口 之间的预定压降保持恒定．于是由阀芯位置决定的油 液流量始终恒定 流 向出口．使执行元件的运动速度保 持不变，而与负载压力无关㈣ 。通过模拟起重机实际作 业工况 ，空载开机时，起 变 幅和落卷扬开始复合动作。 复合动作期间．驾驶员开启液压马达 下放绳索以为后 续伸臂留出余量．等伸臂动作完成后．进行缩臂和收卷 扬 的复合动作，最后落变幅回位，复合模拟 的驱动信号 如 图3所示。模拟过程中变幅臂 ，伸缩臂无杆腔和卷扬 马达人口压力如图4所示。 52 1 一 P2泵2 一 P3泵3 一变 幅联主阀芯 4 一 伸缩联主阀芯 5 一 卷扬联主阀芯6 一 变幅油缸7 一 伸缩油缸 8 一 卷扬马达 9 一变幅联压力补偿 阀 10 一伸缩联压力补偿阀 11 - 起升联压力补偿 阀 12 一起升平衡 阀 13 一卷筒 14 一执行机构 15 一 溢流型 压力补偿 阀 16 一 回油管路 图2汽车起 重机执行机构液压系统模型 8．O 70 京6 ．0 电 50 截 1 O 0 ┏━━ ┳ ━━ ┳ ━━ ━ ┳━━ ━ ┳━ ━ ━━ ━ ┓┃ 2 ┃┃ 3 ┃ 5 ┃ ┃ ┃ ┃ ┃┃ 4 ┃ ┃┣ ━ ━╋ ━ ━┫ ┃ ┃┃┃ ┃ l ┃ ┃ ┃┃ ┃ ┃┃ ┃ ┃ 刁 ┃ ┃ ┃┃ ┃ ┃ ．＼ ┃┗━ ━ ┻━ ━ ┻━ ━ ━┻━ ━ ━┻ ━ ━━━ ━ ┛ 204 0608 0100 t／s 1 一 起变 幅无杆腔进 油驱动信号2 一 落卷扬马达进油驱动信号 3 一伸臂无杆 腔进 油驱动信号 4 一缩臂有杆腔进 油驱动信号 5 一升卷扬马达进 油驱动信号 6 一落变 幅有杆腔进 油驱动信号 图3复合动作换 向阀动作驱动信号 旨 舂 R 始 ┏ ━ ━━ ━ ━━ ┳ ━━ ━ ━━━ ━ ━┓ ┃ ┃ x 4 0．94 ┃┃ b厂 ┃ h 卫 1。15000 ┃┃┃ 、 1皿 30 8 67 ┃┃ i ■ 一 ┃ R ∞ 。 。 ┃ ┃ 一 F ┃ 卜 _ ]l ┃┃ ┃ 、LI ┃┣━ ━ ━━ ━ ━╋ ━ ━━ ━ ━━━ ━ ┫┃ ┃ ┃┗ ━ ━━ ━ ━━ ┻ ━━━ ━ ━━ ━ ━┛ t蝇 l 一 变幅无杆腔压力 2 一 伸缩无杆腔压力3 一 马达入口压力 图4各执行机构负载压力 图 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e Ms ／ No ． 1 2 ． 2 01 3 如图 4所示 ．变 幅油缸的突然动作 引起 了变幅缸 无杆腔的压力波动 ．在 O ～ 0 ． 2 s 期间变幅缸无杆腔瞬时 压力 达 到 7 ． 2 MP a ．随后 在 1 ． 5 s内迅 速趋 于平 稳 值 5 ． 4 MP a ．伸缩臂被变 幅活塞杆顶起一定角度导致变 幅 缸无杆腔受力变大 ．变幅缸无杆腔压力开始上升 ． 同 时 ． 液压马达空载落卷扬 ． 由于起升平衡 阀阀口的节流 作用 ．该油路很快达到安全阀设定压力 1 0 MP a开始溢 流 ， 3 ． 2 s内压力稳定 。 1 0 s时 ，落卷扬驱动信号迅速关 断 ． 导致机构加速度增大 ， 变幅无杆腔压力会有瞬间波 动但很快趋于平稳值 5 ． 7 MP a 。 在 2 6 s 时 ． 变幅缸活塞到 达行程极限位置 ． 安全 阀达到调定压力 1 5 MP a 溢流 ． 随 后 ， 变幅信号迅速关断 。 伸臂信号瞬 间开启 ， 信号 的开 启与关 断时间较短导致变幅油缸无杆腔压力有较大波 动 。 随后伸缩缸伸出 ， 无杆腔压力为 4 MP a 。 在第 5 0 s 时 ， 伸缩臂有杆腔进油 ． 开始缩臂动作 ． 伸缩臂无杆腔压力 明显降低 ． 同时因缩臂过程力矩减小 ． 变幅无杆腔压力 也逐渐下 降 ， 5 2 ． 5 s 时刻 ， 开始升卷扬 。 液压 油流经平衡 阀．此 时平衡阀仅起单 向阀作用 ，马达进油侧压力为 0 ． 6 8 MP a ， 最后 6 2 ． 5 s 时 ， 下落变幅臂 ， 执行机构回位。 图 5 ～ 图 6所示为各联进油量与对应换 向阀的开 口 面积关系 ． 1 0 s 前起变幅和落卷扬同时动作 ，换 向阀开 口面积 比 2 5 ． 9 ／ 7 4 ． 0 8 4 5 0 ． 3 5 ， 流量 比 7 5 ． 4 9 0 3 ／ 1 9 9 ． 9 0 4 0 - 3 8 ， 由图 4可知 ， 两路负载大小不 同， 得出复合动作时 通过两路负载的流量之 比只与换 向阀的开 口面积成 比 例 ， 与负载 大小无关 ， 同理 ， 图 6两换 向阀开 13面积 与 通过两 阀的流量之 比也对应成 比例 ．实验结果验证了 阀前补偿负荷敏感控制系统 的特点。 y _ l 一 变幅缸无杆腔进油量y _2 一 落卷扬 马达人 口进油 量 y _ 3 一 变幅联 阀口进油面积y - 4 一 卷扬联 阀 口进油面积 图 5变幅和卷 扬换 向阀进油量与阀开 口面积 2 ． 2各联压力补偿阀仿真分析 压力补偿 阀是 由节流 阀前 面串接一定差减压阀构 成的． 当负载压力 突然增大时。 减压 阀弹簧腔压力突然 增大 ， 阀芯左移 ， 阀口开度增大 ， 流量增大 ， 节流 阀入 口 压力增大 ， 反之亦然 ， 这样保证了节流阀前后的压差保 持不变 ， 压力稳定在设定压力 1 ． g MP a ， 在泵流量充足 的 情况下 ．通过各负载的流量之 比只与各换 向阀开 口面 积成 比例 ．各压力补偿 阀两端压差仿真曲线如图 7 ～ 图 9所 示 。 董 R 一 1 [ L ／ mi n ] 一．y _ 2 [ L ／ mi n ] 一 3 [ mm ] ⋯ [ mm ] 匿 -一 x5 ， 6 v 1 134 445 ⋯l I } v 22 15 555 v 3 51 v 4 74 ．0845 ’1 ． I 一- i I y _ l 一 伸缩臂有杆腔进油量y_2 一 升卷扬马达人 口进油量 y _ 3 一 伸缩联阀 口进油面积y_4 - 口进油面积 图 6伸缩与卷扬换 向阀进油■与 阀开 口面积 矗 出 1 一 起 变幅 ， 补偿 阀阀前 压力2 一 起变幅 ， 补偿阀阀后压力 图 7变幅联 补偿 阀阀前 阀后压 力} 较 高 暑 ． R 出 1 一 缩臂 ， 补偿 阀阀前压力 2 一 缩臂 ， 补偿阀阀后压力 图 8 伸缩联补偿 阀阀前 阀后压力E 较 耋 。 1 一 y _ l 落卷扬 ， 补偿 阀阀前压 力 1 - y _ 2落卷扬 ， 补偿 阀阀后压力 2 一 y _ l 升卷扬 ， 补偿 阀阀前压 力 2 一 y _ 2升卷扬 ， 补偿 阀阀后压力 图 9 卷扬联补偿 阀阀前 阀后压力 较 图 7 ～ 图 9为各联压力补偿 阀阀前 阀后 的压力对 比。 分析前 1 0 s 起变幅和落卷扬复合动作 时， 两者压力 补 偿 阀 阀 前 阀后 压 力 差 可 以 看 出 压 差 都 近 似 为 53 I Ⅲ 、 ● ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． ．．．．．．．．．． ．．．．．．．．．．． ．．。．．．．．．。．．．．．．．．． ．．．．．．． ．，．．L ∞ ∞ 卯 ∞ 如 加 m 0 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 3年 第 1 2期 1 ． 9 MP a ．同理分析 5 2 ． 5 6 2 ． 5 s 缩臂和升卷扬复合动作 期间内， 伸缩联和卷扬联补偿阀阀前 阀后压力差 ， 看出 两者压差同样近似相等 ， 由公式 Q I C 1A 、 ／ Q n C 2A z、 ／ 式 中 C 、 C 广流量常数 ； Al 、 A 厂阀口开度 ； p _ 一油液的密度 ； 补偿阀两端压差 ， 从式子可以看出 ， 在泵 流量充足 的情况下 ， 在 △ p 相等 的情况下 ， 流量只与换 向阀的开度成 比例 ． 即 Q v 1 一 A1 Q A2 这很好地解 释了图 5和 图 6所显示 的仿真结果 ． 仿真结果与理论分析一致 3 结束语 对 A ME S i m软件进行 了简介 ．通过实际标定液压 阀结构参数 ， 用 AME S i m软件对泵 ， 多路 阀， 变幅伸缩 和起升等执行机构进行 了建模 ．并对复合动作工况进 行了测试 ， 通过对执行机构压力和流量的变化分析 ， 对 压力补偿 阀两端 的压力曲线的研究 ．论证 了换向阀开 口面积 ， 通过流量和负载三者之间的理论分析结果。 参考文献 [ I 】 张凤 山 ， 静永 臣． 加 藤汽 车起 重机结 构与维修 手册[ M】 ． 北 京 机械工业出版社． 2 0 1 2 ． [ 2 ] 付永领 ， 齐海涛． A M E S i m系统建模 和仿真 实例教程[ M】 ． 北京 北京航空航天大学出版社． 2 0 0 6 ． [ 3 】 秦家升， 游善 兰． A M E S i m软件 的特征及 其应用[ J 】 ． 工程 机械， 2 0 0 4 ， 3 5 1 2 6 8 ． [ 4 ] G． S u n ， M．K l e e b e r g e r ． D y n a m i c R e s p o n s e s o f H y d r a u l i c M o b i l e C r a n e w i t h C o n s i d e - r a t i o n o f t h e D r i v e S y s t e m [ J ] ． Me c h a n i s m a n d Ma c h i n e T h e o r y ， 2 0 0 3 ， 3 8 1 2 1 4 8 9 - 1 5 0 8 ． 【 5 】 黄新年 ， 张志生． 负载敏感技术在 液压系统 中的应用[ J 】 ． 流体 传动与控制， 2 0 0 7 。 5 ． 【 6 】 王炎． 液 压挖掘机 负荷传感 系统的仿真 研究及节 能分 析f D 】 ． 长沙 中南 大学． 2 0 0 9 ． 派克汉尼汾亮相 2 0 1 3亚洲国际动力传动与控制技术展览会 派克汉尼汾公 司全球年销售额超过 1 3 1 亿美元 ， 是全球领先的运动与控制元件 、 系统制造企业 ． 为许多行 业包括机械工程、 工业和航空业等提供精确设计的解决方案。派克汉尼汾公司在 5 O个国家拥有超过 5万名员 工。派克汉尼汾中国成立于 2 O世纪 8 0年代 ， 是中国对外开放及国外直接投资以来 ． 最早成立的三家外 国合资 企业之一。派克汉尼汾中国在 中国拥有 2 0 0 0多条产品线 ， 产品涵盖 5 O多个市场 ， 为企业提供航天航空 ， 环境 控制 ， 机 电， 过滤 ， 流体与气体处理 ， 液压 ， 气动 ， 过程控制 ， 密封九大技术解决方案和服务 。产品应用及解决方 案主要涉及柴油发动机、 风力发 电、 船舶制造 、 海洋勘探 、 钢铁、 大型工程机械 、 高速铁路和工厂 自动化等 。派克 汉尼汾中国总部设在上海 ， 在中国设有 1 8个生产基地及多个销售点和区域办事处 迄今为止派克汉尼汾在华 已经拥有 3千多名员工 2 0 1 3年 1 0月 2 8 13． 派克汉尼汾公 司亮相 2 0 1 3亚洲国际动力传动与控制技术展览会 ． 展示 了一 系列运动 与控制产品及相关 的系统解决方案 派克汉尼汾参展的一大亮点是其领先的反转直线 电机 系统。区别于传统 的直线 电机传动方式 。 该系统其 采用了全新的设计思路和最先进的控制方式 。 实现 了磁轨而非线 圈的长距离灵活非接触式的传动 ． 大大提升 整个传动系统的工作效率和灵活性 并且该技术突破 了传统直线 电机应用在真空环境的制约 ． 被广泛应用于 最新一代半导体、 F P D、 O L E D以及太阳能电池等对精度要求苛刻的制造领域 。 此外 ， 派克汉尼汾展出的第二代 3 2位 D C 5 9 0系列直流调速器 ， 可灵活控制单个或多个 电机 ． 并在最大程 度上提升直流系统 的稳定性和设备效率 ， 其具体用途包括功能块编程、 收／ 放卷专用宏 、 张力控制以及宽范围内 的工业网络链接等 。作为一款技术十分完善和成熟 的产品， D C 5 9 0系列直流调速器已在冶金 、 造纸、 供热和包 装等领域有诸多成功的应用案例 目前 ， 中国正处于制造业升级转型的阶段 ， 对工业 自动化的需求 日益旺盛 ， 派克汉尼汾将不断致力于在传 动与控制领域精益求精 ， 通过技术整合、 沟通协作、 系统开发以及客户合作等方式寻找新的创新方案， 为客户 创造真正高价值的产品． 并与他们一起应对严峻多变的市场环境带来的挑战与机遇。