基于AMESim和MATLAB的隧道多功能台车液压系统联合仿真.pdf

２０１５ 年 １１ 月 第 ４３ 卷 第 ２２ 期 机床与液压 ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ｎｏｖ􀆱 ２０１５ Ｖｏｌ􀆱 ４３ Ｎｏ􀆱 ２２ ＤＯＩ１０．３９６９／ ｊ􀆱 ｉｓｓｎ􀆱 １００１－３８８１􀆱 ２０１５􀆱 ２２􀆱 ０３６ 收稿日期 ２０１４－０９－１０ 作者简介 陶柳 （１９８６）， 男， 硕士研究生， 主要研究方向流体传动与控制。 Ｅ－ｍａｉｌ ７１７７９６８１５＠ ｑｑ􀆱 ｃｏｍ。 基于 ＡＭＥＳｉｍ 和 ＭＡＴＬＡＢ 的隧道多功能台车液压系统联合仿真 陶柳１， 何奇２ （１􀆱 四川工程职业技术学院车辆工程系， 四川德阳 ６１８０００； ２􀆱 长沙长泰机器人有限公司机器人研究院， 湖南长沙 ４１０１１７） 摘要 设计了隧道多功能作业台车工作装置液压系统的关键回路联动调平回路， 利用 ＡＭＥＳｉｍ 和 ＭＡＴＬＡＢ 软件对该 系统进行联合仿真， 分析仿真数据可知 系统回路和阀件选型在当前设计下能够满足实际工况要求。 关键词 ＡＭＥＳｉｍ／ ＭＡＴＬＡＢ 联合仿真； 联动调平回路 中图分类号 ＴＢ１２３ 文献标志码 Ａ 文章编号 １００１－３８８１ （２０１５） ２２－１０８－３ Ｃｏ⁃ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｔｕｎｎｅｌ Ｍｕｌｔｉ⁃ｆｕｎｃｔｉｏｎ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ Ｔｒｏｌｌｅｙ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＭＥＳｉｍ ａｎｄ ＭＡＴＬＡＢ ＴＡＯ Ｌｉｕ１， ＨＥ Ｑｉ２ （１􀆱 Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ， Ｓｉｃｈｕａｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ， Ｄｅｙａｎｇ Ｓｉｃｈｕａｎ ６１８０００， Ｃｈｉｎａ； ２􀆱 Ｒｏｂｏｔ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ， Ｃｈａｎｇｓｈａ Ｃｈａｎｇｔａｉ Ｒｏｂｏｔ Ｃｏ．， Ｌｔｄ．， Ｃｈａｎｇｓｈａ Ｈｕｎａｎ ４１０１１７， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｋｅｙ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｔｕｎｎｅｌ ｍｕｌｔｉ⁃ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ ｔｒｏｌｌｅｙ ｌｉｎｋａｇｅ ｌｅｖｅｌｉｎｇ ｌｏｏｐ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ． ＡＭＥＳｉｍ ａｎｄ ＭＡＴＬＡＢ ｃｏ⁃ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｗａｓ ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ． Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｔｒｏｌ ｌｏｏｐ ａｎｄ ｖａｌｖｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｃａｎ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｓｉｇｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ＡＭＥＳｉｍ／ ＭＡＴＬＡＢ ｃｏ⁃ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ； Ｌｉｎｋａｇｅ ｌｅｖｅｌｉｎｇ ｌｏｏｐ 隧道多功能作业台车是集机、 电、 液于一体的现 代特种作业装备， 从样机的造价比例来看， 投入液压 设备的资金已达到台车总造价的 ３０％。 在样机的生 产过程中， 如果出现阀件重复替换， 除了造成资金的 浪费使制造成本增加外， 还会大大延缓台车的研发周 期。 运用计算机仿真技术对设计的液压系统关键控制 回路进行分析， 不仅可以缩短液压系统的开发周期， 还能避免反复试验和采购带来的经济损失。 通过前期 仿真结果预判所设计液压系统的稳定可靠程度， 使设 计人员做到胸有成竹。 对比一系列的液压系统仿真软件， ＡＭＥＳｉｍ 具有 在仿真过程中通用性强、 元件模型库配备完善、 建模 直观简单且仿真精度较高等优点， 因而成为了对液压 系统进行故障诊断和设计仿真时的首选。 如 汪宇亮 基于工程机械液压系统的故障诊断， 验证了基于 ＡＭＥＳｉｍ 的仿真分析方法是液压系统故障诊断的一 个有效途径， 并证明了应用功率流的建模思想可以 实现液压系统的故障注入［１］； 陆雪峰通过分析锚杆 支护作业平台液压系统的组成和工作特点， 使用 ＡＭＥＳｉｍ 液压库子模型对平台泵变量系统进行了建 模和仿真， 验证了泵变量系统的工作特性符合实际 工作要求［２－３］ 目前我国隧道作业台车刚刚起步， 国内对台车液 压系统关键控制回路的仿真案例近乎为零， 因此作者 在借鉴其他领域液压系统仿真实例的基础上， 采用 ＡＭＥＳｉｍ 和 ＭＡＴＬＡＢ 软件进行联合仿真， 分析并验证 系统在当前设计下的稳定性和合理性， 希望能为后续 台车液压系统的开发提供一定的思路和帮助。 １ 动臂与调平联动模块建立 研究发现， 隧道多功能作业台车动臂升降过程中 平台的稳定性是通过动臂油缸与调平油缸的联动变化 控制的。 分析计算得出 当动臂油缸与调平油缸伸缩 变化量满足 １􀆱 １６７ ∶ １ 的比例关系时， 升降过程中平 台相对于水平面的倾角变化最小［４］。 因而当进行联动 控制时， 动臂油缸与调平油缸必须同时供油， 且流量 大小还需通过调速阀进行严格比例控制。 最后设计绘 制如图 １ 所示动臂与调平联动模块的液压控制原理 图。 设计中考虑在工作中调平油缸也必须具备保持功 能， 所以调平调速互锁集成阀块内除含有两个单向调 速阀外， 还包括双液控单向锁。 图 １ 动臂与调平联动控制模块油路 ２ 液压系统建模与仿真 ２􀆱 １ 模型的建立 利用 ＡＭＥＳｉｍ 液压元件库 （Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ）、 信号元 件库 （Ｓｉｇｎａｌ， Ｃｏｎｔｒｏｌ）、 机械元件库 （Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ） 和 ＨＣＤ 模型库 （Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ Ｄｅｓｉｇｎ） 以及接 口模块共同建立联动调平控制回路的仿真模型， 如图 ２ 所示。 图 ２ 仿真模型 图 ２ 中， 油源、 溢流阀、 换向阀、 单向调速阀、 液压缸、 液压锁、 位移传感器和信号源等元器件均在 元件库中直接选取。 根据定级及流量计算数据［３］， 各元器件仿真主要 参数见表 １。 表 １ 控制回路仿真模型主要参数设置 名称参数数值 液压油源 流量／ （Ｌｍｉｎ －１ ）３００ 密度／ （ｋｇｍ －３ ）８１２ 溢流阀开启压力／ ＭＰａ２５ 换向阀延迟开启时间／ ｓ０．５ 双动臂油缸 单向调速阀 正向通流量／ （Ｌｍｉｎ －１ ）１９０ 单向阀通流量／ （Ｌｍｉｎ －１ ）２００ 反向压损／ ＭＰａ０􀆱 ５ 调平油缸单 向调速阀 正向通流量／ （Ｌｍｉｎ －１ ）６５ 单向阀通流量／ （Ｌｍｉｎ －１ ）１００ 反向压损／ ＭＰａ０􀆱 ５ 液压锁 正向通流量／ （Ｌｍｉｎ －１ ）１００ 正向压损／ ＭＰａ０􀆱 ２ 动臂液压缸 液压缸活塞直径／ ｍｍ１４０ 液压缸活塞杆直径／ ｍｍ１００ 液压缸行程／ ｍ１．４８ 调平液压缸 液压缸活塞直径／ ｍｍ１２５ 液压缸活塞杆径／ ｍｍ９０ 液压缸行程／ ｍ１．４８ 位移传感增益１ ０００ ２􀆱 ２ 仿真结果 模拟两动臂油缸实际工况同步特性时， 其左右两 边所受负载力是不相同的， 前期在位移与负载函数的 建立过程中， 已将左右两边负载偏差拟定为 ９５％。 仿真执行完成后， 查看左右动臂油缸位移曲线和位置 偏差量曲线分别如图 ３ 和图 ４ 所示。 图 ３ 左右动臂油缸 的位移曲线 图 ４ 左右动臂油缸 位移偏差曲线 可以看出 左右动臂油缸存在一定偏差， 且随着 平台举升高度的升高， 位移累积偏差增大， 其最大累 积偏差可达 １７􀆱 ４５ ｍｍ。 而分析表明油缸伸长量越大 所受负载力变小， 故在位移偏差较大的地方其所受 负载力相对很小， 因而不会有单边油缸超负荷现象 的产生， 这样油缸的使用寿命和平台的安全性得到 保证。 ９０１第 ２２ 期陶柳 等 基于 ＡＭＥＳｉｍ 和 ＭＡＴＬＡＢ 的隧道多功能台车液压系统联合仿真 图 ５ 和图 ６ 分别为左右动臂油缸速度曲线和速度 偏差曲线。 由图 ５ 可知 在油缸开始运动和停止运动 时均产生一定的液压冲击， 换向阀开启缓冲时间约为 ０􀆱 ３ ｓ， 左右油缸的速度基本维持在 ０􀆱 １ ｍ／ ｓ， 持续运 动约１４ ｓ 油缸伸长至最大行程处。 图６ 表明 左右动 臂速度偏差值很小， 这得益于分流集流阀的自动调节 作用。 下面通过查看分流集流阀进出口流量分析动臂 抬升过程中阀件的分流精度。 图 ５ 左右动臂油 缸速度曲线 图 ６ 左右动臂油缸 速度偏差曲线 图 ７ 为动臂抬升过程中分流集流阀的进口流量曲 线， 在前 端 调 速 阀 的 控 制 下， 其 稳 态 流 量 Ｑｓ＝ １９０􀆱 ０１４ Ｌ／ ｍｉｎ； 图 ８ 表示动臂抬升过程中分流集流 阀左右端的出口流量曲线， 由于作用于左右动臂油缸 的负载不同， 导致左右端出口流量存在一定的偏差。 图中所示， 分流集流阀左端出口流量为 Ｑ１＝ ９４􀆱 ４８８ ２ Ｌ／ ｍｉｎ， 右端出口流量为 Ｑ２＝９５􀆱 ５９３ ９ Ｌ／ ｍｉｎ。 图 ７ 动臂抬升过程 中分流集流阀 进口流量曲线 图 ８ 动臂抬升过程 中分流集流阀 出口流量曲线 为了分析分流集流阀的分流精度， 引入阀件速度 同步误差公式如［２］ δ ＝ ２ Ｑ１ － Ｑ ２ Ｑｓ １００％ （１） 讨论分流集流阀稳态过程的速度同步误差， 将稳 态时进出口流量 Ｑ１、 Ｑ２和 Ｑｓ代入上式， 即可求得分 流集流阀的速度同步误差为 δ ＝ ２ ９４􀆱 ４８８ ２ － ９５􀆱 ５９３ ９ １９０􀆱 ０１４ １００％ ≈１􀆱 １６％ （２） 由此可知， 选用该参数的分流集流阀在此工况下 速度同步误差很小， 能很好地适应此工况下的分流 要求。 研究得知当执行元件的负载力 Ｆｘ引起调速阀进 出口压力差的变化超过最小压差时， 此时节流阀进出 口压差为定值［４］。 而从图 ５ 和图 ８ 中速度和流量曲线 可以看出， 左右动臂油缸的运动速度和进口流量在调 速阀和分流集流阀的作用下基本维持恒定， 由此可 知， 左右动臂油缸的进口压力一定如图 ９ 所示随负载 变化而不断发生变化。 图 ９ 动臂油缸大腔进口压力曲线 通过仿真结果可知 在实际工况的联合仿真中， 由于平台自重、 调速阀、 分流集流阀等的存在， 双动 臂油缸的同步精度、 联动调平过程中平台的升降平稳 性在此设计回路中可以得到保证。 ３ 小结 采用 ＡＭＥＳｉｍ 和 ＭＡＴＬＡＢ／ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 联合仿真的 方式， 在实际工况下对重要控制回路进行适应性探 讨， 分析了左右臂油缸的位移、 速度以及分流集流阀 进出口流量的变化、 误差曲线。 通过仿真结果可知， 在实际工况的联合仿真中， 双动臂油缸的同步精度、 联动调平过程中平台的升降平稳性在此设计回路中可 以得到保证。 参考文献 ［１］ 汪宇亮．基于 ＡＭＥＳｉｍ 的工程机械液压系统故障仿真研 究［Ｄ］．武汉武汉理工大学，２０１２． ［２］ 陆雪峰．锚杆支护作业平台的设计与仿真研究［Ｄ］．青 岛山东科技大学，２０１２． ［３］ 陈子建，王振涛，赵华．液压系统节流调速回路分析及应 用［Ｊ］．机床与液压，２０１０，３８（４）５８－６０． ［４］ 何奇．隧道多功能作业台车工作装置液压系统开发与研 究［Ｄ］．湘潭湘潭大学，２０１３． ０１１机床与液压第 ４３ 卷