基于AMESim的液压绞车液压系统研究.pdf

基于 A ME S i m 的液压绞车液压系统研究 卫 振 勇 徐 州五洋科技有限公司 徐 州 1 2 2 1 l 1 6 摘要 液压系统是液压绞车的重要组成部分 。液 压绞车 的液压驱 动系统 可分为 开式系统 和闭式 系统 ，开 式系统具有结构简单 、价格 低廉 、维修容 易等优点 。运 用 A ME S i m软件 对开 式液压 系统性 能进 行分析 ，通 过改 变系统参数得到不同系统参数对 系统性 能的影 响。 关键词 液压 绞车；液压系统 ；开式系统 ；A ME S i m；仿真 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 A 文章 编号 1 0 0 1 0 7 8 5 2 0 1 1 0 5 0 0 7 1 0 3 Ab s t r a c t Hy d r a u l i c s y s t e m i s a v e r y i mp o r t a n t p a r t o f t h e h y d r a u l i c wi n c h ． T h e h y d r a u l i c d r i v i n g s y s t e m c a n b e o p e n t y pe a n d c l o s e d t y p e ．Th e o p e n t y p e s y s t e m i s c ha r a c t e r i z e d i n s i mp l e s t r u c t u r e， l o w c o s t a n d e a s y ma i n t e n a n c e．Th e p a p e r a n a l y z e s t he p e rfo r ma n c e o f o p e n t y p e s y s t e m wi t h AMESi m s o f t wa r e t o o b t a i n e f f e c t o f d i f f er e n t p a r a me t e r s o n s y s t e m p e rfo r ma n c e t h r o ug h c h a ng i n g t h e s y s t e m pa r a me t e r s ． Ke y wor d s h y d r a ul i c wi nc h； h y d r a u l i c s y s t e m ； o pe n t y pe s y s t e m ；AMESi m ；s i mul a t i o n 液压绞车是一种利用液压马达直接或通过减 速箱拖动滚筒的新型绞车。其采用液压传 动，减 少了产生 电气火花 的元件 ；全部使用 鼠笼 型 电动 机 ，空载直接起 动，电气控制设 备简单 ，易于做 成防爆型。因此采用液压绞 车是解决煤矿 井下绞 车安全防爆 问题 的有效途径。液压绞车具 有无 级 凋速 ，起 动、换 向平稳 ，低速运转 性能好 ，操作 简单 ，体积小，重量轻 ，安全保护较齐全等优点。 根据结构形式 ，液压绞车可分为 2大类 一类是 采用低速大扭矩柱塞液压马达直接拖动绞车卷筒 的全液压传 动形式 ；另一类是采用 高速小扭矩柱 塞液压马达经减速器拖 动绞车卷筒 的液压 一机械 传动形式 。液压绞车主要 通过改变 流人 液压马达 的流量来控制 马达转速 ，调速方式分 为节流调速 和容积调速 。 1 液压 系统设计 液压系统性 能是液 压绞车性 能的重要组成部 分。液压绞车 的液压驱动系统分为开式系统和 闭 式系统 ，考虑到开式系统具有结构 简单 ，价格低 廉，便于维护 ，油液可在油箱 中很好 地冷却和沉 淀杂质 ，散热 良好等优点 ，本 文采用 开式液压驱 动系统 ，如图 1所示。液压动力源采 用电机带动 的定量 液压泵。溢 流 阀可 以 限定 系统 最高压 力 ， 起到保护系统的作用 。系统通过三位 四通 电磁换 起重运输机械 2 0 1 1 5 向阀 ，实现卷筒的正反转。当电磁 阀位于左位时 ， 卷简正转 ，重物被 提 升；当电磁 阀位 于右位 时 ， 卷筒 反转 ，重物被 下放 ；当电磁 阀处 于 中位 时 ， 系统卸荷。电液 比例 流量阀用来调节马达 的转速。 系统设有平衡阀，使下放工况运行更为平稳 。 1 ．电机2 ．液压泵3 ． 单 向阀4 ．三位 四通换 向阀 5 ．电液 比例调速阀6 ．液压 马达7 ． 卷筒 8 ．平衡阀9 ．溢流阀1 0 ．油箱 图 1 液压绞车 的液压系统 2 基 于 A ME S i m 的液压 系统建模 2 ． 1 AME S i m简介 A ME S i m是图形化的开发环境 ，用于工程系统 建模 、仿真和动态性能分析。使用 者完全可 以应 一 71 用集成的一整套 A ME S i m应用 库来 设计系统 ，所 有的模型都经过严格 的测试 和实验验证 。A M E S i m 不仅可以令使用者迅速达到建模仿真的最终 目标 ， 而且还可以分析和优化设计 ，使 工程师从 繁琐的 数学建模中解放出来 ，从而专注于物理系统本身 的设计 ，不需要书写程序代码。本文利用 A ME S i m 建立液压 系统模型 ，并 分析液压系统性能 ，确认 了系统的可行性 ，提出进一步改善系统的方案 。 2 ． 2 在 AME S i m 中建立液压系统模型 A ME S i m专门为液压系统建立 了一个标准仿真 模型库 ，使用该标 准仿 真模 型库就可 以搭建最基 本的液压系统 。在 A ME S i m 中的 S k e t c h模式下建 立液压系统模型，如图2所示。图 2中用 1 个恒流 源代替了电机和液压泵 ，省去了平衡阀。 图 2 在 A M E S i m 中创建的液压系统模 型 进入 A M E S i m中的 P a r a m e t e r 模式对系统主要元 件的初始参数设定如下重物质量 1 0 0 0 k g ；钢丝绳 长 5 0 0 m；卷简直径 5 0 0 l n l T l ；转 动惯量5 0 k g m ； 减 速 比 1 0；马 达 排 量1 0 0 mL ／ r ；额 定 转 速 5 0 0 r ／ m i n ；恒流源流量 5 0 L ／ m i n ；溢流 阀调定压 力 3 0 M P a 。设定好各个元件 的参数后进入 A ME S i m 中的 R u n模式就可以对液压系统进行仿真与分析。 3 仿真结果与分析 在 R u n 模式下将仿真精度设定为 0 ． 0 0 1 S ，仿 真时间为 6 S 。初始参数的仿真结果如图 3和图4 。 分析图 3 、图4可知 ，该系统在起动时有较剧 烈的振荡现 象，调整 时 间约为 4 S ，最 大超调 为 0 ． 1 4 8 ，振荡次数较多。启动时液压 回路 中液压冲 击较大 ，冲击压力最大达到 3 0 MP a 溢流 阀的调 一 7 2 一 塞 一 0 图 3 重物速度曲线 图4 恒 流源出油 口压力 定压力 ，液压 回路的振荡也较剧烈。 下面通过改 变系统参数 ，利用 A M E S i m提供 的批处理功能，对 比分析各个参数对系统的影响。 1 不同转动惯量对系统的影响 图 5为转 动惯量 的值分别为 5 0 k g m 、1 0 0 k g m 、1 5 0 k g m 时重物速度曲线。 1 、2 、3 ．转动惯量分别为 5 0 k g m 、 1 0 0 k gm 、 1 5 0 k g m 图5 不同转动惯量重物速度曲线 分析仿真 曲线可知 ，增大转动惯 量系统调整 时间基本不变，仍维持在约 4 s ，超调量有所下降 ， 振荡次数减少 ，相对稳定性有所提高。 2 改变溢流阀调定压力 图 6 、图 7为溢流 阀调定压力分别为 3 0 MP a 、 2 0 MP a 、1 8 M P a时的仿真结果 。 起重运输机械 2 0 1 1 5 6 4 2 O 8 6 4 2 0 2 ● O O O O O O 一 ． ． 三逮 嘲器恻． l 6 1 4 1 2 量 l _0 缸o 8 O 6 蔷 o 4 O 2 0 O - 0 20 1 、2 、3 ．溢流 阀调定压力分别为 3 0 MP a 、 2 0 MP a 、 1 8 MP a 图 6 溢流 阀不 同调定压力重物速度 曲线 ／】 ⋯一 一＼ l 、2 、3 ．溢流阀调定压力分别为3 0 M P a 、 2 0 MP a 、 1 8 MP a 图 7 溢流 阀不 同调定压力恒流源 出口压力 曲线 由仿真结果可知 ，改变溢流 阀调定 压力 对系 统影响很大 ，溢流阀调定压力越低 ，系统越稳定 ， 液压冲击越小 。当调低压力为 1 8 M P a时 ，该压力 小于系统 正常工 作压力 ，当其 到达 稳定状 态 时， 一 部分油液 通过溢流阀流回油箱 ，马达达不 到额 定转速 ，因此重物速度小于正常工作时的速度 。 3 液压回路中增加蓄能器 进入 S k e t c h模 式，在原液压 回路 中加入蓄能 器，进人 R u n模式 ，将仿真时 间设定 为 1 5 s ，仿 真结果见图 8 、图 9 。 分析图8和图9知 ，加入蓄能器后，调整时间 延长至 8 S ，超调量为0 ． 6 3 5 ，比之前的0 ． 1 4 8有较 大的增幅。但 系统振荡次数 减少。同时液压 回路 受到的液 压冲击 变得较 为缓 和 ，这有利于液压 系 统的正常工作。 4 结论 在 A ME S i m中通过对 比分 析不 同参 数下 的仿 起重运输机械 2 0 1 1 5 ’ ∞ E 3 5 3 0 2 5 墨2 0 1 5 邕 1 0 5 0 0 2 4 6 8 1 0 j 2 l 4 时间， s 图 8 重物速度曲线 O 2 4 6 8 l O 1 2 1 4 时间／ s 图 9 恒流源 口压 力曲线 真曲线，得 到各元 件不同参数对系统起动性能 的 影响。适当增加转动惯量可以提高 系统的稳定性 ， 系统的快速性基本保持不变。溢流 阀溢 流压力 对 系统影 响很 大，在保证 系统 正常 工作 的前提下 ， 尽量降低压力值 ，可大 幅度增 加系统稳定性 ，降 低液压系统所受 到的液压冲击。在系统 中增加 蓄 能器 ，可 以很好地吸收液压 冲击 ，但系统超调量 和调整时 间有所增加 。本文研 究及结 论对实际液 压系统的设计具有重要的指导意义。 参考文献 [ 1 ]吴辉海 ．液压 绞车 [ M] ．北京煤炭工业出版社， 1 98 9． [ 2 ]许福玲 ，陈尧明 ．液压与气压传动 M] ．北京机械 工业 出版社 ，2 0 0 7 ． [ 3 ]吴振顺 ．液压控制系统 [ M] ．北京高等教育 出版 社 ，2 0 0 8 ． [ 4 ]郑小军，陶薇 ．基于 A M E S i m的液压挖掘机运动及控 制仿真[ J ] ．液压气动与密封，2 0 0 9 2 2 4 2 6 ． 作者地址 江苏省徐州 市 中国矿业大学 国家大学 科技 园同 创新座 C区徐州五洋科技有 限公司 邮 编 2 2 1 1 1 6 收稿 日期 2 0 1 0～1 0 2 7 7 3