纵向补给装置液压冲击仿真分析.pdf

2 0 1 1年 2月 第 3 9卷 第 3 期 机床与液压 MACHI NE TOOL ＆ HYDRAUL I CS F e b ． 2 01 1 Vo 1 ． 3 9 No ． 3 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 0 3 ． 0 3 8 纵向补给装置液压冲击仿真分析 邢道奇，张良欣 ，任爱娣 海军工程 大学后 勤指挥与工程 系，天津 3 0 0 4 5 0 摘要针对纵向补给装置的液压冲击问题，利用 A ME S i m仿真软件建立液压系统的仿真模型。运用 A M E S i m软件的批 处理功能 ，分析换 向阀换 向时间 、管道 内径 、管道壁厚、管道长度对 系统压力 的影响。仿真结果表 明换 向阀换 向时间是 影响液压冲击的主要因素，延长换向时间，可以有效地减小液压冲击。提出减小液压冲击的措施，为装置液压系统的设计 与优化提供 了理论依据 。 关键词纵向补给装置；液压冲击；液压仿真 中图分类号 T P 2 7 1 ． 3 1 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 31 2 63 Si mu l a t i o n An a l y s i s o n Hy dr a u l i c I mpa c t o f As t e r n Re p l e ni s h me n t S y s t e m xI NG Da o q i ， ZHANG L i a n g x i n， REN Ai d i D e p t a r t m e n t o f L o g i s t i c s C o m m a n d a n d E n g i n e e r i n g ，N a v a l U n i v e r s i t y o f E n g i n e e r i n g ，T i a n j i n 3 0 0 4 5 0 ，C h i n a Abs t r a c t Un d e r AMES i m e n v i r o n me nt ，a s i mul a t i o n mo d e l o f h y d r a u l i c s y s t e m o f a s t e r n r e p l e ni s h me n t s y s t e m wa s b ui l t t o a n a l y z e t h e h y d r a u l i c i mp a c t ． Th e i n flu e n c e s o f r e v e r s i n g t i me o f s e r v o v a l v e，i n n e r d i a me t e r ，t h i c k n e s s a n d l e n g t h o f t h e p i pe o n t h e h y d r a u l i c i mpa c t we r e a n a l y z e d b y u s i n g ba t c h r u n o f AMES i m． Th e s i mul a t i o n r e s ul t s s h o w t h a t t h e r e v e r s i n g t i me i s t h e ma i n f a c t o r w h i c h a f f e c t s t h e h y d r a u l i c i mp a c t ， t h e r e for e ，t h e r e v e r s i n g t i me d e l a y c a n e f f e c t i v e l y r e d u c e t h e h y d r a u l i c i mp a c t ． T h e me a s u r e s we r e p r e s e n t e d t o r e d uc e t h e h y d r a u l i c i mp a c t ，wh i c h p r o v i de b a s i s f o r t h e h y d r a ul i c s ys t e m de s i g n an d o p t i mi z a t i o n． Ke y wo r ds As t e r n r e p l e n i s h me nt s y s t e a l ；Hy d r a u l i c i mp a c t ；Hy d r a ul i c s i mul a t i o n 纵向补给装置是进行海上 补给 的重要 装备之 一。 加强纵 向补给装置的设计与优化 ，提高装置性能 ，对 增强海上补给能力具有重要意义。作者针对纵 向补给 装置的液压冲击 问题 ，利用 A ME S i m软件建立 了装置 液压系统 的仿真模 型 ，给 出了系统 冲击压力的数 学模 型 ，并对影响液压 冲击 的因素进行 了仿真分析 ，提出 了减 小系统液压冲击 的方法 ，为纵 向补给装置的设计 与优化提供参考。 1 系统工作原理与负载分析 1 ． 1 液压 系统 工作原理 液压系统是纵 向补给装置的重要组成部分 ，其基 本工作原理为 液压泵 由电动机提供动力 ，输 出液压 油 ，液压油经过换 向阀驱动液压马达工作 ，从而带动 软管绞车转动。采用三位四通换 向阀，当软管绞车不 工作时 ，换向阀位于 中位 ，液压油可通过换 向阀直接 流回油箱，实现空载起动，减小了起动时的液压冲 击 。为了保证液压 系统 的工作 安全 ，设置 了安 全 阀。 液压系统工作时 ，当系统压力小于安全阀设定值 ，液 压油可以通过 管路 到达 液压 马达 ，驱 动软管 绞车 工 作 ；当系统压力大于安 全阀设定值 ，则 安全 阀工 作 ， 液压油通 过安 全 阀直接流 回油 箱 ，防止 液压 系统过 载 ，避免造成装置损坏 。 1 ． 2 装 置 负载 分析 起动阶段。系统在起 动阶段 ，换 向阀处于 中位 ， 液压油直接流回油箱 ，液压马达 不工作 ，因此 ，整个 液压系统的负载可视为零 。 放管阶段。当换 向阀动作后 ，液压马达正转 ，带 动软管绞车放出软管 ，液压系统 的负载逐渐增大。由 于放 出的软管受 到海 风 、海流 、海 浪等 多 种 因素作 用 ，受力情况复杂 。要精 确地描述液压系统的负载变 化规律很困难 ，因此，作者根据实现情况下液压系统 的负载特点 ，假设液压马达正转时液压系统负载呈线 性递增规律 ，负载最大值 根据装置海上试验 确定 。 补油阶段 。根 据纵 向补给 作业情 况 ，放 出软 管 后 ，换向阀回到 中位 ，液压马达停止转动 ，软管绞车 用刹车装置刹住 ，通过连 接好 的软管进行补油 ，整个 液压系统负载近似为零。 收管 阶段 。装置收回软管时 ，换 向阀动作 ，液压 马达反转 ，带动软管绞车 收回软管。在 回收软管过程 中，软管 同样受 到海 风 、海 流 、海 浪 等多 种 因素作 用 ，液压系统负载变化规律非常复杂。作者假设液压 马达反转时液压系统 负载呈线性递减规律 。与液压 马 收稿 日期 2 0 1 0 0 4 0 7 作者简介 邢 道奇 1 9 8 0 一 ，男 ，博士生 ，主要研究方向为海洋结构物运用工程 。电话 1 3 6 8 2 0 6 4 7 2 3 ，Em a i l x d q 2 3 ho t ma i l ． c o i n。 第 3期 邢道奇 等纵向补给装置液压冲击仿真分析 1 2 7 达正转情况不同的是 ，由于收 回的软管 中有一部分残 留的油料 ，软管受 到 的阻力 比放 管 阶段 的 大 ，因此 ， 系统负载最大值 比正转 时的负载最大值要大 。 2 液压 系统仿真模型 2 ． 1 AMEs i m 软件 AME S i m A d v a n c e d Mo d e l i n g a n d S i mu l a t i o n E n v i r o n m e n t f o r S y s t e m s E n g i n e e r i n g 是 法 国 I MA G I N E公 司于 1 9 9 5年推 出的高级工程 系统仿 真建模环境 ，至 今 已经发展 到 A ME S i m R e v 8 A版本 。它是 一款 非 常 优 秀的传动系统 和液压／ 机械 系统建模 、仿真及 动力 学分析软件 ，在液压／ 机械 系统分 析与设 计领域 有着 广泛 的应用u 。 在实际应用 中，根据装置系统实际的液压回路组 成 ，直接调用 A M E S i m的各种元件模块 ，组成完整 的 液压 系统 图 ，完成 草 图模 式 S k e t c h m o d e 步 骤 ； 然后为液压系统各元件选 择软件所 提供 的物理模 型 ， 完成子模型模 式 S u b m o d e l m o d 步骤 ；根据 系统液 压元件的实际情况 ，合理设置各个元件 的参数 ，完成 参数模式 P a r a m e t e r m o d e 步骤；同时，也可以利 用 H C D库 中的模 型创建 自己所需要的元件；最后， 进行仿 真 时间设 置 ，进入 运行 模式 R u n m o d e 步 骤 ，可得 到系统各元件 的参数仿真 曲线 ，从而实现对 液压 系统 的仿真分析 j 。 2 ． 2液 压 系统仿 真模 型 根据纵向补给装置液压系统实际工作情况，通过 上述4个仿真建模步骤，建立液压系统仿真模型如图 1 所示。液压系统仿 真时间设置 为 4 0 S ，各仿真时 间阶 段为 起动阶段 0～ 5 s ，放管 阶段 5～ 1 5 s ，补油 阶段 1 5～ 2 5 S ，收管阶段 2 5 ～ 3 5 s ，停止阶段 3 5～ 40 S 。 图 1 液压系统仿真模型 液压马达油 口 C 、油 口D压力仿真曲线如图 2 、 3 所示 。可 以看 出，液压系统在换 向阀进行换 向时存 在液压冲击 ，特别是在 t 1 5 s 和 t 3 5 s 时液压冲击 比较严重 ，分别达 到 2 8 ． 5 2 MP a 和 3 1 ． 9 0 M P a 。这两 处液压冲击均在换 向阀向中位换 向时产 生 ，因此 ，作 者仅对换向阀 回到中位 时产生 的液压 冲击进行分析 。 30 25 日 20 15 堇1 0 5 0 ．5 l l l／ ／ 1 ． i ； 5 专 l1 o5 0 5 ．5 一 0 l 0 2 O 3 0 4 0 0 l 0 2 0 3 0 4 0 t ／ s t ／ s 图 2 油 口 C压力 图 3 油 口 D压力 仿真曲线 仿真曲线 3液压冲击分析 3 ． 1 液压冲击数学模型 液压冲击是一种非恒定瞬时流动 ，动态过程非常 复杂 ，影响因素较多 ，要 精确计 算 冲击压力很 困难 。 作者利用 能量 守恒 定律 对换 向 阀、液 压 马达 、管道 A D、管道 B C组成 回路的液压冲击 进行理 论分析 。 液 压冲击 的实质是 液体 能量 的转 变 ，它与 冲击波 速度 c 有 密 切关 系 ，冲击 波速 度 c决定 了能量 的大 小。在 不考虑 液压油 中存在气体 的情况下 ，有如下关 系式 K c - 『8 E 1 2 K f K 。 K 、 。 | K t √ 由式 1 | K c 、 2 、 3 得冲击 波速度 为 3 4 式中 为液压油等效体积弹性模量， 为液压油体 积弹性模 量 ， 为容器 体积 弹性模 量 ，E为 管道 弹 性模量 ，d为 B C段或 A D段管道 内径 ，6为管 道壁厚 度 ， P为液压油密度 。 液压 冲击发生前 ，设流动液体在管道 中的流速为 ，液压油体积为 ，液压管道 B C段或 A D段管长度 为 Z ，液压泵流量 Q，液压 马达 的转动惯量为 ‘， ，角速 度为 ∞。液压冲击发生后 ，假设流速突降为零 ，根据 能量守恒定律有 如 。 d p d V 了 1 V 5 则 可近似计算 出冲击 压力增 加值 为 ， 6 式 中 ， 以 1 d 。 K 8 E 设压力 冲击波在管道 中往复一次 的时间为 t ，则 有 1 2 8 机床与液压 第 3 9卷 ￡ 等 7 当换向阀换向时问 t ，此时 的压力 峰值 相对 较小 ，称为间接 冲击 ，其压力增加值 可按式 8 近 似计算 K p y re yo t c 8 叩 ■ L6 ， 综合式 6 、 7 、 8 可 以看 出，在装置定量 液压泵流量 Q确定 ，从 而液压 马达 角速度 ∞不 变的 情况下，液压系统参数 t 、 、 、z 对冲击压力增加值 存在影 响。下 面将对 影 响液压 冲击 的各个 因素进 行仿真分析 。由于液 压 回路 中油 口 C和 油 口 D的压 力变化规律具有相似性，且篇幅所限，作者只给出油 口 C的压力仿真 曲线 。 3 ． 2各个因素对液压冲击的影响 1 换 向阀换向时间 t 换 向阀换 向时间对液压 冲击有重要影 响。换 向阀 在 t 3 5 S 进行换 向时 ，设置不 同的换 向时间对油 口 C压 力进行仿 真 ，其余参数保持 不变 ，得 到图 4所示 的压力 曲线 。图 4中曲线 1 、2 、3 分别是换 向时间设 置为 0 ． O O 1 、0 ． 0 1 、0 ． 1 S 得 到 的压 力 曲线 ，相 应在 t 3 5 S时产 生 的压力峰 值分别 是 2 8 ． 2 7 、1 9 ． 6 4 、 1 ． 2 3 M P a 。可 以看出 ，随着 在 f 3 5 S 时换向 阀换 向 时间的增大 ，冲击压力在减小 ，且压力减小的幅度非 常显 著。因此 ，增大换 向阀的换 向时间，成为减小装 置系统液压冲击的重要途径 。 2 管道内径 d 图 5表示 B C段管道不同的 内径对 系统压力 的影 响曲线 。可 以看 出 ，当管道 内径 d增 大 时 ，在 t 3 5 s和 t 1 5 S 时产生的液压冲击压力相应减小，但 压力减小幅度不大。因此 ，增大管道 内径可以适 当减 小装置系统冲击压力 。 l t O． 0 01 s 2 一 f 0． Ol s 1一 8 m m 2 一 拈 11 m m 一 t O． 1 s 3一 dl 4 m m 2 0 ．5 图 4 换 向时间对油 口 图 5 管道 内径 对油 口 C压力 的影响 C压力 的影响 3 管道壁厚 6 对 B C段管道设置不同的管道壁厚进行仿真，得 到如图6所示 的压力变化规律。根据仿真结果，在 t 3 5 S 时 ，不 同管 道壁厚 的情 况下 ，系统 峰值压力 变化小于 0 ． 2 0 MP a 。可 以看 出 ，改变管 道壁 厚对 系 统冲击压力影响很小。因此 ，通过改变管道壁厚来减 小液压冲击是难 以实现的。 4 管道长度 2 图 7表示 B C段管道不 同的长 度对系统压力造成 的影响。在液压冲击发生 的 t 3 5 s 时 ，曲线 1 、2 、3 对应 的 冲击 压 力分 别 为 2 8 ． 3 3 、2 2 ． 4 5 、1 9 ． 1 7 MP a 。 从式 7 、 8 中可看出 ，减小管道长度 z ，可使压 力冲击波在管道 中往复一次的时间减小 ，从而使液压 冲击转变成间接冲击成为可能。但是从图7仿真曲线 可以看出，减小管道长度 ，系统冲击压力却在增加。 以上 两个结论实际上并不矛盾 ，因为 只有在通过减小 管道 长度使直接冲击能够转变成 间接 冲击 的情况下 ， 减小 管道长度才是有意义 的。否则 ，减小管道长度反 而会 使系统 冲击压力增大 。 i 矗 20 3 ，5 l 一 2 I i i m 2 4m m 3 6 fi l m 鹾 2 ．2 图6 管道壁厚对油 日 图7 管道长度对油口 C压力的影 响 C压力 的影 响 3 ． 3减小液压冲击的几点措施 根据上 述分析 ，纵向补给装置液压系统的冲击压 力是 由换向阀换 向时间 、管道结构参数和各惯性质量 等 因素决定 的。为减小液压冲击 ，可采取以下措施 1 采用 换 向时间较 长的 电磁 阀。交 流 电磁 阀 的换 向时间通常很短 ，约为 0 ． 0 3～ 0 ． 1 5 s ，换 向冲击 较大 ；而 直 流 电 磁 阀 的 换 向 时 间 较 长 ，一 般 约 为 0 ． 1 ～ 0 ． 3 S ，所以换 向时 的冲击也较小 ； 2 采用 带阻尼 的 电磁 阀 以减慢换 向速 度 ，从 而延长换向时间； 3 尽量减 小管 道的长度 ，使直 接 冲击 转变 成 间接 冲击。若受实际安装条件等 因素限制 ，不能通过 减小管道的长度来使直接冲击转变成间接冲击 ，则应 适当增加管道长度 ，以减小系统冲击压力； 4 根据系统实际情况 ，适 当加大液压 回路管道 的内径。 4结束 语 液压冲击 会使 系统 产生 振动 和 噪声 、联接 件松 动、液体泄漏，甚至使系统中的管道 、液压元件和仪 表等损坏，严重降低液压系统工作的稳定性和可靠 性。作者利用 A M E S i m建立了纵向补给装置液压系统 仿真模型，重点对影响液压冲击的因素进行了仿真分 下转第 1 4 1页 第3期 杨永生基于主轴振动监测的精密机床可靠性评估 4结论 基 于状态监 测量 的 C B M 方法 ，利用设 备 故障事 件的历史数据及相应状态量建立评估模型 。采 用状 态 监测手段 得 到监测 数据 ，实时 计算 设备 当前 的可靠 性、风险度和剩余寿命，可以帮助企业评估设备的运 行状态 ，优化维修策略 ，降低维修成本 。作者改进算 法模型 ，利用 灰色 理论 评估 We i b u l 1 分 布 P H M 的参 数，使之适应于失效数据样本较少的精密机床等安全 性较高的设 备。以某制造企业 的精密机床主轴轴振监 测数据建立模 型 ，计 算并评估 了精 密机床 的可靠 性 ， 结果显示 ，C B M 方 法是 实时评估 设 备 的运 行 可靠性 的有效手段。但 C B M方法只能选择一类数据作为评 估依据，还不能在一次评估计算中全面地反映设备的 运行状态。因此基 于多状 态量 的 C B M 方法 的研究 是 以后的工作 方向之一 。 参考文献 【 1 】MA N N L ， S A X E N A A， K N A P P G M． S t a t i s t i c a l b a s e d o r c o n d i t i o n b a s e d p r e v e n t i v e m a i n t e n a n c e[ J ] ．J o u r n a l o f Q u a l i t y i n Ma i n t e n a n c e E n g i n e e r i n g ， 1 9 9 5， 1 1 4 65 9 ． 【 2 】J A R D I N E A K S ， B A N J I V I C D， MA K I S V ． O p t i m a l r e p l a c e me n t p o l i c y a n d t h e s t r u c t u r e o f s o f t w a r e f o r c o n d i t i o n b a s e d m a i n t e n a n c e [ J ] ． J o u r n a l o f Q u a l i t y i n Ma i n t e n a n c e E n g i n e e ri n g ， 1 9 9 7 ， 3 2 1 0 91 1 9 ． 【 3 】B A N J I V I C D， J A R D I N E A K S ， M A K I S V， e t a1． A c o n t r o l l i mi t po l i c y a n d s o f t wa r e f o r c o nd i t i o n b a s e d ma i nt e na nc e [ J ] ． I N F O R， 2 0 0 1 ， 3 9 1 3 21 5 0 ． 【 4 】 C H E N C T ， C H E N Y M， Y U A N J ． O n a d y n a m i c p r e v e n t i v e m a i n t e n a n c e p o l i c y for a s y s t e m u n d e r i n s p e c t i o n [ J ] ． R e l i a b i l i t y Eng i n e e ring a n d S y s t e m S a f e t y， 2 00 3， 8 0 4147． 【 5 】MO U S T A F A M S ， MA K S O U D E Y A， S A D E K S ． O p t i m a l m a j o r and mi n i m a l m a i n t e n a n c e p o l i c i e s for d e t e ri o r a t i n g s y s t e m s [ J ] ．R e l i a b i l i t y E n g i n e e r i n g a n d S y s t e m S a f e t y ， 2 0 0 4， 8 3 3 6 33 6 8 ． 【 6 】C HR I T E R A H， WA N G W， S H A R P J M． C a s e s t u d y a s t a t e s pa c e c o nd i t i o n mo n i t o r i ng mo d e l for f ur na c e e r o s i o n p r e d i c t i o n a n d r e p l a c e m e n t [ J ] ． E u r o p e a n J o u r n a l o f O p e r a t i o n s R e s e a r c h ， 1 9 9 7 ， 1 0 1 1 1 1 4 ． 【 7 】L U C J ， ME E K E R W Q ． U s i n g d e g r a d a t i o n me a s u r e s t o e s t i m a t e a t i m e t o f a i l u r e d i s t ri b u t i o n[ J ] ． T e c h n o m e t r i c s ， 1 9 9 3 ， 3 5 2 1 6 1 1 7 4 ． 【 8 】MA K I S V， J I A N G X ． O p t i ma l r e p l a c e m e n t u n d e r p a r t i a l o b s e r v a t i o n s [ J ] ． Ma t h e m a t i c s o f O p e r a t i o n s R e s e a r c h ， 2 0 0 3 ， 2 8 2 3 8 2 3 9 4 ． 【 9 】C O X D R． R e g r e s s i o n m o d e l s a n d l i f e t a b l e s [ J ] ． J R S t a t S o e B， 1 97 2， 3 4 1 8 722 0． 【 1 0 】M A K I S V ， J A R D I N E A K S ． O p t i m a l r e p l a c e m e n t i n p r o p o r t i o n a l h a z a r d m o d e l [ J ] ． I N F O R， 1 9 9 2 ， 3 0 1 1 7 2 1 83． 【 1 1 】 J A R D I N E A K S ， B A N J I V I C D ， WI S E M A N M， e t a 1 ． O p t i ． mi z i n g a mi n e h a u l t r u c k w h e e l mo t o r s ’c o n d i t i o n mo n i t o r i n g p r o g r a m U s e o f p r o p o r t i o n a l h a z a r d s m o d e l i n g [ J ] ． J o u r n a l o f Q u a l i t y i n Ma i n t e n a n c e E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 1 ， 7 4 2 8 6 3 0 1 ． 【 1 2 】 B A N J I V I C D ． C a s e s t u d y C B M m o d e l a n d o p t i m a l p o l i c y for 2 40 -To n Ha ul t ru c k t r a n s mi s s i o n s o b t a i n e d f r o m S y n - c r u d e d a t a [ R] ． T o r o n t o U n i v e r s i t y o f T o r o n t o ， 1 9 9 9 ． 【 1 3 】B A N J I V I C D， J A R D I N E A K S ． C a l c u l a t i o n o f r e l i a b i l i t y f u n c t i o n a nd r e ma i ni n g us e f u l l i f e for a Ma r k o v f a i l u r e t i m e p r o c e s s [ J 』 ． I MA J o u rna l o f M a n a g e me n t Ma t h e m a t i c s， 2 0 06， 1 7 1 1 51 30． 【 1 4 】 赵冰锋， 吴素君． 三参数威布尔分布参数估计方法 [ J ] ． 金属热处理 ， 2 0 0 7 ， 3 2 4 4 3 4 4 6 ． 【 1 5 】郑荣跃， 严剑松． 威布尔分布参数估计新方法研究 [ J ] ． 机械强度 ， 2 0 0 2 ， 5 4 4 5 9 9 6 0 1 ． 上接 第 1 2 8页 析 ，提出了减小 系统液压 冲击 的方法 。通过上述对装 置液压系统的仿 真分析 ，为装置 的设计和优化提供 了 可靠的理 论依据 。 参考文献 【 1 】Wi l f r i d M F， E r i e B ， S e r q e S ． A p l a n a r me c h a n i c a l l i b r a r y i n t h e AME S i m s i mu l a t i o n s o f t wa r e ． P a rt I I L i b r a r y c o mp o s i t i o n a n d i l l u s t r a t i v e e x a mp l e[ J ] ． S i m u l a t i o n Mo d e l i n g P r a c t i c e a n d T h e o r y ， 2 0 0 6 ， 1 4 2 9 51 1 1 ． 【 2 】 Y a n g S Y， J i n S M， K w o n S K ． R e m o t e c o n t r o l s y s t e m o f i n d u s t r i a l f i e l d r o b o t [ C] ／ ／ T h e I E E E I n t e r n a t i o n al C o n f e r e n c e o n I n d u s t ria l I n f o r ma t i o n I ND I N 2 0 0 8． Ko r e a， 2 0 0 8 ． | 44 2 4 4 | ． 【 3 】 黄先祥 ， 马长林， 高钦和， 等． 大型装置起竖系统协同仿 真研究[ J ] ． 系统仿真学报， 2 0 0 7 ， 1 9 1 1 2 ． 【 4 】 玄圣夷， 宋传学， 靳立强， 等． 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