防爆阀对闭式系统动态特性影响的仿真分析.pdf

2 0 1 3 年 5月 第4 1 卷 第9期 机床与液压 MACHI NE T OOL ＆ HYDRAUL I CS Ma v 2 01 3 Vo 1 ． 41 No ． 9 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 ． 0 9 ． 0 4 1 防爆 阀对 闭式系统动态特性影响的仿真分析 刘永平 ，苗 明 ，王欣 ，宋晓光 ，王 惠民 1 ．太原重工股份有限公 司技术 中心 ，山西太原 0 3 0 0 2 4 ；2 ．大连理工大学机械工程 学院， 辽 宁大连 1 1 6 0 2 3 ；3 ．大连理工大学 徐 州工程机械研究中心 ，江苏徐州 2 2 1 0 0 4 4 ．大连益利亚工程机械有限公司，辽宁大连 1 1 6 0 2 5 摘要 针对一种用于闭式起升液压系统的防爆阀，通过 A ME S i m软件，建立防爆阀及闭式起升液压系统模型，仿真分 析防爆阀对闭式系统动态特性的影响，针对不利因素给出解决方法，并仿真验证。分析结果为防爆阀在闭式液压系统中的 应用和现场调试提供了参考。 关键词A M E S i m；闭式液压系统；防爆阀 中图分类号 T H 1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 9 1 5 0 4 S i mu l a t i o n Ana l y s i s o n Effe c t o f Pi p e r up t u r e Va l v e o n Dy na mi c Cha r a c t e r i s t i c s O f Cl o s e d S y s t e m L I U Yo n g pi ng ， MI AO Mi n g ， W ANG Xi n ， S ONG Xi a o g u a n g ， W ANG Hu i mi n 1 ．T e c h n o l o g y C e n t e r ，T a i y u a n He a v y Ma c h i n e r y G r o u p C o ．L t d ． ，T a i y u a n S h a n x i 0 3 0 0 2 4 ，C h i n a ； 2． S c h o o l o f Me c h a n i c a l En g i n e e r i n g， Da l i a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y， Da l i a n L i a o n i n g l 1 6 0 2 3， Ch i na； 3 ．C o n s t r u c t i o n Ma c h i n e ry R e s e a r c h C e n t e r X u z h o u o f D U T，X u z h o u J i a n g s u 2 2 1 0 0 4，C h i n a ； 4 ．D a l i a n Y1 L I Y A C o n s t r u c t i o n Ma c h i n e r y C o ． ，L t d ． ，Da l i a n L i a o n i n g 1 1 6 0 2 5，C h i n a Ab s t r a c t B y a i mi n g a t t h e p i p e r u p t u r e v a l v e u s e d i n c l o s e d h o i s t i n g h y d r a u l i c s y s t e m ，a mo d e l o f c l o s e d h o i s t i n g h y d r a u l i c s y s t e m w i t h a p i p e r u p t u r e v a l v e w a s e s t a b l i s h e d b y t h e AME S i m s o ft w a r e ．B y t h e s i mu l a t i o n a n a l y s i s o f i n f l u e n c e o f t h e p i p e ru p t u r e v a l v e t o t h e d y n a mi c c h a r a t r i s t i c s o f t h e s y s t e m，a s o l u t i o n wa s f o u n d t o e l i mi n a t e t h e d i s a d v a n t a g e ，a n d v a l i d a t e d b y s i mu l a t i o n ．T h e r e s u l t s o f t h i s a n a l y s i s c a n b e o f s o me g u i d e n c e f o r t h e a p p l i c a t i o n o f t h e p i p e rup t u r e v alv e i n t h e c l o s e d h y d r a u l i c s y s t e m a n d t h e d e b u g g i n g o n s i t e． Ke y wo r d s AMES i m ；C l o s e d h y d r a u l i c s y s t e m；P i p e r u p t u r e v a l v e 目前 ，工程起 重机起升机构大多采用开式液压 系 统 ，在液压马达上加装平衡阀可以解决负载平稳下降 和防止管路爆裂的问题。然而开式系统也存在系统效 率低、运行平稳性差等缺点，使得大吨位的起重设备 越来越多的采用了闭式 系统 。闭式液压控制 回路有着 结构紧凑 、易实现无 级变速等优点 ，在国内外大吨 位起重机 中有较广泛的应用 。然而在起 升机构 中 ，管 路爆裂会 引起重大的安全问题 ，闭式系统 中没有平衡 阀 ，只能靠制动器制动 ，但 目前起重机起升机构的制 动器大多为静态制动器 ，对于负载失速下滑的动态制 动并不可靠，制动器极易损坏，即使将负载制动成 功，也会 因负载停在 空中难于下放而引起新 的问 题 。 显然 防爆 阀可 以提 高闭式 系 统 的可靠 性和 安全 性。而国外闭式系统技术较为成熟 、系统可靠，很少 使用防爆阀；但国内闭式系统控制技术和可靠性都与 国外存在一定差距 ，故在国内一些产 品的闭式起升系 统中加装了防爆阀，以提高系统可靠性。但在闭式系 统 中加装这种防爆 阀后是否对系统产 生不利影 响 ，液 压系统的设计是否需要重新调整参数，都没有具体的 文献对此做出分析。文中基于A M E S i m软件建立防爆 阀及 闭式系统模 型 ，通过对 比加装防爆阀和 不加装 防 爆 阀的两个模型分析其对 闭式 系统动态特性 的影响。 1 仿 真建模 1 ． 1 闭式 系统防爆 阀原理 闭式系统原理如图 1所示，对于起升闭式系统 ， 起升侧油路始终是高压侧 ，防爆阀安装于起升侧，防 止该高压管路爆裂。防爆阀由二通插装阀9 1 、溢流 阀9 2和电磁换向阀9 3组成。正常工作时，电磁阀9 3 得 电 ，工作在右位 ，阀 9 l 的 c腔压力 为零 ，阀 9 1 导 通；正常工作 时低压 侧压力 为补油 压力 如 2 ． 4 M P a 。当高压侧管路爆裂时，马达失速，系统低压 收稿 日期 2 0 1 2 0 4一 O 1 作者简介刘 永平 1 9 8 7 一 ，男，硕士研究生，研究方向为液压系统设计及仿真优化。Em a i l l i u y o n g p i n g l O 1 3 1 2 6 ． c o rn。 第 9期 刘永平 等防爆阀对闭式系统动态特性影响的仿真分析 1 5 1 侧失压 ，检测到压力小于设定值 如 1 ． 5 MP a ，小于 补油压 力 时 ，电磁 阀 9 3失 电 ，阀 9 1的 B C腔 连 L 通 ，压力相等 ，由于 c腔压力弹簧和 B c腔的面积差 使阀关闭，从而封闭了马达油液，防止重物下坠。 l 一液压油箱 2 变量 泵 3 泵变量机构 ． 4 _ - 朴油 泵 ” s _ - 补 油溢 流 阀 6 压 力切 断 阀 7 一高 压溢 流 阀 8 _制动 器 电磁 阀 防爆 阀 l O 一 冲洗 阀 l 1 马达 变量 机构 l 2 变 量马 达 1 3 制 动器 图 1 闭式液压系统原理 图 同时设定溢流阀 9 2为压力保护阀，开启压力大 一个控制装置、负载传感器和系统压力传感器，控制 于最大工作压力 ，管路爆裂时可以吸收压力冲击 ，保 装置将两个传感器检测到的信号经转换后进行 比较 ， 护马达；重物停在空中后，通过外接油路向下降侧供 当系统压力产生的起升力矩足以克服负载力矩时，发 压力油，打开制动器的同时提高马达高压腔压力，打 出控制信号，打开制动电磁阀，开启制动器 。在 开阀9 2使重物下落至地面。 建立模型时，从起升侧接压力传感器，设置延迟系数 1 ． 2 建模及验证 来控制制动器电磁阀的开启。其中延迟系数 K 为系 基于防爆阀的原理，重点分析防爆阀对系统动态 统压力 P与记忆压力之间的比值，即 K p 。建 特性的影响。动态特性主要是指二次起升时的动态特 模时变量马达简化为定量 起动过程 中马达始终为 性，是基于防二次起升下滑装置下滑的二次起升动态 最大排量 。模型如图2所示 图中点画线框 内为压 特性 。在 防二次起升下滑方面 ，该系统采用 的是现在 力记忆模 型 。 常用 的压力 记忆 的方法 ，其基本 思想是 给系统增加 r 。。。 。’ 。。 。。 。 。。。 ⋯1 e R u p tu r e V a lv e I ⋯ ‘ ’ - I ● 图 2 闭式液压系统模型图 由于文中重点是分析防爆阀，故其建模是关键。 通插装阀主要参数设置见表 1 。 而防爆 阀模 型 中主要 是二通插装 阀的建模。通 过 表1 二通插装阀主要参数设置 A M E S i m 中的 H C D库 建立 二通 插装 阀模 型 ，并 与 阀 样本中的性能曲线对比，验证模型的正确性。其中二 锥阀芯直径／ m m 1 4 阀芯最大行程／ IT l m 3 阀口直径／ m m 1 0 弹簧预紧力／ N 8 5 1 5 2 机床与液压 第4 1卷 如图 3所示 为仿 真曲 线 与 样 本 阀 曲线 的对 比 0 8 图，图中压降是指 4 0℃ 皇0 ． 6 时 3 ． 2 1 0 i n ／ s 的油液 0 ． 4 情况下二通 阀 A、B 口完0 ． 2 全接通产生的压降。图中0 曲线 的一致性很好地验证 。 2 0 流 4 量 O ／ L 6 ． O i 8 ．． 0 。 。 二 篓 图 3 二 通 插 装 阀 压 性 。 篓 警 警 薹 2 吸7 L 2 I ‘ 时计算 的参数设置即 ’ 。 ⋯⋯’ 1 ． 3 仿真模 型主要参数设置 发动机转速 r m i n 泵、 马达容积效率 叼 载荷质量M ／ k g 泵、 马达机械效率 叼 卷筒直径 D ／m 系统最大压力 p ⋯／ MP a 减速机速 比 i 补油压力 P b ／ MP a 泵最大排量 ／ m L r 制动器开启压力 P l ／ MP a 马达排量 V m ／ m L r 制动器全开压力 P 2 ／ MP a 补油泵排量 R／ m L r 转动惯量 ∥ k g m 2仿真及结果分析 模 型 由手柄控 制 变量泵 排量 来控 制 系统动 作 ， 泵 排 量 可 无 级 变 化 。参 考文 献 [ 5 ] 中手柄 信 号 的处 理 ，采 用 工 程 实 际 中较 为 接 近 的斜 坡 信 号 ，即 0～1 S时 为 0 ， 从 1 s 开始泵 排量从 0～ 斜 坡变化 ，2～ 3 s 时 最大，手 柄信 号 如 图 4 所示 1 ． 0 0 0． 8 0 忠 0 ．6 0 耀 O ．4 0 0． 2 0 0． 0 0 0． 0 0． 5 1． 0 1． 5 2． 0 2． 5 3． 0 时 间， s 图4 手柄信号曲线 对闭式系统最 主要 的一个 参 数是 延迟 系数 的设 置。首先通过对无防爆阀的模型进行批量仿真，找出 系统较为合适的延迟系数。通过仿真优化 ，该系统延 迟系数 K b 0 ． 5时最优。在此参数下仿真比较两个系 统的动态特性 ，其主要性能曲线如图5所示。 0 ． 0 0 ． 5 1 ． O 1 ． 5 2 ． O 2 ． 5 3 ． 0 时 间／ s a 马达高 压腔 压力 曲线 0． 0 0． 5 1． 0 1 ． S 2． 0 2． 5 3． 0 时间／ s b 马达 低压 腔压 力 曲线 0 ． U 0． 5 I ． O 1 ． 5 2． U 2 ． 5 3． U 时 间／ s c 1 马达 转速 曲线 图 5 两种系统性能曲线对比 从仿真曲线中可以看出，采用相同的参数，加装 防爆阀后系统的动态特性有很大变化。性能对比见表 3 。 表 3 系统性能对 比表 通过仿真曲线对比分析 ，加装防爆阀后系统压 力冲击较大，并在最后阶段有延迟，主要是 由于在 制动器开启延迟过程中，补油不足使低压侧压力降 低 ，但由于防爆阀的工作原理 ，当检测到低压侧压 力小于设置值时，二通插装阀 A B口由原来的连通 变 为关闭 ，即阀芯瞬 间会有 关 闭量 ，从 而 引起压 力 冲击和延迟 ，延迟又引起吸空现象 ，故应增大补油 量 3 参数调整及仿真分析 3 ． 1 补油泵排量对 系统动态特性影响的仿真分析 对于大多数应用而言 ，补油泵的选型原则是排量 至少为系统 中所 有液压元 件 排量之 和 的 1 0 ％E 6 J 。依 照此原则 ，该系统补油泵排量 为 1 2 m L ／ r ，并 且已在 无防爆阀系统中通过仿真验证了其可行性。为解决加 装防爆阀后引起的问题，结合对仿真曲线的分析，增 大补油泵排量至较大规格 的 1 4 m l Jr 、1 7 m L V r ，对 比 该系统性能 曲线 ，如图 6 所示 。 ～ 阀阀 一 6 4 2 0 8 6 4 2O 2 4 ll11 0 0 0 0 0 0 O 一 u l m． f 0 _【 、 瓣 渤 咖 加 3 ” 4 L 7 L 。 L 第9期 刘永平 等防爆阀对闭式系统动态特性影响的仿真分析 1 5 3 38 皇 3 6 3 4 幽 趄 3 2 幽 惶 3 0 邑0 ． 1 ． 1 1 ． 2 1 ．3 1 ． 4 1 ． 5 时 间， s a 马达高压腔压力曲线 时 间／ s 矗 皇5 蓄 4 酱 单 _0 3 ． 0 2 ． 5 目 2 ． 0 1 ． 0 1 ． 1 1 ． 2 1 ． 3 1 ． 4 1 ． 5 时 间／ s b 马达低压腔压力曲线 1 ． 1 1 ． 2 I ． 3 1 ． 4 1 ． 5 时 间， s c 马达转速曲线 d 二通插装阀阀芯位移 图6 不同 时有防爆阀系统性能曲线 通过仿真对比，不同规格的补油泵相应的系统性 能有明显区别，性能对比见表4 。 农 4 不同补油泵排量时的性能对比袭 效果不理想 ，只需增大一个规格即可；二通插装阀阀 芯的位移也没有再出现波动，验证了之前的分析。但 是马达仍出现了反转现象。此时就需要重新调整延迟 系数，通过增大延迟系数，延迟制动器的开启来避免 出现的反转现象 。 3 ． 2 延迟 系数对系统动态特性影响的仿真分析 通过仿真优化分析 ，调整延迟系数 0 ． 6时， 系统的性能参数较为理想。图 7为无防爆阀时 1 2 m L ／ r 、K b 0 ． 5和有防爆阀时 1 4 m L ／ r 、K b 0 ． 6 两个系统的不同参数设置下的性能曲线对比。 ■ 窆 出 出 谁 0 ． 0 0 ． 5 1 ． 0 1 ． 5 2 ． 0 2 ． 5 3．0 时 间／ s a 马达高压腔压力曲线 1 ． 2 _ | 1 ． 0 i 0 ． 8 0 ． 6 乳 霎 ． 0 ． 0 0 ． 5 1 ． 0 1 ． 5 2 ．0 2 ． 5 3 ． 0 时 间／ | b 马达低压腔压力曲线 0 ． 0 0 ． 5 1 ． 0 1 ． S 2 ． 0 2 ． 5 3 ． 0 时 间， s c 马达转速曲线 图7 参数调整后两个系统性能曲线对比 从增大补油泵排量 后的对 比曲线中可 以看出 从图7的曲线对比可以看出，调整参数后，两个 高压腔压力冲击明显降低；低压腔的压力也没有出现 系统的性能曲线基本相同，并无差别。很好了验证了 吸空现象，压力降较小，但同时注意到增大太多反而 之前的分析。具体性能对比见表5 。 表 5 参数调整后两个系统的性能对比表 4结 论 通过建模与仿真 ，分析了防爆阀在闭式系统中的 应用，以及对闭式系统动态特性的影响。从仿真分析 结果可 以看 出 1 防爆阀在管路爆裂时起到了关键 的作用， 能很好地防止重物失控坠落； 2 系统无防爆阀时的最优参数在加装防爆阀 后并不是最优的参数，反而会引起较大压力冲击和一 定的二次起升下滑现象 ； 3 在系统设计和现场调试时，需要重新匹配 补油泵排量和延迟系数。 通过以上仿真分析 ，可以为防爆阀在闭式系统中 的应用提供参考 ，包括设计 时元件 的选型 以及现场调 试时参数的设置，同时缩短设计和现场调试周期。 参考文献 【 1 】 于春宇． 履带起重机起升机构闭式液压系统仿真研究 [ D] ． 大连 大连理工大学， 2 0 0 8 1 2 ． 【 2 】 上海三一科技有限公司． 一种防管路爆裂的卷扬马达闭 式液压系统及其控制方法 中国， 2 0 0 9 1 0 0 4 9 7 2 6 ． 3 [ P ] ． 2 0 0 9 0 421 ． 【 3 】 谢英俊 ， 徐立 ， 陈鹰． 起重机二次提升现象的机理探讨 [ J ] ． 工程机械， 1 9 9 7 4 1 41 6 ． 【 4 】王益华． 现代大型液压起重机起升性能研究[ D ] ． 大连 大连理工大学， 2 0 0 6 1 2 ． 【 5 】 杨长骥， 付东明． 起重机械[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 1 9 8 2 1 9 11 9 3 ． 下转第 1 6 2页 1 6 2 机床与液压 第4 1 卷 缸筒与机械 臂 的初 始 坐标 和转 动惯量 。对 系 统仿 真 9 0 S ，利用 M A T L A B工作空间数据可以得到举升过程 的位移曲线 、速度曲线、举升角度 曲线和举升力曲 线 ，如图 5 8所示。 图7 举升角度曲线图 图8 举升力曲线图 从图 5和 图 6中可以看 出 举升过程二级液 压缸 向外伸 出的顺序为 第 一级 与第 二级 同步 向外 伸 出， 第一级运行到达极限位置时停止，同时第二级向外伸 出。由于第二级外伸出时容腔体积变小，所以第二级 运行速度 比第一级大 。从图 6可以看 出液压缸在启 动、换级及停止时将产生冲击振荡，这些都与实际相 符合 。 图 7为举升角度 曲线 ，从图中可以看 出举 升角 度 的变化范 围为 0 。 ～ 8 9 ． 3 8 0 4 。 ，也与实际情况相符 。 从图8可以看出举升力在开始时最大 ，随着举 升时间增加 而逐渐减 小 ，在 t 8 5 ． 3 3 9 8 S 时举 升力 变为零 ，随着时间的增加 ，举升力变为负值 。这表 明 举升过程中，举升力 由推力变为拉力，与实际情况 相符。 5结论 利用 S i m H y d r a u l i c s 和 S i m M e c h a n i c s软件 能 方 便 地建立 多级液压缸的模型和机械 系统的模型 ，通过机 械 、液压 、控制模型间参数 的关联 关系 ，在 S i m u l i n k 环境下 能够实现复杂的机 电液系统 的仿真研究 ，为含 多级液压缸 的举升系统的仿真与优化提供 了方法。 参考文献 【 1 】马长林， 黄先祥 ， 李锋， 等． 基于软件协作的多级液压缸 起竖系统建模与仿真研究[ J ] ． 系统仿真学报 ， 2 0 0 6， 1 8 S 2 5 2 35 2 5 ． 【 2 】穆希辉 ， 来升， 杜峰坡， 等． 基于 S i mH y d r a u l i c的全向侧 面叉车行走机构液压仿真及改进[ J ] ． 工程机械， 2 0 0 9， 4 0 7 3 6 4 0 ． 【 3 】 洪刚， 吴百海， 田烈余． 基于 M A T L A B ／ S i m H y d r a u l i c s 的 型材冷弯回路仿真分析[ J ] ． 液压 气动与密封， 2 0 1 1 4 3 03 3 ． 【 4 】 付亚超， 张树忠， 邓斌． 基于S i m M e c h a n i c s 的挖掘机模型 仿真分析[ J ] ． 机械工程与自动化， 2 0 1 0 2 2 O一 2 2 ． 【 5 】李向攀， 韩建海， 赵书尚． 步态康复训练机器人行走步态 仿真研究 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 9 ， 3 7 1 1 5 41 5 6 ． 【 6 】徐生林 ， 刘艳娜． 两足机器人的 S i m M e c h a n i c s 建模[ J ] ． 浙江大学学报 ， 2 0 1 0 ， 4 4 7 1 3 6 1 1 3 6 7 ． 【 7 】姚海， 鲍劲松， 金烨． 基于 S i m u 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