基于AMESim的液壓缸系統動態特性仿真與優化

李遠慧,陳新元

(武漢科技大學機械自動化學院,湖北武漢,430081)

AMESim作為多學科領域復雜系統建模仿真的解決方案,它包含有機械、信號控制、液壓(包括管道模型)、液壓元件設計(HCD)等工程學科的應用庫。對于液壓設計而言,設計者可以通過AMESim直接對液壓系統本身建立物理模型,在此基礎上對元件和系統進行仿真,并利用仿真結果進行優化設計,從而降低開發成本和縮短開發周期[1]。

本文基于AMESim軟件對設計的取料機小車液壓驅動系統進行建模和仿真,通過系統液壓缸壓力變化仿真結果進行優化設計。

1 系統模型建立與仿真

某取料機小車驅動系統為雙出桿液壓缸機構,其液壓缸活塞運動控制閥為電液換向閥,各關鍵元件相關參數為,泵源流量:290 L/min;溢流閥設定壓力:18 M Pa;電液換向閥通徑:25 mm(O型中位機能);液壓缸尺寸:φ250 mm×φ180 mm×2 000 mm[2]。系統工作原理圖如圖1所示。為便于研究系統液壓缸中壓力的變化,在液壓缸活塞桿鉸接處施加一定外力,以模擬液壓缸驅動的負載。依據關鍵元件相關參數所建立的系統AMESim模型如圖2所示。對系統AMESim模型進行動態特性仿真[3],液壓缸壓力變化仿真圖如圖3所示。從圖3中的壓力變化曲線可以看出,液壓缸驅動負載的瞬間,容腔內壓力變化劇烈。仿真結果表明,在液壓缸驅動小車的瞬間,由于機構運動產生了強大的液壓沖擊,這種液壓沖擊會造成系統設備的損毀,因此必須對系統實施結構優化。

圖1 系統工作原理圖Fig.1 Principle diagram of the hydraulic system

圖2 系統AMESim模型Fig.2 AMESim model of the hydraulic system

圖3 液壓缸壓力變化仿真圖Fig.3 Pressure variation simulation in hydraulic cylinder

2 系統結構優化

為了對系統實施結構優化,采用緩沖閥作為緩沖元件。具體作法是,在系統執行元件液壓缸前的油路上添加Z2DB疊加式雙向緩沖閥,以降低小車機構瞬時運動產生的沖擊。初次優化后的系統AMESim模型如圖4所示。

圖4 初次優化后的系統AMESim模型Fig.4 AMESim model of the hydraulic system after the first modification

根據推動負載所需要的壓力,將Z2DB緩沖閥中兩個閥芯處的壓力分別設定為17.9、17.5、17.0、16.0 M Pa,對初次優化后的AMESim模型進行仿真,不同緩沖閥壓力下的液壓缸壓力變化仿真圖如圖5所示。從圖5中的壓力變化曲線可看出,增加了Z2DB雙向緩沖閥后,隨著緩沖閥壓力的不斷下調,在小車驅動的瞬間,液壓缸壓力變化幅度不斷下降,波動頻率明顯降低。但系統液壓沖擊仍然存在,小車驅動瞬間液壓缸工作壓力依然比小車機構平穩運行時高出許多,這種工作狀況對設備使用壽命仍然有很大影響,因此系統仍需進一步優化。

圖5 不同緩沖閥壓力下液壓缸壓力變化仿真圖Fig.5 Pressure variation simulation in hydraulic cylinder at different buffering pressures

為了對系統實施進一步優化,在系統回路中增設一個10 L的皮囊式蓄能器,用于緩沖管路中瞬間產生的液壓沖擊。進一步優化后的系統原理圖和AMESim模型分別如圖6、圖7所示。

進一步優化后的液壓缸壓力變化仿真圖如圖8所示。從圖8中的壓力變化曲線可以看出,液壓缸中壓力變化較為平緩,雖然存在壓力波動,但波峰低于小車平穩運行時的工作壓力,小車驅動瞬間產生的液壓沖擊已明顯消除。

圖6 進一步優化后的系統原理圖Fig.6 Principle diagram of the hydraulic system after second modification

圖7 進一步優化后的系統AMESim模型Fig.7 AMESim model of the hydraulic system after second modification

系統優化結果表明,Z2DB緩沖閥可起到一定程度的調節液壓缸瞬間壓力變化幅度和波動頻率的作用,但局限性較大。這是因為緩沖閥在吸收油路中的壓力波動能量時,克服調節彈簧的作用力需要一定的時間,因而瞬間緩沖能力不足。皮囊式蓄能器由于具有慣性小、響應快的機構特性,因而能快速吸收瞬間發生在油路上的液壓沖擊能。本項目在保持模型中所有元件參數設置不變的條件下,單獨使用蓄能器對系統進行了優化仿真實驗,結果表明,相對于同時使用緩沖閥與蓄能器的情形,單獨使用蓄能器時,系統液壓缸壓力變化幅度和波動頻率較大,因而最終選用蓄能器和緩沖閥并用的優化方案。

圖8 進一步優化后的液壓缸壓力變化仿真圖Fig.8 Pressure variation simulation in hydraulic cylinder after second modification

實際情況還表明,蓄能器在回路中的安裝位置也會影響到抗液壓沖擊的效果,實際工程中,應基于現場可安裝位置、蓄能器與液壓缸的相對位置、管路長度及管徑等問題綜合考慮。

3 結語

利用AMESim模型仿真結果可以對所設計的取料機小車液壓驅動系統實施反復優化(包括對系統中相關元件、管路等參數的設置和調試),優化后的系統緩解了小車驅動瞬間產生的液壓沖擊現象,使得液壓缸中的壓力變化較為平緩,波峰低于小車平穩運行時的工作壓力,系統性能得到明顯改善,在實現系統優化設計的同時降低了設計成本。

[1] 付永領,祁曉野.AMESim系統建模和仿真——從入門到精通[M].北京:北京航空航天大學出版社,2006.

[2] 陳奎生.液壓與氣壓傳動[M].武漢:武漢理工大學出版社,2001.

[3] 劉小初,葉正茂,韓俊偉,等.基于AMESim軟件的三級電液伺服閥建模與仿真[J].機床與液壓,2008,36(11):135-136,149.