基于AMESim的料耙液壓傳動系統設計與仿真

郭宏，陳亮，李遠慧，傅連東

(武漢鋼鐵集團公司，湖北武漢 430083)

0 前言

料耙機構是鋼廠礦料混勻的重要部件之一，其主要作用是通過料耙小車沿著鋼軌來回平移拖動料耙，使料耙不斷地切取各礦料層，同時將部分礦料卸到滾筒和皮帶機上并送往燒結廠加工。針對此設備工況，本文作者采用“恒壓變量泵+比例換向閥+雙出口壓力補償器”液壓系統，經仿真和現場調試表明，該液壓系統能很好的滿足設備運行要求。

1 料耙機構液壓系統設計

1．1 設備工況分析

(1)系統沖擊振動大料耙小車工作時往復平均速度達到0．425 m/s，且在滿載工況下負載為150 kN，設備負載慣性很大。改造成液壓系統，容易出現活塞桿撞擊液壓缸端蓋的現象，及液壓閥門關閉、啟停和換向時產生液壓沖擊，損壞液壓元件和管道。所以在滿足工作需要的情況下，應盡量減小設備在工作中所帶來的沖擊。

(2)負載隨工況變化取料現場是露天作業，如遇上冰凍雨雪天氣，礦物原料的阻力將變大，可能會出現料耙耙不動礦料的情況［1］。因此設計的液壓系統需采用過載保護，同時所選元件應留有一定的余量，以滿足不同工況條件。

1．2 液壓系統設計及控制原理

采用“恒壓變量泵+比例換向閥+雙出口壓力補償器”的液壓系統設計方案。該方案的具體實現過程如下:由雙出口壓力補償器保持比例方向閥閥口壓差恒定的同時，采用梯形信號控制比例閥的開口度，確保料耙在運動和換向時沖擊較小，速度能夠平緩過渡。液壓缸選用雙向緩沖缸，以減小對端蓋的沖擊。采用壓力控制型柱塞變量泵以滿足在不同工況下料耙往返速度的恒定，通過調節恒壓變量泵的流量和系統壓力來提高輸出功率，調節溢流閥的壓力實現系統過載保護。

該系統主要控制原理:當雙出口壓力補償器保持比例閥進油口和回油口的壓差不變時，通過比例方向閥的流量只與比例閥的開口度有關，而比例閥的開口面積是由給定電流信號決定的［2］。為了減少系統換向沖擊，將給定信號設置成梯形信號曲線，使油缸換向時，通過閥口的流量減少，換向完成后，通過閥口的流量迅速增加。

2 液壓系統計算機仿真分析

在AMESim軟件中對擬定的液壓系統原理圖進行模型搭建［3］，負載為料耙耙料時的阻力。工況設置如下:電機功率為90 kW;變量泵工作壓力為16 MPa，工作流量為290 L/min;液壓缸尺寸為φ200 mm×φ160 mm×1 700 mm;溢流閥調定壓力為18 MPa;比例閥控制信號設置如下:(0～1 s)遞增——(1～3 s)恒值——(3～4 s)遞減的梯形信號。設定系統仿真時間為16 s，仿真步長為0．001 s。在AMESim中建立的模型如圖1所示。

圖1 液壓系統的AMESim仿真模型

2．1 滿載

將耙料阻力負載設置為150 kN，即滿載工況下。系統兩腔壓差仿真曲線、料耙速度和加速度仿真曲線如圖2、圖3和圖4所示。

圖2 滿載時系統兩腔壓差

圖3 滿載時系統料耙速度

圖4 滿載時系統料耙加速度

從圖2可以看出兩腔壓差波動較小，僅僅只是在換向的瞬間產生較小的沖擊。圖3可以看出速度能夠在換向時由最大速度減小到0．37 m/s，然后再平滑的減小。由圖4可知，系統在換向時的最大加速度約為9．7 m/s2，即慣性力不大，系統只需要很小的合力就可以平緩地實現料耙換向。

2．2 不同負載

在實際工況中，料耙耙齒插入料堆的深度不一，導致實際負載不同。比較負載為50、100、150 kN時液壓缸兩腔的壓差，仿真結果如圖5、圖6和圖7所示。

由圖5、圖6和圖7可知，不管負載多大，在換向的瞬間都存在液壓沖擊。但是負載力為50 kN和100 kN時，兩腔壓差都表現出一定的波動，且這種波動隨著給定比例信號回到中間值而變平緩，而負載力為150 kN時波動則相對穩定些。此外，負載力為50 kN和100 kN時，換向瞬間兩腔壓差也表現出了很大的沖擊，而150 kN時則小得多，沒有出現急降的狀況。

圖5 負載為50 kN時系統兩腔的壓差仿真曲線圖

圖6 負載為100 kN時系統兩腔的壓差仿真曲線圖

圖7 負載為150 kN時系統兩腔的壓差仿真曲線圖

3 現場實測

實驗數據是在系統調試現場實測所得，數據采集卡為NI USB-6009，所測數據為系統在滿載工況下的液壓缸兩腔壓力曲線圖，如圖8所示。現將實測曲線與仿真曲線圖5作對比分析。

圖8 系統兩腔壓差實測曲線

由實測曲線圖可知系統的運動周期大約為8 s左右，符合取料機實際混勻工藝要求。與仿真曲線相比，實測曲線的波動要大很多，且實測曲線半周期內開始時的兩腔壓差與結束時的兩腔壓差不一樣。這主要是由于實際負載存在變化及給定信號的差異導致的，并不影響料耙的運動平穩性，僅對液壓缸產生了沖擊，兩圖趨勢基本是一致。

4 結論

(1)采用“恒壓變量泵+比例換向閥+雙出口壓力補償器”的液壓系統，不僅滿足工況要求，且液壓沖擊振動小，設備運行平穩，同時所設計的系統和采用的元件合理可行。對于不同負載下的系統工況，重載下的系統沖擊反而要比輕載下的好。

(2)在實際調試過程中可以稍稍減小結束階段的信號值，降低系統流量的同時也可以減緩系統沖擊。

［1］李遠慧，陳新元，鄧江洪．料耙驅動機構系統改造的分析研究［J］．液壓與氣動，2012(11):131-132．

［2］朱仁學，袁陽．步進式加熱爐電液比例控制系統設計［J］．機床與液壓，2009，37(4):77-79．

［3］付永領，齊海濤．LMSImagine［J］．Lab AMESim系統建模和仿真實例教程［M］．北京:北京航空航天大學出版社，2011，130．