基于AMESim的高空作業(yè)車支腿液壓系統(tǒng)仿真分析

王志紅，盧夢成，尹冬冬，秦可

（武漢理工大學現(xiàn)代汽車零部件技術湖北省重點實驗室，汽車零部件技術湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430000）

前言

高空作業(yè)車是運送工作人員和使用器材到現(xiàn)場并進行空中作業(yè)的專用車輛[1]。隨著我國城市化進程的加快，在基礎設施建設時需要大量的高空作業(yè)設備，因此高空作業(yè)車具有廣闊的市場前景。論文針對新開發(fā)的一款25米高空作業(yè)車，主要介紹其支腿液壓系統(tǒng)，其特點是支腿液壓系統(tǒng)中，水平及垂直支腿均能獨立控制，能夠適應不同的作業(yè)環(huán)境。利用AMESim軟件對支腿液壓系統(tǒng)進行仿真分析，能夠模擬支腿系統(tǒng)在不同作業(yè)環(huán)境下的調平過程，驗證了所設計的支腿液壓系統(tǒng)的合理性，并研究了不同泵轉速對支腿液壓系統(tǒng)伸縮效率的影響，同時為其他車型的支腿液壓系統(tǒng)的設計提供參考。

1 支腿液壓系統(tǒng)原理

現(xiàn)在工程機械多采用的是H型液壓支腿，該支腿的特點是對地形的適應性強，調平容易，且在反力變化時基本沒有爬行等現(xiàn)象，因此應用十分廣泛[1]。

高空作業(yè)車支腿液壓系統(tǒng)由支腿操縱閥，支腿選擇閥，支腿水平伸縮油缸，支腿垂直伸縮油缸等組成，如圖1所示。泵開啟，當二位三通選擇閥操縱桿處于下位時，液壓油進入上車液壓系統(tǒng)；反之，液壓油進入下車支腿液壓系統(tǒng)。本車是通過該二位三通選擇閥來切換上車、下車液壓回路。支腿系統(tǒng)調平時，首先可分別或同時操控支腿操縱閥，操縱閥都處于下位，再操控支腿選擇閥處于上位，支腿水平油缸同時伸出；反之，則縮回。同理，可控制支腿垂直油缸。若由于作業(yè)環(huán)境要求需單獨調整某支腿水平伸縮油缸或垂直伸縮油缸時，只需操控相應支腿操縱閥桿處于相應位置，再操縱支腿選擇閥即可。每一個水平和垂直支腿油缸上都配有一個雙向液壓鎖，使支腿能夠鎖住，防止高空作業(yè)車在作業(yè)過程中由于支腿油缸上腔油路泄露引起“軟腿”現(xiàn)象或行車過程中液壓支腿油缸由于下腔油路泄露引起的自行下落。

圖1 下車支腿液壓系統(tǒng)

2 支腿液壓系統(tǒng)建模仿真

AMESim是法國IMAGINE公司推出的一款可用于流體動力、機械、熱流體和控制系統(tǒng)仿真分析的軟件。AMESim采用基于物理模型的圖形化建模方式，為用戶提供了豐富的元件應用庫。通過AMESim軟件進行建模時，可根據支腿液壓系統(tǒng)原理圖，在保證性能要求的情況下能夠適當簡化建模，在 AMESim 的液壓、機械、信號庫中通過選擇相應的元件模型構建出支腿調平回路的仿真模型，并對每個元件選取子模型。AMESim 液壓中的電磁閥可以作為伺服閥、比例閥和換向閥用，根據液壓系統(tǒng)實際情況本仿真模型中需要五個電磁換向閥[2]。模型中的電磁換向閥，都是通過輸入的控制信號改變液壓油流向，換向閥的控制信號在每個階段都是常數(shù)，信號為階躍信號[3-5]。

在建模時將液壓系統(tǒng)的管道假設為剛性，沒有考慮管道的長度。根據支腿的液壓系統(tǒng)原理圖在 AMESim 中建立的仿真模型如圖 2所示。

圖2 高空作業(yè)車支腿液壓系統(tǒng)仿真模型

2.1 系統(tǒng)模型的元件分析與參數(shù)設置

2.1.1 主要液壓元件參數(shù)設置

在AMESim參數(shù)模式中設置所有的液壓元件參數(shù)，表1中列出了主要的液壓元件參數(shù)。

表1 主要液壓元件仿真參數(shù)

2.1.2 信號源參數(shù)設置

本平臺液壓系統(tǒng)根據支腿實際運動過程對模型元件進行參數(shù)設置，分析支腿調節(jié)回路的動態(tài)過程[6-7]。

各支腿的運動過程如下：

假設水平支腿1、2液壓缸向外伸出運行5秒后停止；水平支腿液壓缸3、4向外伸出3秒后停止；此時達到水平位置要求。

圖3 信號源1、2曲線

假設垂直支腿1、2液壓缸向外伸出5秒后停止；垂直支腿3、4液壓缸向外伸出3秒后停止；此時達到垂直位置要求。

達到位置要求后，換向閥處于中位，支腿處于浮動狀態(tài)。工作完成后，垂直支腿先同步縮回，水平支腿之后同步縮回。

按照以上運動過程分別設置控制電磁換向閥的信號源，四個信號源的信號皆為階躍信號。設置信號源1、2如圖3；信號源3、4如圖4；信號源5如圖5。

圖4 信號源3、4曲線

圖5 信號源5曲線

2.2 支腿液壓系統(tǒng)的仿真結果分析

下面調取仿真模型中水平支腿1回路中的流量曲線并作分析。

2.2.1 三位四通換向閥流量分析

支腿1回路中換向閥的P口與A口，B口與T口的流量變化曲線如圖6、圖7所示。

圖6 支腿1回路中換向閥P口與A口的流量變化曲線

圖7 支腿1回路中換向閥B口與T口的流量變化曲線

由圖6和圖7可以看出在0～5s時間內電磁閥下位導通P、A供油，由于3s后水平支腿3、4停止運動，故流量增加；5～10s電磁閥處于中位，不向執(zhí)行件供油；10～15s時間內電磁閥上位導通P、B供油，由于13s后垂直支腿3、4停止運動，故流量增加；15～20s電磁閥處于中位，不向執(zhí)行件供油；20～25s電磁閥下位導通B、T回油，垂直支腿縮回，由于23s后垂直支腿 3、4已收回，故流量增加；25～30s電磁閥上位導通A、T回油，水平支腿縮回。

2.2.2 支腿液壓缸位移分析

四只水平支腿液壓缸活塞桿的位移變化曲線如圖8。

圖8 四只水平支腿活塞桿運動曲線

由于假設作業(yè)環(huán)境時各水平支腿和垂直支腿所處地勢不同，故調平高空作業(yè)車底盤時，各支腿液壓缸的位移是不同的。由圖可知，0～5s水平支腿 1、2伸出大約 0.48m，0～3s水平支腿3、4伸出0.2m；此時水平方向達到平衡狀態(tài)。5～25s水平支腿保持動作；25～30s所有水平支腿縮回，由于水平支腿3、4伸出位移較小，故比水平支腿1、2先縮回。

四只垂直支腿液壓缸活塞桿的位移變化曲線如圖9。

圖9 四只垂直支腿活塞桿運動曲線

由圖可知，0～10s垂直支腿不動作；10～15s垂直支腿1、2伸出約0.48m，10～13s垂直支腿3、4伸出約0.2m；此時垂直方向達到平衡狀態(tài)。15～20s垂直支腿保持動作；20～25s所有垂直支腿縮回，由于垂直支腿3、4伸出位移較小，故比垂直支腿1、2先縮回。

3 泵轉速對支腿液壓系統(tǒng)的影響

在已經建立好的支腿液壓系統(tǒng)AMESim模型中，對泵的轉速進行批處理[8]，研究泵轉速為2000r/min、2500 r/min以及3000r/min時對水平及垂直支腿伸縮位效率的影響。

3.1 泵轉速對水平支腿液壓缸伸縮位移的影響

不同泵轉速下，水平支腿液壓缸活塞桿位移隨時間的變化如圖10所示。由圖可知，轉速越大，活塞桿伸縮的速度越快，活塞桿完全伸出和縮回的總時間越快；泵的轉速對水平支腿液壓缸伸出效率影響比縮回時的影響大。

圖10 三種不同泵轉速下水平支腿活塞桿位移

3.2 泵轉速對水平支腿液壓缸伸縮速度的影響

在三種不同泵轉速下，水平支腿液壓缸活塞桿運動速度隨時間的變化如圖11所示。由圖可知，轉速越大，活塞桿伸縮的速度越大，但是在泵轉速為 2500r/min時，水平支腿液壓缸活塞桿伸出時的運動速度波動較大，運動穩(wěn)定性較差，水平支腿液壓缸活塞桿縮回時的運動速度較為平穩(wěn)；泵轉速分別為2000r/min和3000r/min時，水平支腿液壓缸活塞桿的伸縮運動速度都較為平穩(wěn)。

圖11 三種不同泵轉速下水平支腿活塞桿運動速度

3.3 泵轉速對垂直支腿液壓缸伸縮位移的影響

在三種不同泵轉速下，垂直支腿液壓缸活塞桿位移隨時間的變化如圖12所示。由圖可知，轉速越大，活塞桿伸縮的速度越快，活塞桿完全伸出和縮回的總時間越快；泵的轉速對垂直支腿液壓缸伸出效率影響比縮回時的影響大。

圖12 三種不同泵轉速下垂直支腿活塞桿運動位移

3.4 泵轉速對垂直支腿液壓缸伸縮速度的影響

在三種不同泵轉速下，垂直支腿液壓缸活塞桿運動速度隨時間的變化如圖13所示。由圖可知，轉速越大，活塞桿伸縮的速度越大，但是在泵轉速為 2500r/min時，垂直支腿液壓缸活塞桿伸出時的運動速度波動較大，運動穩(wěn)定性較差，水平支腿液壓缸活塞桿縮回時的運動速度較為平穩(wěn)；泵轉速分別為2000r/min和3000r/min時，垂直支腿液壓缸活塞桿的伸縮運動速度都較為平穩(wěn)。

圖13 三種不同泵轉速下垂直支腿活塞桿運動速度

4 結論

（1）對高空作業(yè)車支腿液壓系統(tǒng)的調平特性進行了仿真分析，仿真結果表明水平支腿及垂直支腿均能單獨控制，解決了高空作業(yè)車在不同工作環(huán)境下的底盤調平問題。

（2）泵的轉速越大，水平和垂直支腿伸縮速度越快。通過加大油門可以提高泵的轉速，從而提高水平及垂直支腿的伸縮效率，但是在泵轉速為 2500r/min時，水平及垂直支腿伸出時的活塞桿的運動穩(wěn)定性較差，高空作業(yè)車支腿液壓系統(tǒng)液壓缸伸出工作時應注意避免該工況。

（3）通過AMESim仿真軟件對高空作業(yè)車支腿液壓系統(tǒng)進行仿真分析，能夠較為直觀的反映出支腿伸縮的運動特性，使用AMESim軟件中的批處理功能能夠研究泵的轉速變化對支腿伸縮效率及運動穩(wěn)定性的影響，為其他相關車型的液壓系統(tǒng)設計提供了參考。

參考文獻

[1] 喬維高.專用汽車結構與設計[M].北京∶北京大學出版社,2010.

[2] 吳濤,徐延海,孫仁云.基于 AMESim 的隨車起重運輸車支腿垂直液壓缸回路仿真研究[J].西華大學學報（自然科學版）,2009,28(4)∶30-32.

[3] 付永領,祁曉野.AMESim系統(tǒng)建模和仿真[M].北京∶北京航空航天大學出版社,2006.

[4] Fleischfresser,Wolfgang.Hydraulic systems in mobile aerialwork platforms[J].Diesel Progress International Edition,2003,22 (4) ∶42－44.

[5] David Gagne,Franck Sellier, Cedric Roman.Simulation and design process of mechatronics system[J].Recent Advances in Aerospace Actuation Systems and Components[4],June 13-15,2001.

[6] 張濤,曹俊,高宏力等.基于AMESim的QY-8型汽車起重機液壓系統(tǒng)仿真[J].工程技術與產業(yè)經濟,2012（4）∶28-30.

[7] 杜二超,劉曉婷,鄒杰等.基于 AMESim 的高空作業(yè)平臺底盤調平液壓的仿真分析[J].起重機運輸機械,2013（9）∶63-66.

[8] 梁全,謝基晨,聶利衛(wèi).液壓系統(tǒng)Amesim計算機仿真進階教程[M].北京∶機械工業(yè)出版社,2016.