基于AMESim固定式汽車拆解機液壓系統仿真分析

方泰興　宋崇智　黃軍　焦尚兵

摘要：針對汽車拆解機液壓系統性能要求，以固定式汽車拆解機為研究對象，分析其液壓系統的工作原理，利用AMESim軟件建立負載敏感泵、大臂和夾具系統仿真模型，對其仿真結果進行分析。結果表明：根據子模型設定參數，得到負載敏感泵、大臂和夾具液壓系統仿真曲線，仿真結果與實際設定相比誤差較小，為今后深入研究汽車拆解機液壓系統提供參考。

Abstract： Aiming at the performance requirements of the hydraulic system of automobile disassembly machine， this paper takes the fixed automobile disassembly machine as the research object， analyzes the working principle of its hydraulic system， establishes the simulation model of load sensitive pump， big arm and fixture system by using AMESim software， and analyzes the simulation results. The results show that： according to the parameters set by the submodel， the simulation curves of the load sensitive pump， big arm and fixture hydraulic system are obtained. The simulation results have a small error compared with the actual setting， which provides a reference for further study on the hydraulic system of automobile disassembly machine in the future.

關鍵詞：汽車拆解機;液壓系統;建模仿真;AMESim

Key words： car dismantling machine;hydraulic system;modeling and simulation;AMESim

中圖分類號：TH137? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）05-0198-04

0? 引言

汽車拆解機是用于拆解廢舊汽車的設備，同時我國也是汽車保有量較多的國家，汽車保有量的增加促進了廢舊汽車拆解行業的發展[1]，因此廢舊汽車拆解設備的需求量大大增加。傳統的拆解作業主要依靠人工拆解，借助一些五金工具、氧氣切割等方式進行拆解作業，工作效率低，環境污染嚴重，安全保障低下。因此，對于拆解機而言，具備高適應性、安全可靠、節能環保、高效率的性能十分重要[2-3]。

針對廢舊汽車拆解設備，國內外開展了大量的研究。德國人U.Buker[4]提出了一種基于目標灰度值和輪廓的識別方法，采用主動立體攝像作為視覺傳感器的自主拆卸機器人系統，最終一個自動拆卸車輪的機器人系統樣機被成功測試;1979年，日本Kobelco建機[5]研制出首臺裝備有固定式切斷裝置的汽車拆解機，人工拆解廢舊汽車首次由機器代替;2016年，我國重汽集團[6]在推出的海斗牌廢舊汽車拆解機，該機有專用的液壓系統，可以實現液壓剪精準微動拆解，工作穩定可靠。

上述研究表明，汽車拆解機作為拆解廢舊汽車重要設備，直接影響拆解效率。液壓系統作為汽車拆解機的動力系統和控制系統，為汽車拆解機的穩定拆解提供重要的保障。為了得到安全可靠的液壓系統，對汽車拆解機的液壓系統進行建模和仿真是十分必要的。因此，本文針對固定式汽車拆解機的液壓系統，運用AMESim[7]軟件進行建模與仿真，為以后的優化設計提供參考依據。

1? AMESim建模

本文所研究的汽車拆解機為固定式液壓系統汽車拆解機。該機液壓系統主要由負載敏感泵、大臂系統、小臂系統、液壓剪系統和夾具系統等五大部分組成。由于汽車拆解機的液壓元件較多，整機液壓系統相對較為復雜，為整機液壓系統建立模型較為困難。根據汽車拆解機需要執行的動作以及各個子系統都是單獨工作的特點，在AMESim建模過程中，將整機液壓系統簡化，只對各子系統單獨進行即可[8]。汽車拆解機液壓系統的五大部分，由于液壓剪系統、大臂系統和小臂系統三個子系統的原理基本相同，在這里進行簡化，只選擇大臂系統進行AMESim建模。故本文只對汽車拆解機液壓系統的負載敏感泵、大臂系統和夾具系統進行AMESim建模。

1.1 負載敏感泵建模

在AMESim草圖模式下，利用液壓庫、液壓元件設計庫、信號庫和機械庫[9-10]建立負載敏感泵仿真模型如圖1所示，此模型由電機、變量泵、負載敏感閥、節流閥和伺服活塞缸等元件組成。以比例溢流閥模擬負載。在仿真模型中設定電機轉速2200r/min，泵流量108L/min、轉速2800r/min，節流閥開口6mm。該泵的工作原理為：油液由變量泵輸出通過節流閥至負載，泵前端壓力引入至負載敏感閥左端，節流閥后端壓力引入至負載敏感閥右端，負載敏感閥受力是左端壓力等于右端壓力加上彈簧壓力。節流閥完全關閉，P2口推動負載敏感閥左端使負載敏感閥處于左位，然后P2口的油液經負載敏感閥到伺服活塞的無桿腔，活塞左移，泵的排量達到最小。節流閥緩慢打開，負載的力引入負載敏感閥的彈簧腔，此時泵的擺角緩慢增大，當泵前段壓力大于負載壓力一個彈簧力時，負載敏感閥開始慢慢關閉，和阻尼D2形成液壓半橋，伺服活塞兩端受力平衡，活塞使泵的擺角達到一個恒定值，此時泵的輸出壓力等于負載壓力加上一個負載敏感閥的彈簧力。

1.2 大臂和夾具系統建模

在AMESim草圖模式下，利用機械庫、信號庫和液壓庫[9-10]建立大臂和夾具系統仿真模型如圖2所示，此模型主要由雙作用液壓缸、雙向液壓鎖、換向閥、定量泵、電機和過濾器等元件組成，以定量泵模擬負載敏感泵，圖中左為大臂系統，右位夾具系統。在工作過程中，電機提供動力，把油液作為工作介質，利用定量泵把電機提供的機械能轉化為液壓能經過換向閥傳至液壓缸，再由液壓缸活塞桿的伸縮將液壓能轉化為各種機械能傳至各機構，就可以實現汽車拆解機需要的各種動作。

在AMESim中每個元件都有子模型，進入子模型為即可為每個元件選取數學模型，然后就可為每個子模型進行參數設定[7][11]。上述系統中主要子模型的參數設定如表1所示。

2? 仿真分析

2.1 負載敏感泵仿真分析

在AMESim軟件設置運行參數中設置仿真時間5s，步長為0.01s。對模型進行仿真，得出負載敏感泵壓力與流量曲線如圖3所示，節流閥前后壓差曲線如圖4所示。由曲線圖可知，泵和節流閥在4s左右時上升到最大壓力處。

由圖3泵的壓力隨流量變化曲線可知，在電機轉速一定，泵剛開始運轉時，此時泵的出口流量達到最大;隨著泵出口壓力逐漸增大，泵出口流量減小直到以很小的幅度變化，此時泵出口壓力還未達到最大值;隨著時間變化泵的輸出壓力持續增大，直至第4秒時，輸出壓力升高到最大值，此時泵輸出壓力達到負載敏感閥彈簧腔設定的壓力值，負載敏感閥的彈簧腔打開，壓力引入彈簧腔，負載敏感閥左位工作，油液由泵出口，流經負載敏感閥左位后，流入伺服活塞缸，推動泵的擺角緩慢增大，負載敏感泵輸出壓力達到恒壓狀態。

圖4為節流閥前后兩端壓力差曲線，設定節流閥的開口為6mm。隨著泵的輸出壓力逐漸增大，節流閥兩端的壓力逐漸增大，第4秒時達到最大值。由圖4可知，節流閥兩端壓力無論怎樣變化，兩端壓力差始終保持一個恒定值。

上述仿真分析表明，此負載敏感泵，運行不久會達到恒壓狀態，不會因為壓力過高而導致系統發熱，可以很大程度提高系統的效率，達到汽車拆解機節能的目的。

2.2 大臂和夾具系統仿真分析

根據建立好的仿真模型，取大臂油缸典型周期工況：提升→拆解→下降，對大臂油缸進行仿真分析，設置仿真時間為15s，步長為0.1s，得出大臂液壓缸位移曲線如圖5所示，大臂液壓缸兩腔壓力曲線如圖6所示。

由圖5、圖6可知：

①大臂舉升時，換向閥處于左位，無桿腔進油，大臂從靜止到運動，需要克服工作裝置自身的重量及慣性，因此大臂油缸在0～0.4s伴隨短暫壓力沖擊，大臂的提升較慢，液壓缸完全伸出需要5s，液壓缸活塞位移長度為0.63m。在0.4～4.8s經過短暫壓力沖擊后，大臂油缸壓力較為穩定。

②在4.8～5s、10～10.2s、13.3～13.5s，大臂全伸、開始下降和下降結束三個階段，都會伴有短暫的壓力沖擊，之后壓力變得較為穩定。

③大臂下降時，此時有桿腔進油，由于大臂自身的重量，進油壓力小于無桿腔壓力，在10～13.3s即可完成下降動作。為保證安全，模型中設計雙向液壓鎖，既可以保證拆解時工作裝置因自重而下降，又可以控制工作裝置的下降速度。

根據建立好的仿真模型，取夾具油缸典型周期工況：夾緊→拆解→松開，對夾具油缸進行仿真分析，設置仿真時間為15s，步長為0.1s，得出夾具液壓缸位移曲線如圖7所示，夾具液壓缸兩腔壓力曲線如圖8所示。

由圖7、圖8可知：

①夾具夾緊啟動時，換向閥處于左位，無桿腔進油，夾具從靜止到運動，會存在微弱的壓力沖擊，之后液壓缸兩腔壓力保持穩定;由于夾具夾緊廢舊汽車的力，使無桿腔壓力增大穩定在24.2MPa，直到夾具液壓缸完全伸出;液壓缸完全伸出需要4.9s，位移長度為0.42m。

②液壓剪拆解汽車初期，換向閥處于中位，無桿腔壓力迅速降低，但隨著拆解進行，廢舊汽車晃動，使液壓缸兩端壓力出現較大的壓力沖擊，有桿腔壓力增大;經過5～7s的壓力沖擊后，兩端壓力趨于穩定。

③夾具松開時，換向閥處于右位，有桿腔進油。因無桿腔需要控制夾具松開速度不能過快而產生背壓，無桿腔壓力大于有桿腔壓力。初始松開時伴隨短暫壓力沖擊，之后較為穩定，在10～13.3s即可完成松開動作。

總之，大臂與夾具仿真結果與設定參數有細微的不同，是因為在仿真模型中以及設置子模型參數時一些次要的因素被忽略，如沿程阻力、管道壓力損失等[12]，大臂和夾具液壓缸壓力仿真結果基本達到要求。

3? 結論

本文針對廢舊汽車拆解機液壓系統，分析其工作原理，利用AMESim軟件對液壓系統進行建模仿真，得出以下結論：

①使用AMESim軟件對液壓系統建模仿真，只需設定模型參數就可得出仿真結果，操作簡單容易上手。

②對于固定式汽車拆解機的液壓系統，通過仿真分析后，得出穩定的負載敏感泵壓力-流量特性及各子系統液壓缸的位移及壓力，且誤差很小。

③通過反復設定模型參數，得出比較滿意的仿真結果，對未來設計拆解機液壓系統具有很好的指導意義。

參考文獻：

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[5]日本神鋼集團.https：//www.kobelco.co.jp/chinese/.

[6]中國重型汽車集團有限公司.http：//www.cnhtc.com.cn/view/index.aspx.

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[8]盧寧，付永領，孫新學.基于AMEsim的雙壓力柱塞泵的數字建模與熱分析[J].北京航空航天大學學報，2006（09）：1055-1058，1086.

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[10]Wilfrid Marquis-Favre，Eric Bideaux，Serge Scavarda. A planar mechanical library in the AMESim simulation software. Part II： Library composition and illustrative example[J]. Simulation Modelling Practice and Theory，2005，14（2）.

[11]梁全，蘇齊瑩主編.液壓系統AMESim計算機仿真指南[M].北京：機械工業出版社，2014.

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