基于AMEsim的大慣性負載液壓系統(tǒng)的仿真

孫大宇，劉文強，丁志堅

● （1．北京京誠鳳凰工業(yè)爐工程技術(shù)有限公司，北京 102600；2．上海海岳液壓機電工程有限公司，上海 200031）

基于AMEsim的大慣性負載液壓系統(tǒng)的仿真

孫大宇1，劉文強2，丁志堅2

● （1．北京京誠鳳凰工業(yè)爐工程技術(shù)有限公司，北京 102600；2．上海海岳液壓機電工程有限公司，上海 200031）

大慣性負載液壓系統(tǒng)通常采用帶壓力補償器的比例節(jié)流調(diào)速回路，針對加熱爐步進梁液壓系統(tǒng)，用AMEsim仿真軟件來模擬系統(tǒng)的運行，基本符合現(xiàn)實的工況。

加熱爐步進梁進退液壓系統(tǒng)；壓力補償器；AMEsim仿真

0 引言

大慣性液壓系統(tǒng)的特點是負載質(zhì)量大，質(zhì)量大容易造成系統(tǒng)運行不平穩(wěn)、定位難度大等問題，因此在液壓系統(tǒng)設(shè)計時需要足夠的設(shè)計經(jīng)驗來完成設(shè)計，對于經(jīng)驗尚缺的設(shè)計人員，在液壓系統(tǒng)設(shè)計和分析中，應(yīng)用仿真軟件來對系統(tǒng)進行動態(tài)分析和判斷是很有必要的，可以以此來彌補經(jīng)驗上的欠缺。

AMEsim作為一種圖形化建模軟件，為用戶提供了圖形作為建模的接口，能更直觀的反應(yīng)出系統(tǒng)運行的效果。其在參數(shù)調(diào)整方面也比較方便，便于用戶對系統(tǒng)的動態(tài)特性進行分析。

本文以加熱爐步進梁進退液壓系統(tǒng)為例，運用AMEsim仿真軟件對其進行仿真，可以直觀的觀察液壓系統(tǒng)的“速度-時間”曲線和“位移-時間”曲線，通過改變設(shè)定的參數(shù)可以為液壓系統(tǒng)設(shè)計和參數(shù)優(yōu)化提供一條有效途徑。

1 系統(tǒng)原理

加熱爐步進梁分為進退和升降兩個工況，這里以進退液壓系統(tǒng)作為仿真對象。某鋼廠的加熱爐步進梁進退液壓系統(tǒng)的負載為205t，水平框架自重為37t，步進時間為4s。圖 1為步進液壓系統(tǒng)原理圖，此回路為比例節(jié)流調(diào)速回路。比例節(jié)流調(diào)速回路在液壓系統(tǒng)中應(yīng)用比較廣泛，其動、靜態(tài)特性受元件的設(shè)定參數(shù)等多種因素的影響。當參數(shù)調(diào)整不合理時，調(diào)速回路的作用無法發(fā)揮，甚至?xí)绊懙秸麄€液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，在液壓回路設(shè)計和分析中，設(shè)計人員有必要運用計算機仿真的方法對比例節(jié)流調(diào)速回路的動態(tài)特性進行分析和判斷。

圖1 步進液壓系統(tǒng)原理圖

壓力補償器對比例方向閥前后的壓力差起補償作用。當供油壓力或負載壓力發(fā)生變化時，比例方向閥前后的壓力差保持穩(wěn)定，因為流速的調(diào)節(jié)不受壓力變化的干擾。

液控單向閥主要是在設(shè)備停止供壓力油時，封閉油缸的兩腔，使油缸保持位置。普通單向閥起補油的作用。溢流閥起安全保護作用。

2 建模與仿真分析

根據(jù)液壓系統(tǒng)原理圖，采用AMEsim標準液壓元件庫中的元件來建模。在系統(tǒng)模型中，用E型機能的比例換向閥來代替J型機能的比例換向閥，從而省略了液控單向閥，且省略了補油單向閥；用一個溢流閥代替兩個溢流閥，在不影響系統(tǒng)原理的原則下使仿真模型變的簡單，同時也方便模型參數(shù)的設(shè)定；通過線性信號源和位移傳感器信號的函數(shù)運算，來控制比例換向閥的開口大小，從而達到調(diào)節(jié)負載步進速度的作用；負載采用的是一個有位移限制的質(zhì)量塊來模擬的；壓力補償器是用液壓元件庫中的梭閥和減壓閥搭建而成的，能保證比例換向閥前后壓力差的穩(wěn)定。

圖2 步進梁進退液壓系統(tǒng)AMEsim模型

AMEsim模型如圖2所示，主要參數(shù)如下：油缸活塞直徑160mm，活塞桿直徑110mm，油缸有效行程260mm，重載時質(zhì)量塊質(zhì)量242t，空載時質(zhì)量塊質(zhì)量37t，摩擦系數(shù)0.05，系統(tǒng)壓力設(shè)定為15MPa。

2.1 重載時的運行情況

在AMEsim仿真平臺上運行圖2所示的仿真模型，得到如下結(jié)果：圖3為負載“速度-時間”曲線；圖4為負載“位移-時間”曲線。

通過“速度-時間”曲線和“位移-時間”曲線可以直觀的看出負載時的運行情況。從曲線來分析：步進梁前進過程可以分為加速，勻速，減速，勻速，停止這5個階段。在低速運行時停止，需要保證定位的可靠性。

圖3 負載“速度-時間”曲線

2.2 空載時的運行情況

在AMEsim仿真平臺上運行圖3所示的仿真模型，得到如下結(jié)果：圖5為空載“速度-時間”曲線；圖6為空載“位移-時間”曲線。

圖5 空載“速度-時間”曲線

圖6 空載“位移-時間”曲線

比較負載和空載時“速度-時間”曲線和“位移-時間”曲線，可以明顯的看出在空載時速度波動較小。在停止過程中，由于空載時慣性比重載時小，所以曲線比較平滑，說明空載時定位的精度比重載時好。通過減速運行然后再停止，基本上能保證位移偏差在1mm范圍內(nèi)，慣性越大，偏差也越大。

3 結(jié)論

通過與現(xiàn)場技術(shù)人員的交流和實驗數(shù)據(jù)的對比，確認了此次仿真數(shù)據(jù)與現(xiàn)實情況基本相符。因而運用AMEsim仿真，方便設(shè)計人員改善系統(tǒng)，大大的降低系統(tǒng)的出錯率，有效地提高效率，并且能夠較好地反映出液壓系統(tǒng)的動態(tài)性能，對系統(tǒng)的設(shè)計和改進具有較大的實際意義。

[1]付永領(lǐng).LMS lmagine.Lab AMEsim系統(tǒng)建模和仿真[M].北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2011.

[2]雷天覺.新編液壓工程手冊[M].北京: 北京理工大學(xué)出版社, 1999.

[3]郭曉松.工程機械的節(jié)流調(diào)速液壓回路仿真分析[J].機床與液壓, 2009, 37(6): 206-208.

荷蘭Hydrosta開發(fā)緊湊型電力推進系統(tǒng)

荷蘭Hydrosta公司開發(fā)出一種新型電力推進系統(tǒng)，由于采用了高壓運轉(zhuǎn)模式，因此設(shè)備的體積較小，被稱為是同類產(chǎn)品中最為緊湊的推進系統(tǒng)。

Hydrosta公司生產(chǎn)多種船用設(shè)備，包括側(cè)推進器和螺旋槳，其中最為著名的當屬PM推進器。由于這種全向推進器的液壓馬達安裝在推進器的豎軸上，因此可以實現(xiàn)180°的旋轉(zhuǎn)，從而提高了機動性和推力。阿姆斯特丹的許多游船都采用PM推進器?？紤]到這些游船為了減少排放今后將采用電力推進器，Hydrosta公司為此開發(fā)出了這款新產(chǎn)品。

由于常規(guī)的100kW電動馬達既大又重，該公司曾試圖為電力推進器開發(fā)出體積與液壓馬達相當?shù)木o湊型電動馬達，但最后不得不從德國AMK公司進口。由于這種馬達可以在高壓下運轉(zhuǎn)，從而使體積更小的設(shè)計成為了可能。下一步將是開發(fā)控制系統(tǒng)以及410V交流馬達的電池系統(tǒng)。更高電壓的交流馬達將采用永磁技術(shù)，航速控制將通過變頻而不是變壓，馬達也將會變得更小和更輕。

由于電池只能在直流電下工作，因此需要開發(fā)出輸入電壓750V的充電系統(tǒng)，以接收發(fā)電機的電力。電池組由60塊12V電池組成，可以為游船全天運行提供足夠的電力。充電將在夜晚進行，此時游船已經(jīng)停運。通過幾臺逆變器可將750V直流電轉(zhuǎn)換為400V交流電。

電池組還可用于驅(qū)動艏側(cè)推進器，以及滿足船上的用電需要。該公司經(jīng)理Leo Stam說：“由于系統(tǒng)采用高電壓，我們必須對接線和接頭格外小心。所有的外接線路均有護套和地線的保護，整個系統(tǒng)也采取了防水措施?！?/p>

為了配合電動推進系統(tǒng)的使用，Hydrosta還開發(fā)出相應(yīng)的控制系統(tǒng)。操縱桿控制系統(tǒng)實現(xiàn)了與自動駕駛儀和電子導(dǎo)航系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)。雖然這一電動推進裝置可以在很大程度上實現(xiàn)無人駕駛，但阿姆斯特丹的25艘游船需要首先有岸基充電設(shè)施的支持，才能實現(xiàn)電動運營。

Simulation of High Inertia Loads Hydraulic System Based on AMEsim

SUN Da-yu1, LIU Wen-qiang2, DING Zhi-jian2
(1.CERI Phoenix Industrial Furnace Co., Ltd., Beijing 102600, China；2.Shanghai Hydronew Electro-Hydraulic Engineering Co.,Ltd., Shanghai 200031, China)

High inertia loads hydraulic system usually uses throttle speed control circuit with pressure compensator.Simulation software called AMEsim is used to simulate the operation of the hydraulic system in reheating furnace walking beam, which almost accords with the realistic working conditions.

hydraulic system of heating furnace walking beam; pressure compensator; AMEsim simulation

TH137

A

孫大宇（1970-），男，高級工程師。主要從事工業(yè)爐專業(yè)設(shè)計和研究工作。