管柱移運機械臂液壓系統(tǒng)仿真

王 妍，常玉連，王 晶，張瑞杰，雷 娜

（東北石油大學(xué) 機械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318）

管柱移運機械臂是新型不壓井作業(yè)裝置系統(tǒng)中的一部分，其作用是將水平管柱起升至垂直位置或其逆過程.兩個驅(qū)動液壓缸對稱位于大臂兩側(cè)，液壓缸缸體與大臂底座鉸接，液壓缸活塞桿與大臂連接鉸耳相鉸接，驅(qū)動液壓缸即可將大臂由水平位置起升到豎直位置.機械臂末端安裝有兩個機械手，用來保證起升管柱時機械手能夠順利抓取水平管柱及將其運送到管排架.機械臂的結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 機械臂結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of mechanical arm

AMESim是法國IMAGINE公司于1995年推出的一種基于鍵合圖的高級系統(tǒng)建模、仿真及動態(tài)性能分析軟件［1］.本文應(yīng)用AMESim對大臂起升系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)特性分析及參數(shù)優(yōu)化，了解各參數(shù)變量（如壓力、速度、位移等）隨時間變化的規(guī)律，以確?，F(xiàn)場試驗過程中系統(tǒng)及液壓元件的安全性和穩(wěn)定性，并縮短調(diào)試周期［2－4］.

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型與分析

在AMESim的PLM模塊中建立不壓井作業(yè)裝置大臂起升機構(gòu)的機械模型，在AME－Animation模塊中的大臂起升機構(gòu)如圖2所示.

圖2 模塊中的大臂起升系統(tǒng)Fig.2 Lifting system of mechanical arm in the module

液壓缸啟動時，大臂處于水平狀態(tài)，液壓缸所受的負(fù)載最大，由于啟動時的壓力突變，會出現(xiàn)液壓沖擊現(xiàn)象.隨著大臂旋轉(zhuǎn)角度的增加，液壓缸行程逐漸增加，負(fù)載逐漸減小.當(dāng)大臂旋轉(zhuǎn)至90°時，傳感器給出停止信號，系統(tǒng)停止工作.由于液壓系統(tǒng)流量的突變，系統(tǒng)將出現(xiàn)小幅度的振動，在阻尼的作用下，振動逐漸衰減.

2 大臂起升系統(tǒng)建模

2.1 大臂機械模型的建立

根據(jù)實際的大臂起升作業(yè)系統(tǒng)利用AMESim平面機構(gòu)庫構(gòu)建大臂模型，機械模型如圖3所示.根據(jù)起升系統(tǒng)的實際情況，設(shè)置模型的參數(shù)如表1所示.

表1 系統(tǒng)機械模型主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of mechanical model

表中M為機械臂質(zhì)量；Gx，Gy分別為機械臂重心的x和y坐標(biāo)；P2（3）x，P2（3）y分別為液壓 缸 支點處的x和y坐標(biāo)；d為活塞桿直徑；D為液壓缸缸筒內(nèi)徑.

圖3 大臂機構(gòu)在AMESim中的機械模型Fig.3 Mechanical model of arm in AMESim

在AMESim草圖模式中，利用液壓庫搭建油源與閥控模型，與庫中液壓缸模型連接，構(gòu)建成完整的起升系統(tǒng)［5］.為了防止大臂由于自重自行下落而造成事故或沖擊，將單向順序閥設(shè)置在承載液壓缸下行的回油路上，產(chǎn)生一定的背壓，阻止其下降或是使下降緩慢進(jìn)行，并將單向順序閥的調(diào)定壓力調(diào)整到與重物相平衡或是大于它，這種液壓回路即為平衡回路.此回路中由于大臂起升過程中負(fù)載是變化的，變負(fù)載下的平衡閥需要選擇開口面積，此面積決定了液控力，并且在負(fù)載變化較大時需要選擇外控式平衡閥，因而建立的大臂起升系統(tǒng)如圖4所示.

圖4 大臂起升系統(tǒng)仿真模型Fig.4 Simulation model of arm lifting system

3 液壓系統(tǒng)仿真分析

在AMESim中設(shè)定仿真時間和通訊間隔，運行工作循環(huán)并輸出系統(tǒng)的仿真曲線.

3.1 閥控仿真分析一

（1）三位流通換向閥的控制輸入信號如圖5所示.大臂起升和下降的總過程設(shè)置為180s，0～80s為大臂機構(gòu)的起升階段，旋轉(zhuǎn)角度由0°～90°到達(dá)起豎位置；中間停頓20s時間，100～180s為大臂機構(gòu)的下降階段，旋轉(zhuǎn)角度由90°～0°回到初始水平位置，通過閥控信號實現(xiàn)大臂起升和下降的勻速運動，速度均為0.02rad·s－1.

圖5 閥輸入信號Fig.5 Input signal of the valve

運行后得到的大臂機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角速度，如圖6所示.由控制閥的輸入信號控制換向閥的動作，由仿真曲線可以看出，大臂機構(gòu)起升和下降過程中速度均保持0.187r·min－1，并且基本保持勻速運動，符合設(shè)計要求.由圖6可以看出，大臂剛剛起升，以及下降位置時的速度波動較大.液壓缸啟動時，大臂處于水平狀態(tài)，液壓缸所受的負(fù)載最大，由于啟動時的壓力、流量突變，從而出現(xiàn)液壓沖擊現(xiàn)象，使得大臂機構(gòu)剛剛起升時的速度波動較大.隨著大臂機構(gòu)回轉(zhuǎn)角度的增大，液壓缸行程逐漸增大，負(fù)載逐漸減小，速度趨于穩(wěn)定.大臂下降過程中當(dāng)大臂趨于水平位置時，同樣由于壓力突變?yōu)榱阋约傲髁康耐蛔儯沟么蟊鬯俣瘸霈F(xiàn)較大波動.

圖6 大臂旋轉(zhuǎn)角速度曲線Fig.6 Angular velocity curve of mechanical arm

（2）大臂升降過程中液壓缸活塞桿的位移、速度曲線分別如圖7，8所示，液缸有桿腔、無桿腔的工作壓力分別如圖9，10所示.液壓缸的壓力、流量以及活塞桿的速度曲線波動較大，同上述一樣，液壓系統(tǒng)啟動時，壓力流量突變，產(chǎn)生液壓沖擊，從而引起波動.0.5～80s，兩液壓缸由桿腔進(jìn)油，推動活塞桿推出，起升大臂，起升速度的峰值為0.17m·s－1，而后基本保持勻速運動.工作壓力剛剛起升時最大，隨著大臂旋轉(zhuǎn)角度的增大，壓力逐漸減小，旋轉(zhuǎn)到豎直位置時，壓力趨近于零，最大工作壓力為7MPa.80～100s，大臂處于工作位置，停止運動.100～180s，大臂開始下降，由于大臂較重，為防止其由于重力原因，出現(xiàn)自行下落造成事故或是沖擊，因而在回油路上安放了外控式順序閥即平衡閥，使其平穩(wěn)下降，大臂的下降速度峰值也為0.17m·s－1左右，而后速度穩(wěn)定.由于回油路上設(shè)置的平衡閥使得液壓缸產(chǎn)生較大的背壓，因而壓力劇增，峰值達(dá)到8MPa左右.由活塞桿的外力－時間曲線可以看出，當(dāng)大臂處于水平狀態(tài)時所受的力是最大的，為115 577N.該壓力可以指導(dǎo)驗證液壓系統(tǒng)設(shè)計過程中參數(shù)計算是否正確.經(jīng)驗證基本與設(shè)計計算參數(shù)吻合.

圖7 活塞桿位移－時間曲線Fig.7 Displacement－time curve of the piston rod

3.2 閥控仿真分析二

（1）三位流通換向閥的控制輸入信號如圖11所示.大臂起升和下降總過程的時間設(shè)置為180s，此時僅給出閥的一個開啟閉合的信號分析仿真曲線.

（2）運行后得到的大臂的旋轉(zhuǎn)角速度，如圖12所示.可以看出，與仿真分析一得出的大臂機構(gòu)的速度曲線大不相同.仿真分析一基本實現(xiàn)大臂的勻速旋轉(zhuǎn)，而此仿真中起升和下降的過程中均是變化的，升降的過程中速度是逐漸增大的，最大值達(dá)到1.5r·min－1，約為仿真一中大臂旋轉(zhuǎn)角速度的8倍.升降時間均減小為20s，提高了大臂工作效率，但速度過快導(dǎo)致大臂升降過程的穩(wěn)定性大大降低，因而應(yīng)通過控制使大臂起升速度穩(wěn)定到某一范圍內(nèi)，從而提高整套機構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性.

圖8 活塞桿速度－時間曲線Fig.8 Speed－time curve of the piston rod

圖9 活塞桿外力－時間曲線Fig.9 Force－time curve of the piston rod

圖10 液壓缸進(jìn)油回油腔壓力－時間曲線Fig.10 Oil cavity’s pressure－time curve of the hydraulic cylinder

圖11 閥輸入信號Fig.11 Input signal of the valve

圖12 大臂旋轉(zhuǎn)角速度曲線Fig.12 Angular velocity curve of mechanical arm

（3）大臂升降過程中液壓缸所受外力曲線如圖13所示.與仿真一中的外力變化趨勢基本相同，大臂升降過程中液壓缸活塞桿的位移、速度及液缸有桿腔的工作壓力曲線分別如圖14—16所示.可以看出活塞桿速度變化較大，導(dǎo)致大臂升降速度變化，而液壓缸進(jìn)口壓力變化趨勢與仿真一基本相同.

圖13 活塞桿外力－時間曲線Fig.13 Force－time curve of the piston rod

圖14 活塞桿位移－時間曲線Fig.14 Displacement－time curve of the piston rod

圖15 活塞桿速度－時間曲線Fig.15 Speed－time curve of the piston rod

圖16 液壓缸進(jìn)油腔壓力－時間曲線Fig.16 Oil cavity’s pressure－time curve of the hydraulic cylinder

4 仿真試驗結(jié)論

（1）由仿真分析可以得出：仿真模型的搭建基本正確，仿真結(jié)果滿足設(shè)計要求.

（2）同一液壓系統(tǒng)模型，控制閥的輸入信號不同，對大臂的起升過程具有不同的作用效果.仿真一的控制信號能夠使大臂以勻角速度起升，仿真二直接給控制閥一開啟信號，同樣能夠?qū)崿F(xiàn)大臂的升降，但大臂為變速旋轉(zhuǎn)運動，且與仿真一相比速度變化較大，使得大臂運動不穩(wěn)定，因而在試驗中我們應(yīng)通過控制閥開口變化來實現(xiàn)大臂升降的勻速運動.

（3）仿真一中，大臂起升下降的過程基本實現(xiàn)勻速運動狀態(tài)，符合設(shè)計要求，系統(tǒng)啟動和停止時由于壓力流量的突變存在一定的速度波動，因而試驗研究時同樣可通過調(diào)節(jié)手動換向閥的方法逐漸減小閥的開口大小，使流量盡可能地逐漸減小.壓力波動可以從機械設(shè)計上著手，設(shè)計壓力緩沖裝置可以減小大臂升降過程中的沖擊.

（4）對于整個系統(tǒng)，最好加蓄能器以吸收液壓泵突然啟動或停止，閥突然關(guān)閉、開啟或換向時由系統(tǒng)壓力突變產(chǎn)生的沖擊，同時也能吸收液壓泵工作時的流量脈動所引起的壓力脈動，從而控制大臂速度波動.

本文利用AMESim軟件對大臂起升系統(tǒng)進(jìn)行了動態(tài)特性的仿真分析，首先對AMESim軟件的功能特點以及操作步驟作了簡要介紹，然后建立了大臂起升系統(tǒng)的仿真模型，通過得到的仿真曲線，對各個液壓系統(tǒng)的動、靜態(tài)特性進(jìn)行分析，驗證液壓系統(tǒng)建立的正確性，并提出了一些合理化建議，為改進(jìn)設(shè)計提供理論依據(jù).

［1］侯琳.多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)仿真平臺——AMESim軟件功能簡介［J］.CAD／Cim與制造業(yè)信息化，2005，10（12）：56－59.HOU Lin.Complex simulation platform in multidisciplinary field—the introduction of AMESim software［J］.Digital Manufacturing Industry，2005，10（12）：56－59.

［2］楊典作.LG660挖掘機液壓傳動系統(tǒng)研究［D］.長春：吉林大學(xué)，2009.YANG Dianzuo.Research on the hydraulic transmission system of LG660excavator［D］.Changchun：Jilin University，2009.

［3］李成功，和彥淼.液壓系統(tǒng)建模與仿真分析［M］.北京：航空工業(yè)出版社，2008.LI Chenggong，HE Yanmiao.Modeling and simulation of the hydraulic system［M］.Beijing：Aviation Industry Press，2008.

［4］LI Chenggong，JIAO Zongxia.Thermal－h(huán)ydraulic modeling and simulation of piston pump［J］.Chinese Journal of Aeronautics，2006，19（4）：354－358.

［5］謝建，羅治軍，田桂，等.基于AMESim的導(dǎo)彈起豎系統(tǒng)建模與仿真［J］.流體傳動與控制，2009，9（5）：13－15.XIE Jian，LUO Zhijun，TIAN Gui，et al.Modeling and simulation of missile erecting system based on AMESim［J］.Fluid Power Transmission ＆ Control，2009，9（5）：13－15.