基于AMESim軟件的取料機料耙液壓系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

王杰

(唐山學(xué)院機電工程系，河北唐山 063000)

堆取料機是水泥行業(yè)在水泥生產(chǎn)的原始材料堆送過程中用于堆料和取料的主要設(shè)備，是目前國內(nèi)水泥生產(chǎn)線上的關(guān)鍵設(shè)備，其運行狀況會直接影響水泥生產(chǎn)線的生產(chǎn)。

課題研究的對象是某公司的取料機料耙液壓系統(tǒng)。該料耙液壓系統(tǒng)主要由雙聯(lián)葉片泵、比例換向閥、電磁溢流閥及液壓缸組成，該液壓系統(tǒng)利用液壓缸的往復(fù)運動來實現(xiàn)取料機的取料動作。由于系統(tǒng)采用比例換向閥，設(shè)備造價及維護成本較高，因此利用AMESim軟件對其液壓系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，降低設(shè)備相關(guān)成本。

1 原料耙液壓系統(tǒng)仿真

1.1 系統(tǒng)仿真模型的建立

原液壓系統(tǒng)原理圖如圖1所示，在AMESim軟件中進行料耙液壓系統(tǒng)仿真模型的搭建如圖2所示。

圖1 料耙液壓系統(tǒng)原理圖

圖2 取料機料耙液壓系統(tǒng)仿真模型

1.2 仿真模型的參數(shù)設(shè)置

該液壓系統(tǒng)中主要設(shè)置的參數(shù)包括:泵、電機、溢流閥、比例換向閥、液壓缸、單向閥以及高壓膠管和管路的參數(shù)。

(1)電機、泵等參數(shù)的設(shè)置

電動機轉(zhuǎn)速1 480 r/min，液壓泵最大排量100 mL/r，液壓泵轉(zhuǎn)速1 480 r/min，液壓缸徑160 mm，液壓缸桿徑110 mm，快進時通過管路的流量241.3 L/min，快退時通過管路的流量127.2 L/min，運動黏度ν=1.5 cm2/s，液壓油密度ρ=920 kg/m3。

(2)比例換向閥參數(shù)的設(shè)置

因為AEMSim軟件中的通用標準元件庫里的元件結(jié)構(gòu)相對比較簡單，為了更加接近真實的仿真結(jié)果，在此利用HCD庫里的部件搭建出比例換向閥的模型，如圖3所示。比例換向閥控制信號如圖4所示。

圖3 比例換向閥仿真模型

換向閥的型號為D81FHB32F4NS00，最大壓力35 MPa，每控制邊壓降為0.5 MPa時通過最大流量為310 L/min，為了換向平穩(wěn)，比例換向閥采用梯形信號，為了越過比例閥的死區(qū)，設(shè)置得電信號起點為15 mA。

圖4 比例換向閥控制信號

(3)電磁溢流閥參數(shù)的設(shè)置

系統(tǒng)壓力12 MPa，選用的電磁溢流閥為RS25M35S4SN1JW，其公稱流量為350 L/min，最高壓力35 MPa，電磁鐵需要電壓24 V，電流1.25 A，響應(yīng)時間得電32 ms/失電40 ms，電磁溢流閥用一個普通溢流閥并聯(lián)一個二位二通電磁換向閥。

(4)單向閥參數(shù)的設(shè)置

單向閥S25A1.0/2的開啟壓力0.05 MPa，通過最大流量為400 L/min;單向閥RVP20-10的開啟壓力0.05 MPa，通過最大流量為230 L/min。

(5)液壓缸和負載參數(shù)的設(shè)置

液壓缸選尺寸為φ160/φ110-4200，運動部件重力900 kN，靜摩擦阻力Fuj為180 kN，動摩擦阻力Fud為90 kN。

(6)其他元件參數(shù)的設(shè)置

系統(tǒng)高壓膠管內(nèi)徑d1=38 mm，無縫鋼管內(nèi)徑d2=32 mm，回油過濾器堵塞開啟壓力為0.3 MPa。

2.3 動態(tài)特性的分析

根據(jù)運動速度和行程，取仿真時間為100 s，步長為0.1 s。仿真結(jié)果如圖5—8所示。

圖5 負載位移變化曲線(采用比例換向閥)

圖6 負載速度變化曲線(采用比例換向閥)

圖7 缸受力變化曲線(采用比例換向閥)

圖8 有桿腔與無桿腔壓力曲線比較 (采用比例換向閥)

分析缸的受力和壓力仿真曲線可知液壓缸在啟動之初和換向時存在很小的波動;觀察負載的位移和速度變化曲線可知在換向過程中速度和位移比較平穩(wěn)，料耙運動時受到的沖擊很小，系統(tǒng)能夠正常運行;觀察負載的位移和速度，即料耙的位移和速度曲線可知，該系統(tǒng)完全能滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求，而且具有較好的系統(tǒng)性能。

2 取料機料耙液壓系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

由于該系統(tǒng)采用比例換向閥，系統(tǒng)的造價及維護成本較高，應(yīng)企業(yè)要求對該液壓系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計以期將系統(tǒng)的成本降低。首先利用電液換向閥替代比例換向閥進行系統(tǒng)優(yōu)化。

2.1 利用電液換向閥替代比例換向閥

2.1.1 系統(tǒng)仿真模型的建立

根據(jù)電液換向閥的壓降性能曲線 (見圖9)，利用HCD庫部件搭建的電液換向閥如圖10所示。

圖9 電液換向閥的壓降性能曲線

圖10 電液換向閥模型

搭建取料機料耙液壓系統(tǒng)的AMESim仿真模型如圖11所示。

圖11 取料機料耙液壓系統(tǒng)仿真模型

2.1.2 模型的參數(shù)設(shè)置

對上述料耙液壓系統(tǒng)模型進行參數(shù)設(shè)置。

(1)電液換向閥參數(shù)的設(shè)置

電液換向閥的型號為D81DW1C4NJW，最大壓力為35 MPa，通過最大流量為300 L/min。

(2)單向節(jié)流閥參數(shù)的設(shè)置

選用FM6DDKV疊加式雙單向節(jié)流閥，最大壓力為35 MPa，通過最大流量為250 L/min。

2.1.3 動態(tài)特性的分析

根據(jù)運動速度和行程，取仿真時間為100 s，步長為0.1 s。仿真結(jié)果如圖12—15所示。

圖12 負載位移變化曲線(采用電液換向閥)

圖13 負載速度變化曲線(采用電液換向閥)

圖14 缸受力變化曲線(采用電液換向閥)

圖15 有桿腔與無桿腔壓力曲線比較 (采用電液換向閥)

分析缸的受力和壓力仿真曲線可知液壓缸在啟動之初和換向的時候存在比較大的波動;觀察液壓缸的位移和速度變化曲線可知設(shè)計的液壓原理圖能夠達到設(shè)計要求，但在換向過程中仍存在較小的波動，所以利用電液換向閥和單向節(jié)流閥的液壓系統(tǒng)會存在比較大的液壓沖擊，伴隨著較大的噪聲產(chǎn)生。液壓沖擊是因為突然換向引起的，所以可以通過適當延長換向時間來減小液壓沖擊，據(jù)此對現(xiàn)在搭建的模型進行優(yōu)化。

2.2 加緩沖回路的液壓系統(tǒng)

2.2.1 仿真模型的建立

將溢流閥添加在靠近液壓缸回路上，組成緩沖回路。搭建的液壓系統(tǒng)仿真模型如圖16所示。

圖16 加緩沖回路的液壓系統(tǒng)仿真模型

2.2.2 仿真模型的參數(shù)設(shè)置

對料耙液壓系統(tǒng)的模型進行參數(shù)設(shè)置，只需要再設(shè)置溢流閥的參數(shù)。選用先導(dǎo)式溢流閥R25M35K4SN。通過最大流量350 L/min，額定壓力35 MPa，初始設(shè)置溢流閥的調(diào)定壓力為11.2 MPa和12.4 MPa。

2.2.3 動態(tài)特性的分析

根據(jù)運動速度和行程，取仿真時間為100 s，步長為0.1 s。仿真結(jié)果如圖17—20所示。

圖17 負載位移變化曲線 (加緩沖回路)

圖18 負載速度變化曲線 (加緩沖回路)

圖19 缸受力變化曲線(加緩沖回路)

圖20 有桿腔與無桿腔壓力曲線比較 (加緩沖回路)

分析缸的受力和壓力仿真曲線可知液壓缸在啟動之初和換向時的波動減小;觀察液壓缸的位移和速度變化曲線可知設(shè)計的液壓原理圖能夠達到設(shè)計要求，換向時的液壓沖擊得到緩解。分析仿真結(jié)果可知:采用比例換向閥的液壓系統(tǒng)運行效果較好，具有較好的性能;而采用電液換向閥加緩沖閥的液壓原理也可以滿足系統(tǒng)要求，雖然存在一定的波動，但波動已經(jīng)很小了;而利用電液換向閥的設(shè)備成本及維護成本較低。

分析比較后對系統(tǒng)原理進行改進，繪制出改進后的系統(tǒng)原理圖如圖21所示。

圖21 料耙液壓系統(tǒng)原理圖

3 結(jié)論

利用AMESim軟件對取料機料耙比例液壓系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)計，將比例換向閥替換為電液換向閥加緩沖回路，優(yōu)化后系統(tǒng)動態(tài)特性符合生產(chǎn)要求，降低了設(shè)備的相關(guān)成本。目前該液壓系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于生產(chǎn)，并出口沙特、印尼、尼日利亞以及摩洛哥等國家。

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