基于AMESim的遙操作抹光機液壓系統(tǒng)設(shè)計與仿真

黃志輝，姜俊超，廖湘華

(中南大學機電工程學院，湖南長沙 410083)

基于AMESim的遙操作抹光機液壓系統(tǒng)設(shè)計與仿真

黃志輝，姜俊超，廖湘華

(中南大學機電工程學院，湖南長沙 410083)

分析了雙盤抹光機驅(qū)動機制，研究抹光機液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及其工作原理，建立了基于AMESim平臺的抹光機液壓系統(tǒng)仿真模型。仿真結(jié)果表明，液壓系統(tǒng)能完成設(shè)定的仿真工況，其仿真結(jié)果對系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化具有參考意義。

抹光機;液壓建模;仿真;AMESim軟件

0 前言

隨著城市建設(shè)高速發(fā)展，地下停車場、廠區(qū)道路、大型廠房地面等大面積混凝土地面不斷增多，對混凝土面層的質(zhì)量要求越來越高。傳統(tǒng)的人工作業(yè)施工方法效率低，而且路面平整度一致性差。使用抹光機對混凝土地面進行抹光可以獲得表面更光滑，品質(zhì)一致性好的密實耐磨表面，節(jié)省了勞動力，提高了施工效率。我國在抹光機方面的研究、生產(chǎn)以及應用方面，都和國外有較大的差距，國內(nèi)產(chǎn)品已無法滿足日益龐大的市場。越來越多的施工單位迫切希望自動化的國產(chǎn)抹光機能夠快速上市，從而替代進口產(chǎn)品，減少對國外設(shè)備的依賴。液壓系統(tǒng)在抹光機上的應用使得抹光機工作更平穩(wěn)可靠，與以往的連桿式操作結(jié)構(gòu)相比，具有響應迅速、操作簡易的優(yōu)點，且便于和控制耦合做成高度自動化。液壓系統(tǒng)的傳統(tǒng)設(shè)計過程需要設(shè)計者依靠理論計算和自身積累的豐富經(jīng)驗來搭建一個動態(tài)的液壓系統(tǒng)。需要做大量的試驗對系統(tǒng)進行調(diào)試以確定相關(guān)參數(shù)。這種方法費時費力且參數(shù)的調(diào)節(jié)比較困難，效果不顯著。隨著計算機仿真技術(shù)的發(fā)展和仿真平臺的完善，使用計算機對實際系統(tǒng)的動態(tài)

特性進行數(shù)字仿真成為工程系統(tǒng)設(shè)計中的有效手段。在計算機上進行仿真實驗，調(diào)整參數(shù)即可以研究實際

物理系統(tǒng)的不同工況，從而可以確定最佳參數(shù)匹配，這樣使得液壓系統(tǒng)和液壓元件的設(shè)計缺陷在物理成型前就得到了處理，大大地縮短了設(shè)計周期、降低了設(shè)計成本。文中的研究基于AMESim仿真軟件，對遙操作抹光機液壓系統(tǒng)進行仿真和分析，為系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化和試驗參數(shù)調(diào)節(jié)提供有價值的參考依據(jù)。

1 仿真軟件簡介

AMESim(Advanced Modelling Environment for Performing Simulations of Engineering Systems)高級工程系統(tǒng)仿真環(huán)境軟件平臺是法國IMAGINE公司于1995年推出的圖形化的開發(fā)環(huán)境，專門用于工程系統(tǒng)的建模、仿真和動態(tài)性能分析。用戶在這個單一平臺上可以建立復雜的多學科領(lǐng)域的系統(tǒng)模型，并在此基礎(chǔ)上進行仿真計算和深入分析。該多學科領(lǐng)域復雜系統(tǒng)建模仿真平臺使得工程師能迅速達到建模仿真的最終目標:分析和優(yōu)化工程師的設(shè)計，從而幫助用戶降低開發(fā)的成本和縮短開發(fā)周期。AMESim為用戶提供了一個時域建模仿真環(huán)境，可使用已有模型或創(chuàng)建新的元件模型，搭建用戶所需的實際模型。面向工程交互設(shè)計的可視化仿真界面采用標準的ISO元器件圖標和簡單直觀的多端口框圖，方便建立模型并修改模型和仿真參數(shù)。

文中的研究正是基于以上AMESim軟件的優(yōu)點而采用該軟件進行仿真。

2 遙操作抹光機液壓系統(tǒng)仿真

2.1 遙操作抹光機運動的驅(qū)動機制

所研究的抹光機是雙抹頭的，有兩個葉輪組，每個葉輪組有3枚葉片。結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

圖1 遙操作抹光機結(jié)構(gòu)示意

兩個抹頭繞安裝軸OA轉(zhuǎn)動的方向相反，當兩個抹頭底面BAC均平行于地面時，抹光機整機受外力平衡而不產(chǎn)生移動。當兩個抹頭相對地面有一定傾角時 (傾角大小由液壓缸行程多少調(diào)節(jié))，由于摩擦力的大小和方向發(fā)生變化，引起抹光機整機受外力不均衡而產(chǎn)生移動。若左右葉輪箱籠殼體上施加一水平外力，箱籠殼體和葉輪轉(zhuǎn)軸OA繞點O轉(zhuǎn)動一個微小的角度，葉輪底部發(fā)生傾斜與地面間接觸不均勻，內(nèi)側(cè)所受滑動摩擦力使抹光機向前運動，雙抹頭葉片受力分析如圖2所示。其驅(qū)動屬于摩擦驅(qū)動。在抹頭轉(zhuǎn)速一定的前提下，運動速度的大小和運動方向的改變由兩個抹頭相對于地面的傾角和主軸傾角變化來協(xié)調(diào)控制。改變水平外力的方向，使葉盤向不同方向傾斜，即可實現(xiàn)抹光機的前進、后退、旋轉(zhuǎn)等運動。

圖2 葉片受力分析簡圖

2.2 遙操作抹光機液壓系統(tǒng)建模與仿真

遙操作抹光機液壓系統(tǒng)原理圖如圖3所示。動力源選用一臺汽油發(fā)動機，輸出軸通過聯(lián)軸器與三聯(lián)串泵輸入軸聯(lián)接實現(xiàn)動力傳遞。

圖3 遙操作抹光機液壓原理圖

雙抹頭的葉輪組抹刀葉片由液壓馬達8分別驅(qū)動，三聯(lián)泵7中的前泵和中泵分別直接驅(qū)動兩個液壓馬達。要求抹頭葉輪工作轉(zhuǎn)速在40～120 r/min范圍內(nèi)，為防止啟動造成過大的瞬時沖擊，設(shè)計引入了常開式電磁比例溢流閥11。當抹光機啟動時，雙泵出口壓力油經(jīng)溢流閥開口回流至液壓油箱;線圈14YA得電則將電磁比例溢流閥閥口緩慢關(guān)閉，馬達受到的驅(qū)動壓力逐漸上升直至馬達輸出扭矩能克服葉片受到的摩擦阻力而使葉輪組轉(zhuǎn)動，從而達到微沖擊啟動的目的。當需要停車時，將14YA斷電則可打開電磁比例溢流閥閥口使壓力油回流至油箱，馬達受到的驅(qū)動壓力減小直至馬達輸出扭矩不足以克服葉片阻力而使葉輪組停止轉(zhuǎn)動，然后關(guān)閉發(fā)動機即可。三聯(lián)泵7中的后泵為執(zhí)行元件液壓缸及其控制回路供油?？紤]到電磁閥的使用壽命和系統(tǒng)的使用穩(wěn)定性對油液清潔度的要求，在后泵出油口增加了一個管路過濾器15。設(shè)計單作用液壓油缸通過壓盤機構(gòu)對葉片傾角進行調(diào)節(jié)。電磁換向閥18.4的線圈1YA通電時，閥口打開，壓力油流經(jīng)節(jié)流閥21.1進入單作用液壓油缸，活塞下壓經(jīng)壓盤機構(gòu)使葉片傾角增大。斷開電磁換向閥18.4的線圈1YA，使電磁換向閥18.3的線圈2YA得電，則單作用液壓缸壓力腔的壓力油經(jīng)過節(jié)流閥21.1，電磁換向閥18.3至油箱回路接通，由于抹光機自重使得單作用液壓缸的活塞回縮，葉片傾角隨之減小。兩個抹頭的傾角要基本一致，為此需要對電磁換向閥進行必要的邏輯控制。3個雙作用液壓油缸19.1、19.2、19.3調(diào)節(jié)主軸傾角。在液壓缸進油路上引入了電磁比例減壓閥16.1、16.2、16.3，通過控制閥口壓力即可達到控制主軸傾角的目標。

對圖3進行必要的合理簡化后，啟動AMESim軟件，進入草圖模式，從元件庫中分別選取恰當?shù)脑罱ㄒ簤合到y(tǒng)模型。模型搭建過程中盡量選取已有的集成好的模型，當沒有對應的恰當模型時選用合適模型進行組配以達到使用性能。對于特殊的元件則需要進行獨立建模。

圖4 液壓系統(tǒng)仿真模型

表1 基本參數(shù)

仿真用到的主要參數(shù)如表1。

整機質(zhì)量根據(jù)市場調(diào)研和設(shè)計要求設(shè)定，阻力矩極值是在葉片極限傾角和主軸極限傾角下測算得出的結(jié)果。

因結(jié)構(gòu)需要將單作用液壓缸設(shè)計為中空環(huán)式，仿真時，在模型中選用單端口單桿液壓缸進行代替?？刂茊巫饔靡簤焊椎膬晌粌赏姶砰y最大流量20 L/min，工作電流40 mA，工作頻率50 Hz。主要參數(shù)如表2。

表2 單作用液壓缸參數(shù)

為了保證仿真結(jié)果的可靠性，該模型中液壓缸承受的載荷采用液壓缸承受的最大載荷。電磁比例減壓閥控制進入雙作用液壓缸的油液壓力，其壓力 (0～5 MPa)大小與工作電流 (0～1.8 A)成比例輸出。三位四通電磁換向閥控制雙作用液壓缸的輸出力的方向，最大流量25 L/min，工作電流40 mA，工作頻率50 Hz。主要參數(shù)如表3。

表3 雙作用液壓缸參數(shù)

為了最大限度地使系統(tǒng)仿真結(jié)果符合實際工作情況，考慮了油路的壓力損失，包括沿程壓力損失和局部壓力損失。管路參數(shù)依據(jù)管路設(shè)計長度、管徑、粗糙度等在模型中設(shè)定參數(shù)。因數(shù)據(jù)繁多，文中不再贅述。

2.3 仿真結(jié)果與分析

仿真系統(tǒng)要求整機啟動時間為2 s，估算液壓缸行程時間為3 s，設(shè)置仿真時間為30 s，時間步長為0.1 s。需要在施工前根據(jù)混凝土面狀況調(diào)整好葉片傾角，在施工過程中一般不調(diào)整葉片傾角，但是要在施工過程中隨時調(diào)整主軸傾角以調(diào)整整機的行進方向和行駛速度。仿真結(jié)果如下:考慮混凝土表面對葉片的阻力是變化，將地面對葉片的阻力矩設(shè)定在計算值附近±10%隨機波動。圖5所示為變阻力矩時的馬達輸出力矩。圖6為馬達流量波動。圖7為泵出口壓力波動，圖8為泵輸入扭矩波動。

圖5 變阻力時馬達輸出力矩

圖6 變阻力時馬達流量

圖7 泵出口壓力

圖8 泵輸入扭矩

仿真中如果采用恒阻力矩，則得到光滑的曲線。此處各參數(shù)的波動隨變輸入阻力矩的波動而波動，如果澆注混凝土不均勻?qū)е伦枇赜休^大的波動。阻力矩的波動引起馬達輸出力矩，流量等參數(shù)波動。液壓系統(tǒng)中前泵和中泵分別控制兩個液壓馬達，當葉輪組受到不同的阻力矩時，一組泵－馬達系統(tǒng)受另一組的影響很小。此液壓系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行。

葉片傾角調(diào)整過程中，單作用液壓缸參數(shù)的變化。此處仿真模擬單作用液壓缸一個往復行程，葉片傾角隨著活塞位移增大逐漸增大，當達到最大位移時葉片傾角最大。在任意位移處均可實現(xiàn)位置保持以保持特定的葉片傾角。圖9—11分別為單作用液壓缸的流量、活塞位移和壓力變化圖。

圖9 流量變化

圖10 活塞位移變化

圖11 壓力變化

雙作用液壓缸控制主軸傾角的調(diào)整。由于整機結(jié)構(gòu)緊湊，活塞桿的行程較小。速度和行進方向的調(diào)整要求響應要快，為此活塞桿的速度相對要大一些。液壓缸及其控制閥路由后泵供油，液壓缸在換向時對后泵出口壓力造成了一定波動。在選用液壓元器件時應當注意波動的影響。圖12—15分別為雙作用液壓缸的壓力變化、流量波動、活塞桿速度和后泵輸出口壓力變化圖。

圖12 雙作用液壓缸壓力變化

圖13 雙作用液壓 缸流量波動

圖14 雙作用液壓缸 活塞桿速度

圖15 后泵輸出口壓力

3 結(jié)論

分析了遙操作抹光機驅(qū)動機制為不平衡的摩擦力驅(qū)動，在此基礎(chǔ)上對設(shè)計目標的結(jié)構(gòu)進行合理優(yōu)化。研究了遙操作抹光機液壓系統(tǒng)構(gòu)成和工作原理，建立了基于AMESim的遙操作抹光機液壓系統(tǒng)模型。通過仿真得到了抹光機啟動停止和轉(zhuǎn)向變速時系統(tǒng)中各元件的壓力和流量變化。結(jié)果顯示遙操作抹光機液壓系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，證明了系統(tǒng)設(shè)計的可行性，為優(yōu)化設(shè)計參數(shù)選取和樣機試驗提供參考。

［1］王良文，張建堂，王景秋，等.葉片式抹光機的研制開發(fā)與應用［J］.建筑機械，2002(9):31－32.

［2］張建堂.水泥混凝土地面抹光機的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.建設(shè)機械技術(shù)與管理，2002(9):30 －31.

［3］秦家升，游善蘭.AMESim軟件的特征及其應用［J］.工程機械，2004(12):6－8.

［4］SHIN Dong Hun，KIM Ho Joong.Twin Brush Floor Polishing Robot［J］.Journal of Intelligent and Robotic Systems，2000，29(3):295 －308.

［5］ALLEN J D.Riding Trowel for Concrete Finishing:U.S，5238323［P］.1993 －08 －24.

［6］ Nordic Construction Equipment AB.The specification of Tremix Double ride-on trowel PRO RIDER［Z］.Sweden:2009.

［7］SHIN Dong Hun，KIM Ho Joong，LEE Ho Gil，KIM Hong Seok.Omni-directional Self-propulsive Trowelling Robot［J］.Process of IEEE International Conference on Robotics＆Automation，1998(4):2689 －2696.

［8］付永領(lǐng)，齊海濤.LMS Imagine.Lab AMESim 系統(tǒng)建模和仿真參考手冊［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2011.

［9］余佑官，龔國芳，胡國良.AMESim仿真技術(shù)及其在液壓系統(tǒng)中的應用［J］.液壓氣動與密封，2005(3):28－31.

［10］楊樂，童明波.基于AMESim后登機門液壓系統(tǒng)設(shè)計與仿真［J］.液壓與氣動，2014(3):17－20.

Design and Simulation of Hydraulic System for Teleoperation Troweling Machine Based on AMESim

HUANG Zhihui，JIANG Junchao，LIAO Xianghua
(College of Mechanical and Electrical Engineering，Central South University，Changsha Hunan 410083，China)

The drivemechanism of double plate trowelingmachinewas analyzed.The structural componentand operation principle about the trowelingmachine hydraulic system were studied.Simulation model of troweling machine hydraulic system was established based on AMESim platform.The simulation results show that the hydraulic system canmeet the setting of simulation working condition，which has a valuable reference to the system design and optimization.

Trowelingmachine;Hydraulic modeling;Simulation;AMESim software

TH137

A

1001－3881(2015)21－179－4

10.3969/j.issn.1001 －3881.2015.21.044

2014－09－12

黃志輝 (1952—)，男，碩士，教授，從事機械自動化技術(shù)、精密測試與控制及工程機械裝備研究。E－mail:JJChao1120@.com。