基于AMESim的料耙液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

郭宏，陳亮，李遠(yuǎn)慧，傅連東

(武漢鋼鐵集團(tuán)公司，湖北武漢 430083)

0 前言

料耙機(jī)構(gòu)是鋼廠礦料混勻的重要部件之一，其主要作用是通過(guò)料耙小車沿著鋼軌來(lái)回平移拖動(dòng)料耙，使料耙不斷地切取各礦料層，同時(shí)將部分礦料卸到滾筒和皮帶機(jī)上并送往燒結(jié)廠加工。針對(duì)此設(shè)備工況，本文作者采用“恒壓變量泵+比例換向閥+雙出口壓力補(bǔ)償器”液壓系統(tǒng)，經(jīng)仿真和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試表明，該液壓系統(tǒng)能很好的滿足設(shè)備運(yùn)行要求。

1 料耙機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1．1 設(shè)備工況分析

(1)系統(tǒng)沖擊振動(dòng)大料耙小車工作時(shí)往復(fù)平均速度達(dá)到0．425 m/s，且在滿載工況下負(fù)載為150 kN，設(shè)備負(fù)載慣性很大。改造成液壓系統(tǒng)，容易出現(xiàn)活塞桿撞擊液壓缸端蓋的現(xiàn)象，及液壓閥門關(guān)閉、啟停和換向時(shí)產(chǎn)生液壓沖擊，損壞液壓元件和管道。所以在滿足工作需要的情況下，應(yīng)盡量減小設(shè)備在工作中所帶來(lái)的沖擊。

(2)負(fù)載隨工況變化取料現(xiàn)場(chǎng)是露天作業(yè)，如遇上冰凍雨雪天氣，礦物原料的阻力將變大，可能會(huì)出現(xiàn)料耙耙不動(dòng)礦料的情況［1］。因此設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)需采用過(guò)載保護(hù)，同時(shí)所選元件應(yīng)留有一定的余量，以滿足不同工況條件。

1．2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)及控制原理

采用“恒壓變量泵+比例換向閥+雙出口壓力補(bǔ)償器”的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該方案的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下:由雙出口壓力補(bǔ)償器保持比例方向閥閥口壓差恒定的同時(shí)，采用梯形信號(hào)控制比例閥的開口度，確保料耙在運(yùn)動(dòng)和換向時(shí)沖擊較小，速度能夠平緩過(guò)渡。液壓缸選用雙向緩沖缸，以減小對(duì)端蓋的沖擊。采用壓力控制型柱塞變量泵以滿足在不同工況下料耙往返速度的恒定，通過(guò)調(diào)節(jié)恒壓變量泵的流量和系統(tǒng)壓力來(lái)提高輸出功率，調(diào)節(jié)溢流閥的壓力實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)過(guò)載保護(hù)。

該系統(tǒng)主要控制原理:當(dāng)雙出口壓力補(bǔ)償器保持比例閥進(jìn)油口和回油口的壓差不變時(shí)，通過(guò)比例方向閥的流量只與比例閥的開口度有關(guān)，而比例閥的開口面積是由給定電流信號(hào)決定的［2］。為了減少系統(tǒng)換向沖擊，將給定信號(hào)設(shè)置成梯形信號(hào)曲線，使油缸換向時(shí)，通過(guò)閥口的流量減少，換向完成后，通過(guò)閥口的流量迅速增加。

2 液壓系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真分析

在AMESim軟件中對(duì)擬定的液壓系統(tǒng)原理圖進(jìn)行模型搭建［3］，負(fù)載為料耙耙料時(shí)的阻力。工況設(shè)置如下:電機(jī)功率為90 kW;變量泵工作壓力為16 MPa，工作流量為290 L/min;液壓缸尺寸為φ200 mm×φ160 mm×1 700 mm;溢流閥調(diào)定壓力為18 MPa;比例閥控制信號(hào)設(shè)置如下:(0～1 s)遞增——(1～3 s)恒值——(3～4 s)遞減的梯形信號(hào)。設(shè)定系統(tǒng)仿真時(shí)間為16 s，仿真步長(zhǎng)為0．001 s。在AMESim中建立的模型如圖1所示。

圖1 液壓系統(tǒng)的AMESim仿真模型

2．1 滿載

將耙料阻力負(fù)載設(shè)置為150 kN，即滿載工況下。系統(tǒng)兩腔壓差仿真曲線、料耙速度和加速度仿真曲線如圖2、圖3和圖4所示。

圖2 滿載時(shí)系統(tǒng)兩腔壓差

圖3 滿載時(shí)系統(tǒng)料耙速度

圖4 滿載時(shí)系統(tǒng)料耙加速度

從圖2可以看出兩腔壓差波動(dòng)較小，僅僅只是在換向的瞬間產(chǎn)生較小的沖擊。圖3可以看出速度能夠在換向時(shí)由最大速度減小到0．37 m/s，然后再平滑的減小。由圖4可知，系統(tǒng)在換向時(shí)的最大加速度約為9．7 m/s2，即慣性力不大，系統(tǒng)只需要很小的合力就可以平緩地實(shí)現(xiàn)料耙換向。

2．2 不同負(fù)載

在實(shí)際工況中，料耙耙齒插入料堆的深度不一，導(dǎo)致實(shí)際負(fù)載不同。比較負(fù)載為50、100、150 kN時(shí)液壓缸兩腔的壓差，仿真結(jié)果如圖5、圖6和圖7所示。

由圖5、圖6和圖7可知，不管負(fù)載多大，在換向的瞬間都存在液壓沖擊。但是負(fù)載力為50 kN和100 kN時(shí)，兩腔壓差都表現(xiàn)出一定的波動(dòng)，且這種波動(dòng)隨著給定比例信號(hào)回到中間值而變平緩，而負(fù)載力為150 kN時(shí)波動(dòng)則相對(duì)穩(wěn)定些。此外，負(fù)載力為50 kN和100 kN時(shí)，換向瞬間兩腔壓差也表現(xiàn)出了很大的沖擊，而150 kN時(shí)則小得多，沒(méi)有出現(xiàn)急降的狀況。

圖5 負(fù)載為50 kN時(shí)系統(tǒng)兩腔的壓差仿真曲線圖

圖6 負(fù)載為100 kN時(shí)系統(tǒng)兩腔的壓差仿真曲線圖

圖7 負(fù)載為150 kN時(shí)系統(tǒng)兩腔的壓差仿真曲線圖

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是在系統(tǒng)調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)所得，數(shù)據(jù)采集卡為NI USB-6009，所測(cè)數(shù)據(jù)為系統(tǒng)在滿載工況下的液壓缸兩腔壓力曲線圖，如圖8所示。現(xiàn)將實(shí)測(cè)曲線與仿真曲線圖5作對(duì)比分析。

圖8 系統(tǒng)兩腔壓差實(shí)測(cè)曲線

由實(shí)測(cè)曲線圖可知系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)周期大約為8 s左右，符合取料機(jī)實(shí)際混勻工藝要求。與仿真曲線相比，實(shí)測(cè)曲線的波動(dòng)要大很多，且實(shí)測(cè)曲線半周期內(nèi)開始時(shí)的兩腔壓差與結(jié)束時(shí)的兩腔壓差不一樣。這主要是由于實(shí)際負(fù)載存在變化及給定信號(hào)的差異導(dǎo)致的，并不影響料耙的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，僅對(duì)液壓缸產(chǎn)生了沖擊，兩圖趨勢(shì)基本是一致。

4 結(jié)論

(1)采用“恒壓變量泵+比例換向閥+雙出口壓力補(bǔ)償器”的液壓系統(tǒng)，不僅滿足工況要求，且液壓沖擊振動(dòng)小，設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，同時(shí)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)和采用的元件合理可行。對(duì)于不同負(fù)載下的系統(tǒng)工況，重載下的系統(tǒng)沖擊反而要比輕載下的好。

(2)在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中可以稍稍減小結(jié)束階段的信號(hào)值，降低系統(tǒng)流量的同時(shí)也可以減緩系統(tǒng)沖擊。

［1］李遠(yuǎn)慧，陳新元，鄧江洪．料耙驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)改造的分析研究［J］．液壓與氣動(dòng)，2012(11):131-132．

［2］朱仁學(xué)，袁陽(yáng)．步進(jìn)式加熱爐電液比例控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．機(jī)床與液壓，2009，37(4):77-79．

［3］付永領(lǐng)，齊海濤．LMSImagine［J］．Lab AMESim系統(tǒng)建模和仿真實(shí)例教程［M］．北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2011，130．