基于AMESim的高空作業(yè)車支腿液壓系統(tǒng)仿真分析

王志紅，盧夢成，尹冬冬，秦可

（武漢理工大學現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室，汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430000）

前言

高空作業(yè)車是運送工作人員和使用器材到現(xiàn)場并進行空中作業(yè)的專用車輛[1]。隨著我國城市化進程的加快，在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)時需要大量的高空作業(yè)設(shè)備，因此高空作業(yè)車具有廣闊的市場前景。論文針對新開發(fā)的一款25米高空作業(yè)車，主要介紹其支腿液壓系統(tǒng)，其特點是支腿液壓系統(tǒng)中，水平及垂直支腿均能獨立控制，能夠適應(yīng)不同的作業(yè)環(huán)境。利用AMESim軟件對支腿液壓系統(tǒng)進行仿真分析，能夠模擬支腿系統(tǒng)在不同作業(yè)環(huán)境下的調(diào)平過程，驗證了所設(shè)計的支腿液壓系統(tǒng)的合理性，并研究了不同泵轉(zhuǎn)速對支腿液壓系統(tǒng)伸縮效率的影響，同時為其他車型的支腿液壓系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。

1 支腿液壓系統(tǒng)原理

現(xiàn)在工程機械多采用的是H型液壓支腿，該支腿的特點是對地形的適應(yīng)性強，調(diào)平容易，且在反力變化時基本沒有爬行等現(xiàn)象，因此應(yīng)用十分廣泛[1]。

高空作業(yè)車支腿液壓系統(tǒng)由支腿操縱閥，支腿選擇閥，支腿水平伸縮油缸，支腿垂直伸縮油缸等組成，如圖1所示。泵開啟，當二位三通選擇閥操縱桿處于下位時，液壓油進入上車液壓系統(tǒng)；反之，液壓油進入下車支腿液壓系統(tǒng)。本車是通過該二位三通選擇閥來切換上車、下車液壓回路。支腿系統(tǒng)調(diào)平時，首先可分別或同時操控支腿操縱閥，操縱閥都處于下位，再操控支腿選擇閥處于上位，支腿水平油缸同時伸出；反之，則縮回。同理，可控制支腿垂直油缸。若由于作業(yè)環(huán)境要求需單獨調(diào)整某支腿水平伸縮油缸或垂直伸縮油缸時，只需操控相應(yīng)支腿操縱閥桿處于相應(yīng)位置，再操縱支腿選擇閥即可。每一個水平和垂直支腿油缸上都配有一個雙向液壓鎖，使支腿能夠鎖住，防止高空作業(yè)車在作業(yè)過程中由于支腿油缸上腔油路泄露引起“軟腿”現(xiàn)象或行車過程中液壓支腿油缸由于下腔油路泄露引起的自行下落。

圖1 下車支腿液壓系統(tǒng)

2 支腿液壓系統(tǒng)建模仿真

AMESim是法國IMAGINE公司推出的一款可用于流體動力、機械、熱流體和控制系統(tǒng)仿真分析的軟件。AMESim采用基于物理模型的圖形化建模方式，為用戶提供了豐富的元件應(yīng)用庫。通過AMESim軟件進行建模時，可根據(jù)支腿液壓系統(tǒng)原理圖，在保證性能要求的情況下能夠適當簡化建模，在 AMESim 的液壓、機械、信號庫中通過選擇相應(yīng)的元件模型構(gòu)建出支腿調(diào)平回路的仿真模型，并對每個元件選取子模型。AMESim 液壓中的電磁閥可以作為伺服閥、比例閥和換向閥用，根據(jù)液壓系統(tǒng)實際情況本仿真模型中需要五個電磁換向閥[2]。模型中的電磁換向閥，都是通過輸入的控制信號改變液壓油流向，換向閥的控制信號在每個階段都是常數(shù)，信號為階躍信號[3-5]。

在建模時將液壓系統(tǒng)的管道假設(shè)為剛性，沒有考慮管道的長度。根據(jù)支腿的液壓系統(tǒng)原理圖在 AMESim 中建立的仿真模型如圖 2所示。

圖2 高空作業(yè)車支腿液壓系統(tǒng)仿真模型

2.1 系統(tǒng)模型的元件分析與參數(shù)設(shè)置

2.1.1 主要液壓元件參數(shù)設(shè)置

在AMESim參數(shù)模式中設(shè)置所有的液壓元件參數(shù)，表1中列出了主要的液壓元件參數(shù)。

表1 主要液壓元件仿真參數(shù)

2.1.2 信號源參數(shù)設(shè)置

本平臺液壓系統(tǒng)根據(jù)支腿實際運動過程對模型元件進行參數(shù)設(shè)置，分析支腿調(diào)節(jié)回路的動態(tài)過程[6-7]。

各支腿的運動過程如下：

假設(shè)水平支腿1、2液壓缸向外伸出運行5秒后停止；水平支腿液壓缸3、4向外伸出3秒后停止；此時達到水平位置要求。

圖3 信號源1、2曲線

假設(shè)垂直支腿1、2液壓缸向外伸出5秒后停止；垂直支腿3、4液壓缸向外伸出3秒后停止；此時達到垂直位置要求。

達到位置要求后，換向閥處于中位，支腿處于浮動狀態(tài)。工作完成后，垂直支腿先同步縮回，水平支腿之后同步縮回。

按照以上運動過程分別設(shè)置控制電磁換向閥的信號源，四個信號源的信號皆為階躍信號。設(shè)置信號源1、2如圖3；信號源3、4如圖4；信號源5如圖5。

圖4 信號源3、4曲線

圖5 信號源5曲線

2.2 支腿液壓系統(tǒng)的仿真結(jié)果分析

下面調(diào)取仿真模型中水平支腿1回路中的流量曲線并作分析。

2.2.1 三位四通換向閥流量分析

支腿1回路中換向閥的P口與A口，B口與T口的流量變化曲線如圖6、圖7所示。

圖6 支腿1回路中換向閥P口與A口的流量變化曲線

圖7 支腿1回路中換向閥B口與T口的流量變化曲線

由圖6和圖7可以看出在0～5s時間內(nèi)電磁閥下位導通P、A供油，由于3s后水平支腿3、4停止運動，故流量增加；5～10s電磁閥處于中位，不向執(zhí)行件供油；10～15s時間內(nèi)電磁閥上位導通P、B供油，由于13s后垂直支腿3、4停止運動，故流量增加；15～20s電磁閥處于中位，不向執(zhí)行件供油；20～25s電磁閥下位導通B、T回油，垂直支腿縮回，由于23s后垂直支腿 3、4已收回，故流量增加；25～30s電磁閥上位導通A、T回油，水平支腿縮回。

2.2.2 支腿液壓缸位移分析

四只水平支腿液壓缸活塞桿的位移變化曲線如圖8。

圖8 四只水平支腿活塞桿運動曲線

由于假設(shè)作業(yè)環(huán)境時各水平支腿和垂直支腿所處地勢不同，故調(diào)平高空作業(yè)車底盤時，各支腿液壓缸的位移是不同的。由圖可知，0～5s水平支腿 1、2伸出大約 0.48m，0～3s水平支腿3、4伸出0.2m；此時水平方向達到平衡狀態(tài)。5～25s水平支腿保持動作；25～30s所有水平支腿縮回，由于水平支腿3、4伸出位移較小，故比水平支腿1、2先縮回。

四只垂直支腿液壓缸活塞桿的位移變化曲線如圖9。

圖9 四只垂直支腿活塞桿運動曲線

由圖可知，0～10s垂直支腿不動作；10～15s垂直支腿1、2伸出約0.48m，10～13s垂直支腿3、4伸出約0.2m；此時垂直方向達到平衡狀態(tài)。15～20s垂直支腿保持動作；20～25s所有垂直支腿縮回，由于垂直支腿3、4伸出位移較小，故比垂直支腿1、2先縮回。

3 泵轉(zhuǎn)速對支腿液壓系統(tǒng)的影響

在已經(jīng)建立好的支腿液壓系統(tǒng)AMESim模型中，對泵的轉(zhuǎn)速進行批處理[8]，研究泵轉(zhuǎn)速為2000r/min、2500 r/min以及3000r/min時對水平及垂直支腿伸縮位效率的影響。

3.1 泵轉(zhuǎn)速對水平支腿液壓缸伸縮位移的影響

不同泵轉(zhuǎn)速下，水平支腿液壓缸活塞桿位移隨時間的變化如圖10所示。由圖可知，轉(zhuǎn)速越大，活塞桿伸縮的速度越快，活塞桿完全伸出和縮回的總時間越快；泵的轉(zhuǎn)速對水平支腿液壓缸伸出效率影響比縮回時的影響大。

圖10 三種不同泵轉(zhuǎn)速下水平支腿活塞桿位移

3.2 泵轉(zhuǎn)速對水平支腿液壓缸伸縮速度的影響

在三種不同泵轉(zhuǎn)速下，水平支腿液壓缸活塞桿運動速度隨時間的變化如圖11所示。由圖可知，轉(zhuǎn)速越大，活塞桿伸縮的速度越大，但是在泵轉(zhuǎn)速為 2500r/min時，水平支腿液壓缸活塞桿伸出時的運動速度波動較大，運動穩(wěn)定性較差，水平支腿液壓缸活塞桿縮回時的運動速度較為平穩(wěn)；泵轉(zhuǎn)速分別為2000r/min和3000r/min時，水平支腿液壓缸活塞桿的伸縮運動速度都較為平穩(wěn)。

圖11 三種不同泵轉(zhuǎn)速下水平支腿活塞桿運動速度

3.3 泵轉(zhuǎn)速對垂直支腿液壓缸伸縮位移的影響

在三種不同泵轉(zhuǎn)速下，垂直支腿液壓缸活塞桿位移隨時間的變化如圖12所示。由圖可知，轉(zhuǎn)速越大，活塞桿伸縮的速度越快，活塞桿完全伸出和縮回的總時間越快；泵的轉(zhuǎn)速對垂直支腿液壓缸伸出效率影響比縮回時的影響大。

圖12 三種不同泵轉(zhuǎn)速下垂直支腿活塞桿運動位移

3.4 泵轉(zhuǎn)速對垂直支腿液壓缸伸縮速度的影響

在三種不同泵轉(zhuǎn)速下，垂直支腿液壓缸活塞桿運動速度隨時間的變化如圖13所示。由圖可知，轉(zhuǎn)速越大，活塞桿伸縮的速度越大，但是在泵轉(zhuǎn)速為 2500r/min時，垂直支腿液壓缸活塞桿伸出時的運動速度波動較大，運動穩(wěn)定性較差，水平支腿液壓缸活塞桿縮回時的運動速度較為平穩(wěn)；泵轉(zhuǎn)速分別為2000r/min和3000r/min時，垂直支腿液壓缸活塞桿的伸縮運動速度都較為平穩(wěn)。

圖13 三種不同泵轉(zhuǎn)速下垂直支腿活塞桿運動速度

4 結(jié)論

（1）對高空作業(yè)車支腿液壓系統(tǒng)的調(diào)平特性進行了仿真分析，仿真結(jié)果表明水平支腿及垂直支腿均能單獨控制，解決了高空作業(yè)車在不同工作環(huán)境下的底盤調(diào)平問題。

（2）泵的轉(zhuǎn)速越大，水平和垂直支腿伸縮速度越快。通過加大油門可以提高泵的轉(zhuǎn)速，從而提高水平及垂直支腿的伸縮效率，但是在泵轉(zhuǎn)速為 2500r/min時，水平及垂直支腿伸出時的活塞桿的運動穩(wěn)定性較差，高空作業(yè)車支腿液壓系統(tǒng)液壓缸伸出工作時應(yīng)注意避免該工況。

（3）通過AMESim仿真軟件對高空作業(yè)車支腿液壓系統(tǒng)進行仿真分析，能夠較為直觀的反映出支腿伸縮的運動特性，使用AMESim軟件中的批處理功能能夠研究泵的轉(zhuǎn)速變化對支腿伸縮效率及運動穩(wěn)定性的影響，為其他相關(guān)車型的液壓系統(tǒng)設(shè)計提供了參考。

參考文獻

[1] 喬維高.專用汽車結(jié)構(gòu)與設(shè)計[M].北京∶北京大學出版社,2010.

[2] 吳濤,徐延海,孫仁云.基于 AMESim 的隨車起重運輸車支腿垂直液壓缸回路仿真研究[J].西華大學學報（自然科學版）,2009,28(4)∶30-32.

[3] 付永領(lǐng),祁曉野.AMESim系統(tǒng)建模和仿真[M].北京∶北京航空航天大學出版社,2006.

[4] Fleischfresser,Wolfgang.Hydraulic systems in mobile aerialwork platforms[J].Diesel Progress International Edition,2003,22 (4) ∶42－44.

[5] David Gagne,Franck Sellier, Cedric Roman.Simulation and design process of mechatronics system[J].Recent Advances in Aerospace Actuation Systems and Components[4],June 13-15,2001.

[6] 張濤,曹俊,高宏力等.基于AMESim的QY-8型汽車起重機液壓系統(tǒng)仿真[J].工程技術(shù)與產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟,2012（4）∶28-30.

[7] 杜二超,劉曉婷,鄒杰等.基于 AMESim 的高空作業(yè)平臺底盤調(diào)平液壓的仿真分析[J].起重機運輸機械,2013（9）∶63-66.

[8] 梁全,謝基晨,聶利衛(wèi).液壓系統(tǒng)Amesim計算機仿真進階教程[M].北京∶機械工業(yè)出版社,2016.