基于AMESim的支架閥加載測(cè)試系統(tǒng)仿真分析

周換平，李 凱

(神東煤炭集團(tuán)維修中心，陜西 神木 719315)

0 引言

神東煤炭集團(tuán)設(shè)備維修中心在對(duì)支架用閥進(jìn)行徹底大修的過(guò)程中，為了進(jìn)一步提高液壓閥的出廠合格率，設(shè)計(jì)和制作了綜合加載測(cè)試系統(tǒng)與測(cè)試臺(tái)，來(lái)模擬井下實(shí)際工況對(duì)各類修復(fù)后的支架閥進(jìn)行綜合加載測(cè)試[1]，為驗(yàn)證該綜合試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性，應(yīng)用AMESim軟件對(duì)系統(tǒng)增壓缸、安全閥、電磁先導(dǎo)閥及換向閥進(jìn)行了仿真分析，初步驗(yàn)證系統(tǒng)的原理和各種測(cè)試性能，確保該系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的可靠性與安全性，以縮短研發(fā)周期盡快投入生產(chǎn)實(shí)踐，減少返工。

1 AMESim軟件與閥加載測(cè)試系統(tǒng)

1.1 AMESim軟件介紹

AMESim能夠?qū)Χ鄠€(gè)學(xué)科領(lǐng)域進(jìn)行仿真分析，AMESim包含機(jī)械、液壓、電氣、測(cè)量、信號(hào)傳遞等模型庫(kù)，在搭建仿真系統(tǒng)時(shí)用戶可方便調(diào)用所需庫(kù)中已有模型，或者運(yùn)用現(xiàn)有的子模型建立超級(jí)元件，從而建立實(shí)際需求的模型，并按照實(shí)際參數(shù)對(duì)模型進(jìn)行賦值[2]，然后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的靜動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行仿真研究。

在AMESim中建立綜合測(cè)試液壓系統(tǒng)仿真模型，設(shè)立各檢測(cè)件的檢測(cè)條件和參數(shù)，設(shè)定運(yùn)動(dòng)循環(huán)條件，獲得仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果。對(duì)于液壓加載系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，AMESim所實(shí)現(xiàn)的功能可以體現(xiàn)在3方面：①優(yōu)化液壓泵，提高立柱性能；②降低單向閥的液壓沖擊；③優(yōu)化安全閥設(shè)計(jì)。

1.2 支架閥綜合加載測(cè)試系統(tǒng)[1]

綜合測(cè)試系統(tǒng)參考液壓支架電液控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，原理如圖1所示。

1-反沖洗過(guò)濾器；2-單向閥；3-PM32控制器；4～7-電磁閥先導(dǎo)閥；8～11-兩位三通換向閥；12-雙向鎖；13-蓄能器；14～15，8-手動(dòng)交替閥；16～17-手動(dòng)換向閥；18～20-溢流閥；21～22-單向閥；23～24-乳化液缸；25～27-抗震壓力表；28-表示測(cè)試接口或測(cè)試位圖1 試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)原理圖

由圖1可知，加載測(cè)試液壓系統(tǒng)主要由液壓泵站、加載回路、主進(jìn)液回路、增壓回路、液路切換、卸載回路等幾大部分組成。下面利用AMESim軟件對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真分析。

2 液壓系統(tǒng)的建模

在AMESim中對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模，主要運(yùn)用到HYD庫(kù)(標(biāo)準(zhǔn)液壓元件庫(kù))和HCD庫(kù)(液壓設(shè)計(jì)庫(kù))[3]，用戶建模時(shí)可直接調(diào)用庫(kù)中的元件，包括液壓泵/液壓馬達(dá)及常見(jiàn)的各種液壓閥和壓力表，或選擇子模型對(duì)液壓元件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并將這些元件搭建成一個(gè)完整的液壓系統(tǒng)。以液控單向閥為例，對(duì)建模過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明，圖2(a)所示是液控單向閥的剖面圖，根據(jù)其結(jié)構(gòu)，在HCD庫(kù)中選擇合適的元件，構(gòu)造如圖2(b)所示模型。

a-液控單向閥剖面圖；b-單向閥的建模1-控制活塞；2-頂桿；3-閥芯圖2 液控單向閥模型

液控單向閥主要仿真參數(shù)見(jiàn)表1。

連接液壓泵和電磁換向閥，如圖3(a)所示對(duì)液控單向閥的模型進(jìn)行仿真，驗(yàn)證其正確性，電磁換向閥輸入信號(hào)如圖3(b)所示。

表1 液控單向閥主要仿真參數(shù)

設(shè)定泵的流量為150 L/min，壓力源壓力設(shè)定為前10 s為0 MPa，后5 s為32 MPa，液壓缸的活塞桿長(zhǎng)度為0.3 m，仿真時(shí)間長(zhǎng)度設(shè)為15 s，間隔時(shí)間為0.01 s，運(yùn)行仿真，繪制液壓缸前端質(zhì)量塊10的位移曲線，如圖4所示。

從圖4中看出，前5 s液控單向閥正向開(kāi)啟，液壓缸的活塞桿伸出0.3 m，后5 s液控單向閥反向開(kāi)啟，液壓缸活塞桿退回初始位置，可知上述液控單向閥模型是正確的。

經(jīng)過(guò)對(duì)關(guān)鍵元件進(jìn)行建模并仿真分析，確定其合適仿真參數(shù)，在AMESim中利用HYD庫(kù)以及Signal庫(kù)中的子模型，建立綜合加載測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)總模型，如圖5所示。

在AMESim的草圖模式中對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模之后[4]，對(duì)系統(tǒng)中每個(gè)子模型根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置，然后在參數(shù)模式下，對(duì)子模型進(jìn)行參數(shù)賦值，這一步是整個(gè)建模過(guò)程中的關(guān)鍵一步，參數(shù)的正確合適與否將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，最終影響整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

a-液控單向閥仿真回路；b-電磁換向閥輸入信號(hào)1-泵；2-溢流閥；3-壓力源；4-三位四通電磁換向閥；5-二位二通電磁換向閥；6-信號(hào)源；7-節(jié)流孔；8-液控單向閥；9-液壓缸；10-質(zhì)量塊圖3 液控單向閥模擬仿真

圖4 質(zhì)量塊位移曲線

1-反沖洗過(guò)濾器；2-單向閥；3-PM32控制器；4～7-電磁先導(dǎo)閥；8～11-兩位三通換向閥；12-雙向鎖；13-蓄能器；14～15,8-手動(dòng)交替閥；16～17-手動(dòng)換向閥；18～20-溢流閥；21～22-單向閥；23～24-液壓缸；25～27-壓力表；28-測(cè)試接口或測(cè)試位圖5 液壓系統(tǒng)建模圖

根據(jù)液壓系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)對(duì)主要仿真參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，綜合加載測(cè)試系統(tǒng)的仿真參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 綜合加載測(cè)試系統(tǒng)主要仿真參數(shù)

3 測(cè)試系統(tǒng)的仿真分析

對(duì)綜合加載測(cè)試系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行設(shè)置之后，在AMESim仿真平臺(tái)中對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行仿真，液壓系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀況可由仿真分析結(jié)果進(jìn)行預(yù)判，并根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.1 增壓缸性能測(cè)試分析

現(xiàn)有泵站的壓力為21 MPa，需要設(shè)置增壓缸提高壓力，實(shí)現(xiàn)對(duì)安全閥的測(cè)試。為了提高單獨(dú)測(cè)試安全閥時(shí)的效率，方便操作，單獨(dú)增加了一條手動(dòng)換向閥17、經(jīng)過(guò)交替閥14，手動(dòng)增壓。整個(gè)系統(tǒng)在壓力增加的過(guò)程中，液壓泵輸出的油液經(jīng)增壓缸增壓后，液壓缸的壓力增加到需求值。壓力增加過(guò)程如圖6所示。

圖6 增壓過(guò)程高/低壓腔端口流量曲線

由圖6壓力仿真曲線可看出，在增壓過(guò)程中，低壓腔壓力增加到21 MPa，高壓腔壓力為60 MPa，從結(jié)果可以看出，該試驗(yàn)臺(tái)液壓缸可提供實(shí)驗(yàn)所需的壓力，滿足實(shí)驗(yàn)要求。

3.2 安全閥啟溢閉特性

在被測(cè)口位置對(duì)安全閥進(jìn)行建模[5]，安全閥的充液回路為：首先打開(kāi)電磁先導(dǎo)閥4，控制兩位三通換向閥8供液，液壓液通過(guò)交替閥28至被測(cè)安全閥，為其充液。安全閥的增壓回路為：手動(dòng)操作三位四通換向閥17，控制交替閥14換向，液體打開(kāi)單向閥21從而給液壓缸24充液，增壓缸的活塞桿伸出，推動(dòng)液壓缸23的活塞桿給液壓缸增壓，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)安全閥加載，壓力由0逐步上升，至被測(cè)閥開(kāi)啟120 ms，然后立即切斷供液，至壓力計(jì)計(jì)數(shù)為穩(wěn)定值時(shí)為試驗(yàn)的全部過(guò)程，然后卸荷，觀察安全閥泄漏情況，為一次啟溢閉特性試驗(yàn)和泄漏試驗(yàn)，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 安全閥的啟溢閉特性曲線

從圖7曲線可以看出：系統(tǒng)開(kāi)始供壓后，從0～20 ms，安全閥的閥口壓力從零上升到約32 MPa，開(kāi)始溢流，在20～140 ms，系統(tǒng)保壓，保壓過(guò)程中壓力出現(xiàn)微小波動(dòng)。在140 ms時(shí)刻，開(kāi)始泄壓迅速泄壓，泄壓完成后，壓力趨于零。

3.3 電磁先導(dǎo)閥及換向閥的仿真

電磁先導(dǎo)閥4、5動(dòng)作，從而控制兩位三通換向閥8與9進(jìn)行換向動(dòng)作，之后油液進(jìn)入雙向鎖12向液壓缸23上下腔供液，控制液壓缸動(dòng)作，來(lái)模擬液壓支架井下各部位液壓缸動(dòng)作。液壓缸完成一次循環(huán)動(dòng)作，被測(cè)閥4、9完成一次換向動(dòng)作。液壓缸的壓力變換如圖8所示。

圖8 電磁換向閥的壓力特性曲線

上述動(dòng)作中，電磁先導(dǎo)閥的動(dòng)作信號(hào)如圖9所示。

a-電磁先導(dǎo)閥4動(dòng)作信號(hào)；b-電磁先導(dǎo)閥6動(dòng)作信號(hào)；c-電磁先導(dǎo)閥7的動(dòng)作圖9 電磁先導(dǎo)閥的動(dòng)作

4 結(jié)論

(1)通過(guò)選取液控單向閥為例，對(duì)AMESim建模仿真分析的正確性進(jìn)行了驗(yàn)證，然后利用HYD庫(kù)以及Signal庫(kù)中的子模型，建立了液壓系統(tǒng)總模型，對(duì)子模型和系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行賦值與設(shè)定，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的增壓性能、安全閥的啟閉特性、換向閥的換向性能進(jìn)行仿真分析。

(2)該試驗(yàn)臺(tái)液壓缸可提供實(shí)驗(yàn)所需的壓力，符合實(shí)驗(yàn)要求；當(dāng)流經(jīng)溢流閥的油液壓力達(dá)到溢流閥的開(kāi)啟壓力時(shí)，溢流閥可以成功開(kāi)啟，且在穩(wěn)壓過(guò)程中，壓力損失很小；給定換向閥換向信號(hào)后，換向閥迅速動(dòng)作，滿足實(shí)驗(yàn)要求。

(3)綜合加載測(cè)試液壓系統(tǒng)原理是正確的，能夠滿足相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，可以達(dá)到預(yù)期的測(cè)試效果。將系統(tǒng)用于生產(chǎn)實(shí)踐，完成測(cè)試臺(tái)的研制工作，會(huì)進(jìn)一步提高液壓閥維修過(guò)程中的合格率。