基于AMESim软件的大负载电液位置伺服系统分析及仿真.docx

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基于AMESim软件的大负载电液位置伺服系统分析及仿真

大型履带起重机回转液压系统仿真

高顺德1，张明辉1，王欣1，李西红2

（1.大连理工大学，辽宁大连116024；2.徐工集团徐州重型机械有限公司，江苏徐州221004）

摘 要：

分析了履带起重机回转机构液压系统原理，并基于AMESim软件完成了仿真建模。

通过仿真研究，分析了影响回转液压系统特性的主要因素，并对大型履带起重机的回转机构电子控制系统提出了新的要求。

[关键词]履带起重机；回转机构；液压系统；动态仿真

[中国分类号]TH213.7 [文献标志码]B [文章编号]1001-554X（2007）04-0047-05

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GAOShun-de1,ZHANGMing-hui1,WANGXin1,LIXi-hong2

    近2年来，中国履带起重机行业引来了飞速发展时期，履带起重机生产厂商相继推出了各自的大吨位产品。

回转机构是履带起重机的重要机构之一，其动态特性直接影响整个起重机的工作特性。

目前，国内履带起重机的制造厂商主要依靠经验及类比方法进行回转液压系统的设计，再通过样机试验来发现问题，这既需花费大量的时间和精力，又存在巨大的经济风险。

通过液压系统的仿真分析，可以在设计初期发现不合理之处，并能够为履带起重机的电子控制系统提供最优方案。

1回转液压系统原理与仿真建模

   履带起重机回转机构要求工作时转速稳定，不能因其他机构工作影响回转机构的转速。

目前在起重机上常用的回转液压系统有共泵供油回路和单泵供油回路两种[1]。

   大型履带起重机回转作业具有转动惯量大、惯性大、启制动冲击载荷大等特点，其液压系统一般为单泵供油闭式回路，如图1所示。

闭式泵控系统的特点是无节流损失，能够吸收制动能量，系统发热低、节能效果好。

变量泵用来调节回转马达的转速，他不是通过换向阀实现液压马达正、反转，而是通过改变泵的斜盘倾角，实现油液流向和流量的变化。

为了补偿闭式系统的漏损，配有补油泵，同时该泵为控制主泵斜盘摆角变化的油缸提供动力。

补油压力由溢流阀4调定，补油压力约为2.5MPa。

回转液压系统的压力有溢流阀5设定，缓冲阀3在系统受到大的冲击载荷时起缓冲及安全保护的作用。

   在AMESim软件[2]-[4]中建立的履带起重机回转液压系统仿真模型，如图2所示。

在建模过程中，一些液压元件需要进行等效处理，方法如下：

（1）因为AMESim软件系统中没有液控阀、液控泵等液控部件，所以在仿真过程中，采用直接信号加载方式，局部采用电控装置代替。

（2）发动机。

该软件只提供了带调控和不带调控2种方式的发动机[5]，这2种发动机根据转速特性又可分为恒速和变速（变速响应方程为线性的）2类。

根据履带起重机操作的工况，发动机转速与操作者给定的油门信号是一一对应的，可认为是线性控制的，所以选用变速发动机模型。

   （3）液压泵。

履带起重机回转机构所采用的变量柱塞泵是电液比例阀控制驱动油缸，通过油缸控制泵的斜盘摆角变化，实现泵正转、反转以及零位共3个工作位置。

在这里采用连续信号直接加载代替电液比例操作，使液压泵实现不同的供油方向和排量变化。

这种处理方式简化了泵的模型，而对所分析的回转液压系统影响不大。

   （4）自由滑转阀。

图1所示自由滑转阀8，通过有一个二位三通阀实现回转马达A、B口相通，在制动器开启的情况下，回转机构可以自由转动。

实际上二位二通阀也可实现此功能，在仿真建模时，采用一个二位二通电磁阀实现自由滑转功能。

   （5）双驱处理。

为了提供更大的驱动力，大型履带起重机一般采用双马达双减速机带动2个小齿轮与回转支承啮合，实现转台的回转。

仿真模型的建立需要解决2个问题，一个是双驱传动，另一个是高速轴的制动。

双驱传动通过两级减速来实现，一级减速模拟回转减速机，之后通过分动箱模型将双驱动合并后，再经过二级减速模拟小齿轮与回转支承的传动。

高速轴制动模型采取马达出口连接一个虚拟的分动箱模型，其一端口连接分动部分，另一端口连接固定位置可变摩擦转矩模型，通过调整该模型参数来实现回转机构的起动、正常转动及制动。

   （6）倾斜平面上回转。

履带起重机可以在斜坡上进行回转作业，回转阻力矩与斜坡的大小及转台与沿坡度方向的夹角大小有关。

采用数学关系函数模拟坡阻力矩，通过转矩转换模型将信号转化为转矩作用在转台模型上，来仿真转台在斜坡上回转。

2回转液压系统仿真研究

   本文以260t履带起重机回转液压系统设置仿真模型参数，主要技术参数见表1。

分析影响回转阻力矩的因素（如转动惯量、摩擦阻力矩、回转坡度、起动坡度、制动坡度等）对回转机构动态特性的影响。

2.1转动惯量与摩擦阻力矩对回转机构动态特性的影响

   履带起重机回转作业过程中。

起重量、臂架长度及幅度等工况的不同，将导致不同的转动惯量和摩擦阻力矩，分别取转动惯量2.8×10Nm3、9.4×10Nm3、1.6×10Nm3和摩擦阻力矩4kNm、16kNm、28kNm设置仿真模型参数，进行仿真分析。

   流量的变化主要是由控制信号决定的，也反映了控制信号的变化规律，其受系统的影响较小，所以不同负载下的流量曲线基本相同，如图3所示。

   压力曲线主要反映了转动惯量和摩擦阻力矩对回转系统动特性的影响，不同转动惯量和摩擦阻力矩下回转马达的压差曲线如图4、5、6、7所示。

   不同转动惯量和摩擦阻力矩的压力特性典型数据比较见表2和表3。

通过曲线及数据的比较可发现，无论在起动还是制动过程，转动惯量越大，系统的压力波动就越大。

在起动过程摩擦阻力矩越大，压力波动越大；而在制动过程摩擦阻力矩越大，压力波动越小。

总的来说，不同转动惯量对系统的动特性影响特大，不同的摩擦阻力矩对系统的影响不明显。

2.2回转坡度对回转机构动特性的影响

   为了分析履带起重机在坡度上回转作业时回转系统的动特性，进行了2组分析。

   第一组对2种不同工况同时分析，一是平地作业，另一是在5％的斜坡作业，并将此工况分为4个阶段，如图8所示。

通过仿真分析得到工况1和工况2的4个阶段的压力特性曲线，如图9所示，分别表示为1～5曲线。

   不同转角变化范围的压力特性典型数据比较见表4，通过分析，转台处于图8第3和第5阶段的起动过程时压力波动较大，因为这时的坡阻力矩最大；当系统稳定后，在斜坡上均匀回转时，系统的压力大小在变化，但波动小。

   不同坡度时回转机构的动特性也有所不同，以图8第3阶段回转过程为例，分别在0°、1.4°和2.86°上起动回转机构，其起动压力特性曲线如图10所示，不同坡度压力特性典型数据比较见表5。

从图表的分析看出，坡度对回转系统的动特性影响较大，坡度越大系统的压力波动越大。

3结论

   经过回转液压系统动特性仿真分析，了解到转动惯量和坡度对履带起重机回转液压系统动特性影响较大。

对一台大型履带起重机来说，不同的工作形式转动惯量差别很大，而工作的坡度也是在变化的，所以履带起重机要根据不同的工况来控制回转机构运动。

目前大部分履带起重机制造厂商在起重机的控制器中仅设一条斜坡控制曲线来调节回转运动的起动、制动，这是不够的。

大型履带起重机需要设置多条斜坡控制曲线，通过履带起重机的内部控制程序根据不同工况（通过力矩限制系统能够获得）来自动选择合适的起动、制动的斜坡控制时间。

通过合适的控制斜坡曲线，提高大转动惯量工况下回转作业的平稳性，同时在转动惯量小的工况具有较高的作业效率，增加整机作业的可靠性、安全性。

[参考文献]

[1]马永辉，徐宝富，刘绍华.工程机械液压系统设计计算[M],北京；机械工业出版社，1983.

[2]侯林.多学科领域复杂系统仿真平台[J]，CAD/CAM与制造业信息化，2005，（12）;56-59.

[3]AMESimBrochureSimplified,2005.

[4]潘东升，陈松茂，丘宏扬，夏琴，液压仿真技术的现状及发展趋势[J],新技术新工艺，2005,（4）;7-11.

[5]赵铁栓，蔡应强，基于AMESim的混凝土搅拌车液压系统仿真[J]，工程机械，2005,（8）;52-56.