基于LMSAMESim平台的泵送液压系统建模仿真与试验研究解读.docx

1、基于LMSAMESim平台的泵送液压系统建模仿真与试验研究解读第8卷第2期2010年6月中 国 工 程 机 械 学 报CH INESE JOURNAL OF CONST RU CT ION MACH INERY Vol. 8No . 2 Jun. 2010基金项目: 八六三 国家高技术发展计划资助项目(2008AA042802作者简介:吴智勇(1965- , 男, 高级工程师. E -m ail:w uz hysany. com. cn基于LMS. AMESim 平台的泵送液压系统建模仿真与试验研究吴智勇1, 刘海明, 高 明, 谢秀芬(三一智能控制设备有限公司, 湖南长沙 410100摘要:

2、基于专业的液压仿真软件L M S. AM ESim, 建立泵送液压回路仿真模型, 全面了解泵送过程中泵送压力、油液流量、换向冲击力等关键参数, 得到相关的仿真结果, 并与试验数据做对比分析. 该研究方法对于泵送液压回路系统的设计、分析与优化具有借鉴作用.关键词:A M ESim; 泵送系统; 混凝土泵车; 仿真中图分类号:T U 621; T P 391. 9 文献标识码:A 文章编号:1672-5581(2010 02-0213-06LMS. AMESim -enabled modeling simulation andtesting on hydraulic pumping systems

3、WU Zhi-yong , LIU Ha i-m in g , GAO Min g , XIE Xiu-fen(SANYIntelligent Co ntrol a nd Automation Eq uip ment C orpora tion, C hangsha 410100, C hinaAbstract :Based on the commercial hydraulic simulation software, i. e. LMS. AMESim TM, a simulation model is first established for hydraulic pumping sys

4、tems. By speculating such key parameters as pumping pres -sure, oil flow and switching force, the simulation results are then obtained. Finally, the proposed method can set a reference to design, analysis and optimization on hydraulic pumping circuit systems.Ke y words :AMESim; pumping system; concr

5、ete pump truck; simulation现代控制理论及电子计算机技术的发展, 使得利用计算机进行数字仿真已成为液压系统动态性能研究的重要手段, 借助计算机可以分析线性系统和非线性系统, 可以直接在时域中进行分析. 可以模拟出任何输入函数作用下各参变量的变化情况, 从而获得对系统动态过程直接和全面的了解, 与其他研究系统动态性能的手段和方法相比, 数字仿真技术具有精确、可靠、适应性强、周期短和费用低等优点.对于现代液压系统的设计研究人员来说, 通过对液压元件或系统的动态特性进行仿真, 寻求最优的参数, 从而检验系统的动态特性是否达到预期的要求, 以便确定合理的结构对液压传动与控制系统

6、进行动态特性研究, 了解和掌握液压系统工作过程中动态工作特性和参数变化, 以便进一步改进和完善液压系统, 提高液压系统的响应特性、运动和控制精度以及工作可靠性.本文对混凝土泵车的液压泵送系统进行建模、仿真, 对系统中泵送压力、油液流量、换向冲击力等关键参数进行全面研究, 通过仿真结果与试验进行对比分析, 证明泵送系统仿真模型是准确的, 可以用于系统的分析、优化与改进. 1 泵送开式系统简介液压系统是混凝土泵技术性、可靠性最关键的部分. 国内外混凝土泵液压系统采用开式和闭式两种系中 国 工 程 机 械 学 报第8卷 统, 生产开式系统的厂家占绝大多数, 产量占70%.开式系统其工作原理为:主油缸

7、换向采用全液压换向, 即在主油缸运动至行程终端时油缸输出一个液压信号来控制大流量液控换向阀换向, 使主油缸改变方向. 主油缸采用液压换向, 液压元件多, 回路复杂, 但电器控制非常简单. 开式系统具有成本低、维修简单等特点, 缺点是泵送主油缸换向冲击较大. 见图1.目前国内大多数厂家均采用泵送回路和摆动回路相互独立的开式系统, 见图1. 主油缸换向采用电换向, 即在主油缸运动至行程终端时油缸输出一个电信号来控制大流量电磁换向阀换向, 使主油缸改变方向 .图1 泵送开式系统简图Fig. 1 Sketch o f op en lo op p umping hydraulic system2 泵送液

8、压系统建模与仿真2. 1 泵送系统组成与功能1泵送系统液压回路原理如图2所示, 主要由油箱1、液位计2、空气滤清器3、油温表4、主油泵5、齿轮泵6、单向阀7、高压过滤器8、电磁溢流阀9、电磁换向阀10、溢流阀11、蓄能器12、球阀13、压力表14、梭阀15、摆缸四通阀16、小液动阀17、插装阀18、螺纹插装阀19、主油缸20、摆阀油缸21等组成. 其中, 主油泵5-1和主油泵5-2均为恒功率并带压力切断的电比例泵, 其排量可以相同, 也可以不同. DT 为电磁阀; C1, C2, AIH , AIL, BIL, BIH 分别为不同的油路.泵送液压回路实现了主油缸的换向功能与分配阀换向功能. 主

9、油缸换向功能工作循环具体如框图3所示.摆缸分配阀功能为将 S 管及时、准确地与泵送相应的主油缸联接. 分配阀换向功能工作循环具体如框图4所示.2. 2 泵送液压回路建模与仿真结果LM S. AM ESim 仿真软件能实现多学科的机械、液压、气动、热、电和磁等领域的建模和仿真, 仿真范围广; 不同领域的模块之间可直接进行物理连接. 用AM ESim 对液压系统进行仿真时, 不仅系统整体结构的数学模型起着决定性作用, 各个元件子模型中的结构参数也同样重要, 精确地设定这些参数往往比较困难. 因此, 设置参数、分析结果并修改参数是仿真中的重要环节. AM ESim 软件适用范围很广, 尤其在液压机械

10、系统的仿真研究方面具有很强的针对性和优越性, 在液压仿真领域得到广泛的应用2.泵送液压回路系统的仿真模型建立步骤为:第一步, 分别建立单个液压部件的仿真模型, 根据电子样本提供的液压特性曲线, 调试、修正单个液压部件的仿真模型; 第二步, 将已调试好的液压部件仿真模型, 按照泵送回路系统原理图, 搭建系统的仿真模型3.2. 2. 1 插装阀AMESim 仿真模型插装阀在高压大流量的液压系统中应用很广, 和普通液压阀相比, 插装阀具有如下优点: 采用锥阀结构, 内阻小, 响应快, 密封好, 泄漏小; 机能多, 集成度高, 配置不同的先导控制级就能实现方向、压力、, ; 4.214第2期吴智勇,

11、等:基于LM S. AM ESim 平台的泵送液压系统建模仿真与试验研究215 中 国 工 程 机 械 学 报第8卷图4 摆缸换向工作循环Fig. 4 Reversing work cycle of swing cylind er 泵送液压回路中的插装阀为盖板式二通插装阀, 制造厂商为威格士, 包括插装件和控制盖板两部 分, 其中插装件由阀套、阀芯和弹簧以及密封件组成, 它有多种面积比和弹簧刚度, 主要功能是控制主油路中油流的方向、压力和流量; 控制盖板内有各种控制油道, 与先导控制阀组合后可以控制插装件的工作状态. 盖板式二通插装阀压降特性曲线如图5所示. 图中DC16, D16为直径比为1

12、 1. 6的插装阀, D20为直径比为1 2的插装阀, 本文选用D20的曲线.按照插装件的机械结构, 插装阀AM ESIM 模型由三部分构成:带弹簧的阀体、阀芯质量块和阀芯, 模型采用H CD 库中的元件建立, 见图6所示. 模型中主要参数设置为:弹簧弹性系数K =0. 88N m m -1, 弹簧预应力F =6N, 阀芯质量m =0. 22kg, 粘性摩擦力系数f =2500N m -1 s, 阀芯最大行程为100mm. 插装阀A MESim 模型的压降特性曲线如图7所示, 参照点选取为当流量为620L min -1时, 压力下降为0. 5MPa.图5 插装阀压降特性曲线Fig. 5 Pre

13、ssure dro p characteristic curve o f insertio n valve blo ck 2. 2. 2 泵送液压回路AMESim 仿真模型与结果按照插装阀相同的建模方法, 建立泵送主油缸、小液动阀、液 控换向阀等主要液压部件的仿真模型, 搭建完成泵送液压回路AMESim 仿真模型.仿真工况:泵送排量为20%, 具体情况为:泵送空打(无负载 ,1m in 内换向次数为6, 换向时间为10s.由模型仿真分析结果可以得出, 该工况下, 泵送主油缸活塞行程为1. 7m , 换向时间为9. 9s; 泵送时, 主油缸液压油稳定流量为296. 3L min -1; 主油缸有

14、杆腔稳态压力最大为1. 33M Pa, 最小为0. 41M Pa; 泵送换向时, 压力会产生明显的冲击, 最大冲击压力为21. 60M Pa, 如图8所示; 泵送过程中, 主溢流阀压力基本维持在1. 601. 80MPa 之间, 且在换向时压力会产生明显的冲击, 如图9所示; 摆阀油缸压力为15. 70M Pa; 泵送主油缸输出的稳态作用力为18043N, 换向冲击力最大为275342N. 216 第2期吴智勇, 等:基于LM S. AM ESim 平台的泵送液压系统建模仿真与试验研究 3 仿真与试验曲线对比试验工况:泵送排量为20%, 具体情况为:泵送空打(无负载 , 1m in 内换向次数

15、为6, 换向时间为10s. 试验数据采集设备采用NI 采集仪器, 主要采集泵送主油缸有杆腔、主溢流阀压力等. 试验数据与仿真数据的对比曲线在M ATLAB 软件中完成, 选取了泵送油缸压力与主溢流阀压力进行仿真与试验的分析对比.泵送过程中, 右主油缸有杆腔压力曲线与试验曲线的对比如图10所示. 其中, 仿真压力曲线稳态最大值为1. 60M Pa, 最小值为0. 52MPa, 换向尖峰值为20. 50MPa. 试验曲线平均稳态压力值为1. 40M Pa, 最低为0. 38MPa. 从对比曲线中可以明显得出:模型仿真压力曲线与试验曲线趋势基本一致, 压力值的误差范围在0. 100. 20MPa 左

16、右.泵送过程中, 主溢流阀压力与试验曲线的对比如图11所示. 其中, 仿真压力稳态最大值为2. 20MPa, 最小值为2. 00MPa, 换向尖峰值为20. 78M Pa. 试验曲线平均稳态压力值为1. 85M Pa, 换向尖峰值为22. 04M Pa. 从对比曲线中可以得出:模型仿真压力曲线与试验曲线趋势基本一致, 压力值的误差范围在0. 20M Pa 以内.4 结论(, 217 218 中 国 工 程 机 械 学 报 第8卷 统中的关键设计参数进行分析, 完成实际物理样机无法进行的虚拟仿真试验. ( 2 利用泵送系统液压仿真模型, 可以对换向相关的参数进行优化分析, 提升现有产品性能. 同

17、时, 基 于液压系统仿真模型进行产品分析的方法, 对于现有工程机械产品的液压系统分析、 优化以及新产品液压 系统的设计具有非常重要的借鉴作用. 参考文献: 1 2 易秀明, 王尤毅, 谭凌群. 混凝土泵车 R . 长沙: 三一重工股份有限公司, 2007. Y I Xium ing, WA N G Y ouyi , TA N Lingqun. Concret e pum p t ruck R . C hang sha: SA N Y H eavy In dust ry Com pan y, 2007. 付永领, 祁晓野. A M ES IM 系统建模与仿真: 从入门到精通 M . 北京: 北京

18、航空航天大学出版社, 2006. FU Y ongling, QI Xiaoye. S yst em modeling and s imulat ion of A M ES IM soft w are: s t ep by st ep M . Beijin g: Beijin g U nivers it y of A ero naut ics and A st ronau ti cs Press , 2006. 3 LM S 公司. LM S. A M E Sim7. 0 用户软件帮助手册 EB/ O L . ( 2007- 05- 30 2010- 04- 25 ht t p: LM S C

19、ompany. LM S . A M ESim 7. 0 user manual EB/ O L . ( 2007- 05- 30 2010- 04- 25 ht t p: 4 姚怀新. 工程车辆液压系统动力学与控制原理 M . 北京: 人民交通出版社, 2006. Y A O Huaixin. Theroy of hydrau lic dynam ics and cont rols on mobile con st ruct ion machinery M . Bei jing: China C om municat ions Press , 2006. ww w . / ms int /

20、. com/ su pport / tu - t orials? sit enarid= 281F9CC F- 5903- 49F5- 89EF- E788B747A & sit eaccess= 2& f rom= % 2Fsu pport% 2Ft uborials . w w w. / m sint / . com/ s upport / t ut ori als? s it enarid= 281F9CCF- 5903- 49F5- 89EF- E788B747A & s it eaccess= 2& from= % 2Fsu pport % 2Ft ub orial s. ( 上接第

21、 207 页 ( 3 从 20 min 加热最大温度达 170 参考文献: 1 薛亮, 郝培文, 邹天义, 等. 微波、 红外再生沥青混合料路用性能研究 J . 公路, 2007, 51( 2 : 188- 192. X U E Liang, H A O Peiw en , ZH O U Tianyi, et al. A st udy on road perform ance of microwave heat ing and inf rared ray heat ing asphalt mixt ure J . H ighw ay, 2007, 51( 2 : 188- 192. 2 张巍,

22、 李自光, 魏先勋, 等. 微波加热沥青路面再生修复机温度模糊自适应整定 PID 控制 J . 中国工程机械学报, 2005, 3( 2 : 196- 201. ZH A N G W ei, LI Ziguang, WE I X ianx un, et al. T em perat ure cont roll er of microw ave h eatin g asphalt pavem ent regenerat e repairer based FPID J . C hinese Journ al of Cons tru ct ion M achinery, 2005, 3( 2 : 1

23、96- 201. 3 朱松青, 史金飞, 王鸿翔. 沥青路面现场微波加热再生模型与实验 J . 东南大学学报: 自然科学版, 2006, 36( 3 : 393- 396. ZH U Songqing, S HI J infei, WA N G H ongxiang. M odel ing and ex perim ent of microw ave h eat in g for h ot i n ace recycl ing of asp hal t pave -pl m ent s J . Journal of Sout heast U niversit y: N atu ral Scie

24、nce Edit ion, 2006, 36( 3 : 393- 396. 4 李万莉, 于睿坤, 朱福民. 沥青路面再生机微波加热机理及数值模拟 J . 同济大学学报: 自然科学版, 2007, 35( 4 : 472- 490. LI Wanli, Y U R uikun, ZH U Fu min. M icrowave heat ing mechanism and simulat ion of ret reading machin e of b it uminous concret e su rface course J . Journ al of T ongji U niversit

25、y: N at ural Science, 2007, 35( 4 : 472- 490. 5 朱松青, 史金飞, 王鸿翔. 微波现场加热再生关键问题研究 J . 公路交通科技, 2007, 24( 9 : 28- 36. ZH U Songqing, SH I J inf ei, W A NG H on gxian g. R esearch on key probl ems of m icrow ave h eat ing in h ot in -place recycl ing J . Journ al of H ighw ay and Trans portat ion Research

26、and Development , 2007, 24( 9 : 28- 36. 6 7 J A SELSK IS E J, G RIG A S J, BR ILIN GA S A . D iel ect ric properti es of asphalt pavem ent J . J ou rnal of M at erial s in Ci vil Engineeri ng, 2003, 15( 10 : 427- 434. 高子渝, 焦生杰. 微波加热旧沥青混合料的应用研究 J . 筑路机械与施工机械化, 2006, 23( 10 : 29- 31. G A O Ziyu , JIA O Sh engjie. Research on appli cat ion of mi crow ave in recycl ed asph alt m ixt ure s heat ing J . R oad M achinery & Const ruc t ion M echanizati on, 2006, 23( 10 : 29- 31. 左右, 可以得出沥青路面微波加热快速维修设备设计基本可行.