基于amesim的汽車起重機卷揚工作系統(tǒng)的仿真研究

基于amesim的汽車起重機卷揚工作系統(tǒng)的仿真研究

液壓系統(tǒng)方面壓力補償法廣泛應(yīng)用于機械工程等大型執(zhí)行設(shè)備，顯著節(jié)省了系統(tǒng)的能源。本研究的汽車起重機,是由車載內(nèi)燃機向液壓系統(tǒng)提供動力,如何合理利用動力是起重機設(shè)備節(jié)能的關(guān)鍵。汽車起重機工作時,一般由一至兩個定量泵為多種復(fù)合工況提供液壓動力油。在重載、低速工況下,主閥工作時僅需要較少的高壓流量,定量泵輸出的多余流量部分將通過系統(tǒng)的溢流閥返回油箱,造成液壓系統(tǒng)的功率浪費,降低了系統(tǒng)效率。長時間工作還易引起液壓油的發(fā)熱,常常需要配置散熱系統(tǒng),導(dǎo)致系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜。近年來,出現(xiàn)了一種更為節(jié)能的主閥閥后補償方式,其原理是運用內(nèi)置壓力反饋通道配合變量泵,自動調(diào)節(jié)變量泵的輸出流量,使其與負載工況需要的流量相匹配。當液壓系統(tǒng)不需要流量時,該閥還可以自動實現(xiàn)系統(tǒng)的卸荷,提高液壓系統(tǒng)的工作效率。本研究以某型汽車起重機改進前的定量泵配合閥前補償方式,和改進后的變量泵配合閥后補償方式進行對比研究,探討兩個系統(tǒng)工作效率的優(yōu)劣。1壓馬達驅(qū)動機械傳動結(jié)構(gòu)來傳遞扭矩卷揚系統(tǒng)是起重機械的主要組成部分,其液壓系統(tǒng)依靠液壓馬達驅(qū)動機械傳動結(jié)構(gòu)來傳遞扭矩,從而實現(xiàn)重物的上升和下降控制。其液壓系統(tǒng)分為開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)兩大類,本研究的閥前補償方式與閥后補償方式均為開式系統(tǒng)。1.1定差溢流閥閥前補償型液壓系統(tǒng)主要由油箱、定量泵、定差減壓閥、定差溢流閥、卷揚主閥、液壓馬達、平衡閥、剎車系統(tǒng)幾部分組成,如圖1所示。其中定差減壓閥即為補償閥,由于液壓油先經(jīng)過補償閥再進入卷揚主閥,故稱為閥前補償方式。其中主閥閥口P為供油口,T為回油口,A、B為工作口,X為控制口。閥前補償閥,其作用是使主閥閥口前后的壓力差保持恒定,以使工作流量的變化僅與閥口開度有關(guān),即主閥的工作流量不因外負載的變化而改變。定差溢流閥,其作用是使液壓泵的出口壓力高于最大的負載壓力,且能夠滿足定差減壓閥的工作壓力需要,并在小開口時溢流掉定量泵多余流量。卷揚主閥為一個三位五通閥,通過手動操縱主閥,實現(xiàn)閥芯的切換,完成負載的起落。起鉤工況時,剎車打開,液壓油依次經(jīng)過主閥P-A-B-T口;落鉤工況時,由于負載自重作用,通過平衡閥控制落鉤速度;吊載停止時,通過剎車將馬達鎖死,避免負載的墜落。為了使機構(gòu)運行平穩(wěn),每個閥口均加工有不同形狀的節(jié)流槽,獲得不同的流量控制特性。閥體中部有一個小孔即X口,將流向工作口的液壓油同時引入到定差減壓閥和定差溢流閥的彈簧腔,即圖中虛線所示控制油路,實現(xiàn)泵出口壓力的控制。由于定差減壓閥、定差溢流閥的存在,泵出口壓力跟隨負載改變,并始終保持稍高于負載壓力,即泵出口壓力與負載壓力匹配,系統(tǒng)具有較高的工作效率。1.2變壓力補償閥為三元六通閥閥后補償液壓系統(tǒng)主要由油箱、變量泵、卷揚主閥、二位二通閥、平衡閥、剎車系統(tǒng)組成,如圖2所示。其中二位二通閥即閥后補償閥。P2口為泵進油口,P1口閥后補償閥進油口,T為回油口,A、B為工作口,X為反饋壓力口。通過圖2可以看出,改進后,卷揚主閥由之前的三位五通閥變?yōu)槿涣ㄩy。這樣在主閥芯中間位置增加了一個凸肩,泵輸出的液壓油是經(jīng)由閥芯中部腔口即P2口流入P1口流出,經(jīng)油道到壓力補償閥,再到工作口。其中,壓力補償閥塊上有一個小孔將流向工作口的液壓油引入到變量泵的控制口,用于控制變量泵的排量。閥處于中位,系統(tǒng)不需要流量時,反饋壓力為零,變量泵的斜盤角度近似為零度,變量泵的輸出流量幾乎為零。由于液壓油先經(jīng)過主閥,再經(jīng)過補償閥,故稱之為閥后補償方式。2兩個系統(tǒng)的asim仿真和驗證2.1基于amesim的系統(tǒng)仿真由于主閥閥芯凸肩上的閥口加工有異形節(jié)流槽,屬于非標準模塊,故利用AMESim提供的液壓元件庫進行精確建模,如圖3所示。每個閥口均用閥口模塊建立,并根據(jù)閥芯與閥體的尺寸及相互位置關(guān)系,設(shè)置相關(guān)參數(shù)。結(jié)合圖1所示的液壓系統(tǒng)原理,添加負載、泵源等模塊,建立如圖4所示的AMESim仿真系統(tǒng),進行仿真研究并與實車結(jié)果進行對比。負載部分應(yīng)用橋式回路方便工作油路的切換,負載壓力由比例溢流閥模擬實現(xiàn),泵站參數(shù)根據(jù)實車情況設(shè)置。參數(shù)設(shè)置:泵提供的流量:240L/min;閥芯位移:0~12mm;負載工況:7.5MPa;仿真時間:120s;仿真步長:0.01s。仿真起升工況,液壓油經(jīng)過主閥閥口順序為P-A-B-T。實車測量時,吊載同樣大小負載,并緩慢操縱閥芯,進行起鉤作業(yè)。研究該閥的位移-流量、位移-壓力特性曲線,并將實車實驗結(jié)果與AMESim仿真結(jié)果進行對比如圖5、圖6所示。從閥的特性曲線中可以看出,AMESim仿真結(jié)果與實車實驗結(jié)果非常相近,仿真情況良好。2.2設(shè)置參數(shù)仿真運用同樣方法建立主閥AMESim模型,如圖7所示。同樣加入泵源、控制元件、橋式負載等模塊,根據(jù)圖3所示的液壓原理,建立閥后補償主閥的AMESim系統(tǒng)仿真模型,如圖8所示。根據(jù)實車情況設(shè)置參數(shù)進行仿真,并將仿真結(jié)果與實車測量結(jié)果相對比。參數(shù)設(shè)置:變量泵最大流量:95L/min;閥芯位移:閥芯位移:0mm—12mm—0mm;負載工況:4.5MPa;仿真時間:70s;仿真步長:0.01s。仿真起升工況,不同的是閥芯位移由最小到最大,最后回到最小,研究閥的壓力、流量曲線,如圖9、圖10所示。從結(jié)果對比圖中可以看出,AMESim仿真值和實車實驗值曲線基本重合,證明仿真模型建立合理,仿真情況良好。因此在今后的研究中,只需運用仿真模型進行模擬實驗,而不需要做相應(yīng)的實車實驗。3閥前補償與流量特性為比較閥前補償和閥后補償兩種系統(tǒng)的優(yōu)劣,對兩個模型設(shè)置同一典型工況,進行研究。參數(shù)設(shè)置:負載:10.0MPa;泵流量:225L/min;仿真時間:100s;閥芯開度0~12mm。模擬高速起鉤工況,其主閥閥口壓力特性與閥口流量特性對比圖如圖11、圖12所示。壓力曲線在小開口時波動情況不同,這是由于閥芯凸肩上節(jié)流口形狀大小不一樣引起的。在推動閥芯時,節(jié)流口與閥體配合,形成變化的閥口面積曲線,實施對流量的節(jié)流控制,滿足不同工況下液壓執(zhí)行機構(gòu)對運動速度的要求。從閥的壓力特性角度看,閥前補償?shù)膲毫μ匦暂^好,對閥的沖擊較小。但對于流量特性,閥后補償在小開口段流量梯度明顯較小,線性更好,有利于低速工況的穩(wěn)定運行與精準操作。兩種補償方式的泵出口壓力與流量特性曲線如圖13、圖14所示。泵出口壓力曲線與閥口壓力曲線趨勢基本一致,這是由壓力補償這種方式所決定的。閥后補償方式運用變量泵,其泵輸出流量幾乎等于負載流量,沒有流量的浪費。而閥前補償方式,定量泵輸出流量始終維持在225L/min,在閥口未完全打開時,存在流量的浪費,且小開口時浪費很大,增加了系統(tǒng)的發(fā)熱,其泵輸出功率對比如圖15所示。閥后補償?shù)墓β市枨筝^小,有利于節(jié)省能源。特別在低速吊載或啟動階段(即閥口為小開口時),表現(xiàn)得尤為明顯。例如閥芯位移為2mm時,閥前補償方式泵的輸出功率為閥后補償方式泵輸出功率的四倍左右。4閥后補償方式的應(yīng)用本研究對起重機主閥工作的兩種補償方式進行了仿真和試驗研究,在驗證了系統(tǒng)仿真模型正確的基礎(chǔ)上,對兩種補償方式在典型工況下的工作過程進行仿真研究。結(jié)果表明,閥后補償方式在節(jié)省能源方面優(yōu)于閥前補償方式,特別在負載啟動段或低速工作段顯得尤為明顯