基于amesim的大型液壓升降平臺(tái)建模與仿真

基于amesim的大型液壓升降平臺(tái)建模與仿真

0液壓系統(tǒng)建模及仿真大型液體提升平臺(tái)是一項(xiàng)重要的物資提升工具，尤其是在大負(fù)荷的情況下，由于液壓機(jī)的巨大功率成本比，液壓機(jī)提升平臺(tái)具有很強(qiáng)的優(yōu)越性。然而液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在著參數(shù)選擇及匹配問題,如何根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求,確定出合理的參數(shù)往往是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn),傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般通過經(jīng)驗(yàn)公式反復(fù)計(jì)算確定參數(shù),需要占用大量的計(jì)算時(shí)間,利用環(huán)境模擬仿真軟件(AMESIM,EASY5),構(gòu)建出整個(gè)液壓系統(tǒng)模型,并進(jìn)行的仿真實(shí)驗(yàn),方便了液壓部件參數(shù)的確定和優(yōu)化。某型液壓平臺(tái)動(dòng)力系統(tǒng)簡圖如圖1所示,平臺(tái)周期性間歇工作,工作時(shí)間比較短,但工作時(shí)需供應(yīng)高壓、大流量的液壓油;非工作時(shí)間比較長,有足夠的補(bǔ)油時(shí)間,考慮到經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性,設(shè)計(jì)采用蓄能器組代替大功率泵站對(duì)提升機(jī)構(gòu)的短時(shí)間供油。在非工作階段時(shí),由小功率泵站對(duì)蓄能器組進(jìn)行充油;在工作階段時(shí),由蓄能器組和泵站聯(lián)合進(jìn)行供油,這樣可以滿足以較小的裝機(jī)功率來完成系統(tǒng)設(shè)計(jì),達(dá)到節(jié)能的要求。蓄能器參數(shù)的選取顯得尤其重要,本文通過應(yīng)用液壓/機(jī)械系統(tǒng)仿真軟件AMESIM,仿真確定蓄能器組參數(shù),使得液壓升降平臺(tái)能在30s時(shí)間內(nèi)以給定的平臺(tái)上升速度曲線(圖2)和下降速度曲線(圖3),把近1000kN的負(fù)載提升到10m左右。從而為升降平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。1系統(tǒng)建模1.1平臺(tái)動(dòng)力學(xué)方程作用在平臺(tái)上的力主要由鋼絲繩拉力F、平臺(tái)重力mg兩部分組成(忽略平臺(tái)受到的各種阻力),力平衡方程如下:F-(m1+m2)g=(m1+m2)a1(1)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)方程如下所示:v1=v0+a1t(2)x1=v0t+0.5a1t2(3)式中:m1為平臺(tái)質(zhì)量;m2為負(fù)載質(zhì)量;a1為平臺(tái)加速度;v1為平臺(tái)速度;x1為平臺(tái)位移。1.2力平衡方程的建立作用在液壓缸上的力主要由液壓力p′S、鋼絲繩作用力2F兩部分組成(忽略液壓缸及滑輪組受的阻力)。力平衡方程p′S-2F=m3a2(4)運(yùn)動(dòng)方程v2=v0+a2t(5)x2=v0t+0.5a2t2(6)式中:m3為液壓缸柱塞及附件質(zhì)量;S為液壓缸柱塞面積;a2為柱塞加速度,a2=0.5a1;v2為柱塞速度,v2=0.5v1;x2為柱塞位移,x2=0.5x1。1.3蓄能器工區(qū)壓力計(jì)算由于系統(tǒng)工作時(shí)間小于1min,所以蓄能器工作在絕熱過程中,其工作方程如下所示:p0V1.4001.4=p1V1.4111.4=p2V1.4221.4=pV1.4=G(7)式中:p0為蓄能器充氣壓力;V0為蓄能器體積;p1為蓄能器最低工作壓力;V1為相應(yīng)于最低工作壓力時(shí)氣體體積;p2為蓄能器最高工作壓力;V2為相應(yīng)于最高工作壓力時(shí)氣體體積;p為蓄能器瞬時(shí)壓力;V為瞬時(shí)氣體體積。1.4伺服閥閥口開度設(shè)計(jì)伺服閥閥芯直徑d=200mm,最大位移為hmax=10mm。選取流量系數(shù)為Cd=0.63;流體密度ρ=1060kg/m3;由流量公式得,伺服閥在額定流量時(shí)的閥口開度h。h=QπdCdρ√2Δp√h=QπdCdρ2Δp(8)其中:Q為通過伺服閥的流量;Δp為伺服閥閥口壓差。通過優(yōu)化算法確定PID參數(shù),控制伺服閥閥口的開度,配合蓄能器一起實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的動(dòng)態(tài)性能要求。整體的AMESIM模型如圖4所示。其優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為f(x)=∫T00Τ[v(t)-v0]2dt(9)其中:T為平臺(tái)運(yùn)行時(shí)間;v(t)為平臺(tái)實(shí)際速度;v0為平臺(tái)給定速度。優(yōu)化確定的Kp、Ki、Kd值為2.898、4.339、0時(shí)平臺(tái)上升的實(shí)際運(yùn)行情況和給定速度情況如圖5所示。2最高工作壓力p本系統(tǒng)主要是在滿足平臺(tái)動(dòng)態(tài)性能的前提下,確定高、低壓蓄能器個(gè)數(shù)與蓄能器充氣壓力、最低工作壓力、最高工作壓力3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)之間的關(guān)系。蓄能器作為蓄能用時(shí),在保護(hù)膠囊,延長使用壽命的條件下,折合型氣囊p0≈(0.8～0.85)p1,最高工作壓力p2≤3p1。本系統(tǒng)取p0=0.8p1,則可算出單個(gè)蓄能器在最低工作壓力下氣體體積V1。p0V1.4001.4=p1V1.4111.4?0.8p1V1.4001.4=p1V1.4111.4?V1=exp(log(0.8V1.4001.4)/1.4)(10)初選單個(gè)蓄能器體積V0為160L,蓄能器在最低工作壓力時(shí)壓縮腔內(nèi)空氣體積為V1=0.1364264m3又液壓平臺(tái)推動(dòng)用液壓缸內(nèi)柱塞移動(dòng)所需的體積:Vw=x2S=5.1×0.352565=1.79808m3(11)則最高工作壓力下蓄能器壓縮腔內(nèi)氣體體積V2為V2=0.1364264-Vw/a(12)式中:a為蓄能器個(gè)數(shù)。2.1約束條件的優(yōu)化在AMESim軟件中提供了設(shè)計(jì)開發(fā)模塊,利用這些技術(shù)可以拓展設(shè)計(jì)空間。本文利用建立的液壓升降平臺(tái)液壓系統(tǒng)模型,通過對(duì)蓄能器組的最高工作壓力、充氣壓力進(jìn)行試驗(yàn)研究以達(dá)到確定這些參數(shù)的目的。首先,設(shè)置輸入輸出參數(shù),從上面的分析中,可以得到當(dāng)采用40個(gè)160L蓄能器時(shí),平臺(tái)運(yùn)行到位時(shí),蓄能器組內(nèi)氣體體積為0.1364264×40=5.457m3;蓄能器組內(nèi)最低工作壓力應(yīng)略大于或等于負(fù)載作用在動(dòng)力缸上的壓力5.78MPa。因而,以上述兩個(gè)條件作為優(yōu)化約束條件。在滿足上述條件時(shí),如果伺服閥閥芯的最大開度越大,則所需的最高工作壓力越低,因而,以閥芯最大開度不超過10mm時(shí)所能得到的最低充油壓力作為響應(yīng)目標(biāo)。在完成參數(shù)設(shè)置之后,選擇合適的算法進(jìn)行計(jì)算,AMESim提供了兩種算法,本文選擇了NLPQL算法。通過計(jì)算后可以得到如下結(jié)果,蓄能器個(gè)數(shù)N從40—50之間變化時(shí),蓄能器的最高工作壓力,充氣壓力、最終壓力,其值如表1所示。蓄能器壓力、閥芯位移及動(dòng)力缸壓力變化曲線如圖6所示。蓄能器最終工作壓力維持在5.8MPa,伺服閥通過PID控制器的調(diào)節(jié)作用,最大的開度都低于10mm。2.2平臺(tái)下降壓力優(yōu)化算法低壓蓄能器組在本系統(tǒng)中可起到壓力油箱的作用,因而提高低壓蓄能器組在初始狀態(tài)下的充油壓力,有助于減小泵兩端的出口壓力,從而達(dá)到提高泵排量,減小裝機(jī)功率的目的。平臺(tái)下降時(shí),優(yōu)化算法同高壓蓄能器組設(shè)計(jì),確定蓄能器充油壓力、充氣壓力、最終壓力等參數(shù)如表2所示。在滿足最小充油壓力下,蓄能器壓力、閥芯位移及動(dòng)力缸壓力變化曲線如圖7所示。低壓蓄能器最終壓力為5.8MPa,同時(shí)伺服閥最大開度低于10mm,平臺(tái)下降