孫大宇，劉文強(qiáng)，丁志堅(jiān)

● （1．北京京誠鳳凰工業(yè)爐工程技術(shù)有限公司，北京 102600；2．上海海岳液壓機(jī)電工程有限公司，上海 200031）

基于AMEsim的大慣性負(fù)載液壓系統(tǒng)的仿真

孫大宇1，劉文強(qiáng)2，丁志堅(jiān)2

● （1．北京京誠鳳凰工業(yè)爐工程技術(shù)有限公司，北京 102600；2．上海海岳液壓機(jī)電工程有限公司，上海 200031）

大慣性負(fù)載液壓系統(tǒng)通常采用帶壓力補(bǔ)償器的比例節(jié)流調(diào)速回路，針對加熱爐步進(jìn)梁液壓系統(tǒng)，用AMEsim仿真軟件來模擬系統(tǒng)的運(yùn)行，基本符合現(xiàn)實(shí)的工況。

加熱爐步進(jìn)梁進(jìn)退液壓系統(tǒng)；壓力補(bǔ)償器；AMEsim仿真

0 引言

大慣性液壓系統(tǒng)的特點(diǎn)是負(fù)載質(zhì)量大，質(zhì)量大容易造成系統(tǒng)運(yùn)行不平穩(wěn)、定位難度大等問題，因此在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要足夠的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來完成設(shè)計(jì)，對于經(jīng)驗(yàn)尚缺的設(shè)計(jì)人員，在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析中，應(yīng)用仿真軟件來對系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)分析和判斷是很有必要的，可以以此來彌補(bǔ)經(jīng)驗(yàn)上的欠缺。

AMEsim作為一種圖形化建模軟件，為用戶提供了圖形作為建模的接口，能更直觀的反應(yīng)出系統(tǒng)運(yùn)行的效果。其在參數(shù)調(diào)整方面也比較方便，便于用戶對系統(tǒng)的動態(tài)特性進(jìn)行分析。

本文以加熱爐步進(jìn)梁進(jìn)退液壓系統(tǒng)為例，運(yùn)用AMEsim仿真軟件對其進(jìn)行仿真，可以直觀的觀察液壓系統(tǒng)的“速度-時(shí)間”曲線和“位移-時(shí)間”曲線，通過改變設(shè)定的參數(shù)可以為液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化提供一條有效途徑。

1 系統(tǒng)原理

加熱爐步進(jìn)梁分為進(jìn)退和升降兩個(gè)工況，這里以進(jìn)退液壓系統(tǒng)作為仿真對象。某鋼廠的加熱爐步進(jìn)梁進(jìn)退液壓系統(tǒng)的負(fù)載為205t，水平框架自重為37t，步進(jìn)時(shí)間為4s。圖 1為步進(jìn)液壓系統(tǒng)原理圖，此回路為比例節(jié)流調(diào)速回路。比例節(jié)流調(diào)速回路在液壓系統(tǒng)中應(yīng)用比較廣泛，其動、靜態(tài)特性受元件的設(shè)定參數(shù)等多種因素的影響。當(dāng)參數(shù)調(diào)整不合理時(shí)，調(diào)速回路的作用無法發(fā)揮，甚至?xí)绊懙秸麄€(gè)液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，在液壓回路設(shè)計(jì)和分析中，設(shè)計(jì)人員有必要運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真的方法對比例節(jié)流調(diào)速回路的動態(tài)特性進(jìn)行分析和判斷。

圖1 步進(jìn)液壓系統(tǒng)原理圖

壓力補(bǔ)償器對比例方向閥前后的壓力差起補(bǔ)償作用。當(dāng)供油壓力或負(fù)載壓力發(fā)生變化時(shí)，比例方向閥前后的壓力差保持穩(wěn)定，因?yàn)榱魉俚恼{(diào)節(jié)不受壓力變化的干擾。

液控單向閥主要是在設(shè)備停止供壓力油時(shí)，封閉油缸的兩腔，使油缸保持位置。普通單向閥起補(bǔ)油的作用。溢流閥起安全保護(hù)作用。

2 建模與仿真分析

根據(jù)液壓系統(tǒng)原理圖，采用AMEsim標(biāo)準(zhǔn)液壓元件庫中的元件來建模。在系統(tǒng)模型中，用E型機(jī)能的比例換向閥來代替J型機(jī)能的比例換向閥，從而省略了液控單向閥，且省略了補(bǔ)油單向閥；用一個(gè)溢流閥代替兩個(gè)溢流閥，在不影響系統(tǒng)原理的原則下使仿真模型變的簡單，同時(shí)也方便模型參數(shù)的設(shè)定；通過線性信號源和位移傳感器信號的函數(shù)運(yùn)算，來控制比例換向閥的開口大小，從而達(dá)到調(diào)節(jié)負(fù)載步進(jìn)速度的作用；負(fù)載采用的是一個(gè)有位移限制的質(zhì)量塊來模擬的；壓力補(bǔ)償器是用液壓元件庫中的梭閥和減壓閥搭建而成的，能保證比例換向閥前后壓力差的穩(wěn)定。

圖2 步進(jìn)梁進(jìn)退液壓系統(tǒng)AMEsim模型

AMEsim模型如圖2所示，主要參數(shù)如下：油缸活塞直徑160mm，活塞桿直徑110mm，油缸有效行程260mm，重載時(shí)質(zhì)量塊質(zhì)量242t，空載時(shí)質(zhì)量塊質(zhì)量37t，摩擦系數(shù)0.05，系統(tǒng)壓力設(shè)定為15MPa。

2.1 重載時(shí)的運(yùn)行情況

在AMEsim仿真平臺上運(yùn)行圖2所示的仿真模型，得到如下結(jié)果：圖3為負(fù)載“速度-時(shí)間”曲線；圖4為負(fù)載“位移-時(shí)間”曲線。

通過“速度-時(shí)間”曲線和“位移-時(shí)間”曲線可以直觀的看出負(fù)載時(shí)的運(yùn)行情況。從曲線來分析：步進(jìn)梁前進(jìn)過程可以分為加速，勻速，減速，勻速，停止這5個(gè)階段。在低速運(yùn)行時(shí)停止，需要保證定位的可靠性。

圖3 負(fù)載“速度-時(shí)間”曲線

2.2 空載時(shí)的運(yùn)行情況

在AMEsim仿真平臺上運(yùn)行圖3所示的仿真模型，得到如下結(jié)果：圖5為空載“速度-時(shí)間”曲線；圖6為空載“位移-時(shí)間”曲線。

圖5 空載“速度-時(shí)間”曲線

圖6 空載“位移-時(shí)間”曲線

比較負(fù)載和空載時(shí)“速度-時(shí)間”曲線和“位移-時(shí)間”曲線，可以明顯的看出在空載時(shí)速度波動較小。在停止過程中，由于空載時(shí)慣性比重載時(shí)小，所以曲線比較平滑，說明空載時(shí)定位的精度比重載時(shí)好。通過減速運(yùn)行然后再停止，基本上能保證位移偏差在1mm范圍內(nèi)，慣性越大，偏差也越大。

3 結(jié)論

通過與現(xiàn)場技術(shù)人員的交流和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比，確認(rèn)了此次仿真數(shù)據(jù)與現(xiàn)實(shí)情況基本相符。因而運(yùn)用AMEsim仿真，方便設(shè)計(jì)人員改善系統(tǒng)，大大的降低系統(tǒng)的出錯(cuò)率，有效地提高效率，并且能夠較好地反映出液壓系統(tǒng)的動態(tài)性能，對系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)具有較大的實(shí)際意義。

[1]付永領(lǐng).LMS lmagine.Lab AMEsim系統(tǒng)建模和仿真[M].北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2011.

[2]雷天覺.新編液壓工程手冊[M].北京: 北京理工大學(xué)出版社, 1999.

[3]郭曉松.工程機(jī)械的節(jié)流調(diào)速液壓回路仿真分析[J].機(jī)床與液壓, 2009, 37(6): 206-208.

荷蘭Hydrosta開發(fā)緊湊型電力推進(jìn)系統(tǒng)

荷蘭Hydrosta公司開發(fā)出一種新型電力推進(jìn)系統(tǒng)，由于采用了高壓運(yùn)轉(zhuǎn)模式，因此設(shè)備的體積較小，被稱為是同類產(chǎn)品中最為緊湊的推進(jìn)系統(tǒng)。

Hydrosta公司生產(chǎn)多種船用設(shè)備，包括側(cè)推進(jìn)器和螺旋槳，其中最為著名的當(dāng)屬PM推進(jìn)器。由于這種全向推進(jìn)器的液壓馬達(dá)安裝在推進(jìn)器的豎軸上，因此可以實(shí)現(xiàn)180°的旋轉(zhuǎn)，從而提高了機(jī)動性和推力。阿姆斯特丹的許多游船都采用PM推進(jìn)器。考慮到這些游船為了減少排放今后將采用電力推進(jìn)器，Hydrosta公司為此開發(fā)出了這款新產(chǎn)品。

由于常規(guī)的100kW電動馬達(dá)既大又重，該公司曾試圖為電力推進(jìn)器開發(fā)出體積與液壓馬達(dá)相當(dāng)?shù)木o湊型電動馬達(dá)，但最后不得不從德國AMK公司進(jìn)口。由于這種馬達(dá)可以在高壓下運(yùn)轉(zhuǎn)，從而使體積更小的設(shè)計(jì)成為了可能。下一步將是開發(fā)控制系統(tǒng)以及410V交流馬達(dá)的電池系統(tǒng)。更高電壓的交流馬達(dá)將采用永磁技術(shù)，航速控制將通過變頻而不是變壓，馬達(dá)也將會變得更小和更輕。

由于電池只能在直流電下工作，因此需要開發(fā)出輸入電壓750V的充電系統(tǒng)，以接收發(fā)電機(jī)的電力。電池組由60塊12V電池組成，可以為游船全天運(yùn)行提供足夠的電力。充電將在夜晚進(jìn)行，此時(shí)游船已經(jīng)停運(yùn)。通過幾臺逆變器可將750V直流電轉(zhuǎn)換為400V交流電。

電池組還可用于驅(qū)動艏側(cè)推進(jìn)器，以及滿足船上的用電需要。該公司經(jīng)理Leo Stam說：“由于系統(tǒng)采用高電壓，我們必須對接線和接頭格外小心。所有的外接線路均有護(hù)套和地線的保護(hù)，整個(gè)系統(tǒng)也采取了防水措施?！?/p>

為了配合電動推進(jìn)系統(tǒng)的使用，Hydrosta還開發(fā)出相應(yīng)的控制系統(tǒng)。操縱桿控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了與自動駕駛儀和電子導(dǎo)航系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)。雖然這一電動推進(jìn)裝置可以在很大程度上實(shí)現(xiàn)無人駕駛，但阿姆斯特丹的25艘游船需要首先有岸基充電設(shè)施的支持，才能實(shí)現(xiàn)電動運(yùn)營。

Simulation of High Inertia Loads Hydraulic System Based on AMEsim

SUN Da-yu1, LIU Wen-qiang2, DING Zhi-jian2
(1.CERI Phoenix Industrial Furnace Co., Ltd., Beijing 102600, China；2.Shanghai Hydronew Electro-Hydraulic Engineering Co.,Ltd., Shanghai 200031, China)

High inertia loads hydraulic system usually uses throttle speed control circuit with pressure compensator.Simulation software called AMEsim is used to simulate the operation of the hydraulic system in reheating furnace walking beam, which almost accords with the realistic working conditions.

hydraulic system of heating furnace walking beam; pressure compensator; AMEsim simulation

TH137

A

孫大宇（1970-），男，高級工程師。主要從事工業(yè)爐專業(yè)設(shè)計(jì)和研究工作。