陶柳，何奇

(1.四川工程職業(yè)技術(shù)學院車輛工程系，四川德陽618000;2.長沙長泰機器人有限公司機器人研究院，湖南長沙 410117)

隧道多功能作業(yè)臺車是集機、電、液于一體的現(xiàn)代特種作業(yè)裝備，從樣機的造價比例來看，投入液壓設備的資金已達到臺車總造價的30%。在樣機的生產(chǎn)過程中，如果出現(xiàn)閥件重復替換，除了造成資金的浪費使制造成本增加外，還會大大延緩臺車的研發(fā)周期。運用計算機仿真技術(shù)對設計的液壓系統(tǒng)關(guān)鍵控制回路進行分析，不僅可以縮短液壓系統(tǒng)的開發(fā)周期，還能避免反復試驗和采購帶來的經(jīng)濟損失。通過前期仿真結(jié)果預判所設計液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠程度，使設計人員做到胸有成竹。

對比一系列的液壓系統(tǒng)仿真軟件，AMESim具有在仿真過程中通用性強、元件模型庫配備完善、建模直觀簡單且仿真精度較高等優(yōu)點，因而成為了對液壓系統(tǒng)進行故障診斷和設計仿真時的首選。如:汪宇亮基于工程機械液壓系統(tǒng)的故障診斷，驗證了基于AMESim的仿真分析方法是液壓系統(tǒng)故障診斷的一個有效途徑，并證明了應用功率流的建模思想可以實現(xiàn)液壓系統(tǒng)的故障注入［1］;陸雪峰通過分析錨桿支護作業(yè)平臺液壓系統(tǒng)的組成和工作特點，使用AMESim液壓庫子模型對平臺泵變量系統(tǒng)進行了建模和仿真，驗證了泵變量系統(tǒng)的工作特性符合實際工作要求［2－3］

目前我國隧道作業(yè)臺車剛剛起步，國內(nèi)對臺車液壓系統(tǒng)關(guān)鍵控制回路的仿真案例近乎為零，因此作者在借鑒其他領域液壓系統(tǒng)仿真實例的基礎上，采用AMESim和MATLAB軟件進行聯(lián)合仿真，分析并驗證系統(tǒng)在當前設計下的穩(wěn)定性和合理性，希望能為后續(xù)臺車液壓系統(tǒng)的開發(fā)提供一定的思路和幫助。

1 動臂與調(diào)平聯(lián)動模塊建立

研究發(fā)現(xiàn)，隧道多功能作業(yè)臺車動臂升降過程中平臺的穩(wěn)定性是通過動臂油缸與調(diào)平油缸的聯(lián)動變化控制的。分析計算得出:當動臂油缸與調(diào)平油缸伸縮變化量滿足1.167∶1的比例關(guān)系時，升降過程中平臺相對于水平面的傾角變化最?。?］。因而當進行聯(lián)動控制時，動臂油缸與調(diào)平油缸必須同時供油，且流量大小還需通過調(diào)速閥進行嚴格比例控制。最后設計繪制如圖1所示動臂與調(diào)平聯(lián)動模塊的液壓控制原理圖。設計中考慮在工作中調(diào)平油缸也必須具備保持功能，所以調(diào)平調(diào)速互鎖集成閥塊內(nèi)除含有兩個單向調(diào)速閥外，還包括雙液控單向鎖。

圖1 動臂與調(diào)平聯(lián)動控制模塊油路

2 液壓系統(tǒng)建模與仿真

2.1 模型的建立

利用AMESim液壓元件庫 (Hydraulic)、信號元件庫 (Signal，Control)、機械元件庫 (Mechanical)和HCD模型庫 (Hydraulic Component Design)以及接口模塊共同建立聯(lián)動調(diào)平控制回路的仿真模型，如圖2所示。

圖2 仿真模型

圖2中，油源、溢流閥、換向閥、單向調(diào)速閥、液壓缸、液壓鎖、位移傳感器和信號源等元器件均在元件庫中直接選取。

根據(jù)定級及流量計算數(shù)據(jù)［3］，各元器件仿真主要參數(shù)見表1。

表1 控制回路仿真模型主要參數(shù)設置

2.2 仿真結(jié)果

模擬兩動臂油缸實際工況同步特性時，其左右兩邊所受負載力是不相同的，前期在位移與負載函數(shù)的建立過程中，已將左右兩邊負載偏差擬定為95%。仿真執(zhí)行完成后，查看左右動臂油缸位移曲線和位置偏差量曲線分別如圖3和圖4所示。

圖3 左右動臂油缸的位移曲線

圖4 左右動臂油缸位移偏差曲線

可以看出:左右動臂油缸存在一定偏差，且隨著平臺舉升高度的升高，位移累積偏差增大，其最大累積偏差可達17.45 mm。而分析表明油缸伸長量越大所受負載力變小，故在位移偏差較大的地方其所受負載力相對很小，因而不會有單邊油缸超負荷現(xiàn)象的產(chǎn)生，這樣油缸的使用壽命和平臺的安全性得到保證。

圖5和圖6分別為左右動臂油缸速度曲線和速度偏差曲線。由圖5可知:在油缸開始運動和停止運動時均產(chǎn)生一定的液壓沖擊，換向閥開啟緩沖時間約為0.3 s，左右油缸的速度基本維持在0.1 m/s，持續(xù)運動約14 s油缸伸長至最大行程處。圖6表明:左右動臂速度偏差值很小，這得益于分流集流閥的自動調(diào)節(jié)作用。下面通過查看分流集流閥進出口流量分析動臂抬升過程中閥件的分流精度。

圖5 左右動臂油缸速度曲線

圖6 左右動臂油缸速度偏差曲線

圖7為動臂抬升過程中分流集流閥的進口流量曲線，在前端調(diào)速閥的控制下，其穩(wěn)態(tài)流量Qs=190.014 L/min;圖8表示動臂抬升過程中分流集流閥左右端的出口流量曲線，由于作用于左右動臂油缸的負載不同，導致左右端出口流量存在一定的偏差。圖中所示，分流集流閥左端出口流量為Q1=94.488 2 L/min，右端出口流量為Q2=95.593 9 L/min。

圖7 動臂抬升過程中分流集流閥進口流量曲線

圖8 動臂抬升過程中分流集流閥出口流量曲線

為了分析分流集流閥的分流精度，引入閥件速度同步誤差公式如［2］:

討論分流集流閥穩(wěn)態(tài)過程的速度同步誤差，將穩(wěn)態(tài)時進出口流量Q1、Q2和Qs代入上式，即可求得分流集流閥的速度同步誤差為:

由此可知，選用該參數(shù)的分流集流閥在此工況下速度同步誤差很小，能很好地適應此工況下的分流要求。

研究得知當執(zhí)行元件的負載力Fx引起調(diào)速閥進出口壓力差的變化超過最小壓差時，此時節(jié)流閥進出口壓差為定值［4］。而從圖5和圖8中速度和流量曲線可以看出，左右動臂油缸的運動速度和進口流量在調(diào)速閥和分流集流閥的作用下基本維持恒定，由此可知，左右動臂油缸的進口壓力一定如圖9所示隨負載變化而不斷發(fā)生變化。

圖9 動臂油缸大腔進口壓力曲線

通過仿真結(jié)果可知:在實際工況的聯(lián)合仿真中，由于平臺自重、調(diào)速閥、分流集流閥等的存在，雙動臂油缸的同步精度、聯(lián)動調(diào)平過程中平臺的升降平穩(wěn)性在此設計回路中可以得到保證。

3 小結(jié)

采用AMESim和MATLAB/Simulink聯(lián)合仿真的方式，在實際工況下對重要控制回路進行適應性探討，分析了左右臂油缸的位移、速度以及分流集流閥進出口流量的變化、誤差曲線。通過仿真結(jié)果可知，在實際工況的聯(lián)合仿真中，雙動臂油缸的同步精度、聯(lián)動調(diào)平過程中平臺的升降平穩(wěn)性在此設計回路中可以得到保證。

［1］汪宇亮.基于AMESim的工程機械液壓系統(tǒng)故障仿真研究［D］.武漢:武漢理工大學，2012.

［2］陸雪峰.錨桿支護作業(yè)平臺的設計與仿真研究［D］.青島:山東科技大學，2012.

［3］陳子建，王振濤，趙華.液壓系統(tǒng)節(jié)流調(diào)速回路分析及應用［J］.機床與液壓，2010，38(4):58 －60.

［4］何奇.隧道多功能作業(yè)臺車工作裝置液壓系統(tǒng)開發(fā)與研究［D］.湘潭:湘潭大學，2013.