黃志輝，姜俊超，廖湘華

(中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南長沙 410083)

基于AMESim的遙操作抹光機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

黃志輝，姜俊超，廖湘華

(中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南長沙 410083)

分析了雙盤抹光機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)制，研究抹光機(jī)液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及其工作原理，建立了基于AMESim平臺(tái)的抹光機(jī)液壓系統(tǒng)仿真模型。仿真結(jié)果表明，液壓系統(tǒng)能完成設(shè)定的仿真工況，其仿真結(jié)果對系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化具有參考意義。

抹光機(jī);液壓建模;仿真;AMESim軟件

0 前言

隨著城市建設(shè)高速發(fā)展，地下停車場、廠區(qū)道路、大型廠房地面等大面積混凝土地面不斷增多，對混凝土面層的質(zhì)量要求越來越高。傳統(tǒng)的人工作業(yè)施工方法效率低，而且路面平整度一致性差。使用抹光機(jī)對混凝土地面進(jìn)行抹光可以獲得表面更光滑，品質(zhì)一致性好的密實(shí)耐磨表面，節(jié)省了勞動(dòng)力，提高了施工效率。我國在抹光機(jī)方面的研究、生產(chǎn)以及應(yīng)用方面，都和國外有較大的差距，國內(nèi)產(chǎn)品已無法滿足日益龐大的市場。越來越多的施工單位迫切希望自動(dòng)化的國產(chǎn)抹光機(jī)能夠快速上市，從而替代進(jìn)口產(chǎn)品，減少對國外設(shè)備的依賴。液壓系統(tǒng)在抹光機(jī)上的應(yīng)用使得抹光機(jī)工作更平穩(wěn)可靠，與以往的連桿式操作結(jié)構(gòu)相比，具有響應(yīng)迅速、操作簡易的優(yōu)點(diǎn)，且便于和控制耦合做成高度自動(dòng)化。液壓系統(tǒng)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程需要設(shè)計(jì)者依靠理論計(jì)算和自身積累的豐富經(jīng)驗(yàn)來搭建一個(gè)動(dòng)態(tài)的液壓系統(tǒng)。需要做大量的試驗(yàn)對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試以確定相關(guān)參數(shù)。這種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力且參數(shù)的調(diào)節(jié)比較困難，效果不顯著。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展和仿真平臺(tái)的完善，使用計(jì)算機(jī)對實(shí)際系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)

特性進(jìn)行數(shù)字仿真成為工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的有效手段。在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，調(diào)整參數(shù)即可以研究實(shí)際

物理系統(tǒng)的不同工況，從而可以確定最佳參數(shù)匹配，這樣使得液壓系統(tǒng)和液壓元件的設(shè)計(jì)缺陷在物理成型前就得到了處理，大大地縮短了設(shè)計(jì)周期、降低了設(shè)計(jì)成本。文中的研究基于AMESim仿真軟件，對遙操作抹光機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真和分析，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化和試驗(yàn)參數(shù)調(diào)節(jié)提供有價(jià)值的參考依據(jù)。

1 仿真軟件簡介

AMESim(Advanced Modelling Environment for Performing Simulations of Engineering Systems)高級(jí)工程系統(tǒng)仿真環(huán)境軟件平臺(tái)是法國IMAGINE公司于1995年推出的圖形化的開發(fā)環(huán)境，專門用于工程系統(tǒng)的建模、仿真和動(dòng)態(tài)性能分析。用戶在這個(gè)單一平臺(tái)上可以建立復(fù)雜的多學(xué)科領(lǐng)域的系統(tǒng)模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真計(jì)算和深入分析。該多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真平臺(tái)使得工程師能迅速達(dá)到建模仿真的最終目標(biāo):分析和優(yōu)化工程師的設(shè)計(jì)，從而幫助用戶降低開發(fā)的成本和縮短開發(fā)周期。AMESim為用戶提供了一個(gè)時(shí)域建模仿真環(huán)境，可使用已有模型或創(chuàng)建新的元件模型，搭建用戶所需的實(shí)際模型。面向工程交互設(shè)計(jì)的可視化仿真界面采用標(biāo)準(zhǔn)的ISO元器件圖標(biāo)和簡單直觀的多端口框圖，方便建立模型并修改模型和仿真參數(shù)。

文中的研究正是基于以上AMESim軟件的優(yōu)點(diǎn)而采用該軟件進(jìn)行仿真。

2 遙操作抹光機(jī)液壓系統(tǒng)仿真

2.1 遙操作抹光機(jī)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)制

所研究的抹光機(jī)是雙抹頭的，有兩個(gè)葉輪組，每個(gè)葉輪組有3枚葉片。結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

圖1 遙操作抹光機(jī)結(jié)構(gòu)示意

兩個(gè)抹頭繞安裝軸OA轉(zhuǎn)動(dòng)的方向相反，當(dāng)兩個(gè)抹頭底面BAC均平行于地面時(shí)，抹光機(jī)整機(jī)受外力平衡而不產(chǎn)生移動(dòng)。當(dāng)兩個(gè)抹頭相對地面有一定傾角時(shí) (傾角大小由液壓缸行程多少調(diào)節(jié))，由于摩擦力的大小和方向發(fā)生變化，引起抹光機(jī)整機(jī)受外力不均衡而產(chǎn)生移動(dòng)。若左右葉輪箱籠殼體上施加一水平外力，箱籠殼體和葉輪轉(zhuǎn)軸OA繞點(diǎn)O轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)微小的角度，葉輪底部發(fā)生傾斜與地面間接觸不均勻，內(nèi)側(cè)所受滑動(dòng)摩擦力使抹光機(jī)向前運(yùn)動(dòng)，雙抹頭葉片受力分析如圖2所示。其驅(qū)動(dòng)屬于摩擦驅(qū)動(dòng)。在抹頭轉(zhuǎn)速一定的前提下，運(yùn)動(dòng)速度的大小和運(yùn)動(dòng)方向的改變由兩個(gè)抹頭相對于地面的傾角和主軸傾角變化來協(xié)調(diào)控制。改變水平外力的方向，使葉盤向不同方向傾斜，即可實(shí)現(xiàn)抹光機(jī)的前進(jìn)、后退、旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)。

圖2 葉片受力分析簡圖

2.2 遙操作抹光機(jī)液壓系統(tǒng)建模與仿真

遙操作抹光機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖如圖3所示。動(dòng)力源選用一臺(tái)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，輸出軸通過聯(lián)軸器與三聯(lián)串泵輸入軸聯(lián)接實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞。

圖3 遙操作抹光機(jī)液壓原理圖

雙抹頭的葉輪組抹刀葉片由液壓馬達(dá)8分別驅(qū)動(dòng)，三聯(lián)泵7中的前泵和中泵分別直接驅(qū)動(dòng)兩個(gè)液壓馬達(dá)。要求抹頭葉輪工作轉(zhuǎn)速在40～120 r/min范圍內(nèi)，為防止啟動(dòng)造成過大的瞬時(shí)沖擊，設(shè)計(jì)引入了常開式電磁比例溢流閥11。當(dāng)抹光機(jī)啟動(dòng)時(shí)，雙泵出口壓力油經(jīng)溢流閥開口回流至液壓油箱;線圈14YA得電則將電磁比例溢流閥閥口緩慢關(guān)閉，馬達(dá)受到的驅(qū)動(dòng)壓力逐漸上升直至馬達(dá)輸出扭矩能克服葉片受到的摩擦阻力而使葉輪組轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到微沖擊啟動(dòng)的目的。當(dāng)需要停車時(shí)，將14YA斷電則可打開電磁比例溢流閥閥口使壓力油回流至油箱，馬達(dá)受到的驅(qū)動(dòng)壓力減小直至馬達(dá)輸出扭矩不足以克服葉片阻力而使葉輪組停止轉(zhuǎn)動(dòng)，然后關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)即可。三聯(lián)泵7中的后泵為執(zhí)行元件液壓缸及其控制回路供油?？紤]到電磁閥的使用壽命和系統(tǒng)的使用穩(wěn)定性對油液清潔度的要求，在后泵出油口增加了一個(gè)管路過濾器15。設(shè)計(jì)單作用液壓油缸通過壓盤機(jī)構(gòu)對葉片傾角進(jìn)行調(diào)節(jié)。電磁換向閥18.4的線圈1YA通電時(shí)，閥口打開，壓力油流經(jīng)節(jié)流閥21.1進(jìn)入單作用液壓油缸，活塞下壓經(jīng)壓盤機(jī)構(gòu)使葉片傾角增大。斷開電磁換向閥18.4的線圈1YA，使電磁換向閥18.3的線圈2YA得電，則單作用液壓缸壓力腔的壓力油經(jīng)過節(jié)流閥21.1，電磁換向閥18.3至油箱回路接通，由于抹光機(jī)自重使得單作用液壓缸的活塞回縮，葉片傾角隨之減小。兩個(gè)抹頭的傾角要基本一致，為此需要對電磁換向閥進(jìn)行必要的邏輯控制。3個(gè)雙作用液壓油缸19.1、19.2、19.3調(diào)節(jié)主軸傾角。在液壓缸進(jìn)油路上引入了電磁比例減壓閥16.1、16.2、16.3，通過控制閥口壓力即可達(dá)到控制主軸傾角的目標(biāo)。

對圖3進(jìn)行必要的合理簡化后，啟動(dòng)AMESim軟件，進(jìn)入草圖模式，從元件庫中分別選取恰當(dāng)?shù)脑罱ㄒ簤合到y(tǒng)模型。模型搭建過程中盡量選取已有的集成好的模型，當(dāng)沒有對應(yīng)的恰當(dāng)模型時(shí)選用合適模型進(jìn)行組配以達(dá)到使用性能。對于特殊的元件則需要進(jìn)行獨(dú)立建模。

圖4 液壓系統(tǒng)仿真模型

表1 基本參數(shù)

仿真用到的主要參數(shù)如表1。

整機(jī)質(zhì)量根據(jù)市場調(diào)研和設(shè)計(jì)要求設(shè)定，阻力矩極值是在葉片極限傾角和主軸極限傾角下測算得出的結(jié)果。

因結(jié)構(gòu)需要將單作用液壓缸設(shè)計(jì)為中空環(huán)式，仿真時(shí)，在模型中選用單端口單桿液壓缸進(jìn)行代替。控制單作用液壓缸的兩位兩通電磁閥最大流量20 L/min，工作電流40 mA，工作頻率50 Hz。主要參數(shù)如表2。

表2 單作用液壓缸參數(shù)

為了保證仿真結(jié)果的可靠性，該模型中液壓缸承受的載荷采用液壓缸承受的最大載荷。電磁比例減壓閥控制進(jìn)入雙作用液壓缸的油液壓力，其壓力 (0～5 MPa)大小與工作電流 (0～1.8 A)成比例輸出。三位四通電磁換向閥控制雙作用液壓缸的輸出力的方向，最大流量25 L/min，工作電流40 mA，工作頻率50 Hz。主要參數(shù)如表3。

表3 雙作用液壓缸參數(shù)

為了最大限度地使系統(tǒng)仿真結(jié)果符合實(shí)際工作情況，考慮了油路的壓力損失，包括沿程壓力損失和局部壓力損失。管路參數(shù)依據(jù)管路設(shè)計(jì)長度、管徑、粗糙度等在模型中設(shè)定參數(shù)。因數(shù)據(jù)繁多，文中不再贅述。

2.3 仿真結(jié)果與分析

仿真系統(tǒng)要求整機(jī)啟動(dòng)時(shí)間為2 s，估算液壓缸行程時(shí)間為3 s，設(shè)置仿真時(shí)間為30 s，時(shí)間步長為0.1 s。需要在施工前根據(jù)混凝土面狀況調(diào)整好葉片傾角，在施工過程中一般不調(diào)整葉片傾角，但是要在施工過程中隨時(shí)調(diào)整主軸傾角以調(diào)整整機(jī)的行進(jìn)方向和行駛速度。仿真結(jié)果如下:考慮混凝土表面對葉片的阻力是變化，將地面對葉片的阻力矩設(shè)定在計(jì)算值附近±10%隨機(jī)波動(dòng)。圖5所示為變阻力矩時(shí)的馬達(dá)輸出力矩。圖6為馬達(dá)流量波動(dòng)。圖7為泵出口壓力波動(dòng)，圖8為泵輸入扭矩波動(dòng)。

圖5 變阻力時(shí)馬達(dá)輸出力矩

圖6 變阻力時(shí)馬達(dá)流量

圖7 泵出口壓力

圖8 泵輸入扭矩

仿真中如果采用恒阻力矩，則得到光滑的曲線。此處各參數(shù)的波動(dòng)隨變輸入阻力矩的波動(dòng)而波動(dòng)，如果澆注混凝土不均勻?qū)?dǎo)致阻力矩有較大的波動(dòng)。阻力矩的波動(dòng)引起馬達(dá)輸出力矩，流量等參數(shù)波動(dòng)。液壓系統(tǒng)中前泵和中泵分別控制兩個(gè)液壓馬達(dá)，當(dāng)葉輪組受到不同的阻力矩時(shí)，一組泵－馬達(dá)系統(tǒng)受另一組的影響很小。此液壓系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

葉片傾角調(diào)整過程中，單作用液壓缸參數(shù)的變化。此處仿真模擬單作用液壓缸一個(gè)往復(fù)行程，葉片傾角隨著活塞位移增大逐漸增大，當(dāng)達(dá)到最大位移時(shí)葉片傾角最大。在任意位移處均可實(shí)現(xiàn)位置保持以保持特定的葉片傾角。圖9—11分別為單作用液壓缸的流量、活塞位移和壓力變化圖。

圖9 流量變化

圖10 活塞位移變化

圖11 壓力變化

雙作用液壓缸控制主軸傾角的調(diào)整。由于整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，活塞桿的行程較小。速度和行進(jìn)方向的調(diào)整要求響應(yīng)要快，為此活塞桿的速度相對要大一些。液壓缸及其控制閥路由后泵供油，液壓缸在換向時(shí)對后泵出口壓力造成了一定波動(dòng)。在選用液壓元器件時(shí)應(yīng)當(dāng)注意波動(dòng)的影響。圖12—15分別為雙作用液壓缸的壓力變化、流量波動(dòng)、活塞桿速度和后泵輸出口壓力變化圖。

圖12 雙作用液壓缸壓力變化

圖13 雙作用液壓 缸流量波動(dòng)

圖14 雙作用液壓缸 活塞桿速度

圖15 后泵輸出口壓力

3 結(jié)論

分析了遙操作抹光機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)制為不平衡的摩擦力驅(qū)動(dòng)，在此基礎(chǔ)上對設(shè)計(jì)目標(biāo)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理優(yōu)化。研究了遙操作抹光機(jī)液壓系統(tǒng)構(gòu)成和工作原理，建立了基于AMESim的遙操作抹光機(jī)液壓系統(tǒng)模型。通過仿真得到了抹光機(jī)啟動(dòng)停止和轉(zhuǎn)向變速時(shí)系統(tǒng)中各元件的壓力和流量變化。結(jié)果顯示遙操作抹光機(jī)液壓系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，證明了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，為優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)選取和樣機(jī)試驗(yàn)提供參考。

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Design and Simulation of Hydraulic System for Teleoperation Troweling Machine Based on AMESim

HUANG Zhihui，JIANG Junchao，LIAO Xianghua
(College of Mechanical and Electrical Engineering，Central South University，Changsha Hunan 410083，China)

The drivemechanism of double plate trowelingmachinewas analyzed.The structural componentand operation principle about the trowelingmachine hydraulic system were studied.Simulation model of troweling machine hydraulic system was established based on AMESim platform.The simulation results show that the hydraulic system canmeet the setting of simulation working condition，which has a valuable reference to the system design and optimization.

Trowelingmachine;Hydraulic modeling;Simulation;AMESim software

TH137

A

1001－3881(2015)21－179－4

10.3969/j.issn.1001 －3881.2015.21.044

2014－09－12

黃志輝 (1952—)，男，碩士，教授，從事機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)、精密測試與控制及工程機(jī)械裝備研究。E－mail:JJChao1120@.com。