基于AEMSim的掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化分析

楊文林，閆炳雷，王忠賓

(1.中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇徐州221116;2.三一重型裝備有限公司，遼寧沈陽110027)

掘進(jìn)機(jī)是集巷道破巖、運(yùn)輸、噴霧除塵為一體的井下作業(yè)裝備，其主要作業(yè)裝備為安裝在截割部末端的截割頭，通過截割升降油缸實(shí)現(xiàn)截割部的升降運(yùn)動，從而完成對井下斷面的截割。截割升降油缸的速度由多路閥控制，每一個油缸都裝配有平衡閥。平衡閥可以防止油管爆裂時截割部自動下落。在正常的工作狀態(tài)下，多路閥輸出的先導(dǎo)壓力使平衡閥開啟，從而實(shí)現(xiàn)截割部正常的升降運(yùn)動。

平衡閥的選型與參數(shù)設(shè)置是影響截割升降平穩(wěn)性的重要因素。目前截割功率超過250 kW 的大型號硬巖掘進(jìn)機(jī)，由于截割部質(zhì)量大，就曾經(jīng)出現(xiàn)過截割部在下降過程中發(fā)生抖動現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了液壓系統(tǒng)穩(wěn)定性以及設(shè)備的正常作業(yè)。

LMS 公司的Imagine.Lab AMESim 軟件是當(dāng)今工業(yè)界功能最全面、最為普及的機(jī)電液智能系統(tǒng)仿真分析平臺，是了解和改善產(chǎn)品動態(tài)特性、提升產(chǎn)品性能、分析和解決產(chǎn)品故障的有效手段。

以掘進(jìn)機(jī)截割部液壓回路為研究對象，利用AMESim 建立其系統(tǒng)仿真模型，研究液壓系統(tǒng)平衡閥參數(shù)對截割部運(yùn)動的影響。利用AMESim 優(yōu)化分析工具，對液壓系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，將液壓系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置與截割部幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化匹配，使系統(tǒng)運(yùn)動平穩(wěn)、高效，以提高液壓系統(tǒng)性能。

1 截割升降液壓系統(tǒng)建模

掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)采用負(fù)載敏感變量系統(tǒng)，升降油缸的速度由負(fù)載敏感比例多路閥控制，截割升降油缸與比例多路閥之間安裝有平衡閥。系統(tǒng)液壓原理如圖1所示。

參照液壓原理圖，利用AMESim 建立掘進(jìn)機(jī)截割部升降控制液壓回路仿真模型，仿真模型包括負(fù)載敏感變量泵、比例多路閥、平衡閥、液壓缸以及截割部等關(guān)鍵系統(tǒng)部件。截割部采用AMESim 的平面機(jī)構(gòu)庫模型(PLM)建模，模型中包含了連接絞點(diǎn)、支撐點(diǎn)、質(zhì)量、總長度等相關(guān)信息。

圖1 截割升降回路液壓原理

負(fù)載敏感變量泵是液壓系統(tǒng)的動力源，其輸出的壓力和液壓系統(tǒng)的負(fù)載壓力相關(guān)，即主油泵的輸出壓力等于LS 反饋壓力與待命壓力之和。液壓泵建模采用PID 閉環(huán)控制算法，設(shè)定主油泵的響應(yīng)時間、比例增益和待命壓力，即得到主油泵仿真模型如圖2所示。

圖2 負(fù)載敏感變量泵仿真模型

掘進(jìn)機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度通過比例多路閥控制。多路閥由比例流量閥和壓力補(bǔ)償器組合而成，壓力補(bǔ)償器保證多路閥的流量只與主閥芯的開度相關(guān)，與負(fù)載壓力無關(guān)，即流量由控制信號決定。比例多路閥的主要參數(shù)包括公稱流量和壓力損失，其仿真模型如圖3所示。

圖3 比例多路閥仿真模型

截割部升降運(yùn)動控制油缸直接安裝在油缸缸體上面，可以防止油管爆裂時截割部自動下落，提供負(fù)載保持和平穩(wěn)的運(yùn)動控制。平衡閥通常成對使用，進(jìn)油時通過單向閥通道進(jìn)油，回油通過由進(jìn)油壓力打開的節(jié)流口回油。平衡閥的主要參數(shù)包括公稱流量、壓降、導(dǎo)壓比以及開啟壓力。平衡閥仿真模型如圖4所示。

圖4 平衡閥仿真模型

截割部的升降運(yùn)動的軌跡在同一個平面內(nèi)，因此截割部機(jī)械結(jié)構(gòu)建模采用AMESim 的平面機(jī)構(gòu)庫模塊。截割部采用一個3 節(jié)點(diǎn)的PLMBOD 模塊表示，其中一個節(jié)點(diǎn)與plmpivot 模塊連接，表示和回轉(zhuǎn)臺連接的鉸接點(diǎn)。另一個節(jié)點(diǎn)與plmjack 模塊連接，表示油缸鉸接點(diǎn)。第3 個節(jié)點(diǎn)為自由節(jié)點(diǎn)，其位置在截割部末端。機(jī)械機(jī)構(gòu)模型如圖5所示。

圖5 截割部機(jī)械結(jié)構(gòu)仿真模型

根據(jù)截割部幾何尺寸，設(shè)定平面機(jī)構(gòu)模塊絞點(diǎn)坐標(biāo)、油缸作用位置、升降回轉(zhuǎn)絞點(diǎn)位置等幾何信息，即可進(jìn)入截割部平面機(jī)構(gòu)仿真裝配圖，如圖6所示。

圖6 截割部平面機(jī)構(gòu)仿真裝配圖

2 截割升降運(yùn)動仿真

截割部升降液壓回路仿真模型如圖7所示。

通過設(shè)置比例多路閥的控制信號，使液壓缸處于下降運(yùn)動狀態(tài)。設(shè)定平衡閥的開啟壓力為28 MPa、仿真時間為5 秒，仿真結(jié)束后得到油缸速度曲線如圖8所示。

由仿真曲線可知:在截割部下降過程中，油缸始終處于抖動狀態(tài)，速度與壓力不平穩(wěn)。將平衡閥的開啟壓力設(shè)定為14 MPa，則仿真曲線如圖9所示。

圖7 截割部升降液壓回路仿真模型

圖8 開啟壓力為28 MPa時油缸速度曲線

根據(jù)以上曲線可知:在該參數(shù)狀態(tài)下，油缸速度和壓力在經(jīng)過短暫抖動后迅速達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)，此時截割部可以平穩(wěn)下降。

3 液壓系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

由截割部下降運(yùn)動仿真可知:平衡閥開啟壓力參數(shù)設(shè)置是影響截割部運(yùn)動平穩(wěn)性的重要因素。利用AMESim 的設(shè)計開發(fā)與優(yōu)化模塊，可以合理設(shè)置參數(shù)，使系統(tǒng)運(yùn)動處于最佳狀態(tài)。對平衡閥開啟壓力進(jìn)行設(shè)置，使系統(tǒng)各項(xiàng)性能滿足要求，該過程為系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計。開展系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計，首先需要定義一個或幾個優(yōu)化過程中需要處理的目標(biāo)量，另外根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)設(shè)定目標(biāo)量的限制條件。

將平衡閥開啟壓力定義成所要加運(yùn)算規(guī)則的輸入量，默認(rèn)值設(shè)定為21 MPa，下限值設(shè)定為14 MPa，上限值設(shè)定為28 MPa。

優(yōu)化仿真的限制條件包括:為避免截割部在下降過程中由于重力作用導(dǎo)致下降速度過快，使液壓缸的流量超出液壓回路所能有效提供的流量;在下降過程中液壓缸最大輸入流量與液壓回路公稱流量之差不超過10 L/min;截割部在下降過程過不會出現(xiàn)向上的抖動;在穩(wěn)態(tài)階段截割部平穩(wěn)下降，截割部速度變化幅度最高不得超過0.02 m/s。優(yōu)化規(guī)則選擇NLPQL，該規(guī)則對初始值是敏感的。經(jīng)過優(yōu)化過程的多次運(yùn)算后，給出了最優(yōu)的解決方案，即得到了最優(yōu)液壓系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置。采用最優(yōu)參數(shù)得到的仿真曲線如圖10所示。

圖10 參數(shù)優(yōu)化后的油缸速度曲線

4 結(jié)論

采用AMESim 液壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)液壓元件模型和控制元件模型，建立了截割部升降運(yùn)動控制液壓回路負(fù)載敏感泵、比例多路閥、平衡閥等元件的仿真模型。采用AMESim 的平面機(jī)構(gòu)庫建立了截割部升降運(yùn)動機(jī)構(gòu)仿真模型。利用仿真模型準(zhǔn)確地模擬了在截割部下降過程中平衡閥開啟壓力對截割部運(yùn)動平穩(wěn)性、壓力沖擊、流量穩(wěn)定性的影響。

采用AMESim 參數(shù)優(yōu)化工具，將平衡閥開啟壓力作為輸入?yún)?shù)，將與截割部運(yùn)動相關(guān)的液壓缸運(yùn)動速度和流量作為輸出參數(shù)，定義最小速度、穩(wěn)態(tài)速度波動、流量誤差為復(fù)合輸出參數(shù)。通過設(shè)計優(yōu)化方法得到了最佳平衡閥開啟壓力設(shè)定值。

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