基于AMESim軟件的取料機(jī)料耙液壓系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

王杰

(唐山學(xué)院機(jī)電工程系，河北唐山 063000)

堆取料機(jī)是水泥行業(yè)在水泥生產(chǎn)的原始材料堆送過(guò)程中用于堆料和取料的主要設(shè)備，是目前國(guó)內(nèi)水泥生產(chǎn)線上的關(guān)鍵設(shè)備，其運(yùn)行狀況會(huì)直接影響水泥生產(chǎn)線的生產(chǎn)。

課題研究的對(duì)象是某公司的取料機(jī)料耙液壓系統(tǒng)。該料耙液壓系統(tǒng)主要由雙聯(lián)葉片泵、比例換向閥、電磁溢流閥及液壓缸組成，該液壓系統(tǒng)利用液壓缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)取料機(jī)的取料動(dòng)作。由于系統(tǒng)采用比例換向閥，設(shè)備造價(jià)及維護(hù)成本較高，因此利用AMESim軟件對(duì)其液壓系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低設(shè)備相關(guān)成本。

1 原料耙液壓系統(tǒng)仿真

1.1 系統(tǒng)仿真模型的建立

原液壓系統(tǒng)原理圖如圖1所示，在AMESim軟件中進(jìn)行料耙液壓系統(tǒng)仿真模型的搭建如圖2所示。

圖1 料耙液壓系統(tǒng)原理圖

圖2 取料機(jī)料耙液壓系統(tǒng)仿真模型

1.2 仿真模型的參數(shù)設(shè)置

該液壓系統(tǒng)中主要設(shè)置的參數(shù)包括:泵、電機(jī)、溢流閥、比例換向閥、液壓缸、單向閥以及高壓膠管和管路的參數(shù)。

(1)電機(jī)、泵等參數(shù)的設(shè)置

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 480 r/min，液壓泵最大排量100 mL/r，液壓泵轉(zhuǎn)速1 480 r/min，液壓缸徑160 mm，液壓缸桿徑110 mm，快進(jìn)時(shí)通過(guò)管路的流量241.3 L/min，快退時(shí)通過(guò)管路的流量127.2 L/min，運(yùn)動(dòng)黏度ν=1.5 cm2/s，液壓油密度ρ=920 kg/m3。

(2)比例換向閥參數(shù)的設(shè)置

因?yàn)锳EMSim軟件中的通用標(biāo)準(zhǔn)元件庫(kù)里的元件結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，為了更加接近真實(shí)的仿真結(jié)果，在此利用HCD庫(kù)里的部件搭建出比例換向閥的模型，如圖3所示。比例換向閥控制信號(hào)如圖4所示。

圖3 比例換向閥仿真模型

換向閥的型號(hào)為D81FHB32F4NS00，最大壓力35 MPa，每控制邊壓降為0.5 MPa時(shí)通過(guò)最大流量為310 L/min，為了換向平穩(wěn)，比例換向閥采用梯形信號(hào)，為了越過(guò)比例閥的死區(qū)，設(shè)置得電信號(hào)起點(diǎn)為15 mA。

圖4 比例換向閥控制信號(hào)

(3)電磁溢流閥參數(shù)的設(shè)置

系統(tǒng)壓力12 MPa，選用的電磁溢流閥為RS25M35S4SN1JW，其公稱(chēng)流量為350 L/min，最高壓力35 MPa，電磁鐵需要電壓24 V，電流1.25 A，響應(yīng)時(shí)間得電32 ms/失電40 ms，電磁溢流閥用一個(gè)普通溢流閥并聯(lián)一個(gè)二位二通電磁換向閥。

(4)單向閥參數(shù)的設(shè)置

單向閥S25A1.0/2的開(kāi)啟壓力0.05 MPa，通過(guò)最大流量為400 L/min;單向閥RVP20-10的開(kāi)啟壓力0.05 MPa，通過(guò)最大流量為230 L/min。

(5)液壓缸和負(fù)載參數(shù)的設(shè)置

液壓缸選尺寸為φ160/φ110-4200，運(yùn)動(dòng)部件重力900 kN，靜摩擦阻力Fuj為180 kN，動(dòng)摩擦阻力Fud為90 kN。

(6)其他元件參數(shù)的設(shè)置

系統(tǒng)高壓膠管內(nèi)徑d1=38 mm，無(wú)縫鋼管內(nèi)徑d2=32 mm，回油過(guò)濾器堵塞開(kāi)啟壓力為0.3 MPa。

2.3 動(dòng)態(tài)特性的分析

根據(jù)運(yùn)動(dòng)速度和行程，取仿真時(shí)間為100 s，步長(zhǎng)為0.1 s。仿真結(jié)果如圖5—8所示。

圖5 負(fù)載位移變化曲線(采用比例換向閥)

圖6 負(fù)載速度變化曲線(采用比例換向閥)

圖7 缸受力變化曲線(采用比例換向閥)

圖8 有桿腔與無(wú)桿腔壓力曲線比較 (采用比例換向閥)

分析缸的受力和壓力仿真曲線可知液壓缸在啟動(dòng)之初和換向時(shí)存在很小的波動(dòng);觀察負(fù)載的位移和速度變化曲線可知在換向過(guò)程中速度和位移比較平穩(wěn)，料耙運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的沖擊很小，系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行;觀察負(fù)載的位移和速度，即料耙的位移和速度曲線可知，該系統(tǒng)完全能滿(mǎn)足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，而且具有較好的系統(tǒng)性能。

2 取料機(jī)料耙液壓系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于該系統(tǒng)采用比例換向閥，系統(tǒng)的造價(jià)及維護(hù)成本較高，應(yīng)企業(yè)要求對(duì)該液壓系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以期將系統(tǒng)的成本降低。首先利用電液換向閥替代比例換向閥進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化。

2.1 利用電液換向閥替代比例換向閥

2.1.1 系統(tǒng)仿真模型的建立

根據(jù)電液換向閥的壓降性能曲線 (見(jiàn)圖9)，利用HCD庫(kù)部件搭建的電液換向閥如圖10所示。

圖9 電液換向閥的壓降性能曲線

圖10 電液換向閥模型

搭建取料機(jī)料耙液壓系統(tǒng)的AMESim仿真模型如圖11所示。

圖11 取料機(jī)料耙液壓系統(tǒng)仿真模型

2.1.2 模型的參數(shù)設(shè)置

對(duì)上述料耙液壓系統(tǒng)模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

(1)電液換向閥參數(shù)的設(shè)置

電液換向閥的型號(hào)為D81DW1C4NJW，最大壓力為35 MPa，通過(guò)最大流量為300 L/min。

(2)單向節(jié)流閥參數(shù)的設(shè)置

選用FM6DDKV疊加式雙單向節(jié)流閥，最大壓力為35 MPa，通過(guò)最大流量為250 L/min。

2.1.3 動(dòng)態(tài)特性的分析

根據(jù)運(yùn)動(dòng)速度和行程，取仿真時(shí)間為100 s，步長(zhǎng)為0.1 s。仿真結(jié)果如圖12—15所示。

圖12 負(fù)載位移變化曲線(采用電液換向閥)

圖13 負(fù)載速度變化曲線(采用電液換向閥)

圖14 缸受力變化曲線(采用電液換向閥)

圖15 有桿腔與無(wú)桿腔壓力曲線比較 (采用電液換向閥)

分析缸的受力和壓力仿真曲線可知液壓缸在啟動(dòng)之初和換向的時(shí)候存在比較大的波動(dòng);觀察液壓缸的位移和速度變化曲線可知設(shè)計(jì)的液壓原理圖能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但在換向過(guò)程中仍存在較小的波動(dòng)，所以利用電液換向閥和單向節(jié)流閥的液壓系統(tǒng)會(huì)存在比較大的液壓沖擊，伴隨著較大的噪聲產(chǎn)生。液壓沖擊是因?yàn)橥蝗粨Q向引起的，所以可以通過(guò)適當(dāng)延長(zhǎng)換向時(shí)間來(lái)減小液壓沖擊，據(jù)此對(duì)現(xiàn)在搭建的模型進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 加緩沖回路的液壓系統(tǒng)

2.2.1 仿真模型的建立

將溢流閥添加在靠近液壓缸回路上，組成緩沖回路。搭建的液壓系統(tǒng)仿真模型如圖16所示。

圖16 加緩沖回路的液壓系統(tǒng)仿真模型

2.2.2 仿真模型的參數(shù)設(shè)置

對(duì)料耙液壓系統(tǒng)的模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，只需要再設(shè)置溢流閥的參數(shù)。選用先導(dǎo)式溢流閥R25M35K4SN。通過(guò)最大流量350 L/min，額定壓力35 MPa，初始設(shè)置溢流閥的調(diào)定壓力為11.2 MPa和12.4 MPa。

2.2.3 動(dòng)態(tài)特性的分析

根據(jù)運(yùn)動(dòng)速度和行程，取仿真時(shí)間為100 s，步長(zhǎng)為0.1 s。仿真結(jié)果如圖17—20所示。

圖17 負(fù)載位移變化曲線 (加緩沖回路)

圖18 負(fù)載速度變化曲線 (加緩沖回路)

圖19 缸受力變化曲線(加緩沖回路)

圖20 有桿腔與無(wú)桿腔壓力曲線比較 (加緩沖回路)

分析缸的受力和壓力仿真曲線可知液壓缸在啟動(dòng)之初和換向時(shí)的波動(dòng)減小;觀察液壓缸的位移和速度變化曲線可知設(shè)計(jì)的液壓原理圖能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，換向時(shí)的液壓沖擊得到緩解。分析仿真結(jié)果可知:采用比例換向閥的液壓系統(tǒng)運(yùn)行效果較好，具有較好的性能;而采用電液換向閥加緩沖閥的液壓原理也可以滿(mǎn)足系統(tǒng)要求，雖然存在一定的波動(dòng)，但波動(dòng)已經(jīng)很小了;而利用電液換向閥的設(shè)備成本及維護(hù)成本較低。

分析比較后對(duì)系統(tǒng)原理進(jìn)行改進(jìn)，繪制出改進(jìn)后的系統(tǒng)原理圖如圖21所示。

圖21 料耙液壓系統(tǒng)原理圖

3 結(jié)論

利用AMESim軟件對(duì)取料機(jī)料耙比例液壓系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，將比例換向閥替換為電液換向閥加緩沖回路，優(yōu)化后系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性符合生產(chǎn)要求，降低了設(shè)備的相關(guān)成本。目前該液壓系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于生產(chǎn)，并出口沙特、印尼、尼日利亞以及摩洛哥等國(guó)家。

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