基于AMESim和MATLAB的隧道多功能臺車液壓系統(tǒng)聯(lián)合仿真

陶柳，何奇

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

隧道多功能作業(yè)臺車是集機(jī)、電、液于一體的現(xiàn)代特種作業(yè)裝備，從樣機(jī)的造價比例來看，投入液壓設(shè)備的資金已達(dá)到臺車總造價的30%。在樣機(jī)的生產(chǎn)過程中，如果出現(xiàn)閥件重復(fù)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(jī)仿真技術(shù)對設(shè)計的液壓系統(tǒng)關(guān)鍵控制回路進(jìn)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(fù)試驗和采購帶來的經(jīng)濟(jì)損失。通過前期仿真結(jié)果預(yù)判所設(shè)計液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠程度，使設(shè)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(qiáng)、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(jìn)行故障診斷和設(shè)計仿真時的首選。如:汪宇亮基于工程機(jī)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(yīng)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(hù)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(jìn)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(lǐng)域液壓系統(tǒng)仿真實例的基礎(chǔ)上，采用AMESim和MATLAB軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真，分析并驗證系統(tǒng)在當(dāng)前設(shè)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(dāng)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(dāng)進(jìn)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(jìn)行嚴(yán)格比例控制。最后設(shè)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(shè)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(jī)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(shè)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(fù)載力是不相同的，前期在位移與負(fù)載函數(shù)的建立過程中，已將左右兩邊負(fù)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(dá)17.45 mm。而分析表明油缸伸長量越大所受負(fù)載力變小，故在位移偏差較大的地方其所受負(fù)載力相對很小，因而不會有單邊油缸超負(fù)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(jìn)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(jìn)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(fù)載不同，導(dǎo)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(jìn)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(jìn)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(yīng)此工況下的分流要求。

研究得知當(dāng)執(zhí)行元件的負(fù)載力Fx引起調(diào)速閥進(jìn)出口壓力差的變化超過最小壓差時，此時節(jié)流閥進(jìn)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(jìn)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(jìn)口壓力一定如圖9所示隨負(fù)載變化而不斷發(fā)生變化。

圖9 動臂油缸大腔進(jìn)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(shè)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(jìn)行適應(yīng)性探討，分析了左右臂油缸的位移、速度以及分流集流閥進(jìn)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(shè)計回路中可以得到保證。

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

［2］陸雪峰.錨桿支護(hù)作業(yè)平臺的設(shè)計與仿真研究［D］.青島:山東科技大學(xué)，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(yīng)用［J］.機(jī)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(xué)，2013.