基于AMESim的支架閥加載測試系統仿真分析

周換平，李 凱

(神東煤炭集團維修中心，陜西 神木 719315)

0 引言

神東煤炭集團設備維修中心在對支架用閥進行徹底大修的過程中，為了進一步提高液壓閥的出廠合格率，設計和制作了綜合加載測試系統與測試臺，來模擬井下實際工況對各類修復后的支架閥進行綜合加載測試[1]，為驗證該綜合試驗臺液壓系統設計的合理性，應用AMESim軟件對系統增壓缸、安全閥、電磁先導閥及換向閥進行了仿真分析，初步驗證系統的原理和各種測試性能，確保該系統實際運行的可靠性與安全性，以縮短研發周期盡快投入生產實踐，減少返工。

1 AMESim軟件與閥加載測試系統

1.1 AMESim軟件介紹

AMESim能夠對多個學科領域進行仿真分析，AMESim包含機械、液壓、電氣、測量、信號傳遞等模型庫，在搭建仿真系統時用戶可方便調用所需庫中已有模型，或者運用現有的子模型建立超級元件，從而建立實際需求的模型，并按照實際參數對模型進行賦值[2]，然后對整個系統的靜動態性能進行仿真研究。

在AMESim中建立綜合測試液壓系統仿真模型，設立各檢測件的檢測條件和參數，設定運動循環條件，獲得仿真實驗結果。對于液壓加載系統來說，AMESim所實現的功能可以體現在3方面：①優化液壓泵，提高立柱性能；②降低單向閥的液壓沖擊；③優化安全閥設計。

1.2 支架閥綜合加載測試系統[1]

綜合測試系統參考液壓支架電液控制系統進行設計，原理如圖1所示。

1-反沖洗過濾器；2-單向閥；3-PM32控制器；4～7-電磁閥先導閥；8～11-兩位三通換向閥；12-雙向鎖；13-蓄能器；14～15，8-手動交替閥；16～17-手動換向閥；18～20-溢流閥；21～22-單向閥；23～24-乳化液缸；25～27-抗震壓力表；28-表示測試接口或測試位圖1 試驗臺液壓系統原理圖

由圖1可知，加載測試液壓系統主要由液壓泵站、加載回路、主進液回路、增壓回路、液路切換、卸載回路等幾大部分組成。下面利用AMESim軟件對該系統進行模擬仿真分析。

2 液壓系統的建模

在AMESim中對液壓系統進行建模，主要運用到HYD庫(標準液壓元件庫)和HCD庫(液壓設計庫)[3]，用戶建模時可直接調用庫中的元件，包括液壓泵/液壓馬達及常見的各種液壓閥和壓力表，或選擇子模型對液壓元件進行設計，并將這些元件搭建成一個完整的液壓系統。以液控單向閥為例，對建模過程進行說明，圖2(a)所示是液控單向閥的剖面圖，根據其結構，在HCD庫中選擇合適的元件，構造如圖2(b)所示模型。

a-液控單向閥剖面圖；b-單向閥的建模1-控制活塞；2-頂桿；3-閥芯圖2 液控單向閥模型

液控單向閥主要仿真參數見表1。

連接液壓泵和電磁換向閥，如圖3(a)所示對液控單向閥的模型進行仿真，驗證其正確性，電磁換向閥輸入信號如圖3(b)所示。

表1 液控單向閥主要仿真參數

設定泵的流量為150 L/min，壓力源壓力設定為前10 s為0 MPa，后5 s為32 MPa，液壓缸的活塞桿長度為0.3 m，仿真時間長度設為15 s，間隔時間為0.01 s，運行仿真，繪制液壓缸前端質量塊10的位移曲線，如圖4所示。

從圖4中看出，前5 s液控單向閥正向開啟，液壓缸的活塞桿伸出0.3 m，后5 s液控單向閥反向開啟，液壓缸活塞桿退回初始位置，可知上述液控單向閥模型是正確的。

經過對關鍵元件進行建模并仿真分析，確定其合適仿真參數，在AMESim中利用HYD庫以及Signal庫中的子模型，建立綜合加載測試實驗臺總模型，如圖5所示。

在AMESim的草圖模式中對液壓系統進行建模之后[4]，對系統中每個子模型根據實際情況進行設置，然后在參數模式下，對子模型進行參數賦值，這一步是整個建模過程中的關鍵一步，參數的正確合適與否將直接影響整個系統的仿真結果的準確性，最終影響整個系統的設計。

a-液控單向閥仿真回路；b-電磁換向閥輸入信號1-泵；2-溢流閥；3-壓力源；4-三位四通電磁換向閥；5-二位二通電磁換向閥；6-信號源；7-節流孔；8-液控單向閥；9-液壓缸；10-質量塊圖3 液控單向閥模擬仿真

圖4 質量塊位移曲線

1-反沖洗過濾器；2-單向閥；3-PM32控制器；4～7-電磁先導閥；8～11-兩位三通換向閥；12-雙向鎖；13-蓄能器；14～15,8-手動交替閥；16～17-手動換向閥；18～20-溢流閥；21～22-單向閥；23～24-液壓缸；25～27-壓力表；28-測試接口或測試位圖5 液壓系統建模圖

根據液壓系統的實際運行參數對主要仿真參數進行設置，綜合加載測試系統的仿真參數見表2。

表2 綜合加載測試系統主要仿真參數

3 測試系統的仿真分析

對綜合加載測試系統的關鍵參數進行設置之后，在AMESim仿真平臺中對該系統進行仿真，液壓系統的實際運行狀況可由仿真分析結果進行預判，并根據仿真結果對設計系統進行評價。

3.1 增壓缸性能測試分析

現有泵站的壓力為21 MPa，需要設置增壓缸提高壓力，實現對安全閥的測試。為了提高單獨測試安全閥時的效率，方便操作，單獨增加了一條手動換向閥17、經過交替閥14，手動增壓。整個系統在壓力增加的過程中，液壓泵輸出的油液經增壓缸增壓后，液壓缸的壓力增加到需求值。壓力增加過程如圖6所示。

圖6 增壓過程高/低壓腔端口流量曲線

由圖6壓力仿真曲線可看出，在增壓過程中，低壓腔壓力增加到21 MPa，高壓腔壓力為60 MPa，從結果可以看出，該試驗臺液壓缸可提供實驗所需的壓力，滿足實驗要求。

3.2 安全閥啟溢閉特性

在被測口位置對安全閥進行建模[5]，安全閥的充液回路為：首先打開電磁先導閥4，控制兩位三通換向閥8供液，液壓液通過交替閥28至被測安全閥，為其充液。安全閥的增壓回路為：手動操作三位四通換向閥17，控制交替閥14換向，液體打開單向閥21從而給液壓缸24充液，增壓缸的活塞桿伸出，推動液壓缸23的活塞桿給液壓缸增壓，從而實現對被測安全閥加載，壓力由0逐步上升，至被測閥開啟120 ms，然后立即切斷供液，至壓力計計數為穩定值時為試驗的全部過程，然后卸荷，觀察安全閥泄漏情況，為一次啟溢閉特性試驗和泄漏試驗，仿真結果如圖7所示。

圖7 安全閥的啟溢閉特性曲線

從圖7曲線可以看出：系統開始供壓后，從0～20 ms，安全閥的閥口壓力從零上升到約32 MPa，開始溢流，在20～140 ms，系統保壓，保壓過程中壓力出現微小波動。在140 ms時刻，開始泄壓迅速泄壓，泄壓完成后，壓力趨于零。

3.3 電磁先導閥及換向閥的仿真

電磁先導閥4、5動作，從而控制兩位三通換向閥8與9進行換向動作，之后油液進入雙向鎖12向液壓缸23上下腔供液，控制液壓缸動作，來模擬液壓支架井下各部位液壓缸動作。液壓缸完成一次循環動作，被測閥4、9完成一次換向動作。液壓缸的壓力變換如圖8所示。

圖8 電磁換向閥的壓力特性曲線

上述動作中，電磁先導閥的動作信號如圖9所示。

a-電磁先導閥4動作信號；b-電磁先導閥6動作信號；c-電磁先導閥7的動作圖9 電磁先導閥的動作

4 結論

(1)通過選取液控單向閥為例，對AMESim建模仿真分析的正確性進行了驗證，然后利用HYD庫以及Signal庫中的子模型，建立了液壓系統總模型，對子模型和系統運行參數進行賦值與設定，通過對系統的增壓性能、安全閥的啟閉特性、換向閥的換向性能進行仿真分析。

(2)該試驗臺液壓缸可提供實驗所需的壓力，符合實驗要求；當流經溢流閥的油液壓力達到溢流閥的開啟壓力時，溢流閥可以成功開啟，且在穩壓過程中，壓力損失很小；給定換向閥換向信號后，換向閥迅速動作，滿足實驗要求。

(3)綜合加載測試液壓系統原理是正確的，能夠滿足相關測試標準，可以達到預期的測試效果。將系統用于生產實踐，完成測試臺的研制工作，會進一步提高液壓閥維修過程中的合格率。