基于amesim的汽车起重机卷扬工作系统的仿真研究

基于amesim的汽车起重机卷扬工作系统的仿真研究

液压系统方面压力补偿法广泛应用于机械工程等大型执行设备，显著节省了系统的能源。本研究的汽车起重机,是由车载内燃机向液压系统提供动力,如何合理利用动力是起重机设备节能的关键。汽车起重机工作时,一般由一至两个定量泵为多种复合工况提供液压动力油。在重载、低速工况下,主阀工作时仅需要较少的高压流量,定量泵输出的多余流量部分将通过系统的溢流阀返回油箱,造成液压系统的功率浪费,降低了系统效率。长时间工作还易引起液压油的发热,常常需要配置散热系统,导致系统的结构复杂。近年来,出现了一种更为节能的主阀阀后补偿方式,其原理是运用内置压力反馈通道配合变量泵,自动调节变量泵的输出流量,使其与负载工况需要的流量相匹配。当液压系统不需要流量时,该阀还可以自动实现系统的卸荷,提高液压系统的工作效率。本研究以某型汽车起重机改进前的定量泵配合阀前补偿方式,和改进后的变量泵配合阀后补偿方式进行对比研究,探讨两个系统工作效率的优劣。1压马达驱动机械传动结构来传递扭矩卷扬系统是起重机械的主要组成部分,其液压系统依靠液压马达驱动机械传动结构来传递扭矩,从而实现重物的上升和下降控制。其液压系统分为开式系统和闭式系统两大类,本研究的阀前补偿方式与阀后补偿方式均为开式系统。1.1定差溢流阀阀前补偿型液压系统主要由油箱、定量泵、定差减压阀、定差溢流阀、卷扬主阀、液压马达、平衡阀、刹车系统几部分组成,如图1所示。其中定差减压阀即为补偿阀,由于液压油先经过补偿阀再进入卷扬主阀,故称为阀前补偿方式。其中主阀阀口P为供油口,T为回油口,A、B为工作口,X为控制口。阀前补偿阀,其作用是使主阀阀口前后的压力差保持恒定,以使工作流量的变化仅与阀口开度有关,即主阀的工作流量不因外负载的变化而改变。定差溢流阀,其作用是使液压泵的出口压力高于最大的负载压力,且能够满足定差减压阀的工作压力需要,并在小开口时溢流掉定量泵多余流量。卷扬主阀为一个三位五通阀,通过手动操纵主阀,实现阀芯的切换,完成负载的起落。起钩工况时,刹车打开,液压油依次经过主阀P-A-B-T口;落钩工况时,由于负载自重作用,通过平衡阀控制落钩速度;吊载停止时,通过刹车将马达锁死,避免负载的坠落。为了使机构运行平稳,每个阀口均加工有不同形状的节流槽,获得不同的流量控制特性。阀体中部有一个小孔即X口,将流向工作口的液压油同时引入到定差减压阀和定差溢流阀的弹簧腔,即图中虚线所示控制油路,实现泵出口压力的控制。由于定差减压阀、定差溢流阀的存在,泵出口压力跟随负载改变,并始终保持稍高于负载压力,即泵出口压力与负载压力匹配,系统具有较高的工作效率。1.2变压力补偿阀为三元六通阀阀后补偿液压系统主要由油箱、变量泵、卷扬主阀、二位二通阀、平衡阀、刹车系统组成,如图2所示。其中二位二通阀即阀后补偿阀。P2口为泵进油口,P1口阀后补偿阀进油口,T为回油口,A、B为工作口,X为反馈压力口。通过图2可以看出,改进后,卷扬主阀由之前的三位五通阀变为三位六通阀。这样在主阀芯中间位置增加了一个凸肩,泵输出的液压油是经由阀芯中部腔口即P2口流入P1口流出,经油道到压力补偿阀,再到工作口。其中,压力补偿阀块上有一个小孔将流向工作口的液压油引入到变量泵的控制口,用于控制变量泵的排量。阀处于中位,系统不需要流量时,反馈压力为零,变量泵的斜盘角度近似为零度,变量泵的输出流量几乎为零。由于液压油先经过主阀,再经过补偿阀,故称之为阀后补偿方式。2两个系统的asim仿真和验证2.1基于amesim的系统仿真由于主阀阀芯凸肩上的阀口加工有异形节流槽,属于非标准模块,故利用AMESim提供的液压元件库进行精确建模,如图3所示。每个阀口均用阀口模块建立,并根据阀芯与阀体的尺寸及相互位置关系,设置相关参数。结合图1所示的液压系统原理,添加负载、泵源等模块,建立如图4所示的AMESim仿真系统,进行仿真研究并与实车结果进行对比。负载部分应用桥式回路方便工作油路的切换,负载压力由比例溢流阀模拟实现,泵站参数根据实车情况设置。参数设置:泵提供的流量:240L/min;阀芯位移:0~12mm;负载工况:7.5MPa;仿真时间:120s;仿真步长:0.01s。仿真起升工况,液压油经过主阀阀口顺序为P-A-B-T。实车测量时,吊载同样大小负载,并缓慢操纵阀芯,进行起钩作业。研究该阀的位移-流量、位移-压力特性曲线,并将实车实验结果与AMESim仿真结果进行对比如图5、图6所示。从阀的特性曲线中可以看出,AMESim仿真结果与实车实验结果非常相近,仿真情况良好。2.2设置参数仿真运用同样方法建立主阀AMESim模型,如图7所示。同样加入泵源、控制元件、桥式负载等模块,根据图3所示的液压原理,建立阀后补偿主阀的AMESim系统仿真模型,如图8所示。根据实车情况设置参数进行仿真,并将仿真结果与实车测量结果相对比。参数设置:变量泵最大流量:95L/min;阀芯位移:阀芯位移:0mm—12mm—0mm;负载工况:4.5MPa;仿真时间:70s;仿真步长:0.01s。仿真起升工况,不同的是阀芯位移由最小到最大,最后回到最小,研究阀的压力、流量曲线,如图9、图10所示。从结果对比图中可以看出,AMESim仿真值和实车实验值曲线基本重合,证明仿真模型建立合理,仿真情况良好。因此在今后的研究中,只需运用仿真模型进行模拟实验,而不需要做相应的实车实验。3阀前补偿与流量特性为比较阀前补偿和阀后补偿两种系统的优劣,对两个模型设置同一典型工况,进行研究。参数设置:负载:10.0MPa;泵流量:225L/min;仿真时间:100s;阀芯开度0~12mm。模拟高速起钩工况,其主阀阀口压力特性与阀口流量特性对比图如图11、图12所示。压力曲线在小开口时波动情况不同,这是由于阀芯凸肩上节流口形状大小不一样引起的。在推动阀芯时,节流口与阀体配合,形成变化的阀口面积曲线,实施对流量的节流控制,满足不同工况下液压执行机构对运动速度的要求。从阀的压力特性角度看,阀前补偿的压力特性较好,对阀的冲击较小。但对于流量特性,阀后补偿在小开口段流量梯度明显较小,线性更好,有利于低速工况的稳定运行与精准操作。两种补偿方式的泵出口压力与流量特性曲线如图13、图14所示。泵出口压力曲线与阀口压力曲线趋势基本一致,这是由压力补偿这种方式所决定的。阀后补偿方式运用变量泵,其泵输出流量几乎等于负载流量,没有流量的浪费。而阀前补偿方式,定量泵输出流量始终维持在225L/min,在阀口未完全打开时,存在流量的浪费,且小开口时浪费很大,增加了系统的发热,其泵输出功率对比如图15所示。阀后补偿的功率需求较小,有利于节省能源。特别在低速吊载或启动阶段(即阀口为小开口时),表现得尤为明显。例如阀芯位移为2mm时,阀前补偿方式泵的输出功率为阀后补偿方式泵输出功率的四倍左右。4阀后补偿方式的应用本研究对起重机主阀工作的两种补偿方式进行了仿真和试验研究,在验证了系统仿真模型正确的基础上,对两种补偿方式在典型工况下的工作过程进行仿真研究。结果表明,阀后补偿方式在节省能源方面优于阀前补偿方式,特别在负载启动段或低速工作段显得尤为明显