基于AMESim的液压缸系统动态特性仿真与优化

　　AMESim作为多学科领域复杂系统建模仿真的解决方案,它包含有机械、信号控制、液压(包括管道模型)、液压元件设计(HCD)等工程学科的应用库。对于液压设计而言,设计者可以通过AMESim直接对液压系统本身建立物理模型,在此基础上对元件和系统进行仿真,并利用仿真结果进行优化设计,从而降低开发成本和缩短开发周期[1]。

　　本文基于AMESim软件对设计的取料机小车液压驱动系统进行建模和仿真,通过系统液压缸压力变化仿真结果进行优化设计。

　　1 系统模型建立与仿真

　　某取料机小车驱动系统为双出杆液压缸机构,其液压缸活塞运动控制阀为电液换向阀,各关键元件相关参数为,泵源流量:290 L/min;溢流阀设定压力:18 MPa;电液换向阀通径:25 mm(O型中位机能);液压缸尺寸:Φ250 mmXΦ180 mmX2000 mm[2]。系统工作原理图如图1所示。

　　为便于研究系统液压缸中压力的变化,在液压缸活塞杆铰接处施加一定外力,以模拟液压缸驱动的负载。依据关键元件相关参数所建立的系统AMESim模型如图2所示。对系统AMESim模型进行动态特性仿真[3],液压缸压力变化仿真图如图3所示。从图3中的压力变化曲线可以看出,液压缸驱动负载的瞬间,容腔内压力变化剧烈。仿真结果表明,在液压缸驱动小车的瞬间,由于机构运动产生了强大的液压冲击,这种液压冲击会造成系统设备的损毁,因此必须对系统实施结构优化。

　　2 系统结构优化

　　为了对系统实施结构优化,采用缓冲阀作为缓冲元件。具体作法是,在系统执行元件液压缸前的油路上添加Z2DB叠加式双向缓冲阀,以降低小车机构瞬时运动产生的冲击。初次优化后的系统AMESim模型如图4所示。

　　根据推动负载所需要的压力,将Z2DB缓冲阀中两个阀芯处的压力分别设定为17.9、17.5、17.0、16.0 MPa,对初次优化后的AMESim模型进行仿真,不同缓冲阀压力下的液压缸压力变化仿真图如图5所示。从图5中的压力变化曲线可看出,增加了Z2DB双向缓冲阀后,随着缓冲阀压力的不断下调,在小车驱动的瞬间,液压缸压力变化幅度不断下降,波动频率明显降低。但系统液压冲击仍然存在,小车驱动瞬间液压缸工作压力依然比小车机构平稳运行时高出许多,这种工作状况对设备使用寿命仍然有很大影响,因此系统仍需进一步优化。

　　为了对系统实施进一步优化,在系统回路中增设一个10 L的皮囊式蓄能器,用于缓冲管路中瞬间产生的液压冲击。进一步优化后的系统原理图和AMESim模型分别如图6、图7所示。进一步优化后的液压缸压力变化仿真图如图8所示。从图8中的压力变化曲线可以看出,液压缸中压力变化较为平缓,虽然存在压力波动,但波峰低于小车平稳运行时的工作压力,小车驱动瞬间产生的液压冲击已明显消除。