基于AMESim的百米登高平台消防车工作平台液压系统仿真

1、第 10卷第 3期 2012年 9月 中 国 工 程 机 械 学 报CHINESE JOURNAL OF CONSTRUCTION MACHINERY Vol10No3Sep2012作者简介 :高顺德 (1962 , 男 , 高级工程师 E-mail :gaoshunde163com 基于 AMESim 的百米登高平台消防车工作平台液压系统仿真高顺德 , 邓梁 , 曹旭阳 , 崔竹君(大连理工大学 机械工程学院 , 大连 116023摘要 :随着登高平台消防车作业高度的不断增加 , 动力源与执行机构之间的距离也越来越远 , 它们之间的长管道 对系统的动态特性和静态特性带来的影响已不容忽视 在考

2、虑长管道对液压系统的动态特性影响的情况下 , 对百 米登高平台消防车的工作平台液压系统进行分析 , 对比 2种液压设计方案 , 并运用 AMESim 软件提供的液压模型 库 、 管道子模型库对液压系统进行动态仿真 , 研究阀块的布局位置对系统动态特性的影响 , 最终设计出适合百米 登高平台消防车工作平台液压系统的最佳方案 关键词 :登高平台消防车 ; 长管道 ; 动态特性 ; AMESim 中图分类号 :文献标识码 :A文章编号 :16725581(2012 03029106AMESim-based simulation on working platform for 100-meter ae

3、rial platform fire trucksGAO Shun-de , DENG Liang , CAO Xu-yang , CUI Zhu-jun(School of Mechanical Engineering , Dalian University of Technology , Dalian 116023, China Abstract :With constantly increasing height of aerial platform fire trucks , the distance between power source and actuator becomes

4、longerAs such ,the long pipeline between them significantly impacts upon system dynamic and static propertiesBy considering the influence of long pipeline on dynamic properties of hydraulic system , the hydraulic system is first analyzed on the working platform of 100-meter aerial platform fire truc

5、ksIn comparison with two hydraulic design options , the hydraulic system is dynamically simulated using the hydraulic model base and pipeline sub-model base of AMESim TM Then , the impact of valve block layout and position on system dynamic properties is speculatedFinally , the optimal option is des

6、igned for 100-meter aerial platform fire trucksKey words :aerial platform fire truck ; long pipeline ; dynamicproperty ; AMESim随着我国的高层建筑物不断增多 , 高层建筑火灾损失越来越严重 , 于是登高平台消防车在消防工作中起到的作用也日益明显 登高平台消防车是一种用于运送人员或设备到一定高度进行作业的大型工程机 械设备1作为一种高空运输设备 , 它的作业高度是主要性能参数 , 而随着作业高度的加大 , 又带来了安全可靠性的问题 23作业高度的加大 , 也会使机构动作产

7、生较大的延时和振动 , 这给作业带来了很大的隐患 连接其动力源和执行机构之间的液压管道对系统的动态特性和静态特性都有着较为显著的影响 实践证明 :管道的长度对于动态特性影响很大 , 太长的管道会产生振动 、 噪声 、 发热及工作效率低下等问题 , 严重影响系统动态特性 4, 所以必须深入研究具有长管道的液压系统 , 使其对动态性能的影响降到最小 浙江大学的孔晓武 、 阮晓芳等人对带长管道的负载敏感系统和阀控系统的动态特性进行了研究 , 并建 立了长管道系统的数学模型 , 提出了一定的提高系统动态特性的方案 , 如改变负载敏感的信号反馈方式和中 国 工 程 机 械 学 报 第 10卷加蓄能器来改

8、善系统动态特性56但其数学模型过于复杂 兰州理工大学的张玮等人通过 AMESim 软件分析了管道配置对阀控缸液压系统动态特性的影响 , 得出了 “ 随着管路长度增加 , 系统响应滞后增加 , 液压缸活塞杆的速度和位移响应曲线出现波动 , 软管会造成系统响应明显滞后 , 并伴有波动 ” 的结论 4但在其 分析的系统中长管道布置位置是在操作阀块与执行器之间 , 长管道在动力源和操作阀之间的情况并没有分析 徐工集团 XZJ5330JXCDZ53型登高平台消防车 , 额定升高为 53m , 其登高平台上的电液调平系统及 水炮液压控制系统 , 与液压源的距离大于 53m由于长管道的影响 , 负载敏感泵的

9、响应严重滞后于外负载 的变化 , 有时甚至会对负载变化作出不正确的反应 因此 , 不得不去除负载敏感回路 , 采用定量泵工作方式 ,带来系统发热 、 效率低等弊端 本文以百米登高平台消防车的平台工作液压系统作为研究对象 , 运用 AMESim 软件进行模拟仿真 , 对阀块的布置位置以及两套液压系统方案的动态性能进行了研究 1系统方案与分析工作平台液压系统采用两种设计方案 , 方案 1采取齿轮泵加压力补偿阀的方法 , 方案 2采用的恒压泵加压力补偿阀的方法 方案 1工作原理如图 1所示 液压泵从油箱吸油 ,提供液压系统所需的动力 , 通过集 成阀控制平台的调平 、 摆动和飞臂变幅等动作 , 电比

10、例流量换向阀控制各工作机构的运动方向和所需的流量 , 压力补偿阀保证各机构能够很好地进行复合动作 安全阀限定了系统的最高工作压力 , 溢流阀限制了 集成阀的最大工作压力 当机构不动作的时候 , 液压泵的流量通过三通补偿阀以一个很低的补偿压力卸 荷 ; 当机构有动作时 , 通过单向阀将最大的负载压力引到三通阀 , 这时齿轮泵以最大负载压力加补偿压力向系统提供所需流量 , 多余的流量通过三通补偿阀溢流 7这种系统动力源采用齿轮泵 , 它的成本比较低 泵出口的压力由最大负载决定 , 能在一定程度上降低压力损失 但是由于齿轮泵的排量不可调 , 所以并不能减少系统的流量损失 方案 2的工作原理如图 2所

11、示 液压泵为恒压泵 , 压力切断阀使泵的出口压力保持恒定为 25MPa泵 从油箱吸油 , 自动调节排量 , 为系统提供执行器所需的流量 当工作压力超过设定压力 , 则泵自动摆回较小 的角度并纠正控制偏差 电比例流量换向阀控制各工作机构的运动方向和所需的流量 , 压力补偿阀保证各机构能够很好地进行复合动作 安全阀限定了系统的最高工作压力 此系统采用的是恒压变量泵 , 成本相 对比较高 泵出口流量为系统所需的流量和泄漏流量 , 几乎没有流量损失 , 但是出口压力恒定 , 所以系统有一定的压力损失 图 1工作平台液压系统方案 1原理图 Fig1First scheme of working plat

12、form hydraulicsystem图 2工作平台液压系统方案 2原理图 Fig2Second scheme of working platform hydraulic system292第 3期 高顺德 , 等 :基于 AMESim 的百米登高平台消防车工作平台液压系统仿真2仿真环境与仿真模型21仿真环境AMESim 是一种专业的传动系统和液压 -机械系统建模 、 仿真及动力学分析软件 有着友好的图形化界面 , 使得用户可以通过在完整的应用库中选择需要的图形模块来构建复杂系统的模型并能方便地进行优 化设计 , 非常适用于机械与液压领域的设计 8在研究长管道液压系统中 , 液压管道的建模是

13、很重要的一个方面 而流体管道是一个分布参数系统 , 其精确模型中含有复杂的贝赛尔函数和双曲函数 , 数学模型十分复杂 , 这给模型的解析和应用带来很大的 困难9而 AMESim 软件中自带了管道模型 , 免了繁琐的数学模型的建立 , 为复杂液压系统建模及特性分析提供了良好的平台 22仿真模型的建立 221建立液压系统模型 在 AMESim 中 , 运用液压库 、 管道子模型库和其他子模型库构建工作平台液压系统的仿真模型 为使 模型简化并提高运算速度 , 模型中省略了平台摆动 、 专用工具接口部分 , 并把电比例流量换向阀用可调节流阀代替 , 平衡阀用 1个背压溢流阀代替 , 这样的简化处理并不

14、会影响对系统的仿真结果 其中压力补偿阀和恒压泵没有标准模型 , 利用 HCD (Hydraulic Component Design 库建立模型 7方案 1的仿真模型见图 3, 方案 2的仿真模型见图4 图 3工作平台液压系统方案 1仿真模型 Fig3Model of the first scheme of working platform hydraulicsystem图 4工作平台液压系统方案 2仿真模型 Fig4Model of the second scheme of working platform hydraulic system222阀块位置布置与管道建模在元件的位置布置上也考虑

15、了两种布管方式 , 一种是集成阀放在工作平台上 , 泵与集成阀之间使用长 管道连接 ; 另一种是集成阀放在转台上 , 执行器与阀块之间使用长管道连接 出于结构走管 、 管道运动等因 素 ,长管道必须使用软管 , 并且长度达到 100m 左右 这部分长管道必须考虑流体的可压缩性和压力作用下 管壁的膨胀以及雷诺数和相对粗糙度的影响 , 因此选取考虑了这些因素的管道模型 HL04对于其他元件 之间的管道相对于上述管道的影响可以忽略 , 所以选取不考虑管道影响的管道模型 DIRECT3仿真结果分析31阀块安装位置对系统动态特性的影响给 2种方案的可调节流阀输入阶跃信号 , 图 5为阶跃信号曲线 , 输

16、入信号为 1时 , 阀口全开 , 开始可调节流阀全关 , 2s 时将可调节流阀全开 , 8s 时重新关闭 图 6为两方案在不考虑管道时的油缸位移曲线 , 曲 线 1为方案 1的油缸位移曲线 , 曲线 2为方案 2的油缸位移曲线 , 从图中可以看出 2条位移曲线重合并且392中 国 工 程 机 械 学 报 第 10卷响应没有延时 图 5阶跃信号 Fig5Step representationsignal 图 6无管道油缸活塞时位移曲线Fig6Oil cylinder piston displacement curve with nopipeline 图 7有管道油缸活塞时位移曲线 Fig7Oil

17、 cylinder piston displacement curve with pipeline图 7为考虑管道影响后的油缸活塞杆位移曲线 , 曲线 1,2代表长管道布置在油源与集成阀块之间时 , 方案 1、 方案 2液压 缸活塞杆的位移曲线 ; 曲线 3, 4代表长管道布置在执行器与集 成阀块之间时 , 方案 1、 方案 2液压缸活塞杆的位移曲线 从图中 可以看出 , 把集成阀放在转台上时 , 由于集成阀与执行机构距离 过长 , 活塞杆的运动响应明显滞后 , 并且在电比例流量换向阀关 闭后 , 活塞杆继续运动一段时间后才能停止 ; 而把集成阀放在工 作平台上时 , 活塞杆的运动响应无明显滞

18、后 , 在电比例流量换向 阀关闭后 , 活塞杆也能即刻停止运动 所以在布置集成阀块位置 时 , 应优先选择集成阀摆放位置离执行器近的方案 322种方案的性能比较 321阶跃响应比较图 8阶跃响应系统动态特性曲线对比Fig8Contrast of the dynamic characteristic curve in step responsesystem 图 9斜坡信号 Fig9Ramp signal给可 调 节 流 阀 输 入如图 5的阶跃信号 , 图 8a ,8b 给出了 2种 方案的响应曲线 , 曲线 1是方案 1调平液压缸 活塞 杆 的 运 动 速 度 和 位移曲线 ; 曲线 2是方

19、案 2调平液压缸活塞 杆的 运 动 速 度 和 位 移 曲 线 从 图 中 可 以 看出 ,2种方案在可调节流阀突然关闭的时候 , 由于平台质量惯性 , 活 塞杆速度能够迅速降低 , 但是速度不会马上为零 , 而是继续振荡一 定时间后再停止 可调节流阀开启时 ,方案 1的活塞杆速度和位移 有一定的滞后 ,这是由于齿轮泵与阀块之间的管道过长 , 油压的建 立需要一定的时间 , 所以在 2s 时候活塞杆的速度不能迅速达到需求的速度 而方案 2使用的恒压泵 、 泵与集成阀之间管道的油压一 直处于高压状态 , 所以能迅速响应动作 322斜坡响应比较与阶跃响应相比 , 斜坡响应更符合实际工作情况 , 给

20、 2种方案 的可调节流阀输入如图 9的斜坡信号 , 得到了 2种方案的响应曲492第 3期 高顺德 , 等 :基于 AMESim 的百米登高平台消防车工作平台液压系统仿真线 , 如图 10a ,10b 所示 曲线 1是方案 1液压缸活塞杆的运动速度和位移曲线 ; 曲线 2方案 2液压缸活塞杆 的运动速度和位移曲线 从图中可以看出 , 2种方案的斜坡响应曲线相似 , 虽然活塞杆的速度有一定波动 , 但是都能满足系统的性能要求 图 10斜坡响应系统动态特性曲线对比Fig10Contrast of the dynamic characteristic curve in ramp response s

21、ystem323突然加载工况比较 图 11突然加载工况速度曲线对比 Fig10Contrast of the speed curve in suddenly loading condition在救援工作过程中有可能遇到在平台在运动的过程中有人突然跳上平台或有重物落在平台上的工况 现将一个人的自 身重力加上从高处跳下形成的冲击换算成油缸受力 , 在给可调节流阀输入如图 9的斜坡信号的同时 ,第 5s 的时候突然给油 缸加上这个力 , 得到 2种方案的速度曲线 , 如图 11所示 曲线1是方案 1液压缸活塞杆的运动速度 ; 曲线 2是方案 2液压缸 活塞杆的运动速度 从图中可以看出 ,方案 1在突

22、然加载的时 候 , 速度有一个明显的波动 , 而方案 2速度没有明显的变化 4结论通过对百米登高平台消防车的的工作平台液压系统动态特性仿真结果可知 :(1 长管道布置在阀与执行器之间的时候 , 活塞杆的速度和位移响应明显滞后 , 并且在电比例流量换 向阀关闭后 , 活塞杆不能马上停止运动 , 所以应将阀块布置在工作平台上 (2 在动态响应方面 , 恒压泵加压力补偿阀的方案在响应速度和抗干扰能力方面都优于齿轮泵加压 力补偿阀方案 , 所以应该选择恒压泵加压力补偿阀的方案 (3 AMESim 软 件 操 作 简 便 、 建 模 直 观 , 系 统 模 型 可 通 过 模 型 库 中 已 有 的 标

23、 准 子 模 型 或 者 HCD (Hydraulic Component Design 库的液压部件模型组合实现 , 避免了繁琐的数学模型的建立 , 为复杂液压系 统建模及特性分析提供了良好的平台 参考文献 :1姚明 , 田志坚 举高消防车介绍 J 商用汽车 ,2005(7 :7679YAO Ming , TIAN ZhijianIntroduction of high fire truck J Commercial Vehicle , 2005(7 :76792李海 高层建筑灭火技战术指南 J 消防科学与技术 , 2000(2 :6769LI HaiTactics guide of hig

24、h building fire J Fire Science and Technology , 2000(2 :67693薛林 , 王丽晶 , 钱恒宽 , 等 消防车百年历史回眸 J 新安全东方消防 , 2008(2 :5963XUE Lin , WANG Lijing , QIAN Hengkuang , et alHundred years history review of fire truck J New Oriental Fire Safety , 2008(2 :59634张玮 , 冀宏 , 于振燕 , 等 管道配置对阀控缸液压系统动态特性的影响 J 机床与液压 , 2008(10

25、 :7476592296 中 国 工 程 机 械 学 报 第 10 卷 ZHANG Wei， JI Hong， YU Zhenyan， et al The influence of piping arrangement on dynamics characteristics of valve controlled cylinder hydraulic 2008 （ 10 ） ： 74 76 systemJ Machine Tool Hydraulics， 5 阮晓芳 带长管道阀控系统的动态特性研究 D 杭州： 浙江大学， 2003 RUAN Xiaofang Study on dynamic

26、characteristics of valvecontrolled system with long pipeline D Hangzhou： Zhejiang University， 2003 6 孔晓武 带长管道的负载敏感系统研究D 杭州： 浙江大学， 2003 Hangzhou： Zhejiang University， 2003 KONG Xiaowu Study on dynamic characteristics of load sensing system with long pipelineD 7 田惠民 压力补偿器在比例系统中的应用 J 液压气动与密封， 1996 ， 16

27、 （ 3 ） ： 28 31 TIAN Huiming Application of pressure compensator in proportional system applicationJ Hydraulic and Pneumatic Seals， 1996 ， 16 （ 3 ） ： 28 31 8 付永领， 从入门到精通 M 北京： 北京航空航天大学出版社， 2006 祁晓野 AMESim 系统建模和仿真 QI Xiaoye AMESim system modeling and simulationfrom entry to the masterM Beijing： Beihan

28、g University Press， 2006 FU Yongling， 9 LBERALL A S Attenuation of oseillatory pressures in instrument LinesJ Research National Bureau of Standards， 1950 ， 45 （ 6 ） ， 2115 2116 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 （ 上接第 285 页） 6 王冬云 混合动力挖掘机动力总成及参数匹配方法研究 D 杭州： 浙江大学， 2009 WANG Dongyun Researc

29、h on the powertrain hybridization and parameter matching of hydraulic excavatorsD Hangzhou： Zhejiang University， 2009 7 何清华， 2011 ， 9 （ 1 ） ： 48 53 刘昌盛， 龚俊， 等 一种液压挖掘机并联式混合动力系统结构及控制策略J 中国工程机械学报， HE Qinghua， LIU Changsheng， GONG Jun， et al Research on structure and control strategy of a parallel hybri

30、d system in hydraulic excavator J Chinese Journal of Construction Machinery， 2011 ， 9 （ 1 ） ： 48 53 8 KAGOSHIMA M， SORA T， KOMIYAMA M Development of hybrid power train control system for excavatorJ Society of Automotive Engineers 2003 ， 86 （ 3 ） ： 1 6 of Japan， 9 吴学松 混合动力工程机械潮起J 建筑机械化， 2009 ， 30 （ 4 ） ： 25 28 Construction Mechanization， 2009 ， 30 （ 4 ） ： 25 28 WU Xuesong Talking about hybrid construction machineryJ 10 孟庆勇， J 建设机械技术与管理， 2011 ， 24 （ 1 ） ： 85 86 孙辉 混合动力工程机械闪耀 ba