基于AMESim的钻机负载敏感液压系统仿真分析

1、2008年 3月 第 36卷 第 3期机床与液压MACH I N E T OOL &HY DRAUL I CSMar 12008Vol 136No 13收稿日期 :2007-04-25作者简介 :吴晓光 (1958 , 女 , 湖北省武汉市人 , 副教授 , 主要从事机械设计理论及液压传动与控制的教学和科研工作 。 电话 E -mail:wuxg46sina 1com 。基于 A MESim 的钻机负载敏感液压系统仿真分析吴晓光 1, 宋海涛 1, 殷新胜 2, 凡东 2, 刘庆修1(11中国地质大学 (武汉 机电学院 , 湖北武汉 430074; 21煤炭

2、科学研究总院西安研究院 , 陕西西安 710054摘要 :应用 AMESi m 对采用负载敏感传动控制的钻机回转液压回路进行建模仿真 , , 从而 得出该系统的性能特点 。关键词 :钻机 ; 负载敏感 ; AMESi m ; 仿真 中图分类号 :TH137 文献标识码 :A 文章编号 :1001-3-S i m ul a ti on Ana lysis of D r illi n Ba sed on AM ES i mWU Xiaoguang 1, Haitao 12, F AN Dong 2, L IU Q ingxiu1(11School University of Geosciences

3、, W uhan 430074, China;1Coal Research I nstitute, Xi an 710054, China ol syste m is i m portant f or the energy saving of drilling . T o research the dyna m ic perf or mance of the syste m, the s oft AM ESi m was used t o establish the model of the hydraulic device . The si m ulati on shows the char

4、acteristic of the syste m thr ough the out put variati on of p ressure and fl ow rate .Keywords:D rilling; Load sensing; AM ESi m ; Si m ulati on 随着液压技术的不断发展和应用领域的不断扩大 , 液压传动与控制系统越来越复杂 , 传递动力范围 更大 、 控制精度更高 , 系统柔性化与系统各种性能要 求更高 , 这些都对液压系统的设计提出了更高的要 求 。 传统的以完成执行机构预定动作循环和满足系统 静态性能要求的设计方法已不能满足要求 。 因此 , 对

5、 液压传动与控制系统进行动态特性研究 , 了解和掌握 系统的动态工作特性和参数变化 , 进一步改进和完善 系统 , 提高系统的工作可靠性及响应特性是非常必要 的 。1 背景传统的全液压钻机一般采用定量泵 +溢流阀的控 制系统 , 由于能量损耗大 , 有逐渐被新型的具有节能 性能的液压控制系统取代的趋势 。 很多国外技术先进 的钻机生产商都采用了负载敏感控制 、 泵转速控制等 比较先进的控制系统 , 但国内只有煤炭科学研究总院 西安研究院等少数几家生产厂家研发出了具有负载敏 感传动控制的全液压钻机 。全液压钻机液压系统主要由回转和给进两个基本 回路组成。 其中回转回路主要为钻具提供回转动力 ,

6、在给进回路提供的给进力的配合作用下 , 实现了钻具 的钻进。其中回转回路主要用于克服钻具的负载转 矩 , 因此其压力就与回转负载的变化相适应 。传统的液压系统 , 当由于孔内的地层情况比较复 杂 , 负载变化剧烈频繁时 , 回转压力就会有相应的大幅度的快速波动 ; 同时随着泵压力的变化 , 其内泄量 也不断变化 , 其输出流量大幅频繁波动 , 回转速度也 不断大幅波动 ; 在松软地层中 , 常常会发生抱钻、卡 钻等事故 , 会造成系统高压溢流 , 能量损失大、 发热 严重。当回转回路采用负载敏感控制系统后 , 减小了回 转速度波动和液压系统的溢流损失 。 但为了进一步分 析采用负载敏感控制系统

7、对钻机回转性能的影响 , 对 系统进行动态的仿真分析 , 进一步地分析其特点 , 是 十分有意义的。2 研究方法的选择研究液压系统动态特性的主要方法有传递函数分 析法、 模拟仿真法、实验研究法和数字仿真法。传递函数分析方法是基于经典的控制理论的一种 研究方法 , 其应用范围一般是线性系统 , 遇到非线性 系统常常不考虑其非线性或简化成线性系统 , 因而具 有一定局限性 , 也不可避免地出现误差。模拟仿真法是用模拟计算机或是模拟电路来进行 液压系统动态特性的模拟与分析 , 该方法具有接近实 际情况、 系统参数调整和调试简单以及运算速度快等 优点 , 最大缺点是运算精度低。试验研究法可以直观地 、

8、 真实地了解液压系统的 动态特性和参数变化 , 但这种方法周期长、费用大 , 且往往不具有通用性。数字仿真法问世以后 ,将液压系统动态特性研究 带入了一个新阶段 , 形成了传递函数法、状态空间 法和功率键合图法等建模方法 , 并且出现了许多仿真 软件 , 如俄克拉荷马州立大学的 HY DSI M 软件 , 德国 亚琛工业大学的 DSH 软件 , 英国巴斯大学的 HASP 仿真软件包 , 法国 I m agine 公司的 AMESi m 仿真软件 等 。AMESi m (Advanced Modeling Envir onment for Per 2for m ing Si m ulation

9、of engineering system s 是法国 I m ag 2ine 公司于 1995年推出的基于键合图的液压 /机械系 统建模、仿真及动力学分析软件 。 个时域仿真建模环境 , 子模型元件 , 易于识别的标准 I O ; ; , 进行稳态及动态仿真 、 绘制 便 。 本文选用 AMESi m 软件对系统进行仿真 。 3 负载敏感液压系统工作原理图 1 负载敏感控 制原理图负载敏 感 液压 系统的 工 作原理图如图 1所示 :其原理 是通过节流阀前后的压差控 制负载敏感阀来调节泵的流 量输出 , 而 不 仅受 负载压 力 变化的影响 ; 泵的出口压力 , 仅比 负 载 压 力 高 出

10、 一 定 值 (该 压 差 值 通 常 为 017211MPa , 在最高限压范围内能自动适应负载 的变化。液压泵只需提供与执行元件负载相匹配的压力、流量 , 液压系统中不产生过剩压力和过剩流量 , 因而系统具 有显著的节能效果。4 负载敏感液压回路的 AMESi m 建模钻机回转液压系统的 A MESi m 模型如图 2所示。 变量泵 1的最大排量为 50mL /r; 异步电机 2额定转速 为 1500r/min;节流口 3特征流量设定为 20L /min,压 降为 1MPa; 多路换向阀 4控制马达正反转 , 设定异步 电机运行 10s 后多路换向阀推向左位 ; 模拟负载 5分 为不同的工

11、况 (高负载转矩和低负载转矩 , 主要按钻 头的钻进转矩、 钻杆在钻孔中的摩擦力矩等进行计算 ,其转动惯量为 100kg m 2; 液压马达 6的排量为 110mL /r, 最大转速为 1500r/min;负载敏感阀 7中右位 的弹簧预压力为 157N, 相当于此阀受压 2MPa 的作用 力 ; 负载敏感阀 8开启压力为 30MPa; 其中模拟负载 5、 负载敏感阀 7、 变量泵排量调节系统 9在 A MESi m 中没有可用模型 , 用 HCD (液压元件设计模块 模块 构建其 HCD 模型。 仿真时间为 400s 。 仿真环境 :介质密 度 850kg/m3, 体 积 模 量 1700MP

12、a, 动 力 粘 度511×10-2Pa s, 参考温度为 40 。1 变量泵 2 异步电机 3 节流阀 4 多路换向阀 5 模拟负载 6 液压马达 7 负载敏感阀 1 8 负载敏感阀 2 9 变量泵排量调节系统图 2 钻机负载敏感液压系统回转回路仿真模型5 系统仿真分析图 3、 4为不同工况时的负载转矩变化曲线 , 图 5、 6分别为对应的不同负载转矩工况下的泵的出口 压力变化曲线、 负载压力曲线以及泵出口流速曲线 , 由图可以观察到 , 从异步电机开始运转到多路换向阀 4推向左位的 10s 过程中 , 系统的压力基本维持在 2165MPa, 这一压力则足以推动油缸使变量泵的排量

13、变为最小 , 而 此 过 程 泵 出 口 的 流 量 也 基本 维持 在 011L /min, 全部内泻。 由此可以看出 , 当系统空载运 行时 , 泵的输出为低压小排量 , 从而减少了系统的压 力和流量损失。图 5高负载转矩情况下的 压力 、 流量特性曲线 多路换向阀推到左 位以后 , 系统中负载的 压力随着负载转矩的变 化而 变 化 , 而 图 5、 6系统中泵的出口压力始 终比负载压力高出一定值 , 这样就在变量泵的 排量调节系统中达到一(下转第 195页 461 机床与液压 第 36 卷进给电机变频调速系统进给电动机正反转控制 、 多档调速以及快速移动 也可向主轴电动机一样由 PLC

14、控制变频器的输入端 子实现。但由于其正反转运动包括多个方向的进给操 作 , 所需输入信号较多 , 这里 P LC 可根据实际所需 状况 , 扩展 I/O模块 。其变频调速控制图和主轴类 似 , 在此省略。由于 CUVC 变频器为矢量控制的变频器 , 不仅其 调速性能可与直流电动机相比拟 , 而且可以控制异步 电动机的转矩。动检测、自动辨别、 自动适应功能CUVC , 用设置 P396, 最大可达 4倍电 机额定电流 , 。 这样用于铣床调速控制时 , 可不需再设机械或电气制 动装置。以上变频调速系统与原电气原理图比较 :电气线 路变得简单、 灵活 ; 由于用变频调速代替以改变齿轮 的传动比的机

15、械方式调速 , 以及利用了 CUVC 变频器 内部性能良好的制动功能来替代原有的机械方式制 动 , 如此可大大简化机械结构 。4 结束语从以上可看到 , 在应用 CUVC 矢量变频器后 , 不 仅使系统变得小型化、 可靠化 , 操作维护简单化和控 制智能化。 还可实现以往难以做到的多种复杂控制和 故障保护 , 得到精确、快速、 灵活的控制性能。 另一 方面 , 使用变频器调速后 , 当电机转速下调 10%时 , 则电动机输出功率下降到额定功率的 73%; 当电机 转速下调 20%时 , 则电动机输出功率下降到额定功 率的 51%。 可见应用该变频器进行调速改造后的节 电效果多么显著。本矢量控制

16、系统利用了 CUVC 特有的各种组合智 能控制 , 实现对异步电动机参数进行自动检测 、 自动 辨别 、 自动适应的功能 , 从而在运行中可对异步电动 实现最优控制。参考文献【 1】 何超 1交流变频调速技术 M1北京航空航天大学 出版 , 2006181【 2】 张凤蕊 1一种无速度传感器矢量 控 制 系 统 的 研 究 J .微计算机信息 , 2006(28 :53-551【 3】 原魁 1变频器基础及应用 M1冶金工业出版社 , 2005171【 4】 王兵 1常用机床电气检修 M1中国劳动社会保障 出版社 , 2006171【 5】 SI E ME NS 6SE7016变频器用户技术资

17、料 1(上接第 164页 个稳定状态 , 使变量泵的排量保持不变 , 因此 , 通过 节流阀的流量保持恒定 。图 6 低负载转矩情况下压 力 、 流量特性曲线 对比图 5和图 6, 在不 同 负 载 转 矩 作 用 下 ,两种工况下液压泵的出其相:泵出口压力与负载压力都有一个相同的差值 ; 液压泵的出口流速相同。 这些特性反映 了负载敏感液压系统的压力流量的动态特性 :泵出口 压力始终与负载压力相适应 , 且负载压力高出某一恒 定值 , 不受负载压力变化的影响 , 具有明显的节能效 果。6 系统性能分析综合以上负载敏感系统动态性能分析 , 结合钻机 的回转工况 , 可以得出以下结论 :(1 钻

18、机进行辅助操作时 , 系统空载运行 , 泵 的输出为低压小排量 , 减少了压力和流量损失。 (2 系统的压力与负载变化相适应 , 并始终高 于负载压力一个小的固定值 , 满足钻进需求。 (3 负载敏感系统提供恒定流量 , 不受负载变 化的影响 , 有利于延长马达寿命和保护钻头。 (4 系统提供流量可以进行比例调节 , 从而很 方便实现钻具转速的调节 , 满足不同的钻进 ; 工艺要 求 , 提高钻机的工艺适应性及操作方便性。7 结束语将负载敏感控制技术应用到钻机的回转液压系统 中 , 能减少了液压系统的能量损失 , 达到节能的目 的 ; 同时稳定的输出流量使马达转速稳定 , 降低了负 载剧变对马达和钻头的冲击 , 提高了钻机的可靠性 , 完全满足钻机回转回路的性能要求 。参考文献【 1】 李 永 堂 , 雷 步 芳 , 高 雨 茁 1液