基于amesim的大型液壓升降平臺建模與仿真

基于amesim的大型液壓升降平臺建模與仿真

0液壓系統(tǒng)建模及仿真大型液體提升平臺是一項重要的物資提升工具，尤其是在大負荷的情況下，由于液壓機的巨大功率成本比，液壓機提升平臺具有很強的優(yōu)越性。然而液壓系統(tǒng)設計存在著參數選擇及匹配問題,如何根據系統(tǒng)設計要求,確定出合理的參數往往是系統(tǒng)設計的難點,傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)設計一般通過經驗公式反復計算確定參數,需要占用大量的計算時間,利用環(huán)境模擬仿真軟件(AMESIM,EASY5),構建出整個液壓系統(tǒng)模型,并進行的仿真實驗,方便了液壓部件參數的確定和優(yōu)化。某型液壓平臺動力系統(tǒng)簡圖如圖1所示,平臺周期性間歇工作,工作時間比較短,但工作時需供應高壓、大流量的液壓油;非工作時間比較長,有足夠的補油時間,考慮到經濟性和實用性,設計采用蓄能器組代替大功率泵站對提升機構的短時間供油。在非工作階段時,由小功率泵站對蓄能器組進行充油;在工作階段時,由蓄能器組和泵站聯(lián)合進行供油,這樣可以滿足以較小的裝機功率來完成系統(tǒng)設計,達到節(jié)能的要求。蓄能器參數的選取顯得尤其重要,本文通過應用液壓/機械系統(tǒng)仿真軟件AMESIM,仿真確定蓄能器組參數,使得液壓升降平臺能在30s時間內以給定的平臺上升速度曲線(圖2)和下降速度曲線(圖3),把近1000kN的負載提升到10m左右。從而為升降平臺的總體設計提供參考依據。1系統(tǒng)建模1.1平臺動力學方程作用在平臺上的力主要由鋼絲繩拉力F、平臺重力mg兩部分組成(忽略平臺受到的各種阻力),力平衡方程如下:F-(m1+m2)g=(m1+m2)a1(1)平臺運動方程如下所示:v1=v0+a1t(2)x1=v0t+0.5a1t2(3)式中:m1為平臺質量;m2為負載質量;a1為平臺加速度;v1為平臺速度;x1為平臺位移。1.2力平衡方程的建立作用在液壓缸上的力主要由液壓力p′S、鋼絲繩作用力2F兩部分組成(忽略液壓缸及滑輪組受的阻力)。力平衡方程p′S-2F=m3a2(4)運動方程v2=v0+a2t(5)x2=v0t+0.5a2t2(6)式中:m3為液壓缸柱塞及附件質量;S為液壓缸柱塞面積;a2為柱塞加速度,a2=0.5a1;v2為柱塞速度,v2=0.5v1;x2為柱塞位移,x2=0.5x1。1.3蓄能器工區(qū)壓力計算由于系統(tǒng)工作時間小于1min,所以蓄能器工作在絕熱過程中,其工作方程如下所示:p0V1.4001.4=p1V1.4111.4=p2V1.4221.4=pV1.4=G(7)式中:p0為蓄能器充氣壓力;V0為蓄能器體積;p1為蓄能器最低工作壓力;V1為相應于最低工作壓力時氣體體積;p2為蓄能器最高工作壓力;V2為相應于最高工作壓力時氣體體積;p為蓄能器瞬時壓力;V為瞬時氣體體積。1.4伺服閥閥口開度設計伺服閥閥芯直徑d=200mm,最大位移為hmax=10mm。選取流量系數為Cd=0.63;流體密度ρ=1060kg/m3;由流量公式得,伺服閥在額定流量時的閥口開度h。h=QπdCdρ√2Δp√h=QπdCdρ2Δp(8)其中:Q為通過伺服閥的流量;Δp為伺服閥閥口壓差。通過優(yōu)化算法確定PID參數,控制伺服閥閥口的開度,配合蓄能器一起實現平臺的動態(tài)性能要求。整體的AMESIM模型如圖4所示。其優(yōu)化目標函數為f(x)=∫T00Τ[v(t)-v0]2dt(9)其中:T為平臺運行時間;v(t)為平臺實際速度;v0為平臺給定速度。優(yōu)化確定的Kp、Ki、Kd值為2.898、4.339、0時平臺上升的實際運行情況和給定速度情況如圖5所示。2最高工作壓力p本系統(tǒng)主要是在滿足平臺動態(tài)性能的前提下,確定高、低壓蓄能器個數與蓄能器充氣壓力、最低工作壓力、最高工作壓力3個關鍵參數之間的關系。蓄能器作為蓄能用時,在保護膠囊,延長使用壽命的條件下,折合型氣囊p0≈(0.8～0.85)p1,最高工作壓力p2≤3p1。本系統(tǒng)取p0=0.8p1,則可算出單個蓄能器在最低工作壓力下氣體體積V1。p0V1.4001.4=p1V1.4111.4?0.8p1V1.4001.4=p1V1.4111.4?V1=exp(log(0.8V1.4001.4)/1.4)(10)初選單個蓄能器體積V0為160L,蓄能器在最低工作壓力時壓縮腔內空氣體積為V1=0.1364264m3又液壓平臺推動用液壓缸內柱塞移動所需的體積:Vw=x2S=5.1×0.352565=1.79808m3(11)則最高工作壓力下蓄能器壓縮腔內氣體體積V2為V2=0.1364264-Vw/a(12)式中:a為蓄能器個數。2.1約束條件的優(yōu)化在AMESim軟件中提供了設計開發(fā)模塊,利用這些技術可以拓展設計空間。本文利用建立的液壓升降平臺液壓系統(tǒng)模型,通過對蓄能器組的最高工作壓力、充氣壓力進行試驗研究以達到確定這些參數的目的。首先,設置輸入輸出參數,從上面的分析中,可以得到當采用40個160L蓄能器時,平臺運行到位時,蓄能器組內氣體體積為0.1364264×40=5.457m3;蓄能器組內最低工作壓力應略大于或等于負載作用在動力缸上的壓力5.78MPa。因而,以上述兩個條件作為優(yōu)化約束條件。在滿足上述條件時,如果伺服閥閥芯的最大開度越大,則所需的最高工作壓力越低,因而,以閥芯最大開度不超過10mm時所能得到的最低充油壓力作為響應目標。在完成參數設置之后,選擇合適的算法進行計算,AMESim提供了兩種算法,本文選擇了NLPQL算法。通過計算后可以得到如下結果,蓄能器個數N從40—50之間變化時,蓄能器的最高工作壓力,充氣壓力、最終壓力,其值如表1所示。蓄能器壓力、閥芯位移及動力缸壓力變化曲線如圖6所示。蓄能器最終工作壓力維持在5.8MPa,伺服閥通過PID控制器的調節(jié)作用,最大的開度都低于10mm。2.2平臺下降壓力優(yōu)化算法低壓蓄能器組在本系統(tǒng)中可起到壓力油箱的作用,因而提高低壓蓄能器組在初始狀態(tài)下的充油壓力,有助于減小泵兩端的出口壓力,從而達到提高泵排量,減小裝機功率的目的。平臺下降時,優(yōu)化算法同高壓蓄能器組設計,確定蓄能器充油壓力、充氣壓力、最終壓力等參數如表2所示。在滿足最小充油壓力下,蓄能器壓力、閥芯位移及動力缸壓力變化曲線如圖7所示。低壓蓄能器最終壓力為5.8MPa,同時伺服閥最大開度低于10mm,平臺下降