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摘 要:为提高高温铁水运输的安全性,利用MSC Easy5对180 t平板车的液压调平系统进行仿真. 在仿真结果的指导下对其液压调平系统的设计参数进行评价和改进. 改进后的仿真结果表明,液压调平系统的快速响应性和动态跟踪能力得到很大改善.
关键词:平板车; 液压调平系统; 仿真; MSC Easy5
中图分类号:TH137; TP391.9
文献标志码: A
Simulation on automatic hydraulic leveling system for 180 t platform vehicle based on MSC Easy5
ZHANG Weidong1, MO Xuhui2, PENG Jinsong3
(1.School of Mechanical & Electrical Eng., Central South Univ., Changsha 410083, China;
2.School of Machinery & Automobile Eng., Hu’nan Univ., Changsha 410082, China;
3.Changsha Kairui Heavy Industry Machinery, Co., Ltd., Changsha 410013, China)
Abstract:To improve the transportation safety of high-temperature molten iron, the automatic hydraulic leveling system is simulated for 180 t platform vehicle using MSC Easy5. Under the direction of simulation results, the design parameters of the automatic hydraulic leveling system are evaluated and improved. The simulation after improving indicates that the quick activation and dynamic tracking ability of the system are improved obviously.
Key words:platform vehicle; hydraulic leveling system; simulation; MSC Easy5
0 引 言
近年来,随着工程机械的发展,液压悬挂系统的设计技术成为行业探索的课题.目前,对于平板车液压悬挂系统的设计及其元器件的选型,大多采用类比经验方法,缺乏相关理论研究的支持,以致系统在整车装配并运行后才能得知其设计的优劣性,使得设计周期过长,需要多次反复重新选型才能达到设计要求,试车时,情况严重还可能损坏元件,造成系统严重损伤.因此,必须根据设计方案,先对系统进行计算机仿真,初步了解系统运行的各种特性,减少设计的盲目性,以确保试车的安全性和稳定性,并缩短设计周期,提高经济效益.因此,针对传统初始设计过程中的参数选择进行计算机仿真,给出评价与指导.
由于180 t平板车运输液态铁水,行驶在有坡度的路面或者转向时,车上罐装的铁水会发生倾斜,重心偏离.为了避免这种不利情况的发生,需要对平板车的电液悬挂系统进行控制,调节各悬架液压缸高度,以尽量保持车身水平.针对调平过程中液压悬挂系统的动态特性,采用MSC Easy5软件对其进行仿真,并由仿真中得到的压力､流量变化情况以及阀的工作状况,对设计参数进行评价和改进,目的是为平板车电液悬挂调平系统的设计制造以及控制策略提供一定参考,从而减少物理样机试制的风险.[1,2]
1 液压调平系统建模
MSC Easy5是面向多学科动态系统和控制系统的仿真软件,应用于产品的概念和系统级设计阶段以快速建立完整､可靠的功能虚拟样机.该产品系列诞生于波音公司,由富有经验的工程师和数值计算专家结合工程实际问题合作开发.MSC Easy5兼具完全的图形化建模环境､强大的仿真和分析能力､连接其他多种工程软件的开放结构,可以用来仿真各种由微分､差分和代数方程描述的动态系统,其独到之处在于多学科的专业应用库,包括液压系统库､气动系统库､多相流体库､航空航天库､发动机库､动力传动库､电气系统库和燃料电池库等,被广泛应用于各工业领域,可解决航空航天､国防､汽车､工程设备和重型机械等所涉及到动态系统和控制系统的各种复杂工程问题.
MSC Easy5中包括2个液压(Thermal Hydraulic)系统库,即Basic库和Advanced库.液压系统库包含众多功能,有90多种液压元件模型,代表几乎所有液压系统的关键部分.每个元件代表1组微分和代数方程,可以对液压元件的动态和稳态行为进行描述与分析.
电液悬挂系统是对平板车车身倾斜姿态进行控制调节的装置,它由液压泵､系统压力阀､电液比例换向阀､提升液压缸以及其他一些阀类和辅助装置组成.整车的电液悬挂系统由4组相同的比例换向阀和液压缸装置并联而成,相当于4点支撑车身.在其中1个支撑点安装双轴倾角传感器,并以其为调平的基准点,基准点液压缸不动作.当车身倾斜时,可由双轴角度传感器所测量的角度和其他支撑点距离基准支撑点的长度算出各个高度差.这些高度差代表非基准点液压缸要动作的方向和行程,即所控制的目标位移.为便于研究,取其中1个液压缸,并假定1条代表各种工况的典型目标位移曲线,建立 1/4 悬挂模型进行仿真研究.图1为1/4液压悬挂系统原理图.
当比例换向阀处于中位时,液压油路锁死,悬挂系统处于刚性支撑状态.当比例换向阀处于下位时,液压泵输出的高压油经过电液比例换向阀,再经过液控单向阀进入液压缸的无杆腔,使得平板车车身提升.[3]当比例换向阀处于上位,并且两位两通换向阀处于右位时,液控单向阀的回油打开,在平板车自身重力下,液压缸无杆腔的液体被排出,经液控单向阀和比例换向阀流回油箱,使得平板车车身下降.这样当平板车行驶在有坡路面或者转向时,通过调节悬挂油缸的进出油量来调节车身的倾斜姿态,使得运输罐中的铁水尽量保持水平,避免危险发生.
其中,比例多路换向阀中使用两通负载敏感阀,保证比例多路换向阀出油口的流量不随负载变化而变化.压力补偿器即定差减压阀近似保持比例换向阀压差不变,压差主要与液动力､压力补偿器的弹簧力和液压力作用面积有关.其工作原理为进油口接泵出口,出油口接比例多路换向阀的进油口,控制油口经过外部节流口(比例多路换向阀的阀口阻尼)后接到出油口.当进油口没有油液通过时,阀口全部打开;当进油口有油液通过时,阀口趋于关闭,直至达到新的力平衡.由于压力补偿器不断起补偿作用,使得比例换向阀进出口压差近似保持不变,而换向阀芯处于某一开度时,流量将保持恒定,使得机构的运动速度不受负载力影响.[4]
关键元件电液比例方向阀的电—机械转换器的输入输出模型可以近似为2阶系统,其传递函数的形式为
式中:m为衔铁组件的质量;c为阻尼系数;k为衔铁组件的弹簧刚度;I为驱动电流;x为比例方向阀的阀芯位移.
假设滑阀是理想零开口,控制阀口对称匹配,回油压力为0,则流量方程为
式中:Cd为流量因数,液流在阀口的流动属于紊流,故取值为0.7;A(x(t))为阀口通流面积,变化规律决定于阀芯位移x(t)和节流口几何形状;Δp为阀口前后的压力差;sign(Δp)为符号函数,决定于Δp;ρ为液压油密度,取值为860 kg/m3.
用MSC Easy5软件建立如图2的液压调平系统仿真模型,分析单个悬挂系统.模型中采用传统PI控制,其主要参数设置与实际物理模型保持一致.
2 调平系统仿真结果及分析
为了评价液压调平系统的性能,设定1条比较典型的液压缸活塞杆目标位移曲线,目标曲线中包括阶跃､平缓斜坡､阶梯和陡峭斜坡等工况.[5]在原始物理参数下仿真,结果见图3.从图3(a)可以看出,原始设计的液压调平系统对阶跃､阶梯和陡峭斜坡的目标曲线跟踪能力不是特别理想,存在着比较严重的滞后.原始系统中电液比例换向阀的驱动电流范围为-50~+50 mA,从图3(b)可以看出在以阶跃､阶梯和陡峭斜坡曲线为目标时,电液比例换向阀的驱动电流已经达到最大,阀口已经完全打开,此时还存在滞后,说明流量不够.[6,7]为了改善液压调平系统的动态特性,更好地跟踪目标曲线的变化,重新设计选用额定流量较大的电液比例换向阀,在相同目标曲线和控制方法情况下进行仿真,结果见图4.由图4(a)可以看出,通过仿真对液压调平系统设计参数的合理性进行评价,并根据仿真的指导重新选取关键元器件,改进系统重新设计后,对于液压调平系统的快速响应性和动态跟踪能力都有很大改善.同时,由仿真结果图4(b)和(c)可以看出,电液比例阀工作在最大驱动电流即额定最大流量下的时间减少,这样有利于系统的稳定性.由图4(d)可以看出整个调平过程中系统的压力波动很小,基本恒定在283 bar上. (a)目标位移和输出位移曲线
(b)电液比例换向阀的驱动电流
在初步设计后,通过对系统仿真,可以分析初步方案中参数选择的合理性,并能对系统的稳定性给予评价.在仿真分析后,再对系统进行改进设计,图5即为在仿真结果指导下选择系统参数､改进设计的液压悬架.该液压调平悬架实际应用状况一直良好,表明用仿真分析方法指导产品设计,不仅能够缩短设计周期､节约设计成本,而且能够保证设计产品的使用安全性,这种设计方法较适合该类产品工业设计的需要.
3 结 论
针对180 t平板车液压调平系统,采用MSC Easy5对系统进行仿真,并对调平系统的设计参数进行评价和改进.在仿真指导下重新进行设计选型,改进后的仿真结果表明,液压调平系统的快速响应性和动态跟踪能力都有很大改善.这种仿真分析方法对以后平板车的液压悬挂调平系统设计制造以及控制算法的研究都具有一定的实际工程意义.
参考文献:
[1] FRITZ N, ELSAWY A, MODLER K H, et al. Simulation of mechanical drivers with Easy5[J]. Comput Industrial Eng, 1999, 37(1-2):231-234.
[2] 陆元章. 液压系统的建模与分析[M]. 上海:上海交通大学出版社, 1991.
[3] 朱小明. 比例多路换向阀在工程机械中的应用[J]. 建筑机械, 2006(4):87-90.
[4] 谭彧. 拖拉机液压悬挂和加载系统性能研究[D]. 中国农业大学, 2004.
[5] 陈亚琛, 金晓宏. 基于Easy5的液压AGC油源系统的动态仿真[J]. 机床与液压, 2006(2):194-196.
[6] 厉军, 赵玉珊, 魏立基. 电液比例控制多缸自适应调平液压系统[J]. 液压与气动, 2003(10):27-28.
[7] 刘浩亮. 基于MSC Easy5 液压自动调平方舱振动仿真分析[J]. 计算机辅助工程,2006, 15(S1):281-283.
(编辑 廖粤新)
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关键词:平板车; 液压调平系统; 仿真; MSC Easy5
中图分类号:TH137; TP391.9
文献标志码: A
Simulation on automatic hydraulic leveling system for 180 t platform vehicle based on MSC Easy5
ZHANG Weidong1, MO Xuhui2, PENG Jinsong3
(1.School of Mechanical & Electrical Eng., Central South Univ., Changsha 410083, China;
2.School of Machinery & Automobile Eng., Hu’nan Univ., Changsha 410082, China;
3.Changsha Kairui Heavy Industry Machinery, Co., Ltd., Changsha 410013, China)
Abstract:To improve the transportation safety of high-temperature molten iron, the automatic hydraulic leveling system is simulated for 180 t platform vehicle using MSC Easy5. Under the direction of simulation results, the design parameters of the automatic hydraulic leveling system are evaluated and improved. The simulation after improving indicates that the quick activation and dynamic tracking ability of the system are improved obviously.
Key words:platform vehicle; hydraulic leveling system; simulation; MSC Easy5
0 引 言
近年来,随着工程机械的发展,液压悬挂系统的设计技术成为行业探索的课题.目前,对于平板车液压悬挂系统的设计及其元器件的选型,大多采用类比经验方法,缺乏相关理论研究的支持,以致系统在整车装配并运行后才能得知其设计的优劣性,使得设计周期过长,需要多次反复重新选型才能达到设计要求,试车时,情况严重还可能损坏元件,造成系统严重损伤.因此,必须根据设计方案,先对系统进行计算机仿真,初步了解系统运行的各种特性,减少设计的盲目性,以确保试车的安全性和稳定性,并缩短设计周期,提高经济效益.因此,针对传统初始设计过程中的参数选择进行计算机仿真,给出评价与指导.
由于180 t平板车运输液态铁水,行驶在有坡度的路面或者转向时,车上罐装的铁水会发生倾斜,重心偏离.为了避免这种不利情况的发生,需要对平板车的电液悬挂系统进行控制,调节各悬架液压缸高度,以尽量保持车身水平.针对调平过程中液压悬挂系统的动态特性,采用MSC Easy5软件对其进行仿真,并由仿真中得到的压力､流量变化情况以及阀的工作状况,对设计参数进行评价和改进,目的是为平板车电液悬挂调平系统的设计制造以及控制策略提供一定参考,从而减少物理样机试制的风险.[1,2]
1 液压调平系统建模
MSC Easy5是面向多学科动态系统和控制系统的仿真软件,应用于产品的概念和系统级设计阶段以快速建立完整､可靠的功能虚拟样机.该产品系列诞生于波音公司,由富有经验的工程师和数值计算专家结合工程实际问题合作开发.MSC Easy5兼具完全的图形化建模环境､强大的仿真和分析能力､连接其他多种工程软件的开放结构,可以用来仿真各种由微分､差分和代数方程描述的动态系统,其独到之处在于多学科的专业应用库,包括液压系统库､气动系统库､多相流体库､航空航天库､发动机库､动力传动库､电气系统库和燃料电池库等,被广泛应用于各工业领域,可解决航空航天､国防､汽车､工程设备和重型机械等所涉及到动态系统和控制系统的各种复杂工程问题.
MSC Easy5中包括2个液压(Thermal Hydraulic)系统库,即Basic库和Advanced库.液压系统库包含众多功能,有90多种液压元件模型,代表几乎所有液压系统的关键部分.每个元件代表1组微分和代数方程,可以对液压元件的动态和稳态行为进行描述与分析.
电液悬挂系统是对平板车车身倾斜姿态进行控制调节的装置,它由液压泵､系统压力阀､电液比例换向阀､提升液压缸以及其他一些阀类和辅助装置组成.整车的电液悬挂系统由4组相同的比例换向阀和液压缸装置并联而成,相当于4点支撑车身.在其中1个支撑点安装双轴倾角传感器,并以其为调平的基准点,基准点液压缸不动作.当车身倾斜时,可由双轴角度传感器所测量的角度和其他支撑点距离基准支撑点的长度算出各个高度差.这些高度差代表非基准点液压缸要动作的方向和行程,即所控制的目标位移.为便于研究,取其中1个液压缸,并假定1条代表各种工况的典型目标位移曲线,建立 1/4 悬挂模型进行仿真研究.图1为1/4液压悬挂系统原理图.
当比例换向阀处于中位时,液压油路锁死,悬挂系统处于刚性支撑状态.当比例换向阀处于下位时,液压泵输出的高压油经过电液比例换向阀,再经过液控单向阀进入液压缸的无杆腔,使得平板车车身提升.[3]当比例换向阀处于上位,并且两位两通换向阀处于右位时,液控单向阀的回油打开,在平板车自身重力下,液压缸无杆腔的液体被排出,经液控单向阀和比例换向阀流回油箱,使得平板车车身下降.这样当平板车行驶在有坡路面或者转向时,通过调节悬挂油缸的进出油量来调节车身的倾斜姿态,使得运输罐中的铁水尽量保持水平,避免危险发生.
其中,比例多路换向阀中使用两通负载敏感阀,保证比例多路换向阀出油口的流量不随负载变化而变化.压力补偿器即定差减压阀近似保持比例换向阀压差不变,压差主要与液动力､压力补偿器的弹簧力和液压力作用面积有关.其工作原理为进油口接泵出口,出油口接比例多路换向阀的进油口,控制油口经过外部节流口(比例多路换向阀的阀口阻尼)后接到出油口.当进油口没有油液通过时,阀口全部打开;当进油口有油液通过时,阀口趋于关闭,直至达到新的力平衡.由于压力补偿器不断起补偿作用,使得比例换向阀进出口压差近似保持不变,而换向阀芯处于某一开度时,流量将保持恒定,使得机构的运动速度不受负载力影响.[4]
关键元件电液比例方向阀的电—机械转换器的输入输出模型可以近似为2阶系统,其传递函数的形式为
式中:m为衔铁组件的质量;c为阻尼系数;k为衔铁组件的弹簧刚度;I为驱动电流;x为比例方向阀的阀芯位移.
假设滑阀是理想零开口,控制阀口对称匹配,回油压力为0,则流量方程为
式中:Cd为流量因数,液流在阀口的流动属于紊流,故取值为0.7;A(x(t))为阀口通流面积,变化规律决定于阀芯位移x(t)和节流口几何形状;Δp为阀口前后的压力差;sign(Δp)为符号函数,决定于Δp;ρ为液压油密度,取值为860 kg/m3.
用MSC Easy5软件建立如图2的液压调平系统仿真模型,分析单个悬挂系统.模型中采用传统PI控制,其主要参数设置与实际物理模型保持一致.
2 调平系统仿真结果及分析
为了评价液压调平系统的性能,设定1条比较典型的液压缸活塞杆目标位移曲线,目标曲线中包括阶跃､平缓斜坡､阶梯和陡峭斜坡等工况.[5]在原始物理参数下仿真,结果见图3.从图3(a)可以看出,原始设计的液压调平系统对阶跃､阶梯和陡峭斜坡的目标曲线跟踪能力不是特别理想,存在着比较严重的滞后.原始系统中电液比例换向阀的驱动电流范围为-50~+50 mA,从图3(b)可以看出在以阶跃､阶梯和陡峭斜坡曲线为目标时,电液比例换向阀的驱动电流已经达到最大,阀口已经完全打开,此时还存在滞后,说明流量不够.[6,7]为了改善液压调平系统的动态特性,更好地跟踪目标曲线的变化,重新设计选用额定流量较大的电液比例换向阀,在相同目标曲线和控制方法情况下进行仿真,结果见图4.由图4(a)可以看出,通过仿真对液压调平系统设计参数的合理性进行评价,并根据仿真的指导重新选取关键元器件,改进系统重新设计后,对于液压调平系统的快速响应性和动态跟踪能力都有很大改善.同时,由仿真结果图4(b)和(c)可以看出,电液比例阀工作在最大驱动电流即额定最大流量下的时间减少,这样有利于系统的稳定性.由图4(d)可以看出整个调平过程中系统的压力波动很小,基本恒定在283 bar上. (a)目标位移和输出位移曲线
(b)电液比例换向阀的驱动电流
在初步设计后,通过对系统仿真,可以分析初步方案中参数选择的合理性,并能对系统的稳定性给予评价.在仿真分析后,再对系统进行改进设计,图5即为在仿真结果指导下选择系统参数､改进设计的液压悬架.该液压调平悬架实际应用状况一直良好,表明用仿真分析方法指导产品设计,不仅能够缩短设计周期､节约设计成本,而且能够保证设计产品的使用安全性,这种设计方法较适合该类产品工业设计的需要.
3 结 论
针对180 t平板车液压调平系统,采用MSC Easy5对系统进行仿真,并对调平系统的设计参数进行评价和改进.在仿真指导下重新进行设计选型,改进后的仿真结果表明,液压调平系统的快速响应性和动态跟踪能力都有很大改善.这种仿真分析方法对以后平板车的液压悬挂调平系统设计制造以及控制算法的研究都具有一定的实际工程意义.
参考文献:
[1] FRITZ N, ELSAWY A, MODLER K H, et al. Simulation of mechanical drivers with Easy5[J]. Comput Industrial Eng, 1999, 37(1-2):231-234.
[2] 陆元章. 液压系统的建模与分析[M]. 上海:上海交通大学出版社, 1991.
[3] 朱小明. 比例多路换向阀在工程机械中的应用[J]. 建筑机械, 2006(4):87-90.
[4] 谭彧. 拖拉机液压悬挂和加载系统性能研究[D]. 中国农业大学, 2004.
[5] 陈亚琛, 金晓宏. 基于Easy5的液压AGC油源系统的动态仿真[J]. 机床与液压, 2006(2):194-196.
[6] 厉军, 赵玉珊, 魏立基. 电液比例控制多缸自适应调平液压系统[J]. 液压与气动, 2003(10):27-28.
[7] 刘浩亮. 基于MSC Easy5 液压自动调平方舱振动仿真分析[J]. 计算机辅助工程,2006, 15(S1):281-283.
(编辑 廖粤新)
“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文”