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1、重庆交通大学 20142015学年1学期研究生课程考试结业论文课程名称： 课程编号： 论文题目：基于AMESim的PY180平地机工作装置液压系统仿真分析 研究生姓名： 杨 芬 学 号： 2140990017 论文评语：成 绩： 任课教师： 评阅日期： 基于AMESim的PY180平地机工作装置液压系统仿真分析杨芬摘 要：根据PY180平地机的作业特点及工况要求拟定了工作装置的液压系统原理图，对工作装置液压系统进行设计计算，并对主要液压元器件的选型进行分析，同时设计铲刀升降油缸。通过对平地机铲刀升降液压系统原理的分析，利用仿真软件AMESim建立了液压系统的模型，并对液压系统的工作过程进行了动
2、态仿真分析，得出了铲刀升降过程中流量、压力及速度的变化情况，并分析了可能影响仿真精度的因素，确保整个液压系统方案合理、性能可靠。关键词：平地机，液压系统设计，AMESim，动态仿真Study on the hydraulic system of PY180 grader on AMESimAbstract: According to the job of characteristics and working conditions of PY180 grader requirements developed hydraulic system schematics working device
3、for hydraulic system design calculations, and the selection of the main hydraulic components for analysis, while the design of the blade lift cylinder. Through the analysis on the hydraulic system of grader blade lift, t the use of simulation software AMESim modeled hydraulic system, hydraulic syste
4、m and work process carried out dynamic simulation analysis, the process of lifting the blade flow, pressure and speed changes in the situation and analyze the factors that may affect the accuracy of the simulation, the entire hydraulic system solutions to ensure the rational and reliable performance
5、Keywords: Grander; Hydraulic system design; AMESim ; dynamic simulation1. 引言近几十年来，我国的建设事业发展十分迅速，从而使得工程机械也得到了空前的发展。大凡土石方施工工程、路面建设与养护、流动式起重装卸作业和各种建筑工程所需的综合性机械化施工工程所必需的机械装备，称为工程机械。它主要用于国防建设工程、交通运输建设，能源工业建设和生产、矿山等原材料工业建设和生产、农林水利建设、工业与民用建筑、城市建设、环境保护等领域。其中平地机是土方工程中用于整形和平整作业的主要机械，广泛用于公路、机场等大面积的地面平整作业。平地机之所
6、以有广泛的辅助作业能力，是由于它的铲土板能在空间完成六自由度运动。它们可以单独进行，也可以组合进行。平地机在路基施工中，能为路基提供足够的强度和稳定性。它在路基施工中的主要方法有平地作业、刷坡作业、填筑路堤。2. PY180平地机工作装置液压系统原理液压系统图是表示液压系统组成与工作原理的图符号图，确定液压系统方案和拟定液压系统图是液压系统设计的关键性一步。拟定一个比较完美的液压系统，必须对各种基本回路、典型液压系统有全面的了解，参与和借鉴完善的液压系统设计是极为重要的。拟定液压系统图时考虑的因素。1）主回路设计主回路是液压系统的主干回路。主回路的多少和形式应根据主机动作与性能要求选择。对往复
7、直线运动采用液压泵液压缸回路，并优先摆选择单杆活塞式液压缸；对于摆动运动，可选择摆动液压缸或马达；对于回转运动则用采用液压马达。根据负载大小和稳定性选择合适的马达。开式系统在工程机械中应用广泛，应当优先采用，闭式系统多用于大功率情况，系统任务比较单纯，回路控制复杂。拟定回路后，再表述添加其他辅助回路或元件，这样可组成一个完整的液压系统。拟定好液压系统图后，要作好两座分析，检验满足主机动作要求。2）确定调速方案液压系统的原动机不同，调整方式也不同。对速度变化范围大，负载变化小的系统，宜采用双泵调速。大功率液压系统通常采用容积高速。当负载变化大、压力高，对速度稳定性要求不高时，宜采用伺服变量泵定量
8、马达恒功率调整方案，宜用闭式回路。3）压力控制回路压力控制回路有多种，定量泵系统通常使用溢流阀构成恒压（调压）回路，同时要考虑必要的卸载回路，提高回路效率；容积调速回路和容积节流调速回路，若是使用安全阀限制回路最高工作压力，溢流阀动作要；当执行元件较多时，而工作压力要求不同时，就设置减压回路，若有反作用的回路要设置平衡阀等。4）防止系统过热对中、低压系统，溢流和节流损失是发热的主要原因，对高压大功率液压系统，串联在回路中的液压阀及油管、管接头是发热的主要原因。回路的压力适当、功率匹配设计是减少发热和提高效率的根本方法。另外对于经常制动、停车和保压的系统，要设计卸载回路。对于大功率回路，尽量减少
9、串联液压元件，油箱要有足够的散热面积，必要时要设置冷却回路。5）防止液压冲击执行元件的速度、方向和负载的实然变化，往往会发生液压冲击。使用蓄能器和设计压力缓冲回路是防止液压冲击的有效方法。延长换向时间，可有效避免液压冲击。6）安全问题确保系统的安全可靠，确保操作人员的安全是最重要的。液压系统的设计要体现以人为本的概念。例如，为防止部件漂移、下滑、超速，应有锁紧、平衡、限速回路；为防止操作人员失误和液压元件的失灵而产生动作，应有误动作防止回路。在特别重要的场合下，应设计冗余系统，确保系统连续安全可靠地工作。7）其它问题液压系统的回路应避免回路之间的相互干扰，回路设计力求简单，尽量采用标准液压元件
10、，压力、温度和液位观测点的设置要便捷，要考虑安装和检修方便等。考虑上述7个因素，结合工作要求，绘制图所示的液压原理图：图2.1 PY180平地机工作装置液压系统原理图1-分流阀；2-安全阀；3-流量控制阀；4-安全阀；5-油路换向阀；6-铲刀左升降油缸；7-液压锁；8-变角油缸；9-铲刀伸缩油缸；10-铲刀回转马达；11-单向节流阀；12-铲刀右升降油缸；13-摆动油缸；14-铲刀左升降油缸换向阀；15-摆动油缸换向阀；16-回转马达换向阀；17-铲刀右升降油缸换向阀；18-伸缩油缸换向阀；19-变角油缸；20-齿轮泵；21-压力油箱；22-滤油器3. PY180平地机工作装置液压系统设计计算
11、3.1 液压系统负载分析1）铲刀升降油缸分析铲刀升降油缸的工作方式比较简单，可单独工作也可同时工作，但无论哪种工作方式，左右两个油缸都要受到相应的压力。如图5.1所示。图Error! No text of specified style in document.1 铲刀升降油缸一般位置示意图将地面对铲刀的全部作用力都集中在铲刀边缘的C点上，从模型上来看，这个模型可以解决最大负载的受力分析。液压缸的受力有三个部分：工作负载、惯性负载和摩擦负载，当油缸做往复直线运动时，其总负载就这三部分之和。工作负载图Error! No text of specified style in document.1就
12、是对PY180平地机工作装置受力的一个简图，其中AO=BO，BC=3AO，分别对点A和点B求矩，可以求得：则二者取其大，铲刀升降油缸的最大负载为PY180平地机的重心大致前后轴距的处：（1）（2）故惯性负载：即启动或制动过程中的惯性力（3）由于铲刀升降油缸的升降速度较慢且工作装置的质量相对较小，由公式（3）可以认为，其惯性负载忽略不计。摩擦负载：即液压缸驱动工作时所要克服的外部机械摩擦阻力（4）式中：作用在第个支承面上的法向力，N；第个支承面的摩擦因数。但执行元件的内部摩擦力计算比较繁琐，一般将它算在液压缸的机械效率中考虑，通常可取。2）回转液压马达分析回转液压马达在各种工况中只有当铲刀完全外
13、伸且处于最在牵引力之下作业时，回转液压马达才受到最大的扭矩。如图3.2所示，可大致的计算出液压马达所受的扭矩。回转圈回转液压马达铲刀图3.2 回转液压马达受力分析在图示的位置可以取得极值：（5）其中T为平地机工作时最大牵引力，为铲刀原长的一半。3）变角油缸分析变角油缸的位置在铲刀的后面，所受到的阻力是铲刀弓形里土的重力，其重力计算公式：（6）式中：弓形内土壤自重，；弓形容积，；土壤的容重，。其中弓形容积的截面积如图3.3所示：图3.3 阴影部分为铲刀弓形里土的截面积通过AutoCAD做图法求得阴影部分的面积，得到弓形土壤容积为其中取容重，则变角油缸受到的阻力为3.2 液压系统主要参数的确定由对
14、执行元件的工况分析，可以确定其输出功率或。考虑到系统的效率，则有，一般情况下，的变化不是很大，就认为功率与系统压力和流量有关。若压力选得过低，则流量过大，导致液压元件尺寸和质量都比较大；反之若压力过高，则流量较小，液压元件的尺寸和质量也较小，但对元件的制造精度和维护使用要求也就比较了，同时泄漏量也就会增大，系统的效率也会降低。根据PY180平地机的实际情况和相关资料获得其液压系统的最大压力为，一般在以内。3.3 执行元件的选择计算执行元件的选择计算是对液压缸的尺寸或液压马达的几何排量，这是执行元件的主要参数，对执行元件的刚度和承载能力有直接影响。由计算的数据验算后，根据液压元件手册选择合适的液
15、压元件型号。图3.4 油缸受力示意图1）铲刀升降油缸如图3.4所示，液压缸的有效工作面积计算公式：（7）式中液压缸有效工作面积，；液压缸最大负载；机械效率，取；液压缸工作压力，。无杆腔直径：根据往复运动速率比有：（8）推导得（9）2）回转液压马达液压马达的几何排量计算（10）式中：液压马达几何排量，；液压马达最大负载转矩，；液压马达的工作压力，；液压马达机械效率由于采用的是叶片马达，取。蜗轮蜗杆减速传动比，可以计算液压马达所需的最大输出转矩：计算马达排量：3.4 液压缸设计计算1）液压缸基本参数的计算当活塞杆全部外伸时，从活塞支承面中点到导向套滑动面中点的距离称为最小导向长度H（如图3.5所示
16、）。如果导向长度过小，将使液压缸的初始挠度（间隙引起的挠度）增大，影响液压缸的稳定性，因此设计时必须保证有一最小导向长度。目前对H的计算多采用经验公式（11）式中L液压缸最大工作行程。图3.5 油缸的导向长度2）缸体厚度及外径强度校验缸体厚度的聚会由强度条件决定。当时可按薄壁公式校验强度，即（12）式中：最高工作压力，单位；材料许用应力，为材料抗拉强度，n为安全系数，一般n=5。当时，按下式校验强度，即（13）当时，按壁厚圆筒公式校验强度，即（14）缸体外径，计算后圆整。3）活塞杆直径强度及稳定性校验（1）活塞杆直径强度校核活塞杆直径强度按下截获校验强度，即（15）式中液压缸负载，单位N材料许
17、用应力，为材料抗拉强度，n为安全系数，一般n=5。（2）活塞杆稳定性校核当时，应对活塞杆进行稳定性校核。液压缸的稳定条件为（16）式中液压缸临界负载，单位为N；稳定安全系数，通常取。当，则可按欧拉公式计算临界负载，即（17）式中活塞二次截面矩；活塞杆材料弹性模量；n末端条件系数；L活塞杆计算长度。4）缸底厚度设计hd如图3.6，d为缓冲槽的直径。图3.6 缸底结构形式缸底厚度：（18）5）缸体连接计算和校核由给定的安装方式为缸体法兰连接，则连接螺栓的拉应力为（19）切应力则，合成应力3.5 液压泵的选择1）确定液压泵的最大工作压力（20）式中：液压缸或液压马达的最大工作压力；从液压泵出口到执行
18、元件之间管路的总损失；总压力损失在初算时可按经验数据选取：管路简单、流速不大的，取；管路复杂，进口有调整阀的，取。2）确定液压泵的流量多液压缸或液压马达同时工作进，液压泵的输出流量应为（21）式中：系统泄漏系数，一般取；同时动作的液压缸或液压马达的最大总流量。4.基于AMESim的液压系统仿真AMESim为用户提供了一个图形化的时域仿真建模环境，用于工程系统建、仿真和动态性能分析。可使用已有模型建立新的子模型元件，来构建优化设计所需的实际原型，可修改模型和仿真参数进行稳态及动态仿真、绘制曲线并分析仿真结果，界面友好，操作方便。4.1 AMESim仿真原理及方法AMESim是通过建立与实际系统相
19、符合模型，采用图形方式来描述系统中各元件的相互关系，能够反映元件间的负载效应及系统中功率流动情况，元件间均可双向传递数据。因此，基于AMESim仿真的系统模型与系统工作原理图几乎一致，这样也能更直观的反映系统的工作原理。利用AMESim对系统进行仿真一般进行以下四个步骤：草图模式、子模型模式、参数模式和运行模式。1.草图模式这和许多设计软件的概念是一样的，首先都对系统原理图进行初步的绘制，AMESim也是一样，通过将软件提供的机械库、信号库、液压库、电子库等中的元件绘制成仿真所需的系统原理图。2.子模型模式在该模式中根据实际而要为每个元件选择一个数学子模型，如果所绘制的系统不合理，不能按照AM
20、ESim的要求组成一个合理的循环，就不能进入子模型模式。通常建立好系统模型之后，AMESim会自动识别最简子模型。3.参数模式通过前两个模式之后，说明绘制的系统循环是合理的、正确的，还需要将各个元件的参数设定成实际要求的参数。4.运行模式设置好合理的参数之后，进行运行模式，在该模式里可以设置仿真时间和最大时间步长及误差极限，之后便可进行仿真、分析。下面就针对PY180平地机工作装置液压系统的一个典型回路进行仿真，即铲刀升降回路。4.2铲刀升降系统仿真本次仿真采用的AMESim软件版本是8.0A，相对以前的版本有更快的仿真速度和更多元件。1）绘制草图模型和子模型根据铲刀升降回路原理图，进入AME
21、Sim草图模式进行绘制仿真模型。如图4.7所示：图4.7 铲刀升降系统草图模型1-传动机；2-液压泵；3-溢流阀；4-电磁换向阀；5-电磁换向信号；6,7-单向节流阀；8-负载油缸；9-变力器；10-力信号；11-液压油属性图4.8 模式工具栏从左到右分别是：草图模式、子模型模式、参数模式和运行模式如图4.2所示点击Submodel mode 或者按F6，即可进入子模型，软件通常能找到该模型的最简子模型，会采用不同的颜色块加以区分。2）参数模式在参数模式中，分别对每个元件进行设置，其值参考结论中各表数据，下面将以图形的方式给出各个模块参数设置。图Error! No text of specif
22、ied style in document.9 电磁换向阀参数（1）传动机：设置shaft speed为2000 rev/min；（2）液压泵：设置pump displacement为178.8 cc/rev，typical speed of pump为2000 rev/min；（3）溢流阀：设置pressure为132 bar，pressure gradient为500 L/min/bar，这里1 bar=0.1MPa；（4）电磁换向阀：如图Error! No text of specified style in document.9所示；（5）电磁换向信号：number of stage为
23、4，stage 1都为0，时长为1s，stage2都为40，时长为5s，stage3都为0，时长为1s，stage4都为-40，时长5s；这样设置的目的就是在第1秒内电磁阀处于中位，然后换到左位保持5秒，再换到中位浮动1秒，最后换到右位保持5秒；（6）单向节流阀：设置maximum orifice flow coefficient为0.65；（7）液压缸：设置piston diameter为180 mm，diameter of rod为100 mm，length of stroke为0.9 m，total mass being moved为50 Kg，angle rod makes with
24、horizontal为-90；（8）力信号：设置number of stages为2，output at start of stage 1为0，output at end of stage 1为282000，duration of stage 1为5s，stage2都为282000，时长为7s；（9）液压油属性：设置density为，bulk modulus为1700 bar，temperature为40。（10）设置完毕后，按F8进入运行模式。3）运行模式按Ctrl+U进入运行模式设置，如图4.10所示，设定好起始时间、结束时间和时间步长。图4.10 运行参数设置4.3仿真结果分析1）流量分
25、析Y:流量L/min液压油从液压泵经溢流阀，换向阀、节流阀，液压缸回到油箱。图4.11 泵、溢流阀、液压缸流量图由图4.11可以分析出来，在传动机启动的瞬间，定量泵产生357.6L/min的流量。在01s之间，由液压油直接进入油箱。在16s时，油缸下伸，溢流阀开始起作用，67s时，电磁换向阀处于中位，流量全部通过溢流阀。712s电磁换向阀处于右位，油缸始提升，平均流量是伸出的2倍。2）压力分析Y:压力bar图4.12 液压泵、油缸进出口压力Y:负载N图4.13 理想负载变化由于溢流阀3设定的开启压力为，因此，在图4.12可以看出，当传动机启动时，液压泵的压力很快就达到了；在电磁换向阀向左移动的
26、瞬间，对液压缸出油口都产生的瞬时冲击；在活塞向下伸出的过程中，活塞的压力逐渐上升，是由外负载在05秒之间逐步增大所引起的；在油缸缩回时，活塞的压力实然增大，是因为缩回时有外负载作用导致的结果。3）速度分析Y:速度m/s图4.14 油缸活塞杆速度Y:速度m/s图4.15 中位浮动状况由图4.14很明显地看到活塞杆在每时刻的瞬时速度，油缸伸出速度平均为，即，油缸缩回速度为，即，二者之比为，与要求的速率比相当，说明油缸的设计和压力选定是比较合理的。当换向阀处于中位时，如图4.15所示在67秒之间，油缸浮动，速度极不稳定，由于必须加入双向液压锁防止油缸产生位移，进而影响平整精度。Y:位移m图4.10
27、油缸活塞杆位移由Error! Reference source not found.所示，通过AMESim的仿真，很容易的看出活塞杆在运动时每时刻的位置，也能得到在运动过程中很难计算的动态数据。4.4影响仿真精度的因素分析不可否认仿真在设计中起到的重要作用，但仿真精度也是由设计者提供的数据准确性和建模的精确性所决定的，还有在实际运行过程中不可预知的因素太多了，这也会影响仿真的精度。对PY180平地机工作装置系统的铲刀升降回路仿真分析，就有如下几个方面的因素影响的仿真精度：建立模型的不完整性：没有使用双向液压锁和对换向阀进行了简化，对切土阻力进行理想化建模；数据的不精确性：液压油的实际密度、相对
28、黏度和系统温升的影响，液压缸的自重、摩擦等设置不精准。5结论与展望5.1 结论工作装置液压系统设计：绘制了PY180平地机工作装置液压系统原理图，并对主要液压元件的进行选型进行分析。液压泵采用CBL双齿轮泵，液压马达选用双作用叶片马达M系列，液压泵与马达相互匹配，可提高作业效率。铲刀升降液压缸设计：液压缸内径，活塞杆直径，液压缸外径，液压缸壁厚，缸体采用35钢，活塞杆采用45钢。液压系统性能验算：工作装置液压系统的效率为61%，可满足液压系统的工作要求。AMESim液压仿真：完成了对PY180平地机工作装置铲刀升降液压回路的仿真，能在设定的时间里反映油路工作各种情况。5.2 展望虽然设计了PY
29、180平地机工作装置液压系统，但对液压的分析还不够全面、细致，其中也忽略了很多实际因素，造成计算结果与实际值有一定的差距。因此对本设计认真总结、思索之后，应对以下几点做出改进：（1）根据实际作业情况，找出当前工作装置作业的优缺点，再对其作出综合性分析；（2）采集实际作业的工作阻力及其阻力峰值；（3）采用可靠性的方法对工作装置各部件进行校核；（4）在特殊阀上应当采用自主设计，才能完全适应平地机的实际工作需要；（5）对AMESim中各元件的模型进行深入地研究，以便更加准确的搭建所需的仿真系统模型；对仿真分析的深度应当加强，考虑更多的实际因素。参考文献1 阂建秋. 浅析卡特平地机的结构特点J. 工程
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