基于AMESim的闭式液压系统热力学建模与仿真

!#$年%月第&&卷第’期机床与液压()*+,-./0012+345)61,*7(89!#$:;=&&-;=’!#!#?’$’@A=BCCD=##E?FF#=!#$=’=?%收稿日期!!#%E&E#G作者简介!徐莉萍#’$%%#&女&硕士&副教授&主要从事液压技术方面的科研和教学工作’.EL8B!d[‘‘N#$?=O;L’基于)(.7BL的闭式液压系统热力学建模与仿真徐莉萍!项楠!南晓青!崔彦斌河南科技大学机电工程学院!河南洛阳&G#?#摘要!以两行式甘蔗联合收割机液压闭式系统为对象&建立了基于)(.7BL热力学仿真模型&分析了影响系统温度的因素’结果表明!油箱的散热面积和冲洗阀压力影响温升的权重较低$散热器散热面积(风扇转速(负载和内泄漏量影响温升的权重较高&为闭式液压系统温升校核和元件选型提供参考’关键词!)(.7BL$液压闭式回路$热力学模型中图分类号!/+#?GVV文献标志码!)VV文章编号!##E?FF#!#$#’E#&GE&M4’$*-:9.,*%32-:’1%.J,.:O%*;1,)%-.-/F1-5’:W9:$,;1%3O95)’*P,5’:-.27O%*l61B[BDZ&l,)-H-8D&-)-lB8;cBDZ&*6,38D^BD7O\;;;Y(QO\8PS;DBOC.DZBDQQSBDZ&+QD8D6DB_QSCBP9;Y7OBQDOQ8D]/QO\D;;Z9&1M;98DZ+QD8D&G#?&*\BD8#?5)$,3)!)(.7BLCBLM8PB;DL;]QC;YP\QSL;]9D8LBOR8CQCP8^BC\Q]^8CQ];DP\Q;^AQOP;YO;CQ]\9]S8MBOC9CPQL;Y];M^QTS;RCMZ8SO8DQO;L^BDQ\8S_QCPQS/\QY8OP;SCP\8PBDYMQDOQ]P\QC9CPQLPQL[QS8PMSQRQSQ8D89‘Q]/\QSQCMPCC\;RP\8PP\Q[;RQSRQBZ\P;YBDYMQDOQBCS8P\QS;R;YP\QSL8]BCCB[8PB;D8SQ8;Y;BP8Da8D][SQCCMSQ;YYMC\_8_Q;DPQLQ[S8PMSQSBCBDZ/\Q[;RQSRQBZ\P;YBDYMQDOQBCcMBPQ\BZ\;YP\QSL8]BCCB[8PB;D8SQ8&S;P8PB;D8C[QQ]&;8]8D]BDPQSD8Q8a8ZQ;DPQL[QS8PMSQSBCBDZ&[S;_BT]BDZSQYQSQDOQY;SPQL[QS8PMSQSBCQO\QOaBDZ8D]O;L[;DQDPCL;]QCQQOPB;D;YP\QO;CQ]\9]S8MBOC9CPQL@’96-$:5!)(.7BL$*;CQ]\9]S8MBOC9CPQL$/\QSL;]9D8LBOL;]Q!前言液压闭式回路以高效(紧凑(高功率密度的特点在行走机械液压系统中广泛应用’温升作为评价液压系统性能的重要指标&影响着系统元件的工作效率和传动元件的可靠性’但目前没有详细的温升计算方法为闭式液压系统研发和校核提供较为准确的数据参考’为加快掌握闭式液压回路的热力学特性&文中以两行式甘蔗联合收割机通道液压闭式回路为对象&建立热力学仿真模型&以探究系统中影响温度的因素’)(.7BL作为一款多学科领域综合仿真软件&为用户提供了丰富的机电液元件库模型&并提供了各种接近真实物理环境的仿真模式’文中仿真主要采用热液压元件库(热液阻库(热力库(机械库(信号库和热交换组件工具库元件&建立包括液压系统(风冷却系统(负载模拟和控制策略在内的温度仿真系统模型&对液压系统的温升过程进行动态仿真运算)#*’#甘蔗联合收割机液压系统介绍图#所示为甘蔗联合收割机通道闭式液压系统原理图&其功能是利用马达带动剥叶轮将收割好的甘蔗剥叶&并通过输出轮以一定速度输送到甘蔗收集箱中’系统液压泵采用萨奥’系列柱塞泵&剥叶马达和输出马达均采用伊顿端面配流式摆线马达’工况要求剥叶马达转速在’n#S@LBD&输出扭矩为!%F-.L$输出马达转速在%%n$S@LBD&输出扭矩为FF-.L’图#V闭式液压系统回路原理图$闭式回路热交换分析闭式液压系统工作时&油液在回路中通过管道在泵和马达中循环使用&只有部分热油液通过冲洗阀和马达壳体返回油箱&补油泵则通过主回路低压侧补充冷却油’在这个过程中&发动机的所有功率&除了提供给马达驱动外负载做功&剩余功率基本转化为热量’热量在系统中长时间运行后&会达到热平衡状态&即系统的发热功率等于散热功率’图!为闭式液压回路中的能量传递过程&从图中可以看出能量在机械能和液压能之间转换两次’每一次转换&液压泵和马达均会产生容积损失和机械损失$软管管路(过滤器和冲洗阀背压阀会产生沿程损失和节流损失’这些损失的能量会在液压元件壳体(冷却器和油箱表面实现与外界环境换热后&剩余部分全部转化为热量留在液压油中&导致油温升高’图!V闭式液压回路能量流程图%闭式回路温度模型建模在系统建模过程中&出于减少系统变量(加快计算机运算速度的考虑&对液压系统进行简化&并提出一些假设和前提条件!##假设为无自然风条件下&环境温度为!%w’!#重点考虑液压泵(马达和阀的产热过程和油箱(散热器(油箱的散热过程$忽略阀体(泵体的散热和机械构件的导热过程’?#为提高仿真实用性&不对元件内部复杂的机构进行热力学建模&但对回路油液泄漏量和温度进行合理的补偿’&#只考虑闭式回路在稳定负载下(单向运转过程&不考虑系统中压力(流量脉动和过于复杂的工况’?=#V闭式回路液压系统热力学模型根据液压元件产品样本上的特性曲线或参数规格&合理设置模型参数&并单独测试模型&使所建模型性能参数和样本描述一致’在)(.7BL中建立闭式回路液压系统热力学模型)!E&*&如图?所示’图?V)(.7BL中闭式回路热力学模型?=!V主回路热力学模型简介和参数设置文中不做元件层面的详细研究&只考虑系统整体温升情况&所以不再对液压柱塞变量泵单独建模&采用系统中默认的可设置效率的热变量泵子模型&对于存在的内部泄漏流量和热量&在回路中进行补偿’泵体中的多功能阀&功能为实现系统压力限制和将补油泵中的冷却油送向主回路低压侧$多功能阀中的压力限制阀可以简化为溢流阀&补油阀简化为单向阀$冲洗阀模型采用热液压元件设计库子模型设计$闭式回路液压油选择常规流体模型库中的标准&$号液压油&流体黏度为&$LL!@C&设置为无气蚀气穴现象’主回路液压模型主要参数设置如表#所示’表#V主回路主要参数设置柱塞泵排量@L1.SE##%%柱塞泵容积效率=’%剥叶马达排量@L1.SE##F剥叶马达负载扭矩@-.L#!%F输出马达排量@L1.SE###?输出马达负载扭矩@-.L#FF发动机转速@S.LBDE##!冲洗阀背压@(U8!系统压力阀压力@(U8??=!V冷却及补油回路热力学模型简介和参数设置工况要求的负载扭矩较大&系统发热较高&油箱容积比开式系统小&所以给闭式回路单独设置油箱和冷却器&对冲洗阀换出来的热油进行风冷’散热器利用热能交换组件工具库中的多通道气E液热交换器和.HCN.机床与液压第&&卷风扇子模型组成$风扇启停根据主回路油温高低控制&当油温高于%w&风扇开始工作$油箱采用油液高度可变的热液压油箱&并建立油箱体和环境的对流换热模型’泵和马达在运转过程中&机械结构的摩擦运动和做功过程会产生大量的热&壳体内产生的泄漏油会把这部分热量带出来&在补油回路中&对这部分油液以高于主回路#w(以主回路流量的$t的流量进行补偿’冷却和补油回路模型参数如表!所示’表!V冷却及补油回路主要参数设置补油泵排量@L1.SE###&补油泵机械效率=’!油箱尺寸@LL!%g?g$油箱材料普通碳钢散热器尺寸@LL&g&散热器散热面积@L!?=&散热风扇转速@S.LBDE##!散热风扇直径@LL?冲洗阀背压@(U8!系统压力阀压力@(U8?&仿真结果分析整个闭式液压系统进行#!C的热力学动态仿真&对影响系统温度的因素进行简单分析’&=#V散热器和油箱对系统温度的影响在闭式系统中&系统本身的散热主要是油箱散热(泵及马达壳体散热和管道表面积散热等’相对于散热器散热和油箱散热&液压元件表面及管道表面散热量非常小&属于可忽略因素’因此&这里主要考虑散热器和油箱对系统温度的影响’图&为无散热器和风扇模型时回路的温升曲线’此时&油液仅仅靠油箱和空气的热量交换进行冷却’可以看出&系统温度经过#!C上升到#!w&远远超出样本上允许的系统最佳温度范围?n$w’图&V无散热器情况下回路的温升曲线如图%所示&加上散热器模型后&系统在?C后达到热平衡&热平衡温度下降到$w&在液压系统允许的温度范围内’这说明散热器对液压系统油液有非常显著的散热作用’图%V有散热器情况下回路温度变化曲线图$为不同散热面积情况下&散热器进出口油液温差曲线’散热器的散热面积越大&散热器进出口温差越大&散热效果越好’图$V散热器进出口温差变化曲线在不同风扇风速下&油液和空气的热交换速率会改变&散热器的冷却效果也不同&泵出油口的温度如图G所示’随着风扇转速增大&空气流动量增大&气液热交换加快&系统油液热平衡时的温度也更低’图GV不同风扇转速下系统温度变化曲线在闭式回路中&油箱一般都比较小&其主要作用.ICN.第’期徐莉萍等!基于)(.7BL的闭式液压系统热力学建模与仿真VVV是暂存油液并离析出油液中的空气&也能起到一定的散热作用’系统稳态温度随油箱外表面积大小变化如图F所示’油箱的散热面积由#=’L!增大到?=FL!&而系统主回路中油液的温度变化了=%w&这说明油箱表面的金属散热对系统的温度影响较小’图FV不同油箱散热面积下系统温度变化曲线&=!V系统负载对系统温度的影响当负载在系统设定压力内的范围的时候&系统压力会随着负载增大而增大&系统温度随负载的变化曲线&如图’所示’图’V泵出油口温度变化曲线当剥叶马达负载扭矩增大时&系统压力会增大&导致元件机械构件之间的摩擦力和油液管路摩擦力上升’所以当系统达到热平衡时&负载越大的系统温度越高’&=?V冲洗阀溢流压力对系统温度的影响冲洗阀压力阀压力的设定&既决定了主泵排量调节机构的控制油压力&也决定了闭式回路低压侧的压力’过高的冲洗阀压力会让调节主泵排量的速度加快&同时会导致系统需求功率增加&效率变低’油液要经过补油压力阀溢流&会导致系统产生不必要的热量’冲洗压力阀一般设定为#=#n?=&(U8之间&在此压力范围内做温度仿真&曲线如图#所示’图#V补油泵出油口温度变化曲线图#是在系统温度达到平衡时&不同冲洗阀溢流压力下&补油泵出油口的温度曲线’随补油压力的上升&油液的节流现象明显&油温也会上升’所以在满足控制压力和响应速度的情况下&选取较低压力&避免多余温升’&=&V油液内泄漏对系统温度的影响系统中存在的泄漏油主要为柱塞泵和柱塞马达中缸体E配流盘(滑靴E变量斜盘和柱塞E缸体?个摩擦副中流出&起到润滑及冷却的作用’但当壳体内因为故障导致内泄漏量增大时&系统的达到热平衡所用的时间延长&热平衡时的温度也会升高&回路温度变化如图##所示’图##V系统主回路油液温度变化曲线’结论文中在闭式系统热量分析的基础上&利用)(.7BL仿真平台建立闭式回路热力学模型&对影响系统发热的可能因素进行仿真数据分析’结果表明&影响闭式液压系统温升的因素中&油箱的散热面积和冲洗阀压力影响温升的权重较低$而散热器散热面积(风扇转速(负载和内泄漏量影响温升的权重较高’这对闭式系统中的元件选型和温度校核具有一定的参考价值’下转第?G页#.SDN.机床与液压第&&卷后由运动控制卡发送出脉冲信号给步进电机细分驱动器继而控制步进电机转动&从而实现电机的运动控制)F*’机械手控制系统软件界面主要有开机界面(系统自检(系统调试(参数设置(机械手运行等界面’图&所示为机械手运行界面’包括机械手上下料系统各个部分的运行状态及显示&在该界面上可进行参数设定和系统调试等’图&V控制系统运行界面&结束语根据生产的需