基于AMESim的百米登高平台消防车工作平台液压系统仿真

高顺德，邓 梁，曹旭阳，崔竹君

(大连理工大学机械工程学院，大连 116023)

随着我国的高层建筑物不断增多，高层建筑火灾损失越来越严重，于是登高平台消防车在消防工作中起到的作用也日益明显.登高平台消防车是一种用于运送人员或设备到一定高度进行作业的大型工程机械设备［1］.作为一种高空运输设备，它的作业高度是主要性能参数，而随着作业高度的加大，又带来了安全可靠性的问题［2－3］.作业高度的加大，也会使机构动作产生较大的延时和振动，这给作业带来了很大的隐患.连接其动力源和执行机构之间的液压管道对系统的动态特性和静态特性都有着较为显著的影响.实践证明:管道的长度对于动态特性影响很大，太长的管道会产生振动、噪声、发热及工作效率低下等问题，严重影响系统动态特性［4］，所以必须深入研究具有长管道的液压系统，使其对动态性能的影响降到最小.

浙江大学的孔晓武、阮晓芳等人对带长管道的负载敏感系统和阀控系统的动态特性进行了研究，并建立了长管道系统的数学模型，提出了一定的提高系统动态特性的方案，如改变负载敏感的信号反馈方式和加蓄能器来改善系统动态特性［5－6］.但其数学模型过于复杂.兰州理工大学的张玮等人通过AMESim软件分析了管道配置对阀控缸液压系统动态特性的影响，得出了“随着管路长度增加，系统响应滞后增加，液压缸活塞杆的速度和位移响应曲线出现波动，软管会造成系统响应明显滞后，并伴有波动”的结论［4］.但在其分析的系统中长管道布置位置是在操作阀块与执行器之间，长管道在动力源和操作阀之间的情况并没有分析.徐工集团XZJ5330JXCDZ53型登高平台消防车，额定升高为53 m，其登高平台上的电液调平系统及水炮液压控制系统，与液压源的距离大于53 m.由于长管道的影响，负载敏感泵的响应严重滞后于外负载的变化，有时甚至会对负载变化作出不正确的反应.因此，不得不去除负载敏感回路，采用定量泵工作方式，带来系统发热、效率低等弊端.本文以百米登高平台消防车的平台工作液压系统作为研究对象，运用AMESim软件进行模拟仿真，对阀块的布置位置以及两套液压系统方案的动态性能进行了研究.

1 系统方案与分析

工作平台液压系统采用两种设计方案，方案1采取齿轮泵加压力补偿阀的方法，方案2采用的恒压泵加压力补偿阀的方法.方案1工作原理如图1所示.液压泵从油箱吸油，提供液压系统所需的动力，通过集成阀控制平台的调平、摆动和飞臂变幅等动作，电比例流量换向阀控制各工作机构的运动方向和所需的流量，压力补偿阀保证各机构能够很好地进行复合动作.安全阀限定了系统的最高工作压力，溢流阀限制了集成阀的最大工作压力.当机构不动作的时候，液压泵的流量通过三通补偿阀以一个很低的补偿压力卸荷;当机构有动作时，通过单向阀将最大的负载压力引到三通阀，这时齿轮泵以最大负载压力加补偿压力向系统提供所需流量，多余的流量通过三通补偿阀溢流［7］.这种系统动力源采用齿轮泵，它的成本比较低.泵出口的压力由最大负载决定，能在一定程度上降低压力损失.但是由于齿轮泵的排量不可调，所以并不能减少系统的流量损失.

方案2的工作原理如图2所示.液压泵为恒压泵，压力切断阀使泵的出口压力保持恒定为25 MPa.泵从油箱吸油，自动调节排量，为系统提供执行器所需的流量.当工作压力超过设定压力，则泵自动摆回较小的角度并纠正控制偏差.电比例流量换向阀控制各工作机构的运动方向和所需的流量，压力补偿阀保证各机构能够很好地进行复合动作.安全阀限定了系统的最高工作压力.此系统采用的是恒压变量泵，成本相对比较高.泵出口流量为系统所需的流量和泄漏流量，几乎没有流量损失，但是出口压力恒定，所以系统有一定的压力损失.

图1 工作平台液压系统方案1原理图Fig.1 First scheme of working platform hydraulic system

图2 工作平台液压系统方案2原理图Fig.2 Second scheme of working platform hydraulic system

2 仿真环境与仿真模型

2.1 仿真环境

AMESim是一种专业的传动系统和液压-机械系统建模、仿真及动力学分析软件.有着友好的图形化界面，使得用户可以通过在完整的应用库中选择需要的图形模块来构建复杂系统的模型并能方便地进行优化设计，非常适用于机械与液压领域的设计［8］.

在研究长管道液压系统中，液压管道的建模是很重要的一个方面.而流体管道是一个分布参数系统，其精确模型中含有复杂的贝赛尔函数和双曲函数，数学模型十分复杂，这给模型的解析和应用带来很大的困难［9］.而AMESim软件中自带了管道模型，免了繁琐的数学模型的建立，为复杂液压系统建模及特性分析提供了良好的平台.

2.2 仿真模型的建立

2.2.1 建立液压系统模型

在AMESim中，运用液压库、管道子模型库和其他子模型库构建工作平台液压系统的仿真模型.为使模型简化并提高运算速度，模型中省略了平台摆动、专用工具接口部分，并把电比例流量换向阀用可调节流阀代替，平衡阀用1个背压溢流阀代替，这样的简化处理并不会影响对系统的仿真结果.其中压力补偿阀和恒压泵没有标准模型，利用HCD(Hydraulic Component Design)库建立模型［7］.方案1的仿真模型见图3，方案2的仿真模型见图4.

图3 工作平台液压系统方案1仿真模型Fig.3 Model of the first scheme of working platform hydraulic system

图4 工作平台液压系统方案2仿真模型Fig.4 Model of the second scheme of working platform hydraulic system

2.2.2 阀块位置布置与管道建模

在元件的位置布置上也考虑了两种布管方式，一种是集成阀放在工作平台上，泵与集成阀之间使用长管道连接;另一种是集成阀放在转台上，执行器与阀块之间使用长管道连接.出于结构走管、管道运动等因素，长管道必须使用软管，并且长度达到100 m左右.这部分长管道必须考虑流体的可压缩性和压力作用下管壁的膨胀以及雷诺数和相对粗糙度的影响，因此选取考虑了这些因素的管道模型HL04.对于其他元件之间的管道相对于上述管道的影响可以忽略，所以选取不考虑管道影响的管道模型DIRECT.

3 仿真结果分析

3.1 阀块安装位置对系统动态特性的影响

给2种方案的可调节流阀输入阶跃信号，图5为阶跃信号曲线，输入信号为1时，阀口全开，开始可调节流阀全关，2 s时将可调节流阀全开，8 s时重新关闭.图6为两方案在不考虑管道时的油缸位移曲线，曲线1为方案1的油缸位移曲线，曲线2为方案2的油缸位移曲线，从图中可以看出2条位移曲线重合并且响应没有延时.

图5 阶跃信号Fig.5 Step representation signal

图6 无管道油缸活塞时位移曲线Fig.6 Oil cylinder piston displacement curve with no pipeline

图7为考虑管道影响后的油缸活塞杆位移曲线，曲线1，2代表长管道布置在油源与集成阀块之间时，方案1、方案2液压缸活塞杆的位移曲线;曲线3，4代表长管道布置在执行器与集成阀块之间时，方案1、方案2液压缸活塞杆的位移曲线.从图中可以看出，把集成阀放在转台上时，由于集成阀与执行机构距离过长，活塞杆的运动响应明显滞后，并且在电比例流量换向阀关闭后，活塞杆继续运动一段时间后才能停止;而把集成阀放在工作平台上时，活塞杆的运动响应无明显滞后，在电比例流量换向阀关闭后，活塞杆也能即刻停止运动.所以在布置集成阀块位置时，应优先选择集成阀摆放位置离执行器近的方案.

3.2 2种方案的性能比较

图7 有管道油缸活塞时位移曲线Fig.7 Oil cylinder piston displacement curve with pipeline

3.2.1 阶跃响应比较

图8 阶跃响应系统动态特性曲线对比Fig.8 Contrast of the dynamic characteristic curve in step response system

给可调节流阀输入如图5的阶跃信号，图8a，8b给出了2种方案的响应曲线，曲线1是方案1调平液压缸活塞杆的运动速度和位移曲线;曲线2是方案2调平液压缸活塞杆的运动速度和位移曲线.从图中可以看出，2种方案在可调节流阀突然关闭的时候，由于平台质量惯性，活塞杆速度能够迅速降低，但是速度不会马上为零，而是继续振荡一定时间后再停止.可调节流阀开启时，方案1的活塞杆速度和位移有一定的滞后，这是由于齿轮泵与阀块之间的管道过长，油压的建立需要一定的时间，所以在2 s时候活塞杆的速度不能迅速达到需求的速度.而方案2使用的恒压泵、泵与集成阀之间管道的油压一直处于高压状态，所以能迅速响应动作.

图9 斜坡信号Fig.9 Ramp signal

3.2.2 斜坡响应比较

与阶跃响应相比，斜坡响应更符合实际工作情况，给2种方案的可调节流阀输入如图9的斜坡信号，得到了2种方案的响应曲线，如图10a，10b所示.曲线1是方案1液压缸活塞杆的运动速度和位移曲线;曲线2方案2液压缸活塞杆的运动速度和位移曲线.从图中可以看出，2种方案的斜坡响应曲线相似，虽然活塞杆的速度有一定波动，但是都能满足系统的性能要求.

图10 斜坡响应系统动态特性曲线对比Fig.10 Contrast of the dynamic characteristic curve in ramp response system

3.2.3 突然加载工况比较

在救援工作过程中有可能遇到在平台在运动的过程中有人突然跳上平台或有重物落在平台上的工况.现将一个人的自身重力加上从高处跳下形成的冲击换算成油缸受力，在给可调节流阀输入如图9的斜坡信号的同时，第5 s的时候突然给油缸加上这个力，得到2种方案的速度曲线，如图11所示.曲线1是方案1液压缸活塞杆的运动速度;曲线2是方案2液压缸活塞杆的运动速度.从图中可以看出，方案1在突然加载的时候，速度有一个明显的波动，而方案2速度没有明显的变化.

图11 突然加载工况速度曲线对比Fig.10 Contrast of the speed curve in suddenly loading condition

4 结论

通过对百米登高平台消防车的的工作平台液压系统动态特性仿真结果可知:

(1)长管道布置在阀与执行器之间的时候，活塞杆的速度和位移响应明显滞后，并且在电比例流量换向阀关闭后，活塞杆不能马上停止运动，所以应将阀块布置在工作平台上.

(2)在动态响应方面，恒压泵加压力补偿阀的方案在响应速度和抗干扰能力方面都优于齿轮泵加压力补偿阀方案，所以应该选择恒压泵加压力补偿阀的方案.

(3)AMESim软件操作简便、建模直观，系统模型可通过模型库中已有的标准子模型或者HCD(Hydraulic Component Design)库的液压部件模型组合实现，避免了繁琐的数学模型的建立，为复杂液压系统建模及特性分析提供了良好的平台.

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