基于AMEsim的固沙装备升降液压系统设计与仿真

Design and simulation of lifting hydraulic system of sand-fixing equipment based on AMEsim

摘要

目的 针对硬质草沙障固沙装备升降液压系统承载能力大、可靠性高等要求。 方法 通过分析升降液压系统的工作原理，进行理论计算对关键液压元件设计选型，采用AMEsim软件建立液压系统仿真模型进行仿真分析，并设计固沙装备举升试验进行对比验证。 结果 液压缸最大压力为3.17 MPa，最大流量为34.90 L/min，液压泵最大压力为17.60 MPa，最大流量为72.65 L/min，均与仿真分析结果具有良好的一致性，符合设计的预期要求，验证了设计的准确性。 结论 该仿真分析为硬质草沙障固沙装备升降液压系统设计提供了技术理论参考和数据分析基础，为固沙装备实际应用提供了保障。

Abstract

Objective The study aimed at improving the bearing capacity and reliability of lifting hydraulic system of sand fixation equipment targeted for hard grass sand barrier based on the high-level requirements. Method By analyzing the working principle of the lifting hydraulic system，the key hydraulic components were designed and selected through theoretical calculation.The simulation model of the hydraulic system was established by simulation analysis with AMEsim software，and the lifting of sand-fixation equipment was tested for comparison and verification. Result The test results showed that the maximum pressure of the hydraulic cylinder was 3.17 MPa and the maximum flow rate was 34.90 L/min，the maximum pressure of the hydraulic pump was 17.60 MPa and the maximum flow rate was 72.65 L/min，which were in good agreement with the simulation results and met the expected requirements of the design，and the accuracy of the design was verified. Conclusion The simulation analysis provided technical theoretical reference and data analysis basis for the design of lifting hydraulic system of sand-fixation equipment for the hard grass sand barrier，providing guarantee for the practical application of sand fixation equipment.

Graphical abstract

关键词

固沙装备 / 升降液压系统 / 液压元件选型 / AMEsim仿真

Key words

sand-fixing equipment / lifting hydraulic system / hydraulic components selection / AMEsim simulation

Author summay

赵琰森，本科，高级工程师，研究方向为固沙装备研发。E-mail：[e-mail]

土地沙漠化是当前危及人类生存的重大环境问题和自然灾害之一^［1］。目前，我国是世界上荒漠化最严重的国家之一，据统计我国当前荒漠化土地面积261.16万 km²，沙化土地172.12万 km²，分别占国家面积的27.2%和17.93%，但在近15 a我国的荒漠化和沙化土地仅仅减少了2.34%和1.43%^［2-3］。因此，土地荒漠化治理仍是我国当前发展中亟待解决的重要问题^［4］。

随着国家对治沙投入持续加大，沙漠治理向着机械化、智能化方向发展^［5-6］。甘肃建投新能源科技股份有限公司为此设计了一种硬质草沙障固沙装备，该装备由牵引机器、升降液压系统、下料装置、弹性夹持换向装置、覆沙填埋装置等结构组成。其中，升降液压系统作为保障机械正常工作的关键机构^［7］，其设计是否合理会直接决定机构的工作性能和作业效率。目前许多学者针对不同装备的液压升降系统进行了研究分析，陈远玲^［8］采用AMEsim软件对插秧机升降液压系统进行了仿真分析，研究结果可为插秧机液压系统的设计提供理论依据。张振华^［9］采用AMEsim软件对联合收割机割台液压升降系统进行了仿真分析，得到的液压系统压力和流量符合设计要求。扈凯^［10］采用AMEsim软件对水稻直播机的升降液压系统进行建模仿真，仿真结果表明升降液压缸的工作速度、压力和流量均与设计参数基本保持一致，可以验证所设计的液压系统的可靠性。赵海霞^［11］采用AMEsim软件对剪叉式升降台液压系统进行建模仿真，仿真结果与相应的计算数据对比后验证了升降台液压系统的可靠性。

现有研究已经表明通过AMEsim软件对升降液压系统仿真具有良好可靠性，并未见其在固沙装备中的研究应用。固沙装备在实际应用中的作业效率与液压升降系统有直接关系，又因其体积质量都较大，对液压升降系统性能要求较高，因此对设计的固沙装备升降液压系统进行仿真分析具有重要意义。本文分析固沙装备升降液压系统的工作原理及特性后，通过理论计算选择关键元件对升降液压系统进行设计，利用AMEsim软件建立仿真模型并进行仿真分析，最后对固沙装备进行举升试验，验证其仿真结果的可靠性与设计的合理性，为固沙装备的应用提供了保障。

1 固沙装备举升机构简介

硬质草沙障固沙装备总体结构如图 1-A所示，图1-B为固沙装备举升机构，图1-C为固沙装置。图中所示举升机构的负载为固沙装置，位于牵引装置的后端，由液压缸控制举升和回降过程。当固沙装置要进入工作状态时，液压缸回降将固沙装置放下；当固沙装置进入非工作状态时，液压缸举升将固沙装置升起。

2 固沙装备升降液压系统工作原理

由图2固沙装备升降液压系统原理图可知，通过发动机带动液压泵为整体升降液压系统提供动力，溢流阀作为系统的安全阀保证整个系统的安全压力，流量计和压力表分别监测油液流量和压力，2个支路分别有减压阀保护液压元件，液压缸回路均设置了单向调速阀进行节流调速^［12］，三位四通电磁换向阀用于改变升降液压系统的流量方向，从而控制液压缸的伸缩，单向节流阀用于控制系统流量，从而控制液压缸的伸缩速度^［10］。其中，升降液压系统液压泵3的排量为55 mL/r；系统安全阀调定压力为（19±0.5）MPa；三位四通电磁换向阀的额定电流为40 mA，当换向阀电流为40 mA时，无杆腔进油，液压缸伸长，固沙装置升起；换向阀电流为-40 mA时，有杆腔进油，液压缸收缩，固沙装置下降，液压油回流油箱；处于中位时，系统卸荷停止。

3 液压元件参数计算及选型

3.1 确定液压缸参数

由固沙装备结构图和液压原理图可知，固沙装备需2个液压缸完成举升动作，液压缸分别位于左右两侧，均为液压缸无杆腔为主工作腔，故需对液压缸进行设计压力选择、尺寸计算和排量计算。

1） 缸设计压力选择

由手册^［13］可知，液压缸的压力和负载关系满足关系式（1）：

p_{\mathrm{1}}{A}_{\mathrm{1}}-p_{\mathrm{2}}{A}_{\mathrm{2}}=\frac{F_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}{{\eta }_{\mathrm{c}\mathrm{m}}}（1）

式中：P_{\mathrm{1}}表示无杆工作腔压力；P_{\mathrm{2}}表示有杆工作腔压力；F_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}表示液压缸的最大负载力；A_{\mathrm{1}}表示液压缸无杆腔活塞的有效面积；A_{\mathrm{2}}表示液压缸有杆腔活塞的有效面积；{\eta }_{\mathrm{c}\mathrm{m}}表示液压缸的机械效率，一般取0.90~0.95。

根据系统类型和负载分别参照表1和表2选择设计压力（P_{\mathrm{1}}）和回油腔背压力（P_{\mathrm{2}}）^［13-14］。

固沙装备升降液压系统的最大负载为40 kN，故选择液压缸的设计压力为4 MPa；升降液压系统的回油腔背压力均选择0.5 MPa。

2） 压缸尺寸计算

液压缸的无杆腔活塞面积A_{\mathrm{1}}、有杆腔活塞面积A_{\mathrm{2}}、液压缸缸筒直径D和活塞杆直径d，分别可按照公式（2）~（5）计算^［13］：

A_{\mathrm{1}}=\frac{\pi D^{\mathrm{2}}}{\mathrm{4}}（2）

A_{\mathrm{2}}=\frac{\pi (D^{\mathrm{2}}-d^{\mathrm{2}})}{\mathrm{4}}（3）

D=\sqrt[]{\frac{\mathrm{4}F}{\pi {\eta }_{\mathrm{c}\mathrm{m}}[p_{\mathrm{1}}-p_{\mathrm{2}}(\mathrm{1}-{\phi }^{\mathrm{2}})]}}（4）

d=\phi \times D（5）

式中：D，d分别为液压缸缸筒直径、活塞杆直径；机械效率{\eta }_{\mathrm{c}\mathrm{m}}取0.90；杆径比\phi可参考表3选取为0.5。

计算得到，固沙装备液压升降系统的液压缸直径D为124 mm，取标准值125 mm；活塞杆直径d为62.5 mm，无杆腔活塞面积A_{\mathrm{1}}为12 271.846 3 mm²，有杆腔活塞面积A_{\mathrm{2}}为9 203.884 7 mm²。

1） 液压缸最大流量及时间计算

液压缸最大流量及伸长时间可按照公式（6）~（7）计算，液压泵流量按公式（8）计算^［13］；

q_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}=A_{\mathrm{1}}{v}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}（6）

T=\frac{\mathrm{60}·A_{\mathrm{1}}·S·{\mathrm{10}}^{\mathrm{3}}}{Q_{\mathrm{1}}}（7）

Q_{\mathrm{2}}=V·N·\frac{{\eta }_{\mathrm{v}}}{\mathrm{100}}（8）

式中：v_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}表示液压缸最大速度，取0.05 m/s；T表示液压缸伸长时间；S表示液压缸行程；Q₁ 表示液压缸流量，Q₂表示液压泵流量；V表示液压泵排量，55 mL/r；N表示液压泵转速，1 500 r/min；{\eta }_{\mathrm{v}}表示液压泵容积效率，取0.9。

计算得到，单个液压缸的最大流量为36.795 L/min，升降液压系统共有2个液压缸，故需要提供的最大流量为73.59 L/min；液压缸伸长时间为3.24 s；液压泵流量为74.25 L/min。

固沙装备液压升降系统参数如表4所示。

3.2 液压元件选型

根据液压缸的计算及液压设计手册对液压元件进行选型^［13-14］，并确定主要技术参数，结果如表5所示。

4 液压系统仿真

4.1 仿真模型

在AMEsim仿真软件中Sketch草图模式下，从Hydraulic库、Hydraulic Component Design库、Mechanical库和Signal and Control库中选取对应元件，并根据固沙装备升降液压系统原理搭建相应的仿真模型^［15-16］，固沙装备升降液压系统的整体仿真模型如图3所示。系统模型搭建完成后进入Sub Models子模型模式，为每个子模型选择符合要求的数学模型，通常由于实际需要和简单可首选子模型^［17］。接下来进入Parameters参数模式中给每个子模型设置与理论计算一致的参数，参数设置如表6所示，其余参数为默认值。

4.2 固沙装备升降液压系统仿真分析

当每个子模型的参数设置完成后，进入AMEsim的Simulation仿真模式，开始对固沙装备升降液压系统进行仿真，并对仿真结果进行分析^［18］。当三位四通电磁换向阀输入负值时右通，液压缸无杆腔进油，活塞杆伸长，固沙装备举起进入非工作状态；当三位四通电磁换向阀输入正值时左通，活塞杆收缩，固沙装备下降进入工作状态。常数信号与力转换器相连并作用于质量块上，信号值表示负载的大小^［10］，故此液压缸的负载为40 000 N。按照表6所设置的参数对固沙装备升降液压系统进行仿真，设置仿真时间为5 s，仿真步长为0.01 s。

固沙装备升降液压缸位移、速度、压力、流量、液压系统压力、液压泵流量曲线图分别如图4~6所示。如图4可知，液压缸在3.24 s内完成举升动作，位移量为162 mm，平均速度为0.05 m/s，整个过程稳定，这与系统设计的理论参数基本一致，满足设计要求。如图5可知，液压缸的压力稳定在3.26 MPa，略小于设计压力4 MPa，符合设计要求；液压缸流量的变化趋势和压力的变化趋势相一致，液压缸流量为36.725 L/min，小于液压缸的最大流量36.795 L/min，与理论计算参数基本一致，符合设计要求；如图6可知，固沙装备升降液压系统压力为19 MPa，液压泵流量为74.25 L/min，与理论计算参数均一致，符合设计要求。

可以看出，仿真结果与理论计算结果基本一致，因此通过仿真对液压元件选型进行验证是可行的。采用该方法进行设计及验证的周期较短^［19-20］，故通过理论计算以及仿真验证为固沙装备升降液压系统设计提供了可靠参考。

5 验证试验

5.1 试验设计

根据设计的固沙装备升降液压系统仿真分析结果，对其进行试验验证，如图7所示为车间固沙装备升降试验现场，试验数据如表7所示。

试验要求如下：固沙装备做举升试验，举起-放下为一个周期，共需做5个周期；每次需将液压缸完全伸长稳定后再记录数值；记录每个周期的：液压缸压力数值、液压缸流量数值、液压系统压力数值、液压泵流量数值。

5.2 试验结果分析

通过固沙装备举升试验数据分析，发现液压缸最大压力为3.17 MPa，液压缸最大流量为34.90 L/min，液压泵最大压力为17.60 MPa，液压泵流量72.65 L/min。结果表明试验数据与仿真分析具有良好的一致性，因此通过仿真对固沙装备升降液压系统选型验证是合理的。该方法设计及验证周期较短，通过理论计算及仿真验证为固沙装备升降液压系统的设计提供了可靠参考。

6 结论

本研究按照固沙装备升降液压系统的工作要求对其进行设计，计算相关液压元件参数并进行选型，将所设计的升降液压系统通过AMEsim软件进行仿真分析以及试验验证，得到如下结论：

1） 通过仿真分析和试验对比验证，固沙装备升降液压缸的压力可达3.17 MPa，流量可达34.90 L/min，液压泵压力可达17.60 MPa，液压泵流量可达72.65 L/min，均与仿真分析结果具有良好的一致性，符合设计的预期要求。

2） 通过理论计算对固沙装备升降液压系统进行元件选型、建立仿真模型进行仿真分析和试验验证，为固沙装备升降液压系统的设计提供了可靠参考，可根据实际应用情况调节固沙装备升降液压系统的具体参数，从而为固沙装备实际应用提供保障。

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基金资助

甘肃省科技重大专项(19ZD2FH001)