基于AMESim固定式汽車拆解機(jī)液壓系統(tǒng)仿真分析

方泰興　宋崇智　黃軍　焦尚兵

摘要：針對(duì)汽車拆解機(jī)液壓系統(tǒng)性能要求，以固定式汽車拆解機(jī)為研究對(duì)象，分析其液壓系統(tǒng)的工作原理，利用AMESim軟件建立負(fù)載敏感泵、大臂和夾具系統(tǒng)仿真模型，對(duì)其仿真結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果表明：根據(jù)子模型設(shè)定參數(shù)，得到負(fù)載敏感泵、大臂和夾具液壓系統(tǒng)仿真曲線，仿真結(jié)果與實(shí)際設(shè)定相比誤差較小，為今后深入研究汽車拆解機(jī)液壓系統(tǒng)提供參考。

Abstract： Aiming at the performance requirements of the hydraulic system of automobile disassembly machine， this paper takes the fixed automobile disassembly machine as the research object， analyzes the working principle of its hydraulic system， establishes the simulation model of load sensitive pump， big arm and fixture system by using AMESim software， and analyzes the simulation results. The results show that： according to the parameters set by the submodel， the simulation curves of the load sensitive pump， big arm and fixture hydraulic system are obtained. The simulation results have a small error compared with the actual setting， which provides a reference for further study on the hydraulic system of automobile disassembly machine in the future.

關(guān)鍵詞：汽車拆解機(jī);液壓系統(tǒng);建模仿真;AMESim

Key words： car dismantling machine;hydraulic system;modeling and simulation;AMESim

中圖分類號(hào)：TH137? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）05-0198-04

0? 引言

汽車拆解機(jī)是用于拆解廢舊汽車的設(shè)備，同時(shí)我國(guó)也是汽車保有量較多的國(guó)家，汽車保有量的增加促進(jìn)了廢舊汽車拆解行業(yè)的發(fā)展[1]，因此廢舊汽車拆解設(shè)備的需求量大大增加。傳統(tǒng)的拆解作業(yè)主要依靠人工拆解，借助一些五金工具、氧氣切割等方式進(jìn)行拆解作業(yè)，工作效率低，環(huán)境污染嚴(yán)重，安全保障低下。因此，對(duì)于拆解機(jī)而言，具備高適應(yīng)性、安全可靠、節(jié)能環(huán)保、高效率的性能十分重要[2-3]。

針對(duì)廢舊汽車拆解設(shè)備，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了大量的研究。德國(guó)人U.Buker[4]提出了一種基于目標(biāo)灰度值和輪廓的識(shí)別方法，采用主動(dòng)立體攝像作為視覺(jué)傳感器的自主拆卸機(jī)器人系統(tǒng)，最終一個(gè)自動(dòng)拆卸車輪的機(jī)器人系統(tǒng)樣機(jī)被成功測(cè)試;1979年，日本Kobelco建機(jī)[5]研制出首臺(tái)裝備有固定式切斷裝置的汽車拆解機(jī)，人工拆解廢舊汽車首次由機(jī)器代替;2016年，我國(guó)重汽集團(tuán)[6]在推出的海斗牌廢舊汽車拆解機(jī)，該機(jī)有專用的液壓系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)液壓剪精準(zhǔn)微動(dòng)拆解，工作穩(wěn)定可靠。

上述研究表明，汽車拆解機(jī)作為拆解廢舊汽車重要設(shè)備，直接影響拆解效率。液壓系統(tǒng)作為汽車拆解機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，為汽車拆解機(jī)的穩(wěn)定拆解提供重要的保障。為了得到安全可靠的液壓系統(tǒng)，對(duì)汽車拆解機(jī)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真是十分必要的。因此，本文針對(duì)固定式汽車拆解機(jī)的液壓系統(tǒng)，運(yùn)用AMESim[7]軟件進(jìn)行建模與仿真，為以后的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1? AMESim建模

本文所研究的汽車拆解機(jī)為固定式液壓系統(tǒng)汽車拆解機(jī)。該機(jī)液壓系統(tǒng)主要由負(fù)載敏感泵、大臂系統(tǒng)、小臂系統(tǒng)、液壓剪系統(tǒng)和夾具系統(tǒng)等五大部分組成。由于汽車拆解機(jī)的液壓元件較多，整機(jī)液壓系統(tǒng)相對(duì)較為復(fù)雜，為整機(jī)液壓系統(tǒng)建立模型較為困難。根據(jù)汽車拆解機(jī)需要執(zhí)行的動(dòng)作以及各個(gè)子系統(tǒng)都是單獨(dú)工作的特點(diǎn)，在AMESim建模過(guò)程中，將整機(jī)液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)化，只對(duì)各子系統(tǒng)單獨(dú)進(jìn)行即可[8]。汽車拆解機(jī)液壓系統(tǒng)的五大部分，由于液壓剪系統(tǒng)、大臂系統(tǒng)和小臂系統(tǒng)三個(gè)子系統(tǒng)的原理基本相同，在這里進(jìn)行簡(jiǎn)化，只選擇大臂系統(tǒng)進(jìn)行AMESim建模。故本文只對(duì)汽車拆解機(jī)液壓系統(tǒng)的負(fù)載敏感泵、大臂系統(tǒng)和夾具系統(tǒng)進(jìn)行AMESim建模。

1.1 負(fù)載敏感泵建模

在AMESim草圖模式下，利用液壓庫(kù)、液壓元件設(shè)計(jì)庫(kù)、信號(hào)庫(kù)和機(jī)械庫(kù)[9-10]建立負(fù)載敏感泵仿真模型如圖1所示，此模型由電機(jī)、變量泵、負(fù)載敏感閥、節(jié)流閥和伺服活塞缸等元件組成。以比例溢流閥模擬負(fù)載。在仿真模型中設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速2200r/min，泵流量108L/min、轉(zhuǎn)速2800r/min，節(jié)流閥開(kāi)口6mm。該泵的工作原理為：油液由變量泵輸出通過(guò)節(jié)流閥至負(fù)載，泵前端壓力引入至負(fù)載敏感閥左端，節(jié)流閥后端壓力引入至負(fù)載敏感閥右端，負(fù)載敏感閥受力是左端壓力等于右端壓力加上彈簧壓力。節(jié)流閥完全關(guān)閉，P2口推動(dòng)負(fù)載敏感閥左端使負(fù)載敏感閥處于左位，然后P2口的油液經(jīng)負(fù)載敏感閥到伺服活塞的無(wú)桿腔，活塞左移，泵的排量達(dá)到最小。節(jié)流閥緩慢打開(kāi)，負(fù)載的力引入負(fù)載敏感閥的彈簧腔，此時(shí)泵的擺角緩慢增大，當(dāng)泵前段壓力大于負(fù)載壓力一個(gè)彈簧力時(shí)，負(fù)載敏感閥開(kāi)始慢慢關(guān)閉，和阻尼D2形成液壓半橋，伺服活塞兩端受力平衡，活塞使泵的擺角達(dá)到一個(gè)恒定值，此時(shí)泵的輸出壓力等于負(fù)載壓力加上一個(gè)負(fù)載敏感閥的彈簧力。

1.2 大臂和夾具系統(tǒng)建模

在AMESim草圖模式下，利用機(jī)械庫(kù)、信號(hào)庫(kù)和液壓庫(kù)[9-10]建立大臂和夾具系統(tǒng)仿真模型如圖2所示，此模型主要由雙作用液壓缸、雙向液壓鎖、換向閥、定量泵、電機(jī)和過(guò)濾器等元件組成，以定量泵模擬負(fù)載敏感泵，圖中左為大臂系統(tǒng)，右位夾具系統(tǒng)。在工作過(guò)程中，電機(jī)提供動(dòng)力，把油液作為工作介質(zhì)，利用定量泵把電機(jī)提供的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能經(jīng)過(guò)換向閥傳至液壓缸，再由液壓缸活塞桿的伸縮將液壓能轉(zhuǎn)化為各種機(jī)械能傳至各機(jī)構(gòu)，就可以實(shí)現(xiàn)汽車拆解機(jī)需要的各種動(dòng)作。

在AMESim中每個(gè)元件都有子模型，進(jìn)入子模型為即可為每個(gè)元件選取數(shù)學(xué)模型，然后就可為每個(gè)子模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)定[7][11]。上述系統(tǒng)中主要子模型的參數(shù)設(shè)定如表1所示。

2? 仿真分析

2.1 負(fù)載敏感泵仿真分析

在AMESim軟件設(shè)置運(yùn)行參數(shù)中設(shè)置仿真時(shí)間5s，步長(zhǎng)為0.01s。對(duì)模型進(jìn)行仿真，得出負(fù)載敏感泵壓力與流量曲線如圖3所示，節(jié)流閥前后壓差曲線如圖4所示。由曲線圖可知，泵和節(jié)流閥在4s左右時(shí)上升到最大壓力處。

由圖3泵的壓力隨流量變化曲線可知，在電機(jī)轉(zhuǎn)速一定，泵剛開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，此時(shí)泵的出口流量達(dá)到最大;隨著泵出口壓力逐漸增大，泵出口流量減小直到以很小的幅度變化，此時(shí)泵出口壓力還未達(dá)到最大值;隨著時(shí)間變化泵的輸出壓力持續(xù)增大，直至第4秒時(shí)，輸出壓力升高到最大值，此時(shí)泵輸出壓力達(dá)到負(fù)載敏感閥彈簧腔設(shè)定的壓力值，負(fù)載敏感閥的彈簧腔打開(kāi)，壓力引入彈簧腔，負(fù)載敏感閥左位工作，油液由泵出口，流經(jīng)負(fù)載敏感閥左位后，流入伺服活塞缸，推動(dòng)泵的擺角緩慢增大，負(fù)載敏感泵輸出壓力達(dá)到恒壓狀態(tài)。

圖4為節(jié)流閥前后兩端壓力差曲線，設(shè)定節(jié)流閥的開(kāi)口為6mm。隨著泵的輸出壓力逐漸增大，節(jié)流閥兩端的壓力逐漸增大，第4秒時(shí)達(dá)到最大值。由圖4可知，節(jié)流閥兩端壓力無(wú)論怎樣變化，兩端壓力差始終保持一個(gè)恒定值。

上述仿真分析表明，此負(fù)載敏感泵，運(yùn)行不久會(huì)達(dá)到恒壓狀態(tài)，不會(huì)因?yàn)閴毫^(guò)高而導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)熱，可以很大程度提高系統(tǒng)的效率，達(dá)到汽車拆解機(jī)節(jié)能的目的。

2.2 大臂和夾具系統(tǒng)仿真分析

根據(jù)建立好的仿真模型，取大臂油缸典型周期工況：提升→拆解→下降，對(duì)大臂油缸進(jìn)行仿真分析，設(shè)置仿真時(shí)間為15s，步長(zhǎng)為0.1s，得出大臂液壓缸位移曲線如圖5所示，大臂液壓缸兩腔壓力曲線如圖6所示。

由圖5、圖6可知：

①大臂舉升時(shí)，換向閥處于左位，無(wú)桿腔進(jìn)油，大臂從靜止到運(yùn)動(dòng)，需要克服工作裝置自身的重量及慣性，因此大臂油缸在0～0.4s伴隨短暫壓力沖擊，大臂的提升較慢，液壓缸完全伸出需要5s，液壓缸活塞位移長(zhǎng)度為0.63m。在0.4～4.8s經(jīng)過(guò)短暫壓力沖擊后，大臂油缸壓力較為穩(wěn)定。

②在4.8～5s、10～10.2s、13.3～13.5s，大臂全伸、開(kāi)始下降和下降結(jié)束三個(gè)階段，都會(huì)伴有短暫的壓力沖擊，之后壓力變得較為穩(wěn)定。

③大臂下降時(shí)，此時(shí)有桿腔進(jìn)油，由于大臂自身的重量，進(jìn)油壓力小于無(wú)桿腔壓力，在10～13.3s即可完成下降動(dòng)作。為保證安全，模型中設(shè)計(jì)雙向液壓鎖，既可以保證拆解時(shí)工作裝置因自重而下降，又可以控制工作裝置的下降速度。

根據(jù)建立好的仿真模型，取夾具油缸典型周期工況：夾緊→拆解→松開(kāi)，對(duì)夾具油缸進(jìn)行仿真分析，設(shè)置仿真時(shí)間為15s，步長(zhǎng)為0.1s，得出夾具液壓缸位移曲線如圖7所示，夾具液壓缸兩腔壓力曲線如圖8所示。

由圖7、圖8可知：

①夾具夾緊啟動(dòng)時(shí)，換向閥處于左位，無(wú)桿腔進(jìn)油，夾具從靜止到運(yùn)動(dòng)，會(huì)存在微弱的壓力沖擊，之后液壓缸兩腔壓力保持穩(wěn)定;由于夾具夾緊廢舊汽車的力，使無(wú)桿腔壓力增大穩(wěn)定在24.2MPa，直到夾具液壓缸完全伸出;液壓缸完全伸出需要4.9s，位移長(zhǎng)度為0.42m。

②液壓剪拆解汽車初期，換向閥處于中位，無(wú)桿腔壓力迅速降低，但隨著拆解進(jìn)行，廢舊汽車晃動(dòng)，使液壓缸兩端壓力出現(xiàn)較大的壓力沖擊，有桿腔壓力增大;經(jīng)過(guò)5～7s的壓力沖擊后，兩端壓力趨于穩(wěn)定。

③夾具松開(kāi)時(shí)，換向閥處于右位，有桿腔進(jìn)油。因無(wú)桿腔需要控制夾具松開(kāi)速度不能過(guò)快而產(chǎn)生背壓，無(wú)桿腔壓力大于有桿腔壓力。初始松開(kāi)時(shí)伴隨短暫壓力沖擊，之后較為穩(wěn)定，在10～13.3s即可完成松開(kāi)動(dòng)作。

總之，大臂與夾具仿真結(jié)果與設(shè)定參數(shù)有細(xì)微的不同，是因?yàn)樵诜抡婺Ｐ椭幸约霸O(shè)置子模型參數(shù)時(shí)一些次要的因素被忽略，如沿程阻力、管道壓力損失等[12]，大臂和夾具液壓缸壓力仿真結(jié)果基本達(dá)到要求。

3? 結(jié)論

本文針對(duì)廢舊汽車拆解機(jī)液壓系統(tǒng)，分析其工作原理，利用AMESim軟件對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，得出以下結(jié)論：

①使用AMESim軟件對(duì)液壓系統(tǒng)建模仿真，只需設(shè)定模型參數(shù)就可得出仿真結(jié)果，操作簡(jiǎn)單容易上手。

②對(duì)于固定式汽車拆解機(jī)的液壓系統(tǒng)，通過(guò)仿真分析后，得出穩(wěn)定的負(fù)載敏感泵壓力-流量特性及各子系統(tǒng)液壓缸的位移及壓力，且誤差很小。

③通過(guò)反復(fù)設(shè)定模型參數(shù)，得出比較滿意的仿真結(jié)果，對(duì)未來(lái)設(shè)計(jì)拆解機(jī)液壓系統(tǒng)具有很好的指導(dǎo)意義。

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