基于AMESim的塔吊液压顶升系统螺纹插装式平衡阀动态特性分析

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液压元件作为液压系统的重要组成部分，其性能的好坏直接关系到整个液压系统能否正常运行↑年来，由于国民经济的迅速发展，液压平衡回路在工程机械领域的应用 日益广泛，对系统性能的要求也相应提高，即对系统在举重上升、承载静止、负重下行等主要工况性能上的要求提高。在负重下行时系统易出现低频抖动”等振动现象，严重影响工程机械的工作性能以及安全性-zj。

螺纹插装式平衡阀是平衡回路中最重要的液压元件之-，它以体积孝结构紧凑、内泄漏孝应用灵活、价格低廉、安装维修简单等优势，广泛用于工程机械、起重运输机械等领域中 。主要是为了防止承载下降时出现超速危险 。本文利用 AMESim软件 的HCD液压元件库构建带有螺纹插装式平衡阀的平衡回路仿真模型，仿真分析了螺纹插装式平衡阀的主要结构参数以及负载变化对其性能的影响。

1 塔吊液压顶升系统1.1 塔 吊液压顶升 系统的设计本文将针对 1600 t塔吊液压顶升系统中的螺纹插装式平衡阀的性能进行仿真分析，准确找出系统下行时低频抖动、超速等原因以及其他影响因素，塔吊液压顶升系统的工作原理如图1所示。

1.高压变量油泵 2.电机 3.球阀 4.溢 流阀 5.耐震压力表6.负载 7.手动换向阀 8.单向调速阀 9.顶升油缸l0.螺纹插装式平衡阀图1 塔吊液压顶升系统原理图1600 t塔吊液压顶升装置，用于控制二个提升缸的上升或下降，因此，要求液压系统在控制二个缸上升或下降时，能运行平稳、无振动和不 良反应，确保液压系统使用安全、可靠。为使该液压顶升系统设计简单收稿日期：2012.10-08基金项目：甘肃省 自然科学研究基金计划项目(1014RJZA023)作者简介：杨国来(1963- )，男 (满族)，辽宁沈阳人，教授，主要从事液压元件及 自动控制方面的教学与科研工作。

液压与气动 2013年第 3期合理，该系统采用二组并联的调速阀分别控制二个油缸速度。当顶升完成后，为使两个油缸无振动平稳的下降，则存主回路上加入螺纹插装式平衡阀，该螺纹插装式平衡阀性能的好坏直接影响该系统的性能，因此在此类工况下对其动态性能的研究，有利于找到大吨位塔吊液压顶升系统螺纹插装式平衡阀的优化设计参数。

1.2 螺纹插装式平衡阀螺纹插装式平衡阀结构如图2a所示，由阀杆 1、阀 卷2、阀套3、复位弹簧4、弹簧座5，6、调压弹簧 7和密封等组成，阀杆 1的锥面与阀芯2的圆端面之间形成锥形的阀口。平衡阀上有主油口①、②和控制油口⑧，在平衡回路中分别连接油缸、换向阀和控制油路，油路连接符号图如图2b所示。

①a)原理图 b)符号图接油缸 接换向 控制油 口1.阀杆 2.阀芯 3.阀套 4.复位弹簧5、6.弹簧座 7.调压弹簧图2 螺纹插装式平衡阀的结构及原理螺纹插装式平衡阀工作原理简单概括以下三种：(1)②-① ：单向阀正向自由流工况；(2)①-② ③：节流工况；(3)①-② ：安全阀工况。

2 系统 AMESim模型的建立本文运用 LMS Imagine.Lab AMESim Rev 10多领域仿真软件对设计系统进行建模。

进入 AMESim软件环境，在 Sketch模式下，调用系统中机械库、信号库和HCD液压库提供的相应元件搭建出塔吊液压顶升系统的仿真模型。如图3所示。

3 参数设置与仿真结果分析3.1 参数设置在正常工作时，系统的额定负载为 1600 t，则两个顶升油缸各负载 800 t。在仿真之前 ，仿真系统中的单向调速阀用单向节流阀代替，规定两缸同步，研究负1.电动机 2.液压变量泉 3.溢流 4.电磁换 向 5.信 源6.液油液 7.阀杆 8.阀芯 9.阻尼孔 1O.容腔11.单向节流阀 12.液压缸 13.负载图3 塔吊液压顶升系统的仿真模型载、阻尼孑L等变化时对螺纹插装式平衡阀的性能影响。

表 1 仿真主要参数油液密度/kg m。 874油液运动黏度/mm S 40油液体积弹性模量/MPa l700泵排量/mLr 40电动机转速/main 1450溢流阀开启压力/MPa 21液压缸活塞大径/mm 280液压缸活塞卸/mm 220活塞杆初始位移为/m O液压缸行程/m 1.92电磁阀额定流量/Lmin 95电磁阀额定压力/MPa 31.5电磁阀额定电流/mA l500电磁阀固有频率/Hz 3电磁换向阀动作时间表的确定；选用华德4WRA10型电磁阀，由于电磁阀的动作时间和油缸的速度关联，由公式 ALQT得知 TAL/Q。

A 1T(r ) (耵/4)×280 61575.22 mm ；A 竹(r ) (w/4)×220 38013.27 toni ；7 6 5 4 3 2 1 2013年第3期 液压与气动 85代人表 1数据得： (A )L/Q 122.301 s；Tmi (A i )L/Q-75.504 s；结合 电磁阀的特新曲线，电磁换向阀动作时间表如图4所示。

j四n越里时 I可/S图4 电磁换向阀动作时间表3.2 仿真分析(1)流量为 58 L/rain，负载分别取 200000 kg、600000 kg、800000 kg时液压缸活塞杆上升和下降的速度响应曲线，如图5所示。

j毯们时间/sa)活塞杆上升- .2000器0 kg时间/sb)活塞杆下降图5 不同负重时液压缸的活塞杆速度曲线由图5a可知，在电磁阀通电瞬间油缸活塞杆上行时，活塞杆速度响应曲线大约有 2 ms的滞后，这主要是由油路和活塞腔的容积引起，随着时间的增大，活塞杆的速度开始出现波动，且负载小的活塞杆(200000kg)速度抖动幅度最大，抖动随着负载的增大而减小，在9 s后达到稳定。图5b中，电磁阀切换瞬间，三种负载下活塞杆的速度瞬间出现较大波动，且负载小的活塞杆(200000 kg)速度抖动幅度最小，随着负载的增大而增大，在 10 s后达到稳定。出现这种情况，是因为在活塞杆上升阶段起主要作用的是无杆腔压力以及流量的突变，负载小时引起的压力和流量的变化相对较大，故产生的波动的大，与实际情况相吻合；而在活塞杆下降阶段起主要作用的是活塞杆与液压缸内壁面的静摩擦力以及油液粘性摩擦力，负载大时需要克服较大的静摩擦力，故产生的波动的大，与实际情况相吻合。

(2)流量为 58 L/min，负载分别取 200000 kg、600000 kg、800000 kg时螺纹插装式平衡阀阀芯速度和位移响应曲线，如图6所示。

蠢32- l；0越-1， 2. 34n～三2880oo8 g时间/sb)阀芯位移图6 螺纹插装式平衡阀阀芯速度和位移曲线由图6可知，在油缸下降的瞬间，阀芯的速度产生了巨大的波动，主要是由于油缸下降瞬间波动产生的压力波反馈到阀芯上产生的，阀芯的位移是和其速度的变化规律-致的，都将在 2 s后都达到稳定状态。

从图中可知，当负载为 600000 kg时此种结构的螺纹插装式平衡阀性能最稳定。

(3)负载为600000 kg，分别取阀芯阻尼孔为0.45mm、0.5 mlTl、0.55 mm时液压缸活塞杆下降的速度响应曲线，如图7所示。

鲁 / A / -/ J y/ ：；0.55mmO图 7 不 I司阻尼孔 时活塞杆 的下降速度 曲线由图7可知，当螺纹插装式平衡阀工作在性能最稳定时的负载(600000 kg)下。阻尼孑L的大小直接影响油缸运行的稳定性，在阻尼孔为 0.45 mm和 0.55lrlm时油缸速度有较大的波动，而在阻尼孔为 0.5 mm时油缸速度波动最小，用最短的时间达到稳定。由此86 液压与气动 2013年第3期深海液压系统专用注油装置的设计郝 帅 ，袁卓立 ，黄豪彩 ，冷建兴Hydraulic Oil Refueling Equipment Design for Deep-sea Hydraulic SystemHAO Shuai ，YUAN Zhuo..1i，HUANG Hao-cai -，LENG Jian-xing(1.浙江大学 海洋科学与工程学系，浙江 杭州 310058；2.浙江大学 流体动力与机电系统国家重点实验室，浙江 杭州 310027)摘 要：在深海设备机电装备中，常需要压力补偿装置，液压油是深海压力补偿设计中最好的压力平衡介质。针对深海液压系统的应用特点，液压油必须严格控制其纯净度(低含气率、低含水率、少固体微粒)，并且注油时要施加-定的正压力。为了达到深海液压系统使用要求，采用真空注油和高压注油相结合的方法，配合过滤、除水、除气等功能，设计出-套深海液压系统专用注油装置。

关键词 ：深海液压 系统；结构设计 ；压力补偿 ；除水除气中图分类号：TH137 文献标志码：B 文章编号：1000-4858(2013)03-0086-04引言深海液压系统中液压油中各种杂质会对系统产生严重的危害 .2 J。液压油中混有空气时，其压缩性显著增加，油液特性会发生非线性行为变化，严重地危害着系统的工作可靠性，下潜深度越大气体对液压油体积模量的影响越明显。工作油液中的水分会使元器件的内表面锈蚀，破坏电气的绝缘性能。固体颗粒不仅加快液压元件磨损，而