摘    要：設(shè)計(jì)了礦用隔爆箱水壓試驗(yàn)機(jī)的液壓系統(tǒng)，使用AMESim軟件對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，得到壓緊端蓋的位移、速度和加速度曲線以及壓緊油缸的上、下腔壓力曲線，跟蹤并記錄了某礦用變頻器隔爆外殼的水壓試驗(yàn)過程。

關(guān)鍵詞：礦用隔爆箱水壓試驗(yàn)機(jī);液壓系統(tǒng)仿真;AMESim;

0 引言

某礦用隔爆外殼共四個(gè)門，分別使用四個(gè)液壓缸提供壓緊力。液壓缸分組分開動(dòng)作，兩個(gè)上液壓缸為一組，兩個(gè)側(cè)液壓缸為一組。并且約定壓向箱體時(shí)，上液壓缸先動(dòng)作，待壓到箱體表面后，側(cè)油缸再動(dòng)作[1]。壓緊端蓋壓向箱體時(shí)應(yīng)動(dòng)作緩慢以防止箱體產(chǎn)生不必要的變形，而考慮到被測(cè)箱體排水的時(shí)間，壓緊端蓋離開箱體時(shí)也不必快退，因此各個(gè)液壓缸在工作過程中的運(yùn)動(dòng)速度較小[2]。本文的液壓系統(tǒng)負(fù)載等于箱體內(nèi)部承受的水壓，水壓為1 MPa時(shí)達(dá)到最大值為20 T。

1 擬定液壓系統(tǒng)圖

隔爆箱水壓試驗(yàn)機(jī)的液壓系統(tǒng)如圖1所示。設(shè)計(jì)的水壓試驗(yàn)機(jī)液壓系統(tǒng)的速度較低，工作負(fù)載變化小，因此可以省去調(diào)速回路。兩組液壓缸使用四位三通手動(dòng)換向閥即可完成換向。為防止上液壓缸和壓緊端蓋因自重而自行下落，調(diào)節(jié)單向順序閥8使液壓缸內(nèi)的背壓能支撐住活塞和壓緊端蓋，活塞就可平穩(wěn)地下落。當(dāng)換向閥6處于中位時(shí)，活塞就不會(huì)自行下落，最后考慮壓力控制回路，系統(tǒng)靠溢流閥調(diào)節(jié)壓力[3]。另外，使用卸荷閥，在液壓泵不停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，使其輸出的流量在壓力很低的情況下流回油箱，以減少功率損耗，降低系統(tǒng)發(fā)熱，延長(zhǎng)泵和電機(jī)的壽命[4]。

圖1 隔爆箱水壓試驗(yàn)機(jī)的液壓系統(tǒng) 

1.泵；2.電機(jī)；3.安全閥；4.卸荷閥；5.壓力表； 6.三位四通手動(dòng)換向閥；7.液控單向閥；8.單向順序閥

2 液壓系統(tǒng)的建模

AMESim中液壓系統(tǒng)的建模如圖2所示，由1～5所示的五個(gè)子元件組成，其參數(shù)分別設(shè)置為：

圖2 AMESim中液壓系統(tǒng)的建模圖 

1～5.液控單向閥的子模型；6.控制換向閥的信號(hào)源；7.三位四通手動(dòng)換向閥；8.溢流閥；9.液壓泵；10.單向閥；11.平衡閥；12.液壓缸外負(fù)載的信號(hào)源；13.液壓缸的外負(fù)載；14.液壓缸

(1)彈簧腔：

設(shè)置活塞直徑為10 mm, 活塞桿直徑為5 mm, 彈簧勁度系數(shù)為1 N/mm, 初始彈力為20 N,零位容腔長(zhǎng)度為6 mm;

(2)質(zhì)量塊：

設(shè)初始位移為-0.005 m, 質(zhì)量為0.5 kg, 摩擦系數(shù)為0.0155,位移范圍為-0.005～+0.005;

(3)帶環(huán)形孔的滑塊：

設(shè)置活塞直徑為26 mm, 活塞桿直徑為22 mm, 零位容腔長(zhǎng)度為6 mm;

(4)彈簧腔：

設(shè)置活塞直徑為10 mm, 活塞桿直徑為5 mm, 彈簧勁度系數(shù)為1 N/mm, 初始彈力為20 N,零位容腔長(zhǎng)度為6 mm;

(5)活塞腔：

設(shè)置活塞直徑為17.5 mm, 活塞桿直徑為5 mm[5]。

通過設(shè)置控制換向閥的信號(hào)源，0～140 s內(nèi)輸出-400,即換向閥處于右位，141 s～150 s內(nèi)輸出0,即換向閥處于中位，151 s～250 s內(nèi)輸出400,即換向閥處于左位[6]。

溢流閥的調(diào)定壓力為20 MPa。液壓泵的轉(zhuǎn)速為1 420 r/min, 流量為Q=3.55 L/min, 單向閥壓降為30 MPa[7]。

通過設(shè)置液壓缸外負(fù)載的信號(hào)源，即0～140 s內(nèi)液壓缸的負(fù)載為5 000 N,141 s～150 s內(nèi)液壓缸的負(fù)載為200 000 N,151 s～250 s內(nèi)液壓缸的負(fù)載為5 000 N。設(shè)置壓緊油缸的活塞直徑為160 mm, 活塞桿直徑為100 mm, 活塞桿及其所連接的壓緊端蓋的質(zhì)量共為500 kg, 活塞桿行程為200 mm。

3 液壓系統(tǒng)仿真分析

在建立好水壓試驗(yàn)機(jī)液壓系統(tǒng)的仿真分析模型后，即可根據(jù)其實(shí)際情況設(shè)置仿真分析所需要的相關(guān)參數(shù)：設(shè)置仿真運(yùn)行時(shí)間為0～270 s, 仿真步長(zhǎng)為1 s, 仿真允許誤差10-9。采用標(biāo)準(zhǔn)解算器混合誤差進(jìn)行仿真分析，得到壓緊油缸的活塞桿速度、加速度及位移變化曲線和油缸上、下腔的壓力變化曲線[8]。

活塞桿的位移曲線如圖3所示，壓緊端蓋在136 s時(shí)達(dá)到壓向箱體的極限行程200 mm。150 s后開始反向運(yùn)動(dòng)，在233 s時(shí)退回到距離箱體最遠(yuǎn)的位置。

油缸的上、下腔流量曲線如圖4所示，活塞桿的速度和加速度曲線分別如圖5和圖6所示。結(jié)合圖4、圖5和圖6可知：在系統(tǒng)開始的初期即0到3 s內(nèi)，活塞桿的速度由0增加到1.5 mm/s, 隨后在壓向箱體的過程中，活塞桿的速度非常平穩(wěn)，加速度幾乎為零，一直到136 s時(shí)，達(dá)到活塞桿的極限行程200 mm, 速度降為0。150 s之后，反向運(yùn)動(dòng)過程中，活塞桿的速度和加速度出現(xiàn)了較大的波動(dòng)，直到t=233 s時(shí)，位移達(dá)到活塞桿的液壓行程200 mm時(shí)，速度和加速度變?yōu)榱悖钊麠U停止移動(dòng)，直至仿真時(shí)間結(jié)束。

圖3 活塞桿的位移曲線 

圖4 油缸的上、下腔流量曲線 

圖5 活塞桿的速度曲線 

圖6 活塞桿的加速度曲線 

油缸的上腔和下腔壓力曲線分別如圖7和圖8所示。由圖7和圖8可知：在壓緊端蓋壓向箱體的過程中，油缸上腔壓力維持在0.25 MPa, 并基本保持不變，直到t=136 s時(shí)，壓緊端蓋壓緊箱體，受到20 T的壓力作用，油缸上、下腔壓力開始突變，下腔壓力基本降為零，上腔壓力增大為20 MPa, 達(dá)到溢流閥的額定壓力，溢流閥開始溢流，活塞桿停止移動(dòng)，到t=150 s時(shí)開始換向，下腔壓力出現(xiàn)一點(diǎn)波動(dòng)后維持在0.64 MPa基本保持不變，直到t=233 s時(shí)，油缸下腔壓力增大到20 MPa, 達(dá)到溢流閥的額定壓力，溢流閥開始溢流，活塞桿停止移動(dòng)，處于距離箱體最遠(yuǎn)的位置。

圖7 油缸的上腔壓力曲線 

圖8 油缸的下腔壓力曲線 

對(duì)以上仿真結(jié)果的分析可知：在該液壓系統(tǒng)換向的瞬間，油缸上、下腔的壓力有小幅度的波動(dòng)，在反向運(yùn)動(dòng)過程中，活塞桿的速度和加速度波動(dòng)較大，但是都能滿足水壓試驗(yàn)的要求，因此可以使用該液壓系統(tǒng)。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

具備試驗(yàn)條件后，操作手動(dòng)換向閥，使上壓緊油缸伸出，壓緊端蓋壓向被測(cè)試件上的前法蘭，調(diào)節(jié)溢流閥得到不大于0.5 MPa的液壓力。然后將可移側(cè)支架安裝在整體底座上，再依次安裝側(cè)壓緊油缸和側(cè)壓緊端蓋。安裝完成后，操作手動(dòng)換向閥，使得兩側(cè)的壓緊油缸伸出，分別將側(cè)壓緊端蓋推向被測(cè)試件上的左右側(cè)門[9,10],試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖9所示。打壓過程中要時(shí)刻調(diào)節(jié)溢流閥，使得液壓站的壓力示值始終是水壓表壓力示值的20倍。

5 結(jié)論

本文利用AMESim軟件建立水壓試驗(yàn)機(jī)的液壓系統(tǒng)仿真模型，通過對(duì)其仿真分析得到工作過程中液壓缸高、低壓油腔的壓力曲線，通過多次水壓試驗(yàn)證明，本文提供的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，為今后水壓試驗(yàn)機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了參考。

文章來源：電氣防爆. 2023(02)