基于AMESim固定式汽车拆解机液压系统仿真分析

方泰兴　宋崇智　黄军　焦尚兵

摘要：针对汽车拆解机液压系统性能要求，以固定式汽车拆解机为研究对象，分析其液压系统的工作原理，利用AMESim软件建立负载敏感泵、大臂和夹具系统仿真模型，对其仿真结果进行分析。结果表明：根据子模型设定参数，得到负载敏感泵、大臂和夹具液压系统仿真曲线，仿真结果与实际设定相比误差较小，为今后深入研究汽车拆解机液压系统提供参考。

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.

关键词：汽车拆解机;液压系统;建模仿真;AMESim

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

中图分类号：TH137                                       文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）05-0198-04

0  引言

汽车拆解机是用于拆解废旧汽车的设备，同时我国也是汽车保有量较多的国家，汽车保有量的增加促进了废旧汽车拆解行业的发展[1]，因此废旧汽车拆解设备的需求量大大增加。传统的拆解作业主要依靠人工拆解，借助一些五金工具、氧气切割等方式进行拆解作业，工作效率低，环境污染严重，安全保障低下。因此，对于拆解机而言，具备高适应性、安全可靠、节能环保、高效率的性能十分重要[2-3]。

针对废旧汽车拆解设备，国内外开展了大量的研究。德国人U.Buker[4]提出了一种基于目标灰度值和轮廓的识别方法，采用主动立体摄像作为视觉传感器的自主拆卸机器人系统，最终一个自动拆卸车轮的机器人系统样机被成功测试;1979年，日本Kobelco建机[5]研制出首台装备有固定式切断装置的汽车拆解机，人工拆解废旧汽车首次由机器代替;2016年，我国重汽集团[6]在推出的海斗牌废旧汽车拆解机，该机有专用的液压系统，可以实现液压剪精准微动拆解，工作稳定可靠。

上述研究表明，汽车拆解机作为拆解废旧汽车重要设备，直接影响拆解效率。液压系统作为汽车拆解机的动力系统和控制系统，为汽车拆解机的稳定拆解提供重要的保障。为了得到安全可靠的液壓系统，对汽车拆解机的液压系统进行建模和仿真是十分必要的。因此，本文针对固定式汽车拆解机的液压系统，运用AMESim[7]软件进行建模与仿真，为以后的优化设计提供参考依据。

1  AMESim建模

本文所研究的汽车拆解机为固定式液压系统汽车拆解机。该机液压系统主要由负载敏感泵、大臂系统、小臂系统、液压剪系统和夹具系统等五大部分组成。由于汽车拆解机的液压元件较多，整机液压系统相对较为复杂，为整机液压系统建立模型较为困难。根据汽车拆解机需要执行的动作以及各个子系统都是单独工作的特点，在AMESim建模过程中，将整机液压系统简化，只对各子系统单独进行即可[8]。汽车拆解机液压系统的五大部分，由于液压剪系统、大臂系统和小臂系统三个子系统的原理基本相同，在这里进行简化，只选择大臂系统进行AMESim建模。故本文只对汽车拆解机液压系统的负载敏感泵、大臂系统和夹具系统进行AMESim建模。

1.1 负载敏感泵建模

在AMESim草图模式下，利用液压库、液压元件设计库、信号库和机械库[9-10]建立负载敏感泵仿真模型如图1所示，此模型由电机、变量泵、负载敏感阀、节流阀和伺服活塞缸等元件组成。以比例溢流阀模拟负载。在仿真模型中设定电机转速2200r/min，泵流量108L/min、转速2800r/min，节流阀开口6mm。该泵的工作原理为：油液由变量泵输出通过节流阀至负载，泵前端压力引入至负载敏感阀左端，节流阀后端压力引入至负载敏感阀右端，负载敏感阀受力是左端压力等于右端压力加上弹簧压力。节流阀完全关闭，P2口推动负载敏感阀左端使负载敏感阀处于左位，然后P2口的油液经负载敏感阀到伺服活塞的无杆腔，活塞左移，泵的排量达到最小。节流阀缓慢打开，负载的力引入负载敏感阀的弹簧腔，此时泵的摆角缓慢增大，当泵前段压力大于负载压力一个弹簧力时，负载敏感阀开始慢慢关闭，和阻尼D2形成液压半桥，伺服活塞两端受力平衡，活塞使泵的摆角达到一个恒定值，此时泵的输出压力等于负载压力加上一个负载敏感阀的弹簧力。

1.2 大臂和夹具系统建模

在AMESim草图模式下，利用机械库、信号库和液压库[9-10]建立大臂和夹具系统仿真模型如图2所示，此模型主要由双作用液压缸、双向液压锁、换向阀、定量泵、电机和过滤器等元件组成，以定量泵模拟负载敏感泵，图中左为大臂系统，右位夹具系统。在工作过程中，电机提供动力，把油液作为工作介质，利用定量泵把电机提供的机械能转化为液压能经过换向阀传至液压缸，再由液压缸活塞杆的伸缩将液压能转化为各种机械能传至各机构，就可以实现汽车拆解机需要的各种动作。

在AMESim中每个元件都有子模型，进入子模型为即可为每个元件选取数学模型，然后就可为每个子模型进行参数设定[7][11]。上述系统中主要子模型的参数设定如表1所示。

2  仿真分析

2.1 负载敏感泵仿真分析

在AMESim软件设置运行参数中设置仿真时间5s，步长为0.01s。对模型进行仿真，得出负载敏感泵压力与流量曲线如图3所示，节流阀前后压差曲线如图4所示。由曲线图可知，泵和节流阀在4s左右时上升到最大压力处。

由图3泵的压力随流量变化曲线可知，在电机转速一定，泵刚开始运转时，此时泵的出口流量达到最大;随着泵出口压力逐渐增大，泵出口流量减小直到以很小的幅度变化，此时泵出口压力还未达到最大值;随着时间变化泵的输出压力持续增大，直至第4秒时，输出压力升高到最大值，此时泵输出压力达到负载敏感阀弹簧腔设定的压力值，负载敏感阀的弹簧腔打开，压力引入弹簧腔，负载敏感阀左位工作，油液由泵出口，流经负载敏感阀左位后，流入伺服活塞缸，推动泵的摆角缓慢增大，负载敏感泵输出压力达到恒压状态。

图4为节流阀前后两端压力差曲线，设定节流阀的开口为6mm。随着泵的输出压力逐渐增大，节流阀两端的压力逐渐增大，第4秒时达到最大值。由图4可知，节流阀两端压力无论怎样变化，两端压力差始终保持一个恒定值。

上述仿真分析表明，此负载敏感泵，运行不久会达到恒压状态，不会因为压力过高而导致系统发热，可以很大程度提高系统的效率，达到汽车拆解机节能的目的。

2.2 大臂和夹具系统仿真分析

根据建立好的仿真模型，取大臂油缸典型周期工况：提升→拆解→下降，对大臂油缸进行仿真分析，设置仿真时间为15s，步长为0.1s，得出大臂液压缸位移曲线如图5所示，大臂液压缸两腔压力曲线如图6所示。

由图5、图6可知：

①大臂举升时，换向阀处于左位，无杆腔进油，大臂从静止到运动，需要克服工作装置自身的重量及惯性，因此大臂油缸在0～0.4s伴随短暂压力冲击，大臂的提升较慢，液压缸完全伸出需要5s，液压缸活塞位移长度为0.63m。在0.4～4.8s经过短暂压力冲击后，大臂油缸压力较为稳定。

②在4.8～5s、10～10.2s、13.3～13.5s，大臂全伸、开始下降和下降结束三个阶段，都会伴有短暂的压力冲击，之后压力变得较为稳定。

③大臂下降时，此时有杆腔进油，由于大臂自身的重量，进油压力小于无杆腔压力，在10～13.3s即可完成下降动作。为保证安全，模型中设计双向液压锁，既可以保证拆解时工作装置因自重而下降，又可以控制工作装置的下降速度。

根据建立好的仿真模型，取夹具油缸典型周期工况：夹紧→拆解→松开，对夹具油缸进行仿真分析，设置仿真时间为15s，步长为0.1s，得出夹具液压缸位移曲线如图7所示，夹具液压缸两腔压力曲线如图8所示。

由图7、图8可知：

①夹具夹紧启动时，换向阀处于左位，无杆腔进油，夹具从静止到运动，会存在微弱的压力冲击，之后液压缸两腔压力保持稳定;由于夹具夹紧废旧汽车的力，使无杆腔压力增大稳定在24.2MPa，直到夹具液压缸完全伸出;液压缸完全伸出需要4.9s，位移长度为0.42m。

②液压剪拆解汽车初期，换向阀处于中位，无杆腔压力迅速降低，但随着拆解进行，废旧汽车晃动，使液压缸两端压力出现较大的压力冲击，有杆腔压力增大;经过5～7s的压力冲击后，两端压力趋于稳定。

③夹具松开时，换向阀处于右位，有杆腔进油。因无杆腔需要控制夹具松开速度不能过快而产生背压，无桿腔压力大于有杆腔压力。初始松开时伴随短暂压力冲击，之后较为稳定，在10～13.3s即可完成松开动作。

总之，大臂与夹具仿真结果与设定参数有细微的不同，是因为在仿真模型中以及设置子模型参数时一些次要的因素被忽略，如沿程阻力、管道压力损失等[12]，大臂和夹具液压缸压力仿真结果基本达到要求。

3  结论

本文针对废旧汽车拆解机液压系统，分析其工作原理，利用AMESim软件对液压系统进行建模仿真，得出以下结论：

①使用AMESim软件对液压系统建模仿真，只需设定模型参数就可得出仿真结果，操作简单容易上手。

②对于固定式汽车拆解机的液压系统，通过仿真分析后，得出稳定的负载敏感泵压力-流量特性及各子系统液压缸的位移及压力，且误差很小。

③通过反复设定模型参数，得出比较满意的仿真结果，对未来设计拆解机液压系统具有很好的指导意义。

参考文献：

[1]龙少海.中国报废汽车回收拆解行业的现状与发展趋势[J].资源再生，2013（09）：18-20.

[2]周自强，戴国洪，谭翰墨.报废汽车拆解与回收技术的发展与研究现状[J].常熟理工学院学报，2011，25（10）：107-111.

[3]季勇.报废汽车拆解模式与应用简析[J].再生资源与循环经济，2016，9（09）：26-29.

[4]U. Büker，S. Drüe，N. G？觟tze，G. Hartmann，B. Kalkreuter，R. Stemmer，R. Trapp. Vision-based control of an autonomous disassembly station[J]. Robotics and Autonomous Systems，2001，35（3）.

[5]日本神钢集团.https：//www.kobelco.co.jp/chinese/.

[6]中国重型汽车集团有限公司.http：//www.cnhtc.com.cn/view/index.aspx.

[7]梁全，谢基晨，聂利卫主编.液压系统Amesim计算机仿真进阶教程[M].北京：机械工业出版社，2016.

[8]卢宁，付永领，孙新学.基于AMEsim的双压力柱塞泵的数字建模与热分析[J].北京航空航天大学学报，2006（09）：1055-1058，1086.

[9]Wilfrid Marquis-Favre，Eric Bideaux，Serge Scavarda. A planar mechanical library in the AMESim simulation software. Part I： Formulation of dynamics equations[J]. Simulation Modelling Practice and Theory，2005，14（1）.

[10]Wilfrid Marquis-Favre，Eric Bideaux，Serge Scavarda. A planar mechanical library in the AMESim simulation software. Part II： Library composition and illustrative example[J]. Simulation Modelling Practice and Theory，2005，14（2）.

[11]梁全，苏齐莹主编.液压系统AMESim计算机仿真指南[M].北京：机械工业出版社，2014.

[12]刘昌盛，何清华，张大庆，李铁辉，龚俊，赵喻明.混合动力挖掘机势能回收系统参数优化与试验[J].吉林大学学报（工学版），2014，44（02）：379-386.