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基于AMESim的输油臂残留油品回收装置研究

文档作者：于玲李恒喜杨影杨洋李世楷文档来源：沈阳化工大学机械工程学院		点击数：	更新时间： 2021年10月10日
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２０１６ 年２ 月
第４４ 卷第４ 期
机床与液压
ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ
Ｆｅｂ􀆰 ２０１６
Ｖｏｌ􀆰 ４４ Ｎｏ􀆰 ４
ＤＯＩ： １０．３９６９／ ｊ􀆰 ｉｓｓｎ􀆰 １００１－３８８１􀆰 ２０１６􀆰 ０４􀆰 ０２３
收稿日期： ２０１４－１２－１０
作者简介： 于玲（１９７９—）， 女， 硕士， 讲师， 主要从事机电液一体化的教学与科研工作。Ｅ－ｍａｉｌ： ｙｌｉｎｇ２００４＠ １２６􀆰 ｃｏｍ。
基于ＡＭＥＳｉｍ 的输油臂残留油品回收装置研究
于玲， 李恒喜， 杨影， 杨洋， 李世楷
（沈阳化工大学机械工程学院， 辽宁沈阳１１０１４２）
摘要： 港口输油臂外臂中的油品因一直没有相应的回收装置而不得不无偿排入到装油船舶中， 造成油品公司大量的经
济损失。在深入分析输油臂控制系统原理及防爆安全性要求的基础上， 采用自动液控技术， 以输油臂原有液压系统为动
力， 开发出一种输油臂残留油品回收装置， 详细介绍了该装置的工作原理。针对回收装置采用ＡＭＥＳｉｍ 软件建立了残油回
收仿真模型并进行了仿真研究， 详细分析了仿真结果。结果表明： 该装置方案设计合理、运行可靠、可有效实现输油臂残
油的回收。
关键词： 自动液控技术； 残留油品； 回收装置； 仿真模型
中图分类号： ＴＨ１３７　　文献标志码： Ａ　　文章编号： １００１－３８８１ （２０１６） ４－０７６－２
ＡＭＥＳｉｍ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｒｅｓｉｄｕａｌ Ｏｉｌ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ Ｕｎｉｔｅ ｏｆ Ｌｏａｄｉｎｇ Ａｒｍｓ
ＹＵ Ｌｉｎｇ， ＬＩ Ｈｅｎｇｘｉ， ＹＡＮＧ Ｙｉｎｇ， ＹＡＮＧ Ｙａｎｇ， ＬＩ Ｓｈｉｋａｉ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，
Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｌｉａｏｎｉｎｇ １１０１４２， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｅ ｏｉｌ ｉｎ ｔｈｅ ｏｕｔｂｏａｒｄ ａｒｍ ｏｆ ｌｏａｄｉｎｇ ａｒｍｓ ｈａｓ ｔｏ ｂｅ ｄｉｓｃｈａｒｇｅｄ ｉｎｔｏ ｌｏａｄｉｎｇ ｏｉｌ ｓｈｉｐｓ ｗｉｔｈ ｎｏ ｖａｌｕｅ， ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｇｒｅａｔ
ｅｃｏｎｏｍｉｃａｌ ｌｏｓｓ ｏｆ ｏｉｌ ｃｏｍｐａｎｉｅｓ， ｓｉｎｃｅ ｔｈｅｒｅ ｉｓｎ’ｔ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｄｅｖｉｃｅ ａｌｌ ｌｏｎｇ． Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｌｏａｄｉｎｇ ａｒｍｓ
ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ⁃ｐｒｏｏｆ ｓａｆｅｔｙ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ， ａ ｎｅｗ ｋｉｎｄ ｏｆ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｏｉｌ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｕｎｉｔｅ ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ， ｕｓｉｎｇ ａｕ⁃
ｔｏｍａｔｉｃ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ｌｏａｄｉｎｇ ａｒｍｓ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｙｓｔｅｍ， ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ
ｄｅｔａｉｌ． Ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｂｕｉｌｔ ｂｙ ＡＭＥＳｉｍ， ａｐｐｌｙｉｎｇ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｏ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ． Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ， ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｉｓ ｒｅｌｉａｂｌｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｖｉｃｅ ｃａｎ ｒｅａｌｉｚｅ ｒｅｓｉｄｕａｌ
ｏｉｌ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： Ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ； Ｒｅｓｉｄｕａｌ ｏｉｌ； Ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｄｅｖｉｃｅ； Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ
　　港口输油臂是用于港口、码头船舶装卸油品及其
他化学产品必不可少的专用设备， 有效提高了港口输
油效率。但当输油臂停止装卸作业时， 为保证防爆及
安全性要求， 必须清空输油臂管道中残留的大量油
品， 内臂中的油品可通过自流方式回收到岸上的管道
或低位油罐中； 外臂中的油品因一直没有相应的回收
装置而不得不无偿排入到装油船舶中， 造成油品公司
的大量经济损失。文中在深入分析输油臂控制系统原
理及防爆安全性要求的基础上， 采用自动液控技术，
以输油臂原有液压系统为动力， 开发了一种输油臂残
留油品回收装置， 为实现输油臂残留油品的回收提供
必要的设备支持。
１　残留油品回收装置
输油臂残留油品回收装置中， 主要由二位三通液
控换向阀和行程控制式单向阀实现回收装置的自动往
复运行， 并应用吸排液技术实现残留油品回收。该装
置以柱塞式泵吸排液原理为基础， 自行开发零泄漏整
体插装式液控阀， 利用行程控制式单向阀实现二位三
通液控换向阀的自动换向， 而换向控制的活塞行程又
直接控制行程控制式单向阀的开启与关闭， 以此形成
循环往复工作。该装置以全液压控制方式代替电控换
向， 确保防爆要求， 同时只需从输油臂液压系统引出
一高压油路和回油路即可， 无需对原输油臂控制系统
进行改造。其工作原理如图１ 所示。
图１　回收装置工作原理图
２　残油回收装置的仿真建模
液压系统仿真是检验系统性能的有效方法。采用
ＡＭＥＳｉｍ 软件建立了残油回收装置的仿真模型， 如图
２ 所示。模型中包括二位三通换向阀、行程控制式单
向阀、动力缸和吸排液缸， 通过二位三通换向阀和行
程控制式单向阀来模拟吸排液缸的吸油和排油， 应用
ＡＭＥＳｉｍ 的ＨＣＤ 库建立了回收装置的子模型。表１
给出了几个关键的模型参数。
图２　残油回收装置仿真模型
表１　部分子模型参数设定
油源
密度／ （ｋｇ·ｍ－３） ８５０
体积弹性模量／ ＭＰａ １ ７００
绝对黏度／ （１０－３ Ｐａ·ｓ） ５１
动力油缸
活塞直径／ ｍｍ １００
活塞杆直径／ ｍｍ ６０
活塞行程／ ｍｍ ２００
吸排油缸
活塞直径／ ｍｍ ２００
活塞杆直径／ ｍｍ ６０
活塞行程／ ｍｍ ２００
３　残油回收装置的仿真与分析
根据回收装置实际工况， 结合输油臂液压系统压
力与流量， 设定回收装置的泵源压力为１０ ＭＰａ， 流
量为１６ Ｌ／ ｍｉｎ， 工作介质为液压油， 根据上述设定进
行仿真， 结果如图３—８ 所示。
图３　吸排液缸活
塞运动曲线　　　　　图４　顶杆单向阀
阀芯曲线
图５　动力缸压力　　　　图６　动力缸流量
图７　吸排液缸压力　　　　图８　吸排液缸流量
图３ 为吸排液缸活塞运动曲线， 由仿真结果可
知， 活塞行程２００ ｍｍ 时回收活塞每完成一次行程所
需时间５􀆰 ８５ ｓ， 在二位三通换向阀和顶杆单向阀的共
同作用下， 回收活塞可有效地完成吸排液动作， 平均
每分钟可实现约１０􀆰 ２５ 次吸排液动作。图４ 为顶杆单
向阀的动作位移曲线， 吸排液缸活塞每运动一次， 顶
杆单向阀就动作一次， 每次通过的流量很少， 其余时
间单向阀关闭， 且必须保证单向阀的密封性能。
图５ 和图６ 为动力缸的压力与流量， 图７ 和图８
为吸排液缸压力和流量。由仿真可知： 动力缸仅需要
压力２􀆰 ８４ ＭＰａ， 所需流量为１６􀆰 ６５ Ｌ／ ｍｉｎ； 吸排液缸
排液压力为０􀆰 ０５４ ＭＰａ， 排液流量为１３０􀆰 ６ Ｌ／ ｍｉｎ；
吸排液流量为动力缸流量的７􀆰 ８４ 倍， 可在较短时间
内快速排尽输油臂外壁内的油品。
在上述研究基础上， 设计开发了输油臂残油回收
装置， 并进行样机试制和试验， 在进行试验时发现，
两个顶杆式单向阀的密封可靠性是整套装置成功的关
键。经过对单向阀密封副和复位弹簧的不断调整和优
化， 最终实现回收装置的顺利工作， 样机的成功开发
进一步验证了输油臂残油回收装置的可行性， 目前该
样机已发往输油臂设备厂家， 正在进行总体安装调试。
４　结论
开发的输油臂残留油品回收装置满足经济性及防
爆安全性要求， 采用自动全液控技术， 可实现吸排液
活塞的自动往复运动。模拟仿真及样机试验表明： 该
装置运行可靠， 可有效实现输油臂残留油品的回收，
为完善港口输油臂功能提供了必要的支持。
参考文献：
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仿真实例教程［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，
２０１１．
（下转第１０８ 页）
第 ４ 期 于玲 等： 基于 ＡＭＥＳｉｍ 的输油臂残留油品回收装置研究 ·　７７　·　
示版块。图像监控与处理版块包含摄像机选择（应
对使用多摄像机环境）， 图像监控、图像捕捉、图像
处理３ 个功能显示窗口， 还有应对不同光源环境下作
业的环境光阈值调节功能， 并且还附带设定了一个用
于显示检测视场范围内目标工件总数目的表盘； 串口
通信与反馈版块包含串口通信端口选择项、波特率条
件选项、下位机反馈信息串口显示区以及一些像下位
机连接确认和清空接收区这样的辅助功能； 运动控制
模式选择与调节显示版块的内容包括机械手臂多级运
动速度参数调节、空载速率参数调节、图像识别抓取
模式选择等功能。
全部识别模式是依据摄像机拍摄得到图像信息，
由计算机自动判别出现在视场范围内的目标工件位置
并自动给出一套抓取顺序； 过滤圆形目标模式是在全
部识别模式的基础之上， 有针对性地只对视场内出现
的圆形外观目标物件进行抓取动作； 过滤矩形目标模
式与过滤圆形目标模式类似， 只针对视场内的矩形外
观目标进行抓取； 过滤并分类摆放模式则是综合了过
滤圆形目标与过滤矩形目标模式， 将这两类目标先进
行分类识别并按照设定的排序算法进行排序， 最后通
过机械手臂摆放至指定位置。
为了验证系统的可靠性， 在实验室里连接下位机
控制机器手臂对工件进行了分类拾取。由视觉系统进
行了图像采集、图像处理， 得到了不同形体工件的坐
标， 将坐标值传给下位机， 然后驱动机器人运动完成
相应功能。实验过程如图３ 所示。
图３　机器手对不同形体的工件识别抓取
机器手臂可以很好地对圆形工件和矩形工件进行
识别， 并对圆形工件进行抓取， 达到了预期目标。
４　结束语
机器视觉系统可以快速获取大量信息， 而且易于
自动处理， 可以方便地用于生产线中。通过图像处理
等技术， 对工作区的工件实现了自动定位、识别、操
作等。该视觉系统具有精确、可靠、速度、识别率高
等优势， 有利于实现生产系统的智能化、自动化， 值
得大力推广。
参考文献：
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（上接第７７ 页）
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（上接第８４ 页）
时， 系统的相角裕度和幅值裕度越大， 有利于系统的
稳定。动态特性方面， 反馈放大系数越大系统响应速
度越快， 但系统动态品质变差， 甚至出现剧烈振荡。
反馈放大系数越小， 系统响应速度变慢， 超调量
越小。
可见反馈机构连杆长度参数决定的反馈放大系数
的取值对系统的稳定性和动态品质影响较大， 在设计
连杆机构时必须考虑。
参考文献：
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·１０８· 机床与液压 第 ４４ 卷

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