挖掘机液压元件的建模及仿真.pdf

第 2 O卷第 2期 2 0 0 6年 6月 传 动 技 术 DRI VE S YS TEM TECHNI QUE Vo 1 ． 2 O No ． 2 J u n e 2 0 0 6 文章 编号 1 0 0 6 8 2 4 4 2 0 0 6 0 2 1 9 - 0 4 挖掘机液压元件的建模及仿真 S i mu l a t e a n d S e t u p mo l d s o f Hy d r a uli c Co mp o n e n t s o f Ex c a v a t i n g M a c h i n e 张书诚鲍俊瑶 安徽合肥 安徽职业技术学 院 2 3 0 0 5 1 Zh a n g s h u c h e n g Ba o j u n y a o An h u i Vo c a t i o n a l An d T e c h n i c a l C o l l e g e ，He f e i 2 3 0 0 5 1 ，C h i n a [ 摘 要] 本 文提 出了在 ADAMS中建立虚拟样机环境 ， 通过 AD AMS ／ Co n t r o l 接 口与 S i mu l i n k中建立液压容 腔 、 液压泵、 液压缸 、 平衡 阀、 溢流阀等液压子 系统模 型 ， 为 实现挖掘 机虚拟样机 环境的机 电液一体化联 合仿 真 建 立 基 础 。 [ A b s t r a c t ] Th i s p a p e r b r o u g h t u p t h e s t r a t e g y a n d me t h o d s t h a t s e t u p t h e i n t e g r a t e d s o n s y s t e m mo d e l o f h y d r a u l i c c o n t a i n e r ， h y d r o p u mp， h y d r o c y l i n d e r ， b a l a n c e v a l v e a n d o v e r f l o w v a l v e i n S i mu l i n k t h r o u g h AD AMS／ c o n t r o l i n t e r f a c e a n d s e t u p t h e b a s e s o f wh i c h r e a l i z e ma c h i n e ， e l e c t r i c i t y a n d l i q u i d i n t e g r a l p r o t o t y p e o f v i r t u a l pr o t ot y pe ma c hi n e e nv i r oume nt ． 关键词 挖掘机液压 元件建模 K e y wor d se xc av a t i ng ma c hi ne hy dr a ul i c c o m po ne nt s e t u p mol ds 中 图 分 类 号 TH1 3 7 ． 5 文 献 标 识码 B l 刖 舌 数字计算机仿真 是 以计 算机 为工具 ， 由实际 系 统建立 仿真模 型 ， 并在计算机上运行和实验 ， 其主要 过程是将各个液压元件 的物理系统通过理论推导和 系统辨识建立其数学 模 型的子模 块 ， 然后 由子模块 再构成仿真模型 。 利用仿真 技术 建 立 液压 系统 及 元 件 的仿 真模 型 ， 模拟实际液压系统进行仿真运算 ， 称 为液压 系统 及元件 的数字仿真 ， 简称 液压 仿真 。国 内外在 液压 仿真方面做 了大量的研究 ， 从研究对 象讲 ， 大致可分 为三个方面 通用液压 系统方面 ， 专用液压系统方面 和液压 系统综 合评 价方 面 。在通 用液 压 系统方 面 ， 已开发 了较 多的通用 仿真软件 。如德 国亚琛大学研 制的液压 系统 一数字仿 真软件 一DS H； 英 国 B ATH 大学开发 的 HAS P液压仿真程序包 ； 波兰华沙 大学 的 P OL S YAS仿真 系统 ； 德 国斯 图 加 特 的 RE KO NA 系统。国内如浙 江大 学 、 上 海交通 大学 、 大连理 工 大学 、 北京航空 航天 大学等 在通 用液压 系统方 面 也都做 了许多有益的工作 。 通用液压系统和专 用液压系统仿真计算的前提 是液压容腔 、 液压泵 、 液压缸 、 平衡 阀 、 溢流 阀等基本 液压子系统模 型的建立 ， 这 在挖掘 机液 压系统 的仿 真计算 中也是 十分重要的 。本文将对挖掘机液压系 统基本元件的数学模 型建立 和计 算流程 进行 探讨 ， 为液压挖掘机的仿真设计奠定基础 。 2 S i mu l i n k环境 中液 压 系统 的 仿 真原 理 利用 S i mu l i n k所提供 的建立子 模块 的方法 ， 对 每一个液压元件及容腔节点建立 一个 可重复利用和 易于参数修 改的子模块 ， 在模型的最上层 ， 对 各处模 块进 行连接 即可建立 系统 的仿真模 型 。 ， 利 用 S i mu l i n k所提供 的基本模块根据 元件的数学模 型搭接成 各子模块 ， 再定义其输人 、 输 出参数 。 根据 液压挖掘机 的工作 原理 ， 可将 整个 系统 的 液压回路 简化 为斗杆工作 回路 ， 铲斗工作 回路 ， 动臂 工作 回路 ， 回转马达工 作 回路 等 四个 相对 独立 的子 系统 。其 中斗杆 、 铲斗 、 动臂 这三个工作 回路的执行 机构均为液压缸 ， 回转马达 工作 回路 的执 行机构 为 作者简介 张书诚 ， 男 ， 1 9 7 3年 l 1 月出生 ， 安徽肥东人 ， 本科学历， 大学讲师 一 1 9 维普资讯 张书诚等 挖 掘机液压元件 的建模及仿真 液压马达 。如图 1所示为一个独立 的挖掘机液压 回 路子系统 ， 而 回转工 作 回路 只需 将 图 1的执 行 机构 换成液压马达 即可 。 活塞位 - --- --- - ’ 匝亟] 图 1 执 行 机 构 为 液 压 缸 的 液 压 工 作 回 路 Fi g． 1 Th e a c t u at o r i s hyd r a u l i c pr e s s ur e ope r a t i ng c i r c ui t of t h e hy dr au l i c c yl i nd er 3 S i m u l i n k中基本液压元件的模型建立 在液压系统 中存 在 两种 有 代表性 的模型 ， 其 一 输出势变量特征 ， 如压力 区输 出压 强 ， 需要流量 的输 入 ； 其二输出流变 量特 征 ， 如 各种 液压 阀输 出流 量 ， 需要端 口的压强作 为计算参数 的输入 。 3 ． 1势 变 量建 模 3 ． 1 ． 1 油箱与 回油路 构成的容腔不 是通 常意义 的压 力区 ， 其压 力状 态值基本是个 常数 ， 为回油背压 ， 可直接在 S i mu l i n k 中处 理 为常 量 P ．r a n 。 3 ． 1 ． 2 液压容腔 子模 块 液压系统 由液 压元 件和管 路组 成 ， 液压元 件通 常具有多个 油 口并 与管路相 连 ， 通 过管路 相连 的多 个元件之间构 成液压容腔 。把液压管路的汇交点定 义为节点． 对 每个节点建立流量平衡方程 ， 以表达节 点压力和进 出该 节 点流量 之 和 的关 系。设 ∑Q。 是 进 出容腔流量总 和 ， 则容腔压力为 P 一 1 I ∑Q d t 一 I ∑Q d t 1 其 中， ， 容 腔的油液体积 ； E 。 有效体积弹性模 量 。 将 图 1所示 液压 回路划 分 出 。 ～ 四个液压 容腔 。为区分液压 元件 的不 同油 口， 分 别给它 们加 上号码 。在建 立各 容腔 的压力 流量 方程 后 ， 再 分别建立各个 液压元 件 的特 性方 程 ， 以确定 各油 口 的流量计算公式 ， 以描述出液压系统 的静动态特性 。 S i mu l i n k中按 照压力 区数学模 型建立的计 算流 程如 图 2所示 。利用 S i mu l i n k的封装 功能 ， 可定制 ～ 2 O一 各个模块的或子系统的对话框和图标 ， 利用对话框 可方便地对各变量及子模块 内部包含 的常量赋值和 修改 。 一 一厂n一 ，． I II C J - i Ga i ng r a t o r X 口 一 L _ _ J rnn t a nt Pr od uc t 图 2计算流程 图 Fi g． 2 Ca l c ul a t i ng f l ow- pr oc es s di a gr a m 3 ． 2流 变量 建模 3 ． 2 ． 1 泵子 模块 对所采用 的 A1 0 VS O液压泵而言 ， 其输入参数有 转速 和液 压泵 排量 指令 ； 输 出参 数有 输 出压 力和 流量 。 实 际上 ， 泵 的输 出流量 是 转速 、 负 载压 力 和排量 三个 输 入 参数 的函数 。为 简 化 泵 模 型 ， 采 用 半 经 验 模 型 。在 流量保持不变的条件下其驱动 功率 与工作压力成 正 比 ， 因此 ， 泵 的输 出流 量 Q ， 1 ／ mi n 可 以 表示 为 QP n q f CP PP U M P 2 式 中 一 泵转速 ， r ／ mi n ； C P 一 泵泄漏 系 数 ； ％ 一泵 实 际 排 量 ， l ／ r ；P， 帅 一泵 输 出 压 力 ， M Pa。 S i mu l i n k中建立 的泵模 型计算 流程 图如 图 3所 示 。 一 图 3泵 模 型 计 算 流 程 图 Fi g． 3 Pump mod a l c a l c ul a t i n g f l ow- p r o c e s s d i ag r am 3 ． 2 ． 2 液 压缸子 模块 液 压挖 掘机 的液 压缸 有斗 杆液 压缸 ， 动 臂液 压缸 ， 铲斗 液压 缸 ， 均为 非对 称 的单 出杆油 缸 ， 除几 何参数 有 所不同外 ， 其工作原理均相同， 因此建立的液压缸子模 块模 型对 于 各个 液 压 回路 的仿 真 具 有 通用 性 。在 S i mu l i n k中建立的计算框 图， 是 以液压缸两腔所接节 点的压力为输入 ， 计算出活塞杆的速度 、 位移、 及进出 大小两腔的流量 。在计算速度和位移 时， 包含有非线 性环节 ， 通过设定积分的上下限， 可实现活塞位移的运 动 限位 。 液压缸的数学模型可用以下方程组描述 维普资讯 张书诚等 挖掘机液压元件 的建模及仿真 f 主 一 f A 一 A 一 B ． 二 一 F 1 { Q 1 一 A 1 ． 主 3 【 Q A ． 主 式 中 一 液 压缸 活塞 位 移 ， m； 一 液 压缸活 塞 及活 塞杆 质量 ， k g A 一液 压缸 无 杆腔 活塞 面积 ， m A 一 液 压缸 有 杆腔 活塞 面积 ， m B 一液压缸活塞粘性摩擦系数 ， Ns ／ m F 一活塞 杆 上 外加 负载 ， N； S i mu l i n k中建立的液压缸模型计算流程图如图 4 所示 。 图 4液 压 缸 模 型计 算 流 程 图 Fi g． 4 H y dr a ul i c c y l i n de r mod e l c a l c ul a t i n g f l ow- pr oc e s s di a gr a m 3 ． 2 ． 3平衡 阀子模块 3 ． 2 ． 4溢 流 阀子模 块 在挖 掘 机液 压 系统 中 ， 与 执 行机 构 直 接 相 连 的 溢 因在液压 回路 中作 用 原 理 相 似 ， 溢 流 阀模 型 的建 流 阀和单 向阀在 回路 中起 到 了 限压 和 补 油 的作 用 ， 在 立 可参 照平衡 阀 ， 以所接 节点 的压 差 为输人 ， 控 制 流量 仿 真模 型 中作 平 衡 阀处 理 ， 考 虑 到其 响 应 速 度 比系统 为输 出 。 所驱 动 负载 的响应 快 许 多 倍 ， 除非 要 对 其 本 身 进 行专 溢 流 阀的特征 模 型可 由以下方 程 描述 门研 究 ， 否 则 它 的动 态 性 能 可 以忽 略不 计 。平 衡 阀模 f z 一 ， 一 M 当 z 一 一 M 0 型以所接节点的压力差为输人 ， 控制流量为输 出。 一【 0 其它 平 衡 阀的 特征模 型 可 以用 以下方 程 描述 f G 2 ， 一 2 当 2 0 4 式 中 G 一 平衡 阀中溢 流 阀的液 导 ， m ／ S *Mp a ； G。 一 平衡 阀中单 向 阀的液 导 ， m ／ S *Mp a ； P M 一调 定压 力 ， Mp a ； S i mu l i n k中建立 的平 衡 阀模 型 计算 流程 图 如 图 5 所 示 。 调 图 5 平衡 阀模 型计 算流程图 Fi g ． 5 Do u b l e - b e a t d r o p v a l v e mo d e l c a l c u l a t i n g f l o w p r o c e s s di a gr a m 5 式 中 G一溢 流 阀导通 时 的液 导 ， m ／ S *Mp a ； P M 一 调定 压 力 ， Mp a ； S i mu l i n k中建 立 的溢 流 阀模 型计算 流程 图如 图 6 调 厂叶 ’ ’ I 厂 _ ． t 图 6 溢流 阀模 型计 算 流 程 图 Fi g． 6 Ove r f l ow v a l v e mo de l c a l c u l a t i ng f l ow pr oc e s s di a gr a m 4 结束语 本文提出了在 ADAMS中建立 虚拟样 机环 境 ， 通过 AD AMS ／ C o n t r o l 接 I 1 与 S i mu l i n k中 建 立 液 压 容腔 、 液压 泵 、 液压 缸、 平衡 阀、 溢流阀等液压 子系 统模 型 ， 为实 现挖掘 机虚拟样 机环 境 的机 电液一体 化联合仿真建立基础 。 S i mu l i n k可 以用来对 动态 系统 进行 建模 、 仿 真 一 21 维普资讯 张书诚 等 挖掘机液 压元 件的建模 及仿 真 和分析 ， 支持连续 、 离 散及 两者混合 的线性 、 非线 性 本 的线性和非线性模 块搭 接而 成 ， 再 定义 其输入 输 系统 ， 并提供 了建模 的图形接 1 3， 包括 了众多线性 和 出。模块为黑箱结构 ， 只通过 输入输 出与外 界联 系 ， 非线性等环节 ， 可方便地扩展 ， 使得 系统 的构建更 为 通过参数定义界 面 ， 可 由用 户对元件 的参 数进行 赋 容易 ， 所 以适合 于液 压 系统 中普遍存 在 的非线性 问 值或实时修改 。 题的求解， 并且与传统的仿真软件包用微分方程和 参 考 文 献 差 分 之 篓 曼 ， 灵 活 的 优 r [ 1 ] 岳 宏 等 ． 9 5 。 B 型 轮 式 装 载 机 用 多 路 阀 静 态 数 学 模 型 [ J ] ． 液 压 系 统 模 型 的 建 立 充 分 利 用 了 S i m u lin k 所 主 学 院 学 报 9 ； ’ 。‘。 提供 的建立子模块 的方 法 ， 采 用从 上到下 或从下 到 [ 2 ] 陆森林 、和卫星等． 单斗 液压挖掘机发 动机 微机节 能控制 上 的递 阶结构创 建复杂 系统的仿真模型 。对 于每一 系统[ J ] ． 江苏理工大学学报， 1 9 9 9 6 个液压元件及容腔节点建立一个可重复利用 和易于 [ 3 ] 檀润华． 减压式先导阀与多路换向阀的匹配[ J ] ． 河北工 参数修改的子模 块 ， 在模 型的最上层 ， 对各处模块进 学院学报， 1 9 8 8 ， 第2 期 行连接 即可建立 系统的仿真模 型 。各 子模块 的建 立 [ 4 ] 陈士教、 红昌银等 现代全液压挖掘机多路阀的功能[ J ] 是根据元件 的数学模 型 ， 利用 S i mu l i n k所 提供 的基 重庆建筑大学学报’ 。 。 。 上接 第 l 8页 主要 由箱体 、 输 人轴 、 中间轴 、 输出轴 、 相互啮合 的主 传 动螺杆 和从传 动螺杆 组 以及 轴承组 成 ， 螺杆传 动 副设在箱体 中， 输人 轴上设 有两个 主传动螺杆 ， 一个 为 主传动左旋螺杆 ， 另一个 为主传 动右旋螺杆 ； 中间 轴两端各设有一个从 传动 螺杆 ， 一个 为从传 动左旋 螺杆 ， 另一个为从传动右旋螺杆 ； 输人 轴上 主传 动螺 杆与 中间轴上 的从传 动螺杆 相啮合 ； 中间轴 中间设 有一对主传动 双旋螺 杆 ， 并与输 出轴 的一对从 传动 双旋螺杆相啮 合 。它 既有较 高传输 效率 ， 又 能根据 要求设计成可逆 或不可 逆传动 两种形 态 ， 适用 于机 械传动 的各个领域 。 专利名称 行 星式 三角形 螺纹 滚柱丝杆 副 专利申请号 2 0 0 3 1 0 1 0 6 4 3 8 ． X 公开号 C N 1 5 4 4 8 3 2 申请 日 2 0 0 3 ． 1 1 ． 2 7 公开 日 2 0 0 4 ． 1 1 ． 1 0 申请人 于宙 ； 刘祥茂 ； 石李珏 一 种行 星式 三角形 螺纹 滚柱丝 杆副 ， 包括 三角 形 螺纹丝杆 和三 角形螺 纹螺母 ， 其 特征是 三角形 螺 纹 螺母套装在三 角形螺纹 丝杆 上 ， 在三 角形螺纹 螺 母和三角形螺纹 丝杆之 间安装有呈行星式布置的三 角形螺纹行星滚柱 ； 三 角形螺纹 行星 滚柱 同时与 三 角形螺纹 螺母 和三 角形螺纹 丝杆 相啮 ； 三 角形 螺纹 行 星滚柱的二端 支承 在定位 圈 中， 定位 圈的外 侧安 装有钢球 ， 钢球与 安装 在三 角形 螺纹螺母 的两端 连 成一体 的内齿圈相接 触 ； 内齿圈与 三角形 螺纹行 星 滚柱二端 的外齿轮相啮合 。本发明的传动效率 可达 9 0 以上 ， 承载力大 ， 寿命长 。 专利名称 关于轴 向马达 的改进 专利申请号 0 2 8 1 6 3 9 1 ． 5 公开号 C N1 5 4 5 5 9 4 2 2一 申请 日 2 0 0 2 ． 0 7 ． 2 3 公开 日 2 0 0 4 ． 1 1 ． 1 0 申请人 新西兰沙特尔沃斯阿克西业尔汽车有限公司 一 个 轴向马达 由成对 对置的活塞／ 气缸驱动 ， 它 们设置成 以圆形阵列环绕 马达 中心轴线 。在 每对 活 塞中对置 的活塞 由相应 的连 杆连接 ， 通过 一个 动力 传送器和 z 形 曲柄组 合 ， 连杆从 活塞把 推力 传送 到 一 个输 出轴 。设在传送器 中的往复联接件把连杆连 接到传送器 。在工作时 ， 往复联接件来 回摆 动 ， 保持 连杆与相应 的成对 活塞基 本上 对准 ， 减 少 了在 活塞 上的侧向推力 。 专利名称 齿轮轴承差速传动器 专利 申请号 0 1 8 2 3 6 0 0 ． 6 公开号 C N1 5 4 5 6 0 0 申请 日 2 0 0 1 ． 0 7 ． 2 0 公 开 日 2 0 0 4 ． 1 1 ． 1 0 申请人 俄罗斯托姆斯 托克传动装置股 份有限公司 本发 明用于机械的驱动 。它带有 中间部件的齿 轮 ， 并 含有 一个 波式 发生器 和一 个传动装 置 。以围 绕一个圆 的相互偶 连的 同轴承套的形式 。传动器表 面为环周滚辊道 ， 它们 与扣夹 上的 串连 滚珠 沿上 述 圆的轨 迹相互 作用 。承套 被连接到发生器并确保其 沿变速 器的轴 向截 面平 面上 的任一选定方 向作用 于 滚动体 。该 装 置 由 四个 承 套 构成 ， 用 于 增 加 功 率 。 方位角相 隔的滚槽 开在 两个 承套上 ， 它们 相对 于 串 连滚珠相对排布并互 为机械连接 。该装 置有大量承 套 ， 也有其 它齿 轮传 动 比的额外连 接。还有 一个 配 有全贯滚槽来 移置滚 动体 的薄壁 隔挡 ， 可置 其于 承 套偶 合面之 间。该 隔挡 器 为一旋转 面 ， 配有 一个或 两个加强肋条 和一个 凸起并被置 于滚辊道 间的空隙 处。 发生器 的承套可 相对于其 它承套做 成 同轴 形并 下接 第 2 9页 维普资讯