挖掘机液压系统建模与仿真.pdf

金属， 1 9 9 5 7 2 5 - 2 8 ． [ 3 ]胡家秀． 机械设计基础【 M】 ．北京 机械工业 出版社 ， 20 0 4． 【 4 】 罗红萍 ． 双腔颚式破碎机运 动学特性研究I J J ． 矿 山机械， 2 0 0 6 1 3 0 3 1 ． f 5 】黎民， 朗世平． 颚式破碎机 的机构设计 [ J 】 ． 矿山机械， 1 9 8 7 1 3 2 3 8 ． [ 6 ] 孙靖民．机械优化设计 【 M】 ． 北京 机械工业出版社 ， 2 00 4． 【 7 J李增刚． A D A M S入门详解与实例[ M] ． 北京 国防工业出 版社 ， 2 0 0 8 ． 【 8 】郑建荣． A D AM S虚拟样机技术入门与提高【 M E 京 机 械工业 出版社 ， 2 0 0 5 ． 通信地址 河北省邢 台市 中兴西大街 4 6 6 号 河北机 电职业 技术学院机械工程系 0 5 4 0 4 8 收稿 日期 2 0 1 0 0 3 1 0 挖掘机液压系统建模与仿真 成凯’ ， 张静 ， 王鹏宇 ， 戴群亮 ， 李文新 1 ． 吉林大学汽车动态模拟 国家重点实验 室； 2 ． 广西柳工机械股份有限公司 摘要 以国内某公司生产的某型 2 0 t 液压挖掘机为样本， 阐述了挖掘机液压系统的工作原理。 根据液压元件、 工作装置的布置结构和实际尺寸， 在 AM E S i m软件平台上对该型挖掘机的液压系统 和工作装置进行了建模， 并通过对模型参数的设置 ， 实现了机电液一体化系统运动仿真。重点就其中 压力脉动与工作装置跟随效果差等问题进行了分析， 提出了相应的解决方案以提高控制精度。 关键 词 挖掘机 ； 液压 系统 ； A ME S i m； 仿真分析 在液压挖掘机 中， 发动机通过液压系统来驱动 工作装置 ， 液压系统效率的高低对挖掘机的经济性 有很大影响。据统计 ， 我 国国产挖掘机正常工作时， 其液压 系统的效率仅为 4 0 ％左右 ， 这是液压挖掘机 效率低下的主要原因之一。因此 ， 对液压 系统进行 改进和研究 ， 对提高液压挖掘机的效率 ， 改善液压 挖掘机的工作性能具有重要的意义。 挖掘机液压系统是 由多种液压元件组成 的非 线性系统 ， 各个元件间靠压力油传递能量 ， 依靠控 制信号实现压力 、 流量的控制。 AME S i m软件是基于 图形化 的仿真软件 ， 带有 多种工程软件包 ， 其 中液 压仿真软件包包含了大量的常用液压元件 、 液压源 和液压管路等， 控制软件包包括多种信号源和运算 法则 ， 非常适合工程系统尤其是液压及其控制系统 的建模仿真和动态分析 。 1 工作装置建模 1 ． 1 挖掘机的挖掘循环 制定合理的工作循环 ， 是为了在仿真过程 中使 挖掘机的动作流畅协调 。挖掘机的工作模式大致可 以分为挖掘 、 平整 和精细 3种 ， 其 中以挖掘作业 为 主。典型的挖掘过程包括确定挖掘工位 、 挖掘 、 运动 到卸料工位 、 卸料 、 返 回挖掘工位 5个工序。 本文基于挖掘循环试验 中各油路先导压力 的 变化 ， 计算液压缸的外伸行程 ， 据此设定一个挖掘 过程 中各工作装置的动作过程 ， 作为仿真模 型的输 入。图 1 所示为在 1 6 S 的挖掘循环中各工作装置的 动作过程 工作的先后顺序和位移 。 1 ． 2 挖掘机工作装置与回转机构建模 挖掘机 的工作装置由铲斗 、 斗杆 、 动臂组成 ， 三 者的协调动作是 由 3组 液压缸 的伸缩联动来实现 的 。 图 2为挖 掘 机 工 作 装 置 在 工 程 仿 真 软 件 A M E S i m中的模型，各个部件的建模基于软件的平 面机 械库 P l a n a r Me c h a n i c a l 库 ，简称 P L M 库 基金项目 国家“ 8 6 3 ” 计划重点项 目 混合动力系统与节能型工程机械技术的应用研究 2 0 0 9 A A 0 A ． a A ． 0 3 作者简介 成凯 1 9 6 2 一 ， 男， 博士生导师， 研究方向 工程装备故障诊断与智能控制。 一 2 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 越 0 8 0 6 1 0 4 0 2 ． 图 1 挖掘循环中各工作装置动作过程 ⋯-- 铲斗 液压 缸 ⋯ E Bo d 图 2 挖掘机工作装置的 AME S i m 模型 P L MB O D是可以连接 到二维 机械上构成动力系统 的基本形式 ，而且其端 口可 以用作外部输入 的端 口， 通过 P L M传感器将输入量以力的形式作用于液 压 缸 。 液压挖掘机 中回转机构 作为液压执行 系统的 一 部分 ， 其动力来源于主泵驱动的回转马达 。回转 马达上的角位移传感器检测并反馈其位移 ，通过 P I D控制器进行控制 ， 来跟踪 目标运动轨迹 ， 如图 3 所示 。 1 ． 3 工作参数的计算 挖掘机在作业过程中， 负载主要包括挖掘负载 和由各个工作部件自重产生的负载。自重产生的负 载可以通过在 A M E S i m软件中给定部件的质量由 软件自行计算；而挖掘负载是在挖掘过程中产生 的， 由于挖掘物料的局部密度 、 结构形状等物理参 数在挖掘过程中的不确定性 ， 挖掘负载是会时常发 生变化的 ，但是变化 的挖掘负载通常具有规律性。 因此， 模拟出一个合理有效的挖掘负载将会对仿真 一 3 0～ 图 3 挖掘机回转机构 的 A ME S i m模型 试验结果产生重大的影响。 通过计算 ， 得到了如图 4 所示的挖掘负载输入曲线。 l 0 1 40T一 1 2O 1 O0 80 60 40 2O 0 【 】 2 4 6 8 l U l 2 l 4 l 6 t ／s 图 4 一个工作循环中挖掘负载输入曲线 回转装置转动惯量 的计算 转动惯量与工作装 置各部分质量及其 中心位置有关 ， 实 际上 ， 转动惯 量是一个变化量 。本模型 中， 取工作装置 3种不同 的中心位置 ， 根据经验公式计算 ， 取平均值近似代 表回转装置工作过程中的转动惯量。 2 液压控制系统建模 2 ． 1 泵控系统建模 挖掘机液压控制 系统分 为泵控 系统和阀控系 统 。泵控系统是 以变量泵为功率放大元件的系统 ， 通过改变泵的排量来控制进人执行元件的流量 ， 从 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 而改变其输出流量， 以实现泵功率与发动机功率更 好 的匹配。 液压 系统按控制流量 的方式 主要包 括全功率 控制和压力切断控制 、 正流量控制和负流量控制 。 在 A M E S i m软件平台中， 利用液压库、 机械库 和控制信号库建立 了具有全功率 和负流量 复合控 制的泵控系统 ， 模型如图 5 所示 。利用压力传感器 分别检测两泵出口处的压力之和即全功率控制信 图 5 液压 系统 A ME S i m 模型 号压力 p l z ， 以及 回油路节流孔前的压力即负流量 控制信号压力p 。通过试验数据建立起了 p 。 p ， P 与泵输 出流量 Q之 间的 M a p图， 如 图 6所示 ， 通过 查表 的方式可 以得到泵在任意反馈压力 下的输 出 流量。 2 1 l ， 1 0 2 l l 图 6泵输 出流量和压力 Ma p图 2 ． 2 阀控系统建模 液压阀是挖掘机液压 系统 中控制液流运动方 向、 压力高低、 流量大小的控制元件。根据各种液压 设备性能要求的不同，将液压阀进行相应的组合， 对液压设备进行控制。 建立液压系统 A ME S i m模型 见图 5 主油路采用双液压泵 、 双 回路 、 高压恒功率变 量系统 ， 主液压泵为变量柱塞泵 ， 系统最大工作压 力 由主泵溢流阀来决定 。 液压泵 A泵出的油进入左 换 向阀组 ， 液压泵 B泵出的油进入右换 向阀组 。换 向阀组和合流阀都是液控三位六通阀。在右换向阀 组内， 换向阀 1 ， 2 ， 3 并联， 它们依次控制了动臂、 铲 斗和斗杆液压缸 ； 换 向阀 5是合流阀 ， 串联在液压 泵 A的油路 中。在左换 向阀组内 ， 换向阀 4 ， 5 ， 6并 一 31一 lIII 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 联， 它们依次控制回转马达、 斗杆液压缸、 动臂液压 缸。在每一个分油路上均有溢流阀和补油阀 ， 以保 证分油路的安全 。在动臂液压缸大腔出口还设有单 向节流阀， 使得较重 的大臂下落时的速度不致太快 而引起冲击。 当斗杆伸出时 ， 斗杆液压缸有杆腔一侧的回油 被斗杆的 自重加压并 回到主控制阀阀芯入 口， 此 时 斗杆 回流 阀关闭 ， 全部 回油流人斗杆无杆腔 ， 即斗 杆 回流动作。 本 文利用 A ME S i m软件 中的控制模块 和液压 模块搭建了回油再生 阀的逻辑模型如图 7所示 当 斗杆液压缸的控制信号为正值时， 多路阀工作在右 位 ，通过控制命令控制换 向阀 1 ， 2打开 ，换 向阀 3 关闭。液压油流向如实线箭头所示 ， 即在斗杆液压 缸伸 出时 ， 小腔 的回油不直接返 回油箱 ， 而是通过 单 向阀汇入液压缸 大腔的右路 ，实现 回油再生功 能 ， 加快液压缸 的运动速度。虚线箭头表示多路阀 工作在右位时 ， 液压油的流向 ； 实线箭头表示多路 阀工作在左位时 ， 液压油的流向。 图 7回油再 生阀的 A ME S h n模型 图 8和图 9为应用 回油再生 功能前后 斗杆 液 压缸的跟随情况 ， 虚线为跟随曲线。 一 3 2一 O I O 2 O 3 0 40 5 0 60 t ／ s 图 8加入 回油再生阀前的跟随曲线 O 1 O 20 30 40 50 6 0 t ／ s 图 9 加入回油再生 阀后的跟 随曲线 3 仿真分析 以上主要介绍 了挖掘机工作装置液压 系统模 型的建立 ， 在此模 型基础上 ， 可以对一个或者多个 挖掘循环进行模拟。如图 1 O所示为一个挖掘循环 内各工作装 置和回转机构对 目标位移量 的跟 随情 况 ， 虚线为跟随曲线 。通过 比较 A ME S i m模型执行 元件的输入值和输出值， 验证了模型的合理性。该 模型可以用于挖掘机液压系统的仿真分析。 4 结论 1 利用 A ME s i m图形化的建模方法对挖掘机 液压系统进行仿真， 避免了繁琐的公式推导， 提高 了设计效率 ， 同时也为系统化 和参数化 的优化设计 提供了有效途径。 2 应用 A ME S i m对挖掘机液压系统进行仿真 分析， 尤其是对液压系统进行优化后， 仿真结果与 试验结果基本吻合 ， 这对液压 系统的设计和分析具 有一定意义 。 3 合理 的液压系统模型 ，为进一步制定挖掘 机的动力系统和控制策略奠定 了基础。 l l O 0 O O O 吕、 l 1 O O O O O 吕、 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 ． 0 0 0． 8 0 0． 60 0． 40 0． 20 铲 斗 0 2 4 6 8 1 0 l 2 1 4 l 6 t ／ s 2 50 200 1 50 1 00 5O 0 5O 一 1 00 1 50 1． 1 0 1． 0O 0． 90 0． 80 0． 7O O． 60 O． 5O 0． 40 O． 30 图 1 O 跟随 曲线 参考文献 【 1 】孑 L 德文 ， 赵克利 ， 徐宁生． 液压挖掘 机[ I Ⅵ 】 ． 北 京 化学工 业 出版社， 2 0 0 7 ． 【 2 J郑小军 ， 陶薇 ． 基于 A ME S i m 的液压挖 掘机 运动及控制 仿真[ J 】 ．液压气动与密封， 2 0 0 9 2 2 4 2 6 ． 【 3 】 初长祥． 挖掘机的液压系统及控制【 J ] ． 工程机械与维修 ， 2 0 0 4 9 7 2 7 4 ． 【 4 J付永领， 祁晓野． A ME S i m系统建模和仿真从入门到 精通【 M E 京 北京航空航天大学出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 5 ] 刘忠， 杨国平． 工程机械液压传动原理 、 故障诊断与排除 [ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 5 ． 通信地址 吉林省长春市吉林大学汽车动态模拟国家重点 实验室 1 3 0 0 2 5 收稿 日期 2 0 1 0 0 4 2 7 贯通式驱动桥甩油盘叶片的改进 王峰 ， 赵焱明 ， 李爱荣 ， 伊曙东 ， 单红波 1 ． 北京航天发射技术研究所； 2 ． 河北工业大学机械 学院 摘 要 为了提高驱动桥的使用寿命， 针对某工程车辆重型底盘贯通式驱动桥甩油盘在可靠性行驶试 验中发生的叶片断裂问题 ， 进行了该甩油盘的载荷工况分析与计算， 着重进行了有限元强度分析， 结果表 明， 原始设计状态存在一定的安全隐患， 并提出了相应的改进措施 ， 经可靠性行驶试验考核， 使用效果良好。 关键词 驱动桥 ； 叶片强度 ； 有限元分析 使用寿命是汽车及各种工程车辆零部件 的主 要设计指标之一Ⅲ 。 据统计 ， 约有 5 0％～9 0％的机械 结构破坏属于疲劳破坏【 2 J 。作为底盘最重要的承载 部件 ， 车辆驱动桥在使用过程 中承受着不同程度和 不同工况的交变载荷 ， 使驱动桥零件极易产生微观 裂纹 ， 并进一步扩展而形成宏 观裂纹 ， 以致造成失 效 。某型多轴驱动超重型特种工程车底盘在可靠性 行驶试验过程 中， 发现贯通式驱动桥 中的甩油盘出 作者简介 王峰 1 9 7 9 一 ， 男， 浙江绍兴人， 工程师， 博士， 研究方向 特种车辆底盘动力传动系统设计与研究。 一 3 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m