挖掘机液压系统建模与仿真.pdf

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1、篓m4 12 0 1 0 年8 月金属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，2 0 0 4【4】罗红萍双腔颚式破碎机运动学特性研究叩矿山机械，2 0 0 6(1)：3 0 3 1【5 1 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 0 0 4【7】李增刚A D A M S 入门详解与实例ir a 北京：国防工业出版社。2 0 0 8【8】郑建荣A D A M S 虚拟样机技术入门与提高【M】北京：机械工业出版社，2 0 0 5 通信地址：河北省邢台市

2、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木成凯1，张静1，王鹏宇1，我群亮2，李文新2(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A M 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

3、应的解决方案以提高控制精度。关键词：挖掘机；液压系统；A M E 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，各个元件问靠压力油传递能量，依靠控制信号实现压力、流量的控制。A M E 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

4、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，作为仿真模型的输人。图l 所示为在1 6s 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

5、 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 rM e 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【程机械技术的应用研究(2 0 0 9 A A(M 4 4 0 3)作者简介：成凯(1 9 6 2)，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 一型!_吐昔万方数据I 二=二。础a 耐R o e o a

6、 r 叻=二三二。工程机械。二=j。三：二二第4 1 卷2 0 1 0 年8 月囊m fa 耐工程机档。第卷年月，霪暑、赵出丑垂垃1 R妊暴B o：1：2t：0O 8D：6I)1 4O：20-2 4，6-吕t1 0 1 2。1 4-1 6，t 时间，s图1 挖掘循环中各工作装置动作过程由66图2 挖掘机工作装置的A N E S 自m 模型P L M B O D 是可以连接N 2 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

7、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 一图3 挖掘机回转机构的A M E S h n 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。

8、1 4 01 2 01 0 0主8 0高6 04 02 0OX1 034 J。f L02468l O1 21 41 6t l 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，从万方数据鬻第棚卷2。，。年8 月。一。j。二，。；工程机械。!：。

9、，-，一，二。乃时删成嘲嚏确：、，I I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 M E S h n 模型号压力p l+p：，以及回油路节流孔前的压力即负流量控制信号压力P i。通过试验数据建立起-T(p。+p：)，p i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

10、意反馈压力下的输出流量。图6 泵输出流量和压力M a 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 M E 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

11、A 的油路中。在左换向阀组内，换向阀4，5，6 并一3 1 万方数据!。_正浍一x Po一0 州”f“一”州#*滞f 8 r 一q ow 一州#，T e s t 甜耐F a t m a r c h。+工程机械。：。1 一。第4 1 卷2 0 1 0 年8 月霾联，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人口，此时斗杆回流阀关闭，全部回油流入斗杆无杆腔，即斗杆回流动作。本文利用A

12、 M E 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，而是通过单向阀汇人液压缸大腔的右路，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 M E S i m 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 01 02 03 04 05 06 0t

13、 s图8 加入回油再生阀前的跟随曲线Ol O2 03 04 05 06 0t 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 0 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 M E 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 M E 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

14、径。(2)应用A M E 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。l1OO00O旨、_ll0OOOO吕、7万方数据纛，4 1 卷2 0 1 0 年8。”。1 0 00 8 0专o 6 00 4 00 2 0铲斗024681 01 21 41 6t s2 5 02 0 015 07 10 005 0盗0-5 010 015 01 1 01 O O0 9 00 8 00 7 0O 6 00 5 00 4 0O 3 0图1 0 跟

15、随曲线参考文献【l】孔德文，赵克利，徐宁生液压挖掘机【M】北京：化学工业出版社，2 0 0 7【2】郑小军，陶薇基于A M E 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 1 3】初长祥挖掘机的液压系统及控制阴工程机械与维修，2 0 0 4(9)：7 2 7 4 回转机构一o；j；oi o；|；旁I T 氍-i；-J-_-o-_-J-。W _-，五fh，q，、r 一I 一二：；：024681 01 21 41 6t l s【4】付永领，祁晓野A M E S i m 系统建模和仿真从入门到精通【M】北京：北京航空航天大学出版社，2 0 0 6

16、【5】刘忠，杨困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 咖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1，赵焱明1，李爱荣2，伊曙东1，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

17、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f l】。据统计，约有5 0 9 0 的机械结构破坏属于疲劳破坏1 2 1。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 万方数据挖掘机液压系统建模与仿真挖掘机液压系统建模与仿

18、真作者：成凯，张静，王鹏宇，戴群亮，李文新作者单位：成凯,张静,王鹏宇(吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室)，戴群亮,李文新(广西柳工机械股份有限公司)刊名：工程机械英文刊名：CONSTRUCTION MACHINERY AND EQUIPMENT年，卷(期)：2010,41(8)参考文献(5条)参考文献(5条)1.刘忠;杨国平 工程机械液压传动原理、故障诊断与排除 20052.付永领;祁晓野 AMESim系统建模和仿真-从入门到精通 20063.初长祥 挖掘机的液压系统及控制4.郑小军;陶薇 基于AMEsim的液压挖掘机运动及控制仿真期刊论文-液压气动与密封 2009(02)5.孔德文;赵克利;徐宁生 液压挖掘机 2007 本文链接：http:/