基于AMESim的小型挖掘机执行机构液压系统建模与仿真解读.docx
- 文档编号:9113041
- 上传时间:2023-02-03
- 格式:DOCX
- 页数:12
- 大小:116.61KB
基于AMESim的小型挖掘机执行机构液压系统建模与仿真解读.docx
《基于AMESim的小型挖掘机执行机构液压系统建模与仿真解读.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于AMESim的小型挖掘机执行机构液压系统建模与仿真解读.docx(12页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
基于AMESim的小型挖掘机执行机构液压系统建模与仿真解读
第26卷第4期 青岛大学学报(工程技术版)
Vol.26No.4
2 0 1 1年1
2月JOURNAL OF Q
INGDAO UNIVERSITY(E&T)Dec.2 0 1
1文章编号:
10069798(2011)0400430
5基于AMESim的小型挖掘机执行机构
液压系统建模与仿真
刘 震,王玉林,张鲁邹,尹彦章,公丕权
(青岛大学机电工程学院,山东青岛266071
)摘要:
为提高国内挖掘机液压技术水平,以某型号小型挖掘机为例,基于AMESim对包
括动臂、斗杆、铲斗在内的小型挖掘机执行机构的液压系统进行了建模,修正了以往研究者在建造此类模型时主换向阀的阀芯反向移动时,弹簧反馈力加倍的错误。
仿真并分析了无负载情况下执行机构的单独动作与复合动作的特性。
仿真结果与理论分析吻合,为挖掘机液压系统的研究提供了重要参考。
关键词:
液压挖掘机;AMESim;执行机构;模型;仿真
中图分类号:
TP391.92;S222.5+6
文献标识码:
A
收稿日期:
2011-09-
26作者简介:
刘震(1986-)
,男,山东临沂人,硕士研究生,主要研究方向为现代设计方法与制造技术。
挖掘机是用来开挖土壤的施工机械,
它在减轻繁重的体力劳动,保证工程质量,加快建设速度以及提高劳动生产率方面起着十分重要的作用。
在农田水利、
建筑工程、能源交通建设以及现代化军事工程等领域得到了广泛的应用[]。
目前作为一种万能型工程机械,挖掘机已经成为工程机械的第一主力机种,在世界工
程机械市场上已据首位,并且仍在发展扩大[3]
。
然而,国内挖掘机液压技术研发水平一直远远落后于国外。
虽然国内一些挖掘机生产厂通过采取与国外合资、积极引进国外先进的液压元件等措施,使国内生产的一些
挖掘机技术水平得到迅速提高,但也存在购买国外液压部件成本高,产量受限,维修、匹配困难等问题。
而且在最新技术上与国外相比还存在较大差距。
近年来,由于计算机仿真技术在科学研究中的应用,它不仅缩短了研发周期,降低成本,也减少了很多人为因素。
1995年,法国Imag
ine公司推出的AMESim(advancedmodeling environment for performing simulation of engineering systems),集液压、机械系统建模、仿真及动力学分析于一体,为流体、机械、控制、电磁等工程系统提供了一个较为完善的综合仿真环境和解决方
案[]。
为此,本文以AMESim为平台,对某型号小型挖掘机执行机构液压系统进行了建模和仿真分析,以期为小型挖掘机执行机构液压系统的设计研究提供参考。
1 小型挖掘机执行机构液压系统建模
1) 某型号小型挖掘机采用力士乐生产的A
10VO型号泵。
A10VO为恒功率变量泵,有功率调节阀、压力切断阀和负载敏感阀3个调节阀。
功率调节阀保证了泵充分利用发动机功率,当泵出口压力增大时,流量减小,而当压力减小时,流量增大,此时,理想的流量压力曲线为双曲线。
压力过高,可能会损坏泵体,而且系统也不需要过高压力。
在泵中设有一压力切断阀,阀一端的弹簧有一预设压紧力,如果厂家没有特殊要
求,一般为25 000kPa,泵压力油作用在阀的另一端。
当系统压力达到25 000kPa或是更高时,压力油克服弹簧压紧力,使变量缸的无杆腔接通高压油,较高压力使斜盘倾角减为最小,流量降为最低,压力不再继续增
大。
流量阀的弹簧预设力一般为1 000kPa,它保证了液压泵的压力始终比负载压力高1 400kPa左右,因此可以保证最小流量的流通。
理想泵的压力流量曲线如图1所示。
在不影响性能的前提下,本文采用variable
displacement unidirectional hydraulic pump,constant speed prime mover,hydraulic pressure sensor withoffset and gain,hydraulic flow sensor with offset and g
ain代替其真实结构,对泵进行简化,建立能实现泵性
青岛大学学报(工程技术版)第26
卷
图1 恒功率泵流量压力曲线
能的模型。
2) 多路阀的进油联主要由主油路溢流阀、冲洗阀、系统压力溢流阀和阀体组成。
主油路溢流阀一是起保护作用,防止进油压力过高;二是保证进油压力比LS压力(系统负载压力)高10bar左右,保证系统正常工作。
系统压力溢流阀主要是防止系统压力过高。
冲洗阀在减小工作冲击的同时,冲洗内部油道,带走杂质。
在不影响模型准确性的前提下,模型中分别用hydraulic operated hy
draulic 2ports valve,hydraulic pressure relief valve和hydraulic orifice代替主溢流阀、系统压力溢流阀和冲洗阀。
3) 换向阀上的特殊开口用spool with specific orifice(flowarea,hydraulic diameter)模块,阶梯孔用spool with annular sectionorifice模块。
4) 在文献[67]中,先导腔及弹簧应用piston with spring模块,
经笔者验证,此用法不恰当。
pistonwith spring模块的弹簧两端固定,
弹簧可以受压力,也可以受拉力。
主阀芯一端通先导压力油,阀芯轴向运动,一侧弹簧受压,另一侧弹簧受拉,相当于两根弹簧并联,模型有失准确性。
为使模型更为准确,本文应用linear elastic end-stop with 2ports capable of linear motion和piston两个模块的组合,阀芯在先导压力的作用下出现位移,一端弹簧受压力,另一端弹簧保持原长。
5) 在不影响模型准确性的前提下,先导信号直接用piecewise linear signal source模块。
6) 为使模型更为准确,本文加入hydraulic volume with pressure dynamics模块来模拟腔体对系统的影响。
7) 根据实际情况,多路阀与油缸之间的软管用compressibility+riction hydraulic pipe/hose(R-C-R)模块。
8) 液压缸用hydraulic actuator with single shaft and double flow p
orts模块。
9) 用pilot junction,4port body和z
ero force source等模块构建执行机构的平面模块。
本文建立的执行机构液压整体模型如图2所示
。
1—铲斗主阀芯;2—铲斗油缸;3—铲斗联压力补偿阀;4—斗杆油缸;5—斗杆主阀芯;6—斗杆联压力补偿阀;
7—动臂油缸;8—动臂主阀芯;9—动臂联压力补偿阀;10—执行机构;11—泵
图2 执行机构液压模型
4
4
第4期 刘 震,等:
基于AME
Sim
的小型挖掘机执行机构液压系统建模与仿真1—动臂无杆腔进油驱动信号;2—斗杆有杆腔进油驱动信号;3—铲斗有杆腔进油驱动信号;4—铲斗无杆腔进油驱动信号;5—斗杆无杆腔进油驱动信号;6—动臂有杆腔进油驱动信号
图3 单独作用先导驱动信号图
2 仿真与分析
2.1 参数确定
为保证模拟准确性,阀芯直径、开口面积等所有结构参数及弹簧参数均由实测得到。
2.2 单独动作仿真与分析
单独动作时,各换向阀驱动信号如图3所示。
执行机构各时间段的位置图如图4所示。
模拟过程中执行机构迅速关停。
动臂、斗杆、铲斗无杆腔的压力变化曲线如图5所示。
从图5可以看出,动臂油缸的突然动作引起了动臂、斗杆及铲斗无杆腔压力的较大波动,在0.04s时,
动臂无杆腔瞬时压力达到10 150kPa,然后迅速下降,在0.18s时,达到最低值2 186kPa,然后趋于平稳值3
975kPa。
由于受动臂振动及自身位置变化的影响,力矩也引起了变化,铲斗及斗杆无杆腔的压力也随之发生变化和波动。
当斗杆有杆腔开始进油时,
由于力矩变化,动臂无杆腔压力上升;当铲斗有杆腔进油时,力矩变化导致斗杆无杆腔压力升高;铲斗无杆腔进油,即铲斗挖掘动作时,斗杆无杆腔压力有较大降低;斗杆无杆腔进油,即斗杆挖掘时,斗杆无杆腔压力增大,即使停止进油,由于力矩作用,斗杆无杆腔一直保持较高压力。
此时,
由于铲斗位置的变化,导致力矩变化,铲斗无杆腔压力增大
。
图4
执行机构位置图
1—动臂无杆腔压力图;2—斗杆无杆腔压力图;
3—铲斗无杆腔压力图
图5 各执行机构油缸无杆腔压力图
图5还显示,
在每个动作的开始与停止阶段,各油缸无杆腔的压力都有较大波动,这是因为猛开猛停使各执行机构加速度增大,因此造成压力的剧烈变化。
在实际工作中,猛开猛停使执行机构乃至整个车身发生较为剧烈的振动,
严重时甚至造成履带脱离地面。
由于机身振动容易造成操作员对控制机构的二次操作,这不仅降低作业质量,有时还会造成危险。
此外,猛开猛停也使零部件的寿命降低,进而降低了挖掘机的使用寿命,因此,实际作业中应尽可能避免猛开猛停的现象发生。
2.3 复合动作仿真与分析
挖掘机的工作过程由挖掘阶段、满斗提升及回转阶段、卸载阶段和返回阶段组成。
在挖掘及卸载阶段,一般为动臂、斗杆及铲斗的联合动作。
本文复合模拟的驱动信号如图6所示。
某型号小型挖掘机的液压系统为负载敏感控制系统。
每一联多路阀主要由主换向阀、
压力补偿阀及安全阀等组成。
主换向阀控制压力油的流向,安全阀防止系统压力过高使系统损坏,压力补偿阀是负载敏感控制系统的关键。
负载敏感控制系统分阀前补偿与阀后补偿两种,当补偿阀在主换向阀前面时,称为阀前补偿;当补偿阀在换向阀后面时,称为阀后补偿。
阀前补偿系统具有良好的执行起动性能和操纵性能,且成本较低。
压力油流量受负载影响较为
5
4
青岛大学学报(工程技术版)第26
卷
1—动臂无杆腔进油先导信号;2—斗杆有杆腔进油先导信号;
3—铲斗无杆腔进油先导信号
图6 复合动作先导驱动信号图
严重,当执行元件的流量需求大于油泵供油量时,压力油流量不再具有流量分配功能。
因此,作为液压系统非常复杂的工程机械,挖掘机阀前补偿显然不能满足需要。
而阀后补偿是在各类挖掘机中广泛应用的一种控制方式。
补偿阀的阀后压力始终为系统的最高负载压力,从而使各动作的换向阀阀后压力相等,
这使流经主控制阀的油量完全受通流面积影响,而非系统负载的影响。
通流面积是由操控员操纵先导系统控制,这使执行机构的执行速度完全根据操
作员的控制进行改变,如图7所示。
在动臂与斗杆同时动作阶段,虽然负载不同,但是流量却按照通流面积成比例关系。
因此,
该系统使单泵执行机构的负荷传感控制变得更加实用
。
1—斗杆有杆腔进油量曲线;2—动臂无杆腔进油量曲线;3—斗杆进油通流面积;4—动臂进油通流面积
图7 阀后补偿特性图
3 结束语
应用AMESim平台和实际测量数据建立了某型号小型挖掘机执行机构的液压系统模型,改正了此领域许多研究者在建模时主换向阀阀芯反向移动时,弹簧反馈力加倍的错误,使模型更为准确。
仿真分析表明,本模型模拟结果与理论分析吻合。
参考文献:
[1] 张永锡.液压挖掘机工作装置优化设计研究[J].管理观察,2009(17):
25-
26.[2] Masakazu Haga,Watanabe Hiroshi,Kazuo Fujishima.Digging
Control System for Hydraulic Excavator[J].Mechatron-ics,2001,11(6):
665-
676.[3] 曹善华,余涵,冯培恩,等.单斗液压挖掘机[
M].2版.北京:
中国建筑工业出版社,1985.[4] 余佑官,龚国芳,胡国良.AMESim仿真技术及其在液压系统中的应用[J].液压气动与密封,2005(3):
28-31.[5] 秦家升,游善兰.AMESim软件的特征及其应用[J].工程机械,2004,35(12):
6-8.[6] 王兆强.挖掘机多路阀的阀口结构改进及性能分析[D].兰州:
甘肃大学,2010.[7] 冀谦.小型液压挖掘机斗杆与铲斗回路分析与可控性研究[
D].长沙:
中南大学,2008.6
4
第4期 刘 震,等:
基于AME
Sim的小型挖掘机执行机构液压系统建模与仿真Modeling
and Simulation of the Hydraulic System ofMini-Excavator Job Device Based on
AMESimLIU Zhen,WANNG Yu-lin,ZHANG Lu-
zou,YIN Yan-zhang
,GONG Pi-quan(College of Mechanieal and Electronic Engineering,Qingdao University,Qingdao 266071,China)Abstract:
After deep analysis of one certain mini-excavator,the authors set up a model of the hydraulicsystem of the job device.This paper corrected the inaccuracy made by some former researchers that thespring
feedback force is doubled when the control valve elements are mored in the oposite direction.It ana-lyzed the results after the simulation of the non-load condition,and proved the accuracy of the model putforward by
the authors,thus provided a method for the research of the hydraulic excavator.Key
words:
hydraulic excavator;AMESim;job device;model;simulation(从第42页转来)
[7] 叶施仁,史忠植.基于CBR的中心渔场预报[J].高技术通讯,2006(5):
64-
68.[8] 倪志伟,李建洋,李锋刚,等.案例决策技术及案例决策支持系统研究综述[J].计算机科学,2009,36(11):
18-22.[9] 吴新年,陈永平.决策支持系统发展现状与趋势分析[J].情报资料工作,2007(1):
19-
24.Research on Metro ISCS DSS Based on Case-Base Reasoning
DU Jun-wei 1,
2,WAN Si-j
un2,ZHU Zhong2,LIU Xin2
(1.College of Information Science &Technology Qingdao University
of Science&Technology,Qingdao266071,China;2.Qingdao Hisense Network Technology Co.,Ltd,Qingdao 266061,China)Abstract:
The traditional metro integrated supervisory control system(ISCS)handled specific emergencyincident according to reserved linkage plan.This approach is difficult to accurately
deal with the uncertain-ty and evolution subway incident.A“scene-handle”retrieval and adaptable technology for intelligent link-age control function is proposed,which implements ISCS decision support system(DSS),including
the i-dentification,analysis,adaptation of incident,and the generation and implementation of executive plans.The application of system will improve ISCS emergency response capabilities of intelligent handling and re-sponsiveness,and further guarantee the operation safety of urban rail transportation.Key
words:
integrated supervisory control system;decision support system;scene-handle7
4
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 AMESim 小型 挖掘机 执行机构 液压 系统 建模 仿真 解读