基于机液联合仿真技术的液压挖掘机工作装置性能分析与研究

20T5年9月机床与液压Sep.2015第43卷第T7期MACHINETOOL3HYDRAULICSVol.43No.17DOI:10.3969//in.1001-3881.2015.17.037基于机液联合仿真技术的液压挖掘机工作装置性能分析与研究张晓辰，涂群章，潘明，郑伟杰，冯霞(解放军理工大学野战工程学院，江苏南京210007)摘要：基于液压挖掘机工作装置机械系统和液压系统高度耦合特点，提出了-种机液联合仿真方法，分别建立了其机械系统和液压系统模型，运用计算机联合仿真与集成优化技术，实现了机械系统和液压系统的联合仿真，获得了工作装置的动态性能，提高了建模与仿真效率，将系统的控制信号与跟踪信号进行了对比，验证了联合仿真的精确性和可靠性。关键词：仿真科学技术；挖掘机工作装置；Reurdyn;AMESrni;液压系统；联合仿真中图分类号：THT37;TH243文献标志码：A文章编号：匪-388T(20T5)T7-T47-6StudyandAnalysisofPerformanceofExcavatorWorkingEquipmentBasedonHydraulic-mechanicalIntegratedSimulationTechnologyZHANGXiaochen，TUQunzhang，PANMing，ZHENGWeijie，FENGXia(CollegeofFieldEngineering，PLAUniversityofScienceandTechnology，NanjingJiangsu210007，China)Abstract：Basedonthecharacteristicsofsystemofhighlyhydraulic-mechanicalcoupledoftlieexcavatorworl^ingequipmentas­sembly，ahydraulic-mechanicalintegratedsimulationmetliodwasproposed.Byapplyingthetechnologofcomputerintegratedsimula­tionandoptimization，themodelsofmechanicalsystemandhydraulicsystemwerebuiltseparately，andco-simulationofthehydraulicsystemandmechanicalsystemwasrealized.Thedynamicperformanceofthieworl^ingequipmentwasanalyzed，andmodelingandsimu­lationeficiencywereimproved.Theaccuracyandreliabilityofthieco-simulationisverifiedbycomparingthefollowedupsignalswithithecontrolonesofsystem.Keywords：Simulationscienceandtechnology;Excavatorworkingequipment;Recurdyn;AMESim;Hydraulicsystem;Co-simu­lation〇前言液压挖掘机工作装置通常包括机械系统和液压系统两部分，其中机械系统是由动臂、斗杆、铲斗、铲斗回转机构等部分组成的三自由度开链机构，液压系统则为4个并联阀控液压缸系统，是一个典型的复杂的机液高度耦合系统[1]。通常对工作装置的设计和性能分析方法是分别独立地进行机械系统和液压系统建模与分析，即将机械系统性能分析结果作为液压系统分析或设计的基础，但在实际中，液压挖掘机工作装置机械系统和液压系统是高度耦合的一个整体，这种分析方法存在效益低、精度差等缺点[2]。为此，在分析液压挖掘机工作装置机械系统和液压系统特点的基础上，分别建立了其机械系统和液压系统模型，运用平台数据交换技术，实现了机械系统和液压系统的联合仿真，方伽获得了工作装置的动态性能，提高了建模与仿真效率，为工作装置的设计与优化提供了参考。收稿日期！20T4-07-09基金项目：国家自然科学基金资助项目（5ll755il)作者简介：张晓辰（#988—），男，硕士研究生，研究方向为工程机械电传动。E-mail:[e-mail]。1液压挖掘机工作装置机械系统建模1.1工作装置虚拟样机模型的建立液压挖掘机工作置设计与颠其作业效率有着重要的影响。在实际研究过程中，如果忽略细小零件，液压挖掘机的工作装置可分为动臂、斗杆、摇杆（2个）、连杆、动臂支撑连杆、铲斗、动臂液压缸（2个）、斗杆液压缸、铲斗液压缸几个部分。通过各个液压缸的伸缩，液压挖掘机能够实现动臂的升降、斗杆的推拉和铲斗的翻转，从而完成预期的作业动作[3]。按铲土的动作形式分，液压挖掘机的常用工作装置有正铲和反铲两种方式，文中将反铲工作装置作为研究对象，首先在SoliWoks环境中建立各部件三维模型，再将模型导人到Recurdyn中，在Recurdyn环境中对翻进行装配并添加运动约束和驱动，从而实现工作装置虚拟样机模型的建立[4]。建立的模型及各机构名称如图1所示。•148•机床与液压第43卷图1液压挖掘机工作装置的虚拟样机模型为保证仿真的正确运行，导入实体模型后，还需根据实际安装情况，为各部件之间添加相应的运动约束。在各液压缸中，液压缸活羞杆与缸筒间的运动约束为平移副。其余部件均可采用转动副连接，但是考虑到机构可能存在的过约束问题，可采用Reurdyn中的Bushing(衬套力）连接和球铰相配合，创建等效的约束关系，在不降低系统自由度的情况下，消除冗余约束[5]。各部件间创建的运动副如表1所示。确定运动约束后，可对各液压缸分别添加驱动，测试模型的正确性。表1各部件运动副关系部件名称运动副类型数目转台（大地）与回转支撑装置转动副1动臂液压缸缸筒与回转支撑装置转动副2动臂与回转支撑装置BushinL2动臂液压缸活塞杆与动臂支撑连杆2动臂支撑连杆与动臂BushinL2各液压缸活塞杆与缸筒平移副4斗杆液压缸缸筒与动臂BushinL2斗杆液压缸活塞杆与斗杆BushinL2动臂与斗杆BushinL2铲斗液压缸缸筒与斗杆转动副1铲斗液压缸活塞与连杆BushinL1摇杆与连杆球铰2摇杆与斗杆转动副2连杆与铲斗转动副1铲斗与斗杆转动副11.2工作装置力学建模分析工作装置各液压缸作用力的确定与挖掘机液压伺服系统的设计息息相关，在分析过程中，既要保证铲斗有足够的挖掘力，还应为斗杆和动臂提供足够的举升力，使挖掘机在卸载时能将满斗土壤举升到最大高度。不同位置处液压缸的最大作用力应根据不同的工况分情况讨论。为方便分析，忽略连杆机构的效率因素和土壤质量的影响。如图2所示，0、0、0分别为铲斗、斗杆、动臂所受的重力，！、！、！分别为铲斗、斗杆、动臂液压缸的作用力。！max为最大挖掘阻力，!为最大挖掘阻力的法向分量，通常取！=(0.1〜0.2)Fw。为铲斗液压缸作用力对摇臂与斗杆铰点的力臂，B为斗杆液压缸作用力对斗杆与动臂铰点的力臂，B为动臂液压缸作用力对动臂下铰点）的力臂。B)、B、B分别为FW对铰点）斗杆与动臂铰点8、铲斗与斗杆铰点'的力臂。BW、B分别为！对铰点）和8的力臂。）、Bg+、）分别为铲斗、斗杆、动臂的质心到铰点）的水平距离。图2液压缸作用力的分析示意图在作业过程中，当工作装置以铲斗为主进行挖掘时，铲斗液压缸的最大作用力按最大挖掘深度时能保证的最大挖掘力来进行分析计算。计算位置是动臂下摆到最低高度，使铲斗液压缸作用力对铲斗与斗杆铰点有最大力臂处[2]。由图分析，此时的铲斗液压缸的作用力为！(N)(1)1斗杆液压缸的作用力满足！心！^!8(N)(2)动臂液压缸的作用力满足！当工作装置以斗杆为主作业时，最大挖掘力则由斗杆液压缸保证。计算位置是动臂下摆到最低高度，且斗杆液压缸作用力对斗杆和动臂铰点有最大力臂，并使铲斗齿尖点、铰点8、'三点共线处。此时的斗杆液压缸作用力为！(N)(4)2铲斗液压缸的作用力满足！(N)⑶1动臂液压缸的作用力满足！当铲斗载土提升时，动臂液压缸最大作用力按最第i(期张晓辰等：基于机液联合仿真技术的液压挖掘机工作装置性能分析与研究•149•大卸载位置来确定。计算位置是使铲斗、斗杆、动臂的重力对动臂下铰点）有最大力臂处。为此时动臂液压缸的作用力为：(N)(7)2液压挖掘机工作装置液压系统建模2.1工作装置液压系统的阀控缸建模所研究的工作装置主油路由4个液压缸回路组成，为阀控液压系统。系统中主要包括液压油源、液压油栗、溢流阀、三位四通比例换向阀、液压缸、油管等液压元件。根据挖掘及实际工作情况，首先应确定系统的工作压力。忽略系统能量损耗的影响，系统的功率为：6=pUx10-3(kW)(8)式中：P为液压栗的出口压臂U为液压栗的输出流量。液压缸的实际工作压力可表示为：(MPa)(9)式中！为进油管路上的压力损失，一般情况下取％!@=3~4MPa;@为负载压力；）、）分别为液压缸回油腔和进油腔的有效工作面积。液压缸的流量通常由活塞杆的最大移动趙来确定，液压缸所需的流量可表示为：Gmaxlma4(m3/s)(10)式中为液压缸的有效工作面积；？ax为液压缸的最大趙。在实际设计中，獅栗的额定压力通常要比系统的工作压力大25%以上，使系统能够有一定的压力储备。液压栗的流量可表示为!U=%%Uma(mVS)(11)式中！％为系统的泄漏系数，通常取T1~1.3;ZUmax为同时动作的并联液压缸最大流量的总和。液压栗的实际输人功率可表示为：6==Ux103(kW)(12)式中！#为液压栗的效率，通常取0.75~0.85[6]。若忽略在进油管路上的压力损失且假设阀具有理想的响应能力，当阀芯向右移动时，流人液压缸进油腔的流量可表示为!U?=Cd(P~-T)(m3^s)由液压缸回油腔流出的流量为：U2=Cd!y/+_-2(m3^S)(13)(14)=Y(!Ui+!U2)=(m3/s)(15)P=P—2(MPa)(16)式中：Cd为流量系数；！为面积梯度；P为油液密度;%为滑阀的流量增益；％为滑阀的流量-压力系数。滑阀的流量方程为：Ul=%-%Pl(m3/s)(17)液压缸的流量连续性方程为！„.d^KdpUt=)—I-CtpTg-------Vld7tNL43ed7i3/s)(18)式中为活塞的有效面积；R为活塞的位移；/为两腔的总容积；'为液压缸的总泄漏系数且'。='。++C。，其中'。为内泄漏系数，C。为外泄漏系数，从为等效体积弹性觀。液压缸与负载的力平衡方程可表示为：1d2rdyFP=7(md7+8cd7+%R)+I(MPa)(19)式中为负载和活塞的总质量；8为负载和活塞的黏性阻尼系数；％为负载的弹性刚度；f为作用在活塞上的负载力。若忽略弹性负载，对式（17)、（18)、（19)进行拉普拉斯变换，并联即可解得阀控液压缸的传递函数为[6]:»^)F123⑴h■5+1)(20)式中：为液压固有频率且！=槡4i3e)2/(/)；%为总的流量-压力系数；3为液雖尼比。文中选取某型20t级液压挖掘机作为研究对象，根据实际作业的动力需要，液压系统基本参数的选择计算结果如表2所示。表2液压元件主要参数表项目参数值液压菜转速/(r•min1)2000排量/(mL•r1)150额定电流/mA40电液伺服阀固有频率/Hz80阻尼比0.8缸径/mmT20动臂液压缸（2个）杆径/mm85行程/mmTTT0缸径Amm140斗杆液压缸杆径Amm90T460缸径AmmTT0铲斗液压缸杆径Amm70行程/mm1050•150•机床与液压第43卷2.2液压系统模型的建立为了便于分析，首先在AMESim环境中建立单个液压缸回路的模型，为了实现对液压缸工作位置的精确控制，引入AMESim中的PID模块和位移传感器模块，搭建控制回路。回路搭建完毕后，对回路中的各个液压元件进行参数设置，运行仿真并测试模型的正确性。建立的单个液压缸回路模型