1、 挖掘機系統(tǒng)建模與仿真摘要:闡述挖掘機液壓系統(tǒng)的工作原理。根據(jù)液壓元件、工作裝置的布置結(jié)構(gòu)和尺寸，在AMESim軟件平臺上對該型挖掘機的液壓系統(tǒng)和工作裝置進行了建模，并通過對模型參數(shù)的設(shè)置，實現(xiàn)了機電液一體化系統(tǒng)運動仿真。重點就其中壓力脈動與工作裝置跟隨效果差等問題進行了分析。關(guān)鍵詞：液壓系統(tǒng)、建模、AMESim一、建模與仿真為實現(xiàn)對機電系統(tǒng)平穩(wěn)、快速、準(zhǔn)確的控制，對機電系統(tǒng)正確建模是十分重要的。所謂的機電系統(tǒng)建模就是對物理對象(即物理實體)的建模，也就是將物理對象的輸入、輸出變化規(guī)律抽象為一種數(shù)學(xué)描述。通過它不僅可實現(xiàn)對機電系統(tǒng)狀態(tài)的準(zhǔn)確分析和預(yù)測，而且還可以實現(xiàn)機電系統(tǒng)的正確控制。 目前，

2、機電系統(tǒng)建模的方法大致有兩類:機理分析法(又稱理論建模)和實驗測試法(又稱試驗建模)。機理分析法是通過分析系統(tǒng)的運動規(guī)律，在一些合理假設(shè)下，運用一些己知的定理、定律和原則建立起機電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，其中包括傳統(tǒng)理論建模、通用建模法、專業(yè)建模軟件;而實驗測試法則是通過合理的實驗方法，利用輸入輸出數(shù)據(jù)所提供的信息建立系統(tǒng)模型，其中包括頻域參數(shù)估計法、系統(tǒng)掃頻分析法。 二、液壓挖掘機中的建模在液壓挖掘機中，發(fā)動機通過液壓系統(tǒng)來驅(qū)動工作裝置，液壓系統(tǒng)效率的高低對挖掘機的經(jīng)濟性有很大影響，其液壓系統(tǒng)的效率僅為40%左右，這是液壓挖掘機效率低下的主要原因之一。因此，對液壓系統(tǒng)進行改進和研究，對提高液壓挖掘機

3、的效率，改善液壓挖掘機的工作性能具有重要的意義。挖掘機液壓系統(tǒng)是由多種液壓元件組成的非線性系統(tǒng)，各個元件間靠壓力油傳遞能量，依靠控制信號實現(xiàn)壓力、流量的控制。AMESim軟件是基于圖形化的仿真軟件，帶有多種工程軟件包，其中液壓仿真軟件包包含了大量的常用液壓元件、液壓源和液壓管路等，控制軟件包包括多種信號源和運算法則，非常適合工程系統(tǒng)尤其是液壓及其控制系統(tǒng)的建模仿真和動態(tài)分析。1工作裝置建模11挖掘機的挖掘循環(huán) 制定合理的工作循環(huán)，是為了在仿真過程中使挖掘機的動作流暢協(xié)調(diào)。挖掘機的工作模式大致可以分為挖掘、平整和精細3種，其中以挖掘作業(yè)為主。典型的挖掘過程包括確定挖掘工位、挖掘、運動到卸料工位、

4、卸料、返回挖掘工位5個工序。 本文基于挖掘循環(huán)試驗中各油路先導(dǎo)壓力的變化，計算液壓缸的外伸行程，據(jù)此設(shè)定一個挖掘過程中各工作裝置的動作過程，作為仿真模型的輸入。圖1所示為在16s的挖掘循環(huán)中各工作裝置的動作過程(工作的先后順序和位移)。1.2挖掘機工作裝置與回轉(zhuǎn)機構(gòu)建模挖掘機的工作裝置由鏟斗、斗桿、動臂組成，三者的協(xié)調(diào)動作是由3組液壓缸的伸縮聯(lián)動來實現(xiàn)的。圖2為挖掘機工作裝置在工程仿真軟件AMESim中的模型，各個部件的建?；谲浖钠矫鏅C械庫(Planar Mechanical庫，簡稱PLM庫):PLMBOD是可以連接到二維機械上構(gòu)成動力系統(tǒng)的基本形式，而且其端口可以用作外部輸入的端口，通過

5、PLM傳感器將輸入量以力的形式作用于液壓缸。 圖1挖掘循環(huán)中各工作裝置動作過程 圖2 挖掘機工作裝置的AMESIm模型 液壓挖掘機中回轉(zhuǎn)機構(gòu)作為液壓執(zhí)行系統(tǒng)的一部分，其動力來源于主泵驅(qū)動的回轉(zhuǎn)馬達?；剞D(zhuǎn)馬達上的角位移傳感器檢測并反饋其位移，通過PID控制器進行控制，來跟蹤目標(biāo)運動軌跡，如圖3所示。1.3工作參數(shù)的計算挖掘機在作業(yè)過程中，負載主要包括挖掘負載和由各個工作部件自重產(chǎn)生的負載。自重產(chǎn)生的負載可以通過在AMESim軟件中給定部件的質(zhì)量由軟件自行計算;而挖掘負載是在挖掘過程中產(chǎn)生的，由于挖掘物料的局部密度、結(jié)構(gòu)形狀等物理參數(shù)在挖掘過程中的不確定性，挖掘負載是會時常發(fā)生變化的，但是變化的挖

6、掘負載通常具有規(guī)律性。因此，模擬出一個合理有效的挖掘負載將會對仿真試驗結(jié)果產(chǎn)生重大的影響。通過計算，得到了如圖4所示的挖掘負載輸入曲線。 圖3挖掘機回轉(zhuǎn)機構(gòu)的AMESim模型回轉(zhuǎn)裝置轉(zhuǎn)動慣量的計算:轉(zhuǎn)動慣量與工作裝置各部分質(zhì)量及其中心位置有關(guān)，實際上，轉(zhuǎn)動慣量是一個變化量。本模型中，取工作裝置3種不同的中心位置，根據(jù)經(jīng)驗公式計算，取平均值近似代表回轉(zhuǎn)裝置工作過程中的轉(zhuǎn)動慣量。 圖4一個工作循環(huán)中挖掘負載入曲線2、液壓控制系統(tǒng)建模2.1泵控系統(tǒng)建模 挖掘機液壓控制系統(tǒng)分為泵控系統(tǒng)和閥控系統(tǒng)。泵控系統(tǒng)是以變量泵為功率放大元件的系統(tǒng)，通過改變泵的排量來控制進入執(zhí)行元件的流量，從而改變其輸出流量，以實

7、現(xiàn)泵功率與發(fā)動機功率更好的匹配。液壓系統(tǒng)按控制流量的方式主要包括全功率控制和壓力切斷控制、正流量控制和負流量控制。在AMESim軟件平臺中，利用液壓庫、機械庫和控制信號庫建立了具有全功率和負流量復(fù)合控制的泵控系統(tǒng)，模型如圖5所示。利用壓力傳感器分別檢測兩泵出口處的壓力之和即全功率控制信號壓力p 1切2，以及回油路節(jié)流孔前的壓力即負流量控制信號壓力p。通過試驗數(shù)據(jù)建立起了切t切z> > p與泵輸出流量口之間的Map圖，如圖6所示，通過查表的方式可以得到泵在任意反饋壓力下的輸出流量。 圖6 泵輸出流量和壓力MAP圖2.2閥控系統(tǒng)建模 液壓閥是挖掘機液壓系統(tǒng)中控制液流運動方向、壓力高低、

8、流量大小的控制元件。根據(jù)各種液壓設(shè)備性能要求的不同，將液壓閥進行相應(yīng)的組合，對液壓設(shè)備進行控制。 主油路采用雙液壓泵、雙回路、高壓恒功率變量系統(tǒng)，主液壓泵為變量柱塞泵，系統(tǒng)最大工作壓力由主泵溢流閥來決定。液壓泵A泵出的油進入左換向閥組，液壓泵B泵出的油進入右換向閥組。換向閥組和合流閥都是液控三位六通閥。在右換向閥組內(nèi)，換向閥1,2,3并聯(lián)，它們依次控制了動臂、鏟斗和斗桿液壓缸;換向閥5是合流閥，串聯(lián)在液壓泵A的油路中。在左換向閥組內(nèi)，換向閥4,5,6并聯(lián)，它們依次控制回轉(zhuǎn)馬達、斗桿液壓缸、動臂液壓缸。在每一個分油路上均有溢流閥和補油閥，以保證分油路的安全。在動臂液壓缸大腔出口還設(shè)有單向節(jié)流閥，

9、使得較重的大臂下落時的速度不致太快而引起沖擊。 當(dāng)斗桿伸出時，斗桿液壓缸有桿腔一側(cè)的回油被斗桿的自重加壓并回到主控制閥閥芯入口，此時斗桿回流閥關(guān)閉，全部回油流入斗桿無桿腔，即斗桿回流動作。本文利用AMESim軟件中的控制模塊和液壓模塊搭建了回油再生閥的邏輯模型如圖7所示:當(dāng)斗桿液壓缸的控制信號為正值時，多路閥工作在右位，通過控制命令控制換向閥1,2打開，換向閥3關(guān)閉。液壓油流向如實線箭頭所示，即在斗桿液壓缸伸出時，小腔的回油不直接返回油箱，而是通過單向閥匯入液壓缸大腔的右路，實現(xiàn)回油再生功能，加快液壓缸的運動速度。虛線箭頭表示多路閥工作在右位時，液壓油的流向;實線箭頭表示多路閥工作在左位時，液壓油的流向。 圖7回油再生閥的AMESis模型三、液壓挖掘機中的仿真分析以上主要介紹了挖掘機工作裝置液壓系統(tǒng)模型的建立，在此模型基礎(chǔ)上，可以對一