小型液壓挖掘機動力學(xué)建模與仿真

小型液壓挖掘機動力學(xué)建模與仿真

0基于amesim的系統(tǒng)建模多路閥是該工藝系統(tǒng)的核心。其節(jié)流口形狀、尺寸對主機的運動特性有直接的影響。國外多路閥的技術(shù)已經(jīng)相對成熟,有眾多廠家生產(chǎn)多路閥,知名的如德國REXROTH公司、日本KYB公司和美國HUSCO公司等。國內(nèi)也有部分院校和研究機構(gòu)對此進行過一些研究。本文以某型號小型液壓挖掘機為研究對象,建立其液壓系統(tǒng)模型和整機動力學(xué)模型,用于研究多路閥節(jié)流口參數(shù)和主機運動特性之間的聯(lián)系。AMEsim是一種基于鍵合圖理論的系統(tǒng)仿真軟件,有豐富的液壓元件庫,允許用戶以繪制液壓原理圖的方式建立系統(tǒng)模型和設(shè)置各部件的結(jié)構(gòu)參數(shù);通過選擇油液類型和油溫即可獲得液壓油的特性,使用戶不必關(guān)心各種受到油液特性影響的系數(shù)和參數(shù),也不必關(guān)心系統(tǒng)的數(shù)學(xué)方程。因而本文采用AMEsim來搭建液壓系統(tǒng)模型。整機動力學(xué)響應(yīng)特性與液壓系統(tǒng)響應(yīng)特性緊密聯(lián)系,不可分割。ADAMS是目前最具權(quán)威的機械系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析軟件,并且該軟件與AMEsim、Matlab等軟件的接口簡單易用,采用該軟件建立小型液壓挖掘機的動力學(xué)模型,與使用AMEsim的液壓系統(tǒng)模型進行聯(lián)合仿真,可以彌補AMEsim軟件目前無法進行三維多體動力學(xué)仿真分析的缺陷。1小型液壓越界仿真本文針對SWE17型液壓挖掘機部分液壓系統(tǒng)(泵、動臂、斗桿、鏟斗和回轉(zhuǎn)部分)進行建模仿真,該部分是小型液壓挖掘機液壓系統(tǒng)設(shè)計和控制的核心內(nèi)容。以下分別介紹各部分的系統(tǒng)原理及模型組成。1.1理想恒功率控制曲線的建立該挖掘機采用日本KYB公司生產(chǎn)的液壓泵系統(tǒng),其原理如圖1所示,變量泵1和泵2組成全功率控制方式,泵1向動臂和鏟斗聯(lián)閥供油,泵2向斗桿聯(lián)閥供油;定量泵3向回轉(zhuǎn)聯(lián)閥供油,同時越權(quán)控制泵1和泵2的排量;泵4為先導(dǎo)定量泵;當(dāng)泵1和泵2同時向左右行走馬達供油實現(xiàn)直線行走時,泵3則負(fù)責(zé)其他所有動作的供油。泵1、泵2和泵3的壓力流量特性如圖2所示,其中圖2a為KYB公司提供的特性曲線,圖2b為仿真模型中所采用的理想恒功率控制曲線。仿真時先導(dǎo)系統(tǒng)壓力將使用實驗的測量值,因而模型中不對先導(dǎo)泵4建模。圖2中,Q為流量,Pi為各泵的壓力。由以上理想恒功率控制曲線獲得泵系統(tǒng)的AMEsim模型,如圖3所示。由于本文所建模型側(cè)重于研究多路閥的特性,因而沒有關(guān)注泵的結(jié)構(gòu),只近似模擬泵的輸出特性。1.2靜摩擦力模型在液壓挖掘機液壓缸內(nèi)、關(guān)節(jié)、連接機構(gòu)和閥中都存在摩擦。根據(jù)S.Tafazoli等人的實驗,液壓缸中的活塞、活塞桿和液壓缸之間產(chǎn)生的摩擦力是主要的,與它相比,其他的摩擦力因素可以忽略。因此在建立液壓缸模型時采用應(yīng)用最廣泛的經(jīng)典摩擦力Ff計算公式為:Ff={fcsgn(v)+fvvv≠0fstaticv=0(1)Ff={fcsgn(v)+fvvv≠0fstaticv=0(1)式中:v為液壓缸活塞速度;fc為庫侖摩擦因數(shù);fv為黏性摩擦因數(shù);fstatic為靜摩擦力。參考文獻,采用將液壓缸置于原工作系統(tǒng)進行摩擦力測定和計算的方法,找出摩擦力與運動之間的關(guān)系,從而得到三個液壓缸的庫侖摩擦因數(shù)、黏性摩擦因數(shù)和靜摩擦力,用于設(shè)置AMEsim中的液壓缸模型參數(shù)。1.3型液壓馬達回轉(zhuǎn)馬達采用KYB公司生產(chǎn)的MSG-21P-4191A型液壓馬達。根據(jù)其所提供的樣本可獲得馬達的機械效率、容積效率、損排量及額定轉(zhuǎn)速等參數(shù),可直接用于設(shè)置AMEsim中液壓馬達模型。1.4閥芯運動特性該小型液壓挖掘機的動臂、斗桿、鏟斗及回轉(zhuǎn)四聯(lián)閥均為三位六通閥結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)原理基本相同,僅節(jié)流口的槽口形狀、大小和數(shù)量不同。當(dāng)手柄動作時,先導(dǎo)壓力控制閥芯的位移量,進而調(diào)節(jié)各節(jié)流口的過流面積。一支閥芯在動作時同時控制八個節(jié)流口的過流面積,其閥芯結(jié)構(gòu)如圖4所示,其中1到8共八個臺肩面及其上所開槽口即為八個節(jié)流口,對應(yīng)于聯(lián)閥的八個子模型。合理設(shè)計每個臺肩面上槽口的形狀、大小和數(shù)量,相互匹配,即可滿足主機的各種運動特性要求。閥芯的運動可以簡單地認(rèn)為只有兩種:從中位向左右位運動和從左右位向中位運動。在閥芯的運動過程中同時只有四個節(jié)流口起作用。在中位與左位之間運動時,節(jié)流口2(大腔進油口節(jié)流)、節(jié)流口3、節(jié)流口5(中位旁路節(jié)流)和節(jié)流口8(小腔出油口節(jié)流)起作用;在中位與右位之間運動時,節(jié)流口7(小腔進油口節(jié)流)、節(jié)流口4、節(jié)流口6(中位旁路節(jié)流)和節(jié)流口1(大腔出油口節(jié)流)起作用。對于單聯(lián)閥動作時,其工作原理如圖5所示。圖5中Pin為液壓缸的進油口,P為中位進油口,兩個Po為出油口。對于串聯(lián)方式,Po接下一聯(lián)閥的進油口。在閥芯動作時,中位節(jié)流(節(jié)流口3、5、4、6)起到分流和建立系統(tǒng)壓力的作用;液壓缸進油口節(jié)流(節(jié)流口2、7)起到調(diào)速作用;液壓缸出油口節(jié)流(節(jié)流口1、8)在某些動作中起到防吸空、使執(zhí)行液壓缸速度可控的作用。如在動臂下降時,由于工作裝置自重及負(fù)載的作用,如果不在液壓缸的出油口給其加上一個額外的阻力,則會造成進油口吸空,執(zhí)行機構(gòu)的速度不可控。三種節(jié)流口兩端的壓力和流量是相互關(guān)聯(lián)的,因而在它們之間存在過流面積的匹配關(guān)系。對于液壓系統(tǒng)中的其他元件,如溢流閥、先導(dǎo)彈簧及油管等則可選用AMEsim中的基本模型。其中管路的長度根據(jù)設(shè)計值輸入,管路的材料特性參數(shù)、單向閥和溢流閥的特性參數(shù)由其供應(yīng)商處獲得。閥芯的先導(dǎo)控制壓力由實驗測得后輸入模型,即可滿足仿真的需求。2amesim聯(lián)合仿真本文采用ADAMS軟件建立該小型液壓挖掘機的整機動力學(xué)模型,如圖6所示,該模型由下車、回轉(zhuǎn)馬達、上車、動臂、動臂油缸、斗桿、斗桿油缸、鏟斗、鏟斗油缸及鏟斗連桿機構(gòu)組成。在模型中輸入各部分的結(jié)構(gòu)尺寸、質(zhì)量和慣量屬性及油缸、回轉(zhuǎn)支承摩擦因數(shù),忽略鉸點摩擦力后,即可由ADAMS求解整機的動力學(xué)特性。聯(lián)合仿真的數(shù)據(jù)交換方式為:由AMEsim求解三個油缸推力及回轉(zhuǎn)馬達的輸出扭矩,傳遞給ADAMS模型后,由ADAMS模型求解油缸速度、位移及回轉(zhuǎn)馬達轉(zhuǎn)速,再傳遞給AMEsim。ADAMS模型的輸入輸出設(shè)置如圖7所示,由于ADAMS和AMEsim兩個軟件內(nèi)的狀態(tài)量所使用的單位不一致,在AMEsim模型中需設(shè)置增益以便轉(zhuǎn)換單位。聯(lián)合仿真時,AMEsim是主控軟件,用戶在AMEsim中運行并控制ADAMS的仿真進程。從ADAMS輸出到AMEsim采用共同仿真模式,即AMEsim通知ADAMS在給定的時間間隔提供其輸出,由ADAMS求解模型。3節(jié)流槽設(shè)計及過流面積曲線在設(shè)計各節(jié)流口時,要求閥口形式有利于提高流量特性的剛性和抗阻塞性;對油溫和黏度的變化不敏感;具有足夠的流量調(diào)節(jié)范圍和良好的調(diào)節(jié)均勻性;易于實現(xiàn)良好的密封性,減少內(nèi)泄漏;工藝性好等。節(jié)流槽形式的閥口水力直徑較大,抗阻塞性能好,容易獲得小的穩(wěn)定流量,流量調(diào)節(jié)范圍寬。由于面積梯度較小且容易控制,其流量微調(diào)性能優(yōu)良。常用節(jié)流槽形式有:U形節(jié)流槽、V形節(jié)流槽、多節(jié)U形節(jié)流槽、L形節(jié)流槽、單三角槽、雙三角槽和圓孔形槽等。節(jié)流槽結(jié)構(gòu)形式的確定,主要是滿足流量控制特性要求,即保證閥口面積與閥口開度之間滿足一種確定的函數(shù)關(guān)系。本文中閥芯各臺肩面上的節(jié)流槽采用U形、V形和圓孔形節(jié)流槽形式。下面以U形槽為例進行分析,如圖8所示。其結(jié)構(gòu)參數(shù):R為閥芯半徑;r為節(jié)流槽前端半圓槽的半徑,槽寬為2r;L為節(jié)流槽長度;h為節(jié)流槽深度。根據(jù)過流面積的定義(流量通過節(jié)流口時所經(jīng)過的最小面積),近似取節(jié)流槽橫截面面積A1、圓周投影面面積A2中較小值作為過流面積。由圖8可知,過流面積為槽口開度x的函數(shù)。U型節(jié)流槽的過流面積A計算公式為:A=min(A1,A2)當(dāng)x<r:A1=R2arcsinr2?(x?r)2√R+R2?r2+(x?r)2???????????????√r2?(x?r)2??????????√?2r2?(x?r)2??????????√(R?h)(2)A2=r2arccos(r?xr)?(r?x)2rx?x2???????√(3)A1=R2arcsinr2-(x-r)2R+R2-r2+(x-r)2r2-(x-r)2-2r2-(x-r)2(R-h)(2)A2=r2arccos(r-xr)-(r-x)2rx-x2(3)當(dāng)x≥r:A1=R2arcsin(rR)+rR2?r2??????√?2r(R?h)(4)A2=0.5πr2+2r(x?r)(5)A1=R2arcsin(rR)+rR2-r2-2r(R-h)(4)A2=0.5πr2+2r(x-r)(5)當(dāng)閥芯運動到正開口狀態(tài)時,節(jié)流口過流面積將呈線性增加,其比例系數(shù)為閥芯外圓的周長,過流面積最大值不超過Amax(如圖9所示)。仿真模型中所需要的另一個參數(shù)為水力直徑,由四倍過流面積與濕周之比求得。對于每個節(jié)流口,其過流面積與閥芯位移形成一條面積曲線。不論采用何種形式的節(jié)流槽,其面積曲線均由三段組成,零過流面積段、節(jié)流槽作用段和正開口段。研究各節(jié)流口過流面積的匹配關(guān)系則變成研究各條面積曲線的匹配關(guān)系。應(yīng)用以上公式(其他類型節(jié)流槽的計算公式本文暫不給出,可參考文獻),在Matlab平臺開發(fā)了過流面積計算程序。其主界面如圖10所示。該程序主要完成以下工作。1)閥塊通道設(shè)計:設(shè)計閥塊各臺肩的軸向尺寸。2)閥芯臺肩設(shè)計:設(shè)計閥芯各臺肩的軸向、徑向尺寸,閥芯行程和中位。3)節(jié)流槽設(shè)計:設(shè)計閥芯各臺肩上節(jié)流槽的類型、尺寸和數(shù)量,該程序可計算U形節(jié)流槽、V形節(jié)流槽、多節(jié)U形節(jié)流槽和圓孔形節(jié)流槽等的過流面積曲線。4)生成面積曲線、水力直徑曲線的TXT文本,用于AMEsim仿真。5)生成閥芯節(jié)流槽在數(shù)控銑床上的加工代碼,用于制作新的閥芯,驗證修改參數(shù)后的仿真結(jié)果。4持式液壓儀器通過實測方法獲得液壓缸和回轉(zhuǎn)支承的摩擦力特性參數(shù),同時測量獲得多路閥及整機的各尺寸參數(shù)、質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量后,由過流面積計算程序求得各個節(jié)流口的過流面積曲線、水力直徑曲線,將全部參數(shù)輸入仿真模型。在主機上進行測試時,采用Hydrotechnic公司的Multi-system5050手持式液壓測試儀,測量泵出口壓力,液壓缸的大、小腔壓力曲線,先導(dǎo)手柄的輸出控制壓力曲線。將實測的先導(dǎo)控制壓力曲線導(dǎo)入模型,設(shè)置仿真步長和聯(lián)合仿真數(shù)據(jù)交換周期均為0.001s,進行仿真即可求得液壓系統(tǒng)各個部分的響應(yīng)。圖11所示為動臂快速下降時(斗桿、鏟斗油缸保持最大行程)仿真曲線與實測曲線對比圖。對于主機的其他單動作及各種復(fù)合動作,本文不再一一介紹。圖11中,P1為大腔壓力,P2為泵出口壓力,P3為小腔壓力,P4為先導(dǎo)控制壓力。仿真曲線和實測曲線之間依然有一定的差距,說明模型的參數(shù)設(shè)定方式不能完全表達實際對象,對于模型各個