小型液压挖掘机动力学建模与仿真

小型液压挖掘机动力学建模与仿真

0基于amesim的系统建模多路阀是该工艺系统的核心。其节流口形状、尺寸对主机的运动特性有直接的影响。国外多路阀的技术已经相对成熟,有众多厂家生产多路阀,知名的如德国REXROTH公司、日本KYB公司和美国HUSCO公司等。国内也有部分院校和研究机构对此进行过一些研究。本文以某型号小型液压挖掘机为研究对象,建立其液压系统模型和整机动力学模型,用于研究多路阀节流口参数和主机运动特性之间的联系。AMEsim是一种基于键合图理论的系统仿真软件,有丰富的液压元件库,允许用户以绘制液压原理图的方式建立系统模型和设置各部件的结构参数;通过选择油液类型和油温即可获得液压油的特性,使用户不必关心各种受到油液特性影响的系数和参数,也不必关心系统的数学方程。因而本文采用AMEsim来搭建液压系统模型。整机动力学响应特性与液压系统响应特性紧密联系,不可分割。ADAMS是目前最具权威的机械系统动力学仿真分析软件,并且该软件与AMEsim、Matlab等软件的接口简单易用,采用该软件建立小型液压挖掘机的动力学模型,与使用AMEsim的液压系统模型进行联合仿真,可以弥补AMEsim软件目前无法进行三维多体动力学仿真分析的缺陷。1小型液压越界仿真本文针对SWE17型液压挖掘机部分液压系统(泵、动臂、斗杆、铲斗和回转部分)进行建模仿真,该部分是小型液压挖掘机液压系统设计和控制的核心内容。以下分别介绍各部分的系统原理及模型组成。1.1理想恒功率控制曲线的建立该挖掘机采用日本KYB公司生产的液压泵系统,其原理如图1所示,变量泵1和泵2组成全功率控制方式,泵1向动臂和铲斗联阀供油,泵2向斗杆联阀供油;定量泵3向回转联阀供油,同时越权控制泵1和泵2的排量;泵4为先导定量泵;当泵1和泵2同时向左右行走马达供油实现直线行走时,泵3则负责其他所有动作的供油。泵1、泵2和泵3的压力流量特性如图2所示,其中图2a为KYB公司提供的特性曲线,图2b为仿真模型中所采用的理想恒功率控制曲线。仿真时先导系统压力将使用实验的测量值,因而模型中不对先导泵4建模。图2中,Q为流量,Pi为各泵的压力。由以上理想恒功率控制曲线获得泵系统的AMEsim模型,如图3所示。由于本文所建模型侧重于研究多路阀的特性,因而没有关注泵的结构,只近似模拟泵的输出特性。1.2静摩擦力模型在液压挖掘机液压缸内、关节、连接机构和阀中都存在摩擦。根据S.Tafazoli等人的实验,液压缸中的活塞、活塞杆和液压缸之间产生的摩擦力是主要的,与它相比,其他的摩擦力因素可以忽略。因此在建立液压缸模型时采用应用最广泛的经典摩擦力Ff计算公式为:Ff={fcsgn(v)+fvvv≠0fstaticv=0(1)Ff={fcsgn(v)+fvvv≠0fstaticv=0(1)式中:v为液压缸活塞速度;fc为库仑摩擦因数;fv为黏性摩擦因数;fstatic为静摩擦力。参考文献,采用将液压缸置于原工作系统进行摩擦力测定和计算的方法,找出摩擦力与运动之间的关系,从而得到三个液压缸的库仑摩擦因数、黏性摩擦因数和静摩擦力,用于设置AMEsim中的液压缸模型参数。1.3型液压马达回转马达采用KYB公司生产的MSG-21P-4191A型液压马达。根据其所提供的样本可获得马达的机械效率、容积效率、损排量及额定转速等参数,可直接用于设置AMEsim中液压马达模型。1.4阀芯运动特性该小型液压挖掘机的动臂、斗杆、铲斗及回转四联阀均为三位六通阀结构,其结构原理基本相同,仅节流口的槽口形状、大小和数量不同。当手柄动作时,先导压力控制阀芯的位移量,进而调节各节流口的过流面积。一支阀芯在动作时同时控制八个节流口的过流面积,其阀芯结构如图4所示,其中1到8共八个台肩面及其上所开槽口即为八个节流口,对应于联阀的八个子模型。合理设计每个台肩面上槽口的形状、大小和数量,相互匹配,即可满足主机的各种运动特性要求。阀芯的运动可以简单地认为只有两种:从中位向左右位运动和从左右位向中位运动。在阀芯的运动过程中同时只有四个节流口起作用。在中位与左位之间运动时,节流口2(大腔进油口节流)、节流口3、节流口5(中位旁路节流)和节流口8(小腔出油口节流)起作用;在中位与右位之间运动时,节流口7(小腔进油口节流)、节流口4、节流口6(中位旁路节流)和节流口1(大腔出油口节流)起作用。对于单联阀动作时,其工作原理如图5所示。图5中Pin为液压缸的进油口,P为中位进油口,两个Po为出油口。对于串联方式,Po接下一联阀的进油口。在阀芯动作时,中位节流(节流口3、5、4、6)起到分流和建立系统压力的作用;液压缸进油口节流(节流口2、7)起到调速作用;液压缸出油口节流(节流口1、8)在某些动作中起到防吸空、使执行液压缸速度可控的作用。如在动臂下降时,由于工作装置自重及负载的作用,如果不在液压缸的出油口给其加上一个额外的阻力,则会造成进油口吸空,执行机构的速度不可控。三种节流口两端的压力和流量是相互关联的,因而在它们之间存在过流面积的匹配关系。对于液压系统中的其他元件,如溢流阀、先导弹簧及油管等则可选用AMEsim中的基本模型。其中管路的长度根据设计值输入,管路的材料特性参数、单向阀和溢流阀的特性参数由其供应商处获得。阀芯的先导控制压力由实验测得后输入模型,即可满足仿真的需求。2amesim联合仿真本文采用ADAMS软件建立该小型液压挖掘机的整机动力学模型,如图6所示,该模型由下车、回转马达、上车、动臂、动臂油缸、斗杆、斗杆油缸、铲斗、铲斗油缸及铲斗连杆机构组成。在模型中输入各部分的结构尺寸、质量和惯量属性及油缸、回转支承摩擦因数,忽略铰点摩擦力后,即可由ADAMS求解整机的动力学特性。联合仿真的数据交换方式为:由AMEsim求解三个油缸推力及回转马达的输出扭矩,传递给ADAMS模型后,由ADAMS模型求解油缸速度、位移及回转马达转速,再传递给AMEsim。ADAMS模型的输入输出设置如图7所示,由于ADAMS和AMEsim两个软件内的状态量所使用的单位不一致,在AMEsim模型中需设置增益以便转换单位。联合仿真时,AMEsim是主控软件,用户在AMEsim中运行并控制ADAMS的仿真进程。从ADAMS输出到AMEsim采用共同仿真模式,即AMEsim通知ADAMS在给定的时间间隔提供其输出,由ADAMS求解模型。3节流槽设计及过流面积曲线在设计各节流口时,要求阀口形式有利于提高流量特性的刚性和抗阻塞性;对油温和黏度的变化不敏感;具有足够的流量调节范围和良好的调节均匀性;易于实现良好的密封性,减少内泄漏;工艺性好等。节流槽形式的阀口水力直径较大,抗阻塞性能好,容易获得小的稳定流量,流量调节范围宽。由于面积梯度较小且容易控制,其流量微调性能优良。常用节流槽形式有:U形节流槽、V形节流槽、多节U形节流槽、L形节流槽、单三角槽、双三角槽和圆孔形槽等。节流槽结构形式的确定,主要是满足流量控制特性要求,即保证阀口面积与阀口开度之间满足一种确定的函数关系。本文中阀芯各台肩面上的节流槽采用U形、V形和圆孔形节流槽形式。下面以U形槽为例进行分析,如图8所示。其结构参数:R为阀芯半径;r为节流槽前端半圆槽的半径,槽宽为2r;L为节流槽长度;h为节流槽深度。根据过流面积的定义(流量通过节流口时所经过的最小面积),近似取节流槽横截面面积A1、圆周投影面面积A2中较小值作为过流面积。由图8可知,过流面积为槽口开度x的函数。U型节流槽的过流面积A计算公式为:A=min(A1,A2)当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)当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)当阀芯运动到正开口状态时,节流口过流面积将呈线性增加,其比例系数为阀芯外圆的周长,过流面积最大值不超过Amax(如图9所示)。仿真模型中所需要的另一个参数为水力直径,由四倍过流面积与湿周之比求得。对于每个节流口,其过流面积与阀芯位移形成一条面积曲线。不论采用何种形式的节流槽,其面积曲线均由三段组成,零过流面积段、节流槽作用段和正开口段。研究各节流口过流面积的匹配关系则变成研究各条面积曲线的匹配关系。应用以上公式(其他类型节流槽的计算公式本文暂不给出,可参考文献),在Matlab平台开发了过流面积计算程序。其主界面如图10所示。该程序主要完成以下工作。1)阀块通道设计:设计阀块各台肩的轴向尺寸。2)阀芯台肩设计:设计阀芯各台肩的轴向、径向尺寸,阀芯行程和中位。3)节流槽设计:设计阀芯各台肩上节流槽的类型、尺寸和数量,该程序可计算U形节流槽、V形节流槽、多节U形节流槽和圆孔形节流槽等的过流面积曲线。4)生成面积曲线、水力直径曲线的TXT文本,用于AMEsim仿真。5)生成阀芯节流槽在数控铣床上的加工代码,用于制作新的阀芯,验证修改参数后的仿真结果。4持式液压仪器通过实测方法获得液压缸和回转支承的摩擦力特性参数,同时测量获得多路阀及整机的各尺寸参数、质量和转动惯量后,由过流面积计算程序求得各个节流口的过流面积曲线、水力直径曲线,将全部参数输入仿真模型。在主机上进行测试时,采用Hydrotechnic公司的Multi-system5050手持式液压测试仪,测量泵出口压力,液压缸的大、小腔压力曲线,先导手柄的输出控制压力曲线。将实测的先导控制压力曲线导入模型,设置仿真步长和联合仿真数据交换周期均为0.001s,进行仿真即可求得液压系统各个部分的响应。图11所示为动臂快速下降时(斗杆、铲斗油缸保持最大行程)仿真曲线与实测曲线对比图。对于主机的其他单动作及各种复合动作,本文不再一一介绍。图11中,P1为大腔压力,P2为泵出口压力,P3为小腔压力,P4为先导控制压力。仿真曲线和实测曲线之间依然有一定的差距,说明模型的参数设定方式不能完全表达实际对象,对于模型各个