基于多學科協同仿真的液壓系統性能匹配研究*

陳飛云，李光，呂曉林，佘翊妮，寧曉斌*

(1.浙江工業大學機械工程學院，浙江杭州310014;2.太原重工股份有限公司技術中心，山西太原030023)

0 引言

隨著科學技術的進步和大型露天礦山建設的需要，液壓挖掘機逐漸向高速、高壓、大斗容、大功率發展。目前，國外對于大型液壓挖掘機的研制技術比較成熟，而國內在大噸位的液壓挖掘機領域還處于起步階段，并且在研究設計方法與仿真技術方面，大多只關注液壓挖掘機的某一個或某幾個方面的研究，缺乏整體性能的研究手段［1-2］。

劉靜等［3］利用ADAMS軟件和Matlab軟件建立挖掘機的機械、液壓等子模型，利用參數關聯和模型集成技術，建立了挖掘機虛擬樣機技術，其通過一系列數學微分方程和代數方程對液壓系統模型進行求解，但由于液壓系統的高復雜性和非線性，因而求解難度大。秦成［4］、時培成等［5］利用ADAMS建立挖掘機器人的機械、液壓子系統模型，從而建立挖掘機液壓與機械一體化的虛擬樣機模型，但ADAMS的液壓模塊的功能不完善，無法準確建立復雜的液壓泵變量機構與多路閥控制模型，所以不能準確分析挖掘機液壓系統的特性與作業效率、能耗［6］等。另外，對于挖掘機挖掘阻力模型的研究，由于挖掘過程的復雜性，很難對挖掘阻力進行直接分析，也沒有準確的經驗公式可循［7-8］。

為克服以上研究方法的不足，本研究提出多學科協同仿真方法，以液壓仿真軟件AMESim為基礎仿真平臺，利用ADAMS軟件建立機械系統模型，并從離散元仿真軟件EDEM的模擬挖掘過程中得到準確的挖掘阻力模型，從而為大型正鏟液壓挖掘機的性能匹配和優化設計提供有效的模型理論和技術參考。

1 協同仿真原理

在挖掘機的設計過程中，為驗證和優化所開發機型液壓系統與工作裝置負載的各項性能匹配參數，本研究基于AMESim與ADAMS仿真軟件，建立了機液協同仿真模型，協同仿真原理如圖1所示。

首先，筆者在ADAMS中建立挖掘機的機械仿真模型，進行運動學分析驗證;然后，基于AMESim建立液壓系統模型，并以復合控制泵的實際參數變化驗證所建立模型的準確性;最后，通過協同仿真接口模塊，將AMESim液壓系統中測得液壓缸的速度值輸入到ADAMS機械動力學模型中，并將ADAMS中負載力的變化及機構的轉動慣量轉化為每個液壓缸上所受的力，反饋至AMESim中液壓系統中的液壓缸模型中，從而通過實時的數據交換，將挖掘機的液壓系統與機械仿真模型耦合起來。

圖1 協同仿真原理

同時，筆者在EDEM中建立實際工況下的礦石料堆模型，以模擬整個挖掘過程，測試鏟斗所受到礦石的總阻力，將得到的挖掘阻力文本數據導入ADAMS中，并以加載力的方式添加到挖掘機鏟斗機構上，從而能夠為協同仿真提供可靠的挖掘阻力模型。

2 建模與仿真

2.1 ADAMS動力學建模

考慮到ADAMS建模功能較弱以及挖掘機物理樣機的復雜性［9］，本研究對挖掘機工作裝置的銷、板等結構進行簡化，并利用UG軟件建立挖掘機各部件具有質量和轉動慣量等物理特征的的三維實體模型和裝配圖，然后將模型轉成parasolid文件導入ADAMS中，添加約束和和運動關系，并根據挖掘軌跡定義載荷，各執行油缸與馬達的液壓驅動力隨挖掘機運動和負載的變化而變化，在ADAMS中通過函數VARVAL獲取各執行部件的液壓力數據，實現各執行器的驅動，所建立的動力學模型仿真模型如圖2所示。

圖2 液壓挖掘機的ADAMS動力學模型

2.2 EDEM挖掘阻力模型

在挖掘機液壓系統的設計過程中，實際挖掘阻力是驗證液壓系統的各性能參數匹配是否合理的重要模型依據［10］。大型正鏟挖掘機的挖掘對象主要是爆破后的礦石或巖石(非均質各向異性材料)，在實際挖掘過程中由于隨機因素較多和情況復雜，導致挖掘過程中的載荷情況復雜。這里利用離散元仿真軟件EDEM模擬挖掘過程的負載，阻力模型如圖3所示。

圖3 挖掘機EDEM挖掘阻力模型

筆者根據離散元素法建立礦石顆粒模型［11］，通過導入真實顆粒的CAD模型準確描述顆粒形狀大小，并添加力學性質、物料性質和其他物理性質的參數，最后在EDEM中模擬挖掘工況，測量挖掘軌跡上鏟斗的受力，從而能夠得到準確可靠的挖掘阻力。

2.3 基于AMESim平臺的協同仿真

挖掘機液壓系統主要由主泵、主控制閥和執行器等構成。本研究在AMESim仿真軟件中分別建立上述液壓元件子模型，并通過接口控制模塊ADAMS/Controls，構建了全系統機液協同仿真模型。

2.3.1 復合控制泵建模

該型挖掘機采用某型號液壓泵，液壓系統壓力流量特性只與主泵的外特性有關，而與主泵的內部結構無關。所以筆者只關心變量泵的外部特性對液壓系統的影響，而對變量泵的內部變量實現過程和其效率變化過程并不關注。因此可以根據液壓泵的外特性建立主泵的簡化模型。主泵控制方式為恒功率曲線控制，并具有壓力切斷功能，調速方式為容積調速，以保證挖掘機工作時系統在各工況下的工作效率和節能要求。

恒功率控制時主泵出口流量Qh與泵出口壓力P之間的關系為:

壓力切斷控制時泵出口流量Qq與泵出口壓力P之間的關系為:

式中:Qmax，Qmin—泵出口最大、最小流量，L/min;W—主泵調定功率，kW;PS—恒功率控制的啟調壓力，MPa;PC—壓力切斷閥控制壓力，MPa。

當恒功率控制信號、壓力切斷控制信號以及手柄控制控制信號共同作用在主泵的調節器上，泵的流量在三者控制下取小值Q。其數學模型為:

式中:Qp—手柄控制時泵的出口流量，L/min。

根據上述液壓泵的數學模型，本研究在AMESim中建立主泵的仿真模型并進行封裝，以手柄最大擺角信號輸入，仿真輸出主泵的壓力與流量關系，與試驗測試結果對比，驗證了所建立復合控制泵模型的準確性。

2.3.2 協同仿真模型

由于篇幅限制，挖掘機液壓系統中的其他子模型建立過程從略［12］。本研究在ADAMS中定義輸入、輸出狀態變量，生成ADAMS與AMESim兩軟件的接口，在挖掘機AMESim液壓模型中，加載接口模塊，所建立的全系統機液協同仿真模型如圖4所示。

圖4 挖掘機機液協同仿真模型

3 仿真結果與分析

3.1 典型工作循環分析

各液壓缸位移曲線如圖5所示。由圖5可知，挖掘機調整挖掘初始姿態后，從6.5 s開始斗桿挖掘，挖掘持續時間6 s后結束，流量最大時速度達到0.28 m/s，并調整鏟斗姿態，保持最佳挖掘后角。挖掘結束后，動臂開始滿斗舉升，動臂液壓缸7.5 s后伸至最長，速度達到0.22 m/s，并調整鏟斗，以免物料灑落，此時回轉馬達使回轉機構運動，到達指定卸載位置。30 s后開斗缸打開，物料卸載，卸載完畢，開斗關閉，并進入下一工作循環。

圖5 各液壓缸位移曲線

整個挖掘工作循環過程分析結果表明，液壓系統的液壓泵、多路閥、液壓缸的參數與壓力變化、工作裝置各液壓缸的伸長回縮速度、挖掘時間、流量分配情況等均符合實際挖掘需求，并驗證了挖掘機所設計液壓系統的各元件(變量泵、多路閥、液壓缸等)參數匹配的合理性。

3.2 不同負載工況液壓系統參數匹配分析

挖掘機工作過程中的挖掘阻力隨挖掘姿態和礦石顆粒大小的變化而變化，并因影響液壓系統的各向性能參數。挖掘機不同負載下的EDEM挖掘阻力曲線如圖6所示。

圖6 挖掘機不同負載下的EDEM挖掘阻力曲線

挖掘機斗桿挖掘工況時，挖掘機初始的挖掘姿態位置分別為鏟斗進入礦石料堆的深度變化，即從負載1到負載4鏟起的礦石厚度逐漸增加，挖掘阻力相對增大，并可以看到挖掘過程中挖掘阻力波動較大，并隨斗桿液壓缸的不斷伸長，阻力開始減少，是因為3 s后掘削的礦石顆粒層變薄，此時動臂也開始逐步提升。

挖掘機不同負載下的斗桿液壓缸的壓力變化如圖7所示。從圖7中負載1到負載4的壓力曲線變化可以看出，斗桿液壓缸壓力隨負載的增加有變大的趨勢，因礦石顆粒大小不同導致的挖掘過程阻力的變化，使得壓力有一定的波動和振蕩，但能夠保持在限定壓力32 MPa的合理范圍內，此時動臂液壓缸閉鎖，動臂上、下浮動范圍很小，沒有溢流現象。

圖7 挖掘機不同負載下的斗桿液壓缸的壓力變化

液壓泵的輸出功率以輸出壓力、流量關系計算得出，挖掘速度的調節由恒功率控制液壓泵的輸出流量來確定。當負載1較小時，泵以最大流量輸出，速度基本恒定，但挖掘過程負載變化較大，導致功率有明顯的波動。研究結果表明，挖掘機液壓系統流量調節方式、功率變化等滿足實際挖掘工況需求，并為進一步改進和優化液壓系統與工作裝置提供技術思路。

4 結束語

(1)本研究提出了完善的協同仿真方法，并在

EDEM中建立了挖掘阻力模型。仿真結果表明:機液協同仿真模型較真實的模擬挖掘機的工作負載和挖掘工況，為液壓系統的性能匹配及優化提供設計參考模型。

(2)本研究對比不同挖掘負載的仿真結果，所設計的液壓系統能夠適應復雜的挖掘負載工況，液壓泵功率變化及其它液壓元件的各向性能參數匹配合理，且挖掘效率及速度變化等性能均滿足實際挖掘需求。

(3)與此同時，液壓系統和各液壓元件參數，還需進一步完善，各元件壓力損失、系統發熱及溫升情況有待進一步分析，為挖掘機液壓系統設計提供更精確的設計依據。

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