基于AMESim與Adams聯(lián)合仿真的挖掘機(jī)鏟斗特性研究

姜雪峰　朱亞軍

摘 要：應(yīng)用大型系統(tǒng)仿真軟件AMESim7.0和Adams2010建立了正流量挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)與工作裝置動(dòng)力學(xué)模型，建立聯(lián)合仿真平臺(tái)分析了挖掘機(jī)的鏟斗聯(lián)的壓力特性和位移特性等，研究結(jié)果表明：仿真結(jié)果和真實(shí)結(jié)果相似，且相比AMESim單平臺(tái)仿真更準(zhǔn)確。

關(guān)鍵詞：AMESim與Adams聯(lián)合仿真軟件；挖掘機(jī)鏟斗；特性研究

引言

作為挖掘機(jī)直接完成工況要求的工作裝置，鏟斗性能的穩(wěn)定發(fā)揮尤為重要。本研究以某中型挖掘機(jī)為對(duì)象，根據(jù)挖掘機(jī)的鏟斗聯(lián)回路建立AMESim模型圖，使用ADAMS軟件建立整機(jī)動(dòng)力學(xué)模型，然后對(duì)鏟斗的操作進(jìn)行精確控制。

1 模型建立

1.1 挖掘機(jī)鏟斗聯(lián)液壓系統(tǒng)的AMESim建模

1.主控閥2.鏟斗合流閥3.防反轉(zhuǎn)閥4.鏟斗液壓缸

圖1 鏟斗動(dòng)作液壓回路

如圖1所示，所研究的液壓挖掘機(jī)的鏟斗聯(lián)的液壓回路，回路包括有雙聯(lián)泵、主控閥1、鏟斗合流閥2、防鏟斗反轉(zhuǎn)閥3和鏟斗油缸4。控制鏟斗油缸的主控閥只有1根閥芯，控制鏟斗的兩個(gè)動(dòng)作。主控閥處于左位時(shí)，鏟斗外擺動(dòng)作，此動(dòng)作負(fù)載較小，只需克服鏟斗的重力，鏟斗合流閥不工作，達(dá)到節(jié)能的效果；主控閥處于右位時(shí)，鏟斗內(nèi)收動(dòng)作，由于鏟斗在挖掘機(jī)時(shí)受到的負(fù)載力很大，所以這個(gè)動(dòng)作需要鏟斗合流閥的合作，從而完成鏟斗合流動(dòng)作，提高挖掘機(jī)作業(yè)效率。為了防止鏟斗在挖掘時(shí)負(fù)載過大而可能引起鏟斗液壓缸活塞桿反向運(yùn)動(dòng)，在回路中裝有單向閥，起到保護(hù)作用。

利用AMESim軟件依照原理圖對(duì)挖掘機(jī)鏟斗聯(lián)回路進(jìn)行建模。由液壓原理圖可知系統(tǒng)采用雙聯(lián)泵，液壓挖掘機(jī)多路閥實(shí)質(zhì)是三位六通閥的組合，為了滿足挖掘機(jī)的各類工況，在多路閥的閥芯上會(huì)開有各式各樣的節(jié)流槽，本研究選用HCD庫中的BAO22模型來搭建，然后只需在模型中設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)即可完成仿真動(dòng)作。最終建立模型如圖2所示。

1.2 挖掘機(jī)工作裝置ADAMS建模

由于ADAMS本身建模的復(fù)雜性，首先采用三維軟件PROE進(jìn)行挖掘機(jī)整機(jī)的建模，然后導(dǎo)入ADAMS中進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。本研究以某公司中型挖掘機(jī)為平臺(tái)進(jìn)行建模，該挖掘機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1，最終三維模型如圖3所示。

如圖4為導(dǎo)入后的ADAMS模型。首先檢驗(yàn)?zāi)Ｐ透鞑糠值耐暾裕狙芯繒翰谎芯客诰驒C(jī)的回轉(zhuǎn)工況，將回轉(zhuǎn)平臺(tái)、底架和履帶即整個(gè)下車平臺(tái)看成一個(gè)整體，此操作通過布爾運(yùn)算獲得，經(jīng)Tools-Database Navigator查得模型中有15個(gè)構(gòu)件。ADAMS中的元件是以構(gòu)件的形式存在，需要對(duì)每個(gè)構(gòu)件重新命名。然后設(shè)置工作環(huán)境（柵格、單位、背景色等）和質(zhì)量信息。最后根據(jù)挖掘機(jī)的運(yùn)動(dòng)情況對(duì)各個(gè)構(gòu)件間進(jìn)行約束和設(shè)置油缸驅(qū)動(dòng)，得出最終挖掘機(jī)無冗余約束，自由度為0，自檢結(jié)果如圖5。

1.3 建立聯(lián)合模型

本研究把AMESim作為主控軟件，在AMESim中運(yùn)行并控制著ADAMS的仿真進(jìn)程。從ADAMS輸出到AMESim中采用共同仿真模式，即由AMESim通知ADAMS在給定的時(shí)間提供它的輸出，由ADAMS自己來求解它的模型。

通過在ADAMS中的變量和接口定義，由ADAMS/Controls模塊模型，然后將模型導(dǎo)入AMESim中，從而在AMESim環(huán)境中建立了能夠被識(shí)別的ADAMS model子模塊，如圖6，可以直接來調(diào)用。本研究只涉及挖掘機(jī)鏟斗工作裝置，ADAMS模型提供速度和位移給AMESim模型，由AMESim計(jì)算液壓缸的驅(qū)動(dòng)力傳遞給ADAMS運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。最終建立的鏟斗聯(lián)的聯(lián)合仿真模型如圖7所示。

2 參數(shù)設(shè)置

2.1 泵的參數(shù)設(shè)置

泵的參數(shù)主要有額定轉(zhuǎn)速和泵出口的排量。泵和發(fā)動(dòng)機(jī)相連，本研究中發(fā)動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為2050 r/min；泵出口的排量由系統(tǒng)壓力確定的，如圖8所示為測得的泵出口壓力與排量的關(guān)系曲線。

2.2 多路閥參數(shù)設(shè)定

彈簧的彈性系數(shù)為k=29.99 N/mm，預(yù)緊力f=105.98N；鏟斗閥的過流面積如圖9所示，本研究只涉及內(nèi)收工況。通過MATLAB把曲線中過流面積與閥芯位移的關(guān)系數(shù)據(jù)以TXT的形式存入記事文章件中，然后通過指定路徑的方式來調(diào)用該記事文章件。

2.3 鏟斗液壓缸的參數(shù)確定

鏟斗液壓缸的參數(shù)在表1中已經(jīng)給出，這里不再敘述。

2.4 ADAMS model子模塊參數(shù)設(shè)置

3 仿真分析

根據(jù)鏟斗的實(shí)際工作速度和平均挖掘時(shí)間，設(shè)置仿真步長為0.05s，仿真時(shí)間為26s。仿真過程中只研究內(nèi)收工況，即鏟斗缸大腔進(jìn)油，小腔回油。

3.1 壓力特性

如圖11，挖掘機(jī)鏟斗內(nèi)收過程，由于鏟斗在內(nèi)收過程中，在鏟斗齒尖過垂直位置之前，重力做功為正功，所以在5.5s之前有桿腔壓力一直大于無桿腔壓力，保持一定的背壓，故有桿腔的壓力大于無桿腔壓力，第5.5s時(shí)，鏟斗與斗桿平行，之后繼續(xù)內(nèi)收必須要克服鏟斗的自重，在6～12s，進(jìn)油路（無桿腔）的壓力必須大于回油路（有桿腔）的壓力。無桿腔的壓力在2.8s之前一直為零，由于閥口存在一定的死區(qū)長度，在閥芯位移小于死區(qū)長度時(shí)，進(jìn)油閥口沒有油液通過，壓力為零。

泵出口壓力開始階段為零，約在2.8s開始逐漸增加，因?yàn)殚_始的時(shí)候閥芯中位節(jié)流口過流面積全開，閥芯移動(dòng)后，中位過流面積逐漸減小，開始建立起系統(tǒng)壓力。

3.2 位移特性

圖12所示為鏟斗內(nèi)收過程中鏟斗缸活塞桿位移隨時(shí)間的變化曲線，在0～1.3s內(nèi)，活塞桿位移為零，油閥口還未打開，第1.3～2.5s行程逐漸增大，之后2s不變，從4.5s開始活塞桿行程不斷增大到11s左右達(dá)到最大值1120mm，在實(shí)際情況中鏟斗內(nèi)收大概為10.5s左右，仿真結(jié)果與實(shí)際情況吻合，能夠證明仿真模型的合理性。

4 結(jié)束語

文章建立了正流量挖掘機(jī)鏟斗聯(lián)的聯(lián)合仿真模型，利用該模型模擬了鏟斗的內(nèi)收工況，分析了鏟斗的壓力特性和位移特性。結(jié)果表明：鏟斗油缸進(jìn)、出油口的壓力仿真曲線和真實(shí)情況很相似，油缸位移仿真曲線和真實(shí)情況之間的時(shí)間差為0.5s左右，證明模型建立的準(zhǔn)確性，這為進(jìn)一步對(duì)挖掘機(jī)工作裝置性能研究提供了一個(gè)很好的基礎(chǔ)。

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