汽車起重機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)聯(lián)合仿真試驗(yàn)研究

曾春峰 陳效平 李志卿 劉紹忠

1邵陽學(xué)院 邵陽 422000 2湖南省汽車技師學(xué)院 長沙 410329 3邵陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 邵陽 422099

0 引言

汽車起重機(jī)是現(xiàn)代化建設(shè)不可缺少的重要工具之一，伴隨著社會的進(jìn)步，對其的各方面性能也提出了更高的要求，而對回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的性能要求是其中至關(guān)重要的一項(xiàng)[1-4]。回轉(zhuǎn)系統(tǒng)工作時要求運(yùn)行平穩(wěn)，制動時間短，起制動和換向時壓力沖擊小，為滿足這些要求，有必要對回轉(zhuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行分析研究，分析回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的動靜態(tài)特性，對系統(tǒng)的各種參數(shù)進(jìn)行合理的匹配，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

汽車起重機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)是一個集機(jī)械裝置、電氣控制、液壓傳動于一體的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)，因此需要一個支持多學(xué)科、多平臺融合的軟件環(huán)境來建立機(jī)構(gòu)和電液系統(tǒng)的精確仿真模型，然后對系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析及優(yōu)化[5-9]。在AMESim軟件中模擬回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)模型的三維負(fù)載很難實(shí)現(xiàn)，因在不同工況下回轉(zhuǎn)負(fù)載不停地發(fā)生變化，常將三維負(fù)載簡化為平面負(fù)載來處理，若需得到接近實(shí)際的仿真結(jié)果，需聯(lián)合機(jī)構(gòu)模型和電液系統(tǒng)模型仿真分析的數(shù)據(jù)，兩個系統(tǒng)實(shí)時進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，綜合各仿真軟件的優(yōu)點(diǎn)。故采用聯(lián)合仿真分析的方法對汽車起重機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。

聯(lián)合仿真軟件選用LMS公司的LMS Virtual.Lab Motion和AMESim兩款軟件進(jìn)行。這兩款軟件均屬于同一家公司，進(jìn)行聯(lián)合仿真時數(shù)據(jù)交換的可靠性和效率更高。本文以某企業(yè)的25 t汽車起重機(jī)為研究對象，分別建立回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)模型以及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)模型進(jìn)行聯(lián)合仿真分析。并通過實(shí)車進(jìn)行試驗(yàn)測試，對仿真模型進(jìn)行修正，得到接近實(shí)際的仿真模型，以此為基礎(chǔ)對回轉(zhuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行動靜態(tài)特性分析以及參數(shù)合理匹配。

1 建立聯(lián)合仿真模型

1.1 建立回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)仿真模型

25 t汽車起重機(jī)回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)主要由泵、換向主閥、緩沖溢流閥、緩沖切斷滑閥、整流單向閥、自由滑轉(zhuǎn)閥、補(bǔ)油單向閥、回轉(zhuǎn)馬達(dá)、安全閥及其他輔助元件構(gòu)成。回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)原理圖

換向閥部分主要包括換向主閥與安全閥，換向主閥（見圖1）特點(diǎn)是在普通的液控三位六通換向閥的基礎(chǔ)上，在回油口上嵌入了一個調(diào)速閥。換向閥的功能主要是控制回轉(zhuǎn)方向以及回轉(zhuǎn)速度。當(dāng)從中位開始沿某方向逐漸移動換向主閥閥芯到最大行程位置會經(jīng)歷3個狀態(tài)：預(yù)開啟狀態(tài)、小開口狀態(tài)、中大開口狀態(tài)。

緩沖閥部分包括緩沖溢流閥、緩沖切斷滑閥整流單向閥組、補(bǔ)油單向閥組以及自由滑轉(zhuǎn)閥等元件。當(dāng)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)起制動以及處于重載工況時，通過緩沖閥分走部分流量，降低系統(tǒng)的沖擊壓力，使回轉(zhuǎn)運(yùn)動更加平穩(wěn)。

AMESim軟件自帶大量液壓元件模型庫，同時也可自定義元件模型，集成功能強(qiáng)大，與其他軟件聯(lián)合的接口豐富，適合液壓元件技系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員使用。因此，本文根據(jù)已有的回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)原理圖和元件參數(shù)，在AMESim中建立了回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)的仿真模型，如圖2所示。

圖 2 回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)的仿真模型

由于模型中各液壓元件的結(jié)構(gòu)和參數(shù)非常接近實(shí)際元件，仿真的精度得到了保證，故為后續(xù)的聯(lián)合仿真奠定了良好的基礎(chǔ)。

1.2 建立回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)仿真模型

25 t汽車起重機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要包括臂架、上車身，回轉(zhuǎn)馬達(dá)、回轉(zhuǎn)減速器、回轉(zhuǎn)支撐等。利用LMS Virtual.Lab Motion軟件自帶CAD引擎建立簡化后的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)三維模型，設(shè)置好材料屬性、運(yùn)動副、驅(qū)動、作用力等參數(shù)，得到回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的仿真模型，如圖3所示，為接下來的聯(lián)合仿真做好準(zhǔn)備。

圖3 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)仿真模型

1.3 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)聯(lián)合仿真參數(shù)設(shè)置

AMESim與LMS Virtual.Lab Motion進(jìn)行聯(lián)合仿真常用的方式有3種：Function Evaluation方式、Coupled方式和Co-Simulation方式。本文采用Co-Simulation方式進(jìn)行聯(lián)合仿真，仿真分析時，AMESim通過自帶的求解器進(jìn)行回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)模型求解，與此同時LMS Virtual.Lab Motion也利用自帶的求解器進(jìn)行回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)模型求解，按照設(shè)置好的通訊步長進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

具體工作過程為：AMESim求解回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)模型得到回轉(zhuǎn)馬達(dá)的輸出力矩，將參數(shù)值傳遞給LMS Virtual.Lab Motion軟件中的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)模型，同時LMS Virtual.Lab Motion將求解得到的回轉(zhuǎn)馬達(dá)角度、角速度參數(shù)值傳遞到AMESim軟件中的回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)模型中，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時數(shù)據(jù)交換，可完整地分析及觀察整個動態(tài)變化過程。

聯(lián)合仿真之前，需對輸入輸出變量、環(huán)境變量及單位變換等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，最后對聯(lián)合仿真接口進(jìn)行設(shè)置，如圖4所示。聯(lián)合仿真時的AMESim模型如圖2所示。全部參數(shù)設(shè)置完成后，可對回轉(zhuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合仿真分析。仿真完成后，將在AMESim中聯(lián)合仿真計(jì)算的結(jié)果導(dǎo)入到LMS Virtual.Lab Motion中，可從AMESim中查看相關(guān)的曲線結(jié)果，也可從LMS Virtual.Lab Motion中回放動畫。

圖 4 AMESim和LMS Virtual.Lab Motion聯(lián)合仿真接口

2 實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果對比

為了驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性，對某企業(yè)的25 t汽車起重機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)車試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用某公司PCI-1710數(shù)據(jù)采集卡，配合 LabVIEW軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集。

汽車起重機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)工作時的工況非常多，如是否伸出吊臂、是否踩油門、慢速穩(wěn)態(tài)或快遞動態(tài)、是否吊重以及吊重的大小、吊車工作時是否在斜坡上、回轉(zhuǎn)速度等。本文主要對基本臂空載怠速穩(wěn)態(tài)、基本臂空載怠速動態(tài)、基本臂重載怠速穩(wěn)態(tài)這3種典型的工況進(jìn)行分析。

首先進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)，采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)。由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)帶有干擾信號，需進(jìn)行濾波處理，經(jīng)過處理后得到了3種典型工況下系統(tǒng)壓力和馬達(dá)流量的試驗(yàn)結(jié)果曲線，如圖5所示。

根據(jù)3種典型工況的實(shí)際情況，設(shè)置聯(lián)合仿真模型的相關(guān)參數(shù)，分別進(jìn)行聯(lián)合仿真分析，得到3種典型工況下系統(tǒng)壓力和馬達(dá)流量的仿真分析結(jié)果曲線，如圖5所示。

圖5 不同工況下仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比

圖5詳細(xì)列出了3種典型工況下試驗(yàn)曲線與仿真曲線的對比情況，試驗(yàn)曲線和仿真曲線的重合程度較好，從而驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性。利用該仿真模型，可以快速高效地分析回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的工作特性、影響因素及極端工況分析等，進(jìn)一步優(yōu)化回轉(zhuǎn)系統(tǒng)性能。

3 結(jié)論

利用AMESim與Virtual.Lab Motion建立的汽車起重機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型比較精確地反映實(shí)際系統(tǒng)。因此可利用該仿真模型，快速高效地分析汽車起重機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的系統(tǒng)特性、影響因素、極端工況等，進(jìn)一步優(yōu)化回轉(zhuǎn)系統(tǒng)性能。該聯(lián)合仿真分析方法綜合了多個軟件的優(yōu)勢，可快速、高效地開發(fā)出可靠的產(chǎn)品，適用于復(fù)雜裝備的設(shè)計(jì)與研究。