基于SimulationX的液压挖掘机仿真研究.pdf

第 6 期 总第 1 6 3 期 2 0 1 0年 i 2月 机 械 工 程 与 自 动 化 MECHANI CAL ENGI NEERI NG AUT0MATI ON No．6 De c． 文 章 编 号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 0 0 6 0 1 5 9 0 2 基于 S i mu l a t i o n X 的液压挖掘机仿真研究 悄 彦海 阳泉煤业 集 团 有限责任公 司，山西 阳泉0 4 5 2 0 9 摘要 在仿真软件 S i mu l a t i o n X 中建立 了液压挖掘机 动臂液压 回路的仿真模型， 根据实际测试设置模型的主要 参数。对仿真模 型进行 了验证，给出 了仿真 曲线 ，并对仿真结果进行 了分析和 比较 ，验证 了仿真的可行性 。 关键 词 液压挖掘机 ；S i mu l a t i o n X；系统仿真 中 图 分类 号 TD4 2 2 ． 2 TP 3 9 1 ． 9 文 献 标 识 码 B 0 引言 传统 的 液压挖掘 机设计 大量采 用经 验公式 和静态 设计 ，设 计 出的液压 系统在 遇到实 际工作 中的复杂工 况时无法有效应对，往往无法达到设计要求的工作能 力 。采用 虚拟样 机设 计 的方 法能够设 计 出满足 复杂工 作要求的挖掘机 ， 因此这种方法得到越来越高的重视。 由于传统的微分方程和差分方程不能够很好地解 决 真实 系统 工作 中遇 到的复 杂工作环 境 ，因此 ，采用 大 规模专业 化 的仿 真 软件进行 虚拟样 机 的仿 真分 析是 近 年来液压 系统设 计 的方 向。 S i mu l a t i o n X 是 I TI 公 司 2 0 O 2 年 推 出的新一代 先进工 程系统 模拟 软件 ， 它支 持 最 新 的多 物理 领 域 仿真 语 言 Mo d e l i c a以及 交互 式 图 形界 面 G UI ，同时 ，S i mu l a t i o n X还 有直接 支 持 3 D 模型等功能 。 在液压仿真方面， S i mu l a t i o n X有一套完 整 的流体元件 库 ，不仅有 液压学 库 ，还 有流 体设计器 F l u i d D e s i g n e r 可 以作为液 压学库 的补充 工具 ，用 于 创 建 和 编 辑 用 户 定 义 的 流 体 及 液 压 元 件 。鉴 于 S i mu l a t i o n X具 有 用户 界 面友 好 、建模 方 式先 进 等特 点 ，本文 采用该 软件 作为仿 真平 台。 1 挖掘机 仿真 模型 的建立 本文 取挖掘 机 的动臂基本 回路 为研究 对象 ，对其 进行液压系统的仿真分析。选取常用的开式 回路、阀 控 系统 ，油 缸 的上 升 和下降通 过换 向阀换 向实现 。 挖掘机 液压 系统通 常采用 多路 阀进 行控 制 ，此 处 仅取出其 中用于控制挖掘机动臂的两联建立系统模 型， 其液压原理图见图 1 。 图 1中两个换 向阀分别为多 路阀中的两联 ，因动臂往往需要双液压缸驱动，实际 使用 中根据需要采用双联联合先导液压方式进行 控 制 ，通过 先导控 制 实现动 臂双液压 缸 的联动 ；主溢 流 收稿 日期 2 0 1 0 - 0 6 0 1 ；修回 日期2 0 1 0 - 0 8 2 7 作者简介 何彦海 1 9 6 8 一 ， 男， 河北井陉人 ， 工程师， 本科 。 阀安装 在换 向 阀之前 ，用于保 护液压 泵 ；二 次溢 流阀 安 装在 换 向阀之后 、动 臂液压 缸之前 ，用 于保 护液 压 缸 。 以此 为依据 ， 在仿 真软件 S i mu l a t i o n X 中建立相应 的液压 回路模 型 。 1 一变 量 泵 ；2 一 主 溢 流 阀 ；3换 向 阀 ；4二 次 溢 沉 5 一动臂左液压缸 ；6 一动臂右液压缸 图 l 动臂液压 系统原理图 模 型 中外 载荷 由质 量模 块 ma s s以及外 加 力模 块 s o u r c e施加 。换 向 阀的动作 由信号模 块 c u r v e 1 控 制 ， 此 处 施 加 一 均 匀 的 变 向 信 号。信 号 数 学 曲线 在 S i mu l a t i o n X的信 号编辑 窗 口中可 以进 行方便 的编 辑 。先 导控 制信号 曲线 如图 2所示 。 2挖掘 机仿 真模型 的运行 在建 立完成 的模 型 中输 入 系统元 件的参 数 ，并 选 择需要仿真的量，开始仿真分析 。 2 ． 1 液 压缸位 移 曲线分析 液压缸位移曲线见图 3 ，其 中的 z曲线为两个液 压缸 的位 移 曲线 ， 曲线为 控制信 号 曲线 。 因两 换 向阀 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 6 0 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 0年 第 6期 采用同一信号控制 ，两个液压缸的位移曲线相同。由 图 2可见 ，随着控制信号的变化 ，液压缸产生平滑的 位移 。液压缸 首先 向正方 向位 移 ，液 压杆伸 出 ，然后 向负方向位移 ，在末段受载荷下落的影响产生少量负 位移 。 辞 ＼ 1Ⅱ皿 e Ⅱ 坦 O O ． 2 O ． 4 O ． 6 O ． 8 t ／ S 图 2先导控 制信 号曲线 ． t ／S 图 3 液 压 缸 位 移 曲线 2 ． 2液压缸 压 力曲线 分析 液压缸压力曲线见图 4 ， 其中 为液压缸无杆腔 压力 曲线 ， P 为液 压缸有杆 腔压 力 曲线 。 由图 4可见 ， 在0 ． 5 s 左 右 ， 信 号发 生变化 处 ， 液压缸 压力开始 上升 ， 载荷被提升。有杆腔和无杆腔之间有一个压力差，压 差值同载荷相平衡。 2 ． 3换 向阀流量 分析 换 向阀流量 曲线 见 图 5 ， 其 中 Q 为换 向阀 出 口 的流量曲线， Y为控制信号曲线 。 由图 5可见两者保持 一 定 的对 应关 系 。 2 ． 4 溢流 阀压力 曲线 主 溢流 阀压力 曲线见 图 6 。 由图 6可见 ， 在 系统压 力超过设定值时 ，溢流阀开启，多余的油液从溢流阀 流走 ，系统压 力在 一个范 围 内降低 。 3结 论 利用仿真工具 S i mu l a t i o n X建立了液压挖掘机动 臂液压系统的简化模型，并进行了仿真分析，得出液 压缸位移 、压力、流量方面的仿真曲线，证明了该软 件 在虚 拟样机 分析应用 方面 的可行 性 。 1 O O t ／ s 图 4液 压 缸 压 力 曲线 O O ． 2 O ． 4 O ． 6 0 ． 8 } ／s 图 5 换 向阀流量 曲线 6 0 4 O 2 O 0 i ● 2 O ＼ 、 一 4 0 一 6 0 8 0 、 ～ ⋯ 0 O ． 2 O 4 0 ． 6 0 ． 8 1 t ／ s 图 6 主溢流 阀压力 P 的变化 曲线 参考文献 [ 1 ] 天津工 程机械研究 所． 单 斗液压挖 掘机E M] ． 北京 中国 建筑工 业出版社 ， 1 9 7 7 ． S i m u l a t i o n Ana l y s i s o f H y d r a u l i c Ex c a v a t o r wi t h S i mul a t i o nX H E Ya n ha i Ya n g q u a n Co a l I n d u s t r y Gr o u p Co ．， Lt d ．， Ya n g q u a n 0 4 5 2 0 9 ， Chi n a Ab s t r a c t The s i mul a t i o n mod e l of t he hy dr a ul i c s y s t e m of t he bo om of a h ydr a ul i c e xc a v a t or h a s b e e n e s t a bl i s he d ba s e d on t he s im u l a t i o n s o f t wa r e S i mu l a t i o n X． Th e p a r a me t e r s h a v e b e e n s e t s o n t h e b a s i s o f t e s t d a t a ． Th e a n a l y s i s r e s u l t s v e r i f y t h e c o r r e c t n e s s of t he s i mu l a t i on． Ke y wor dshy dr au l i c e x c a va t o r； Si mul a t i o nX； s y s t e m s i mul a t i on ∞∞∞ 如0如 ∞ ∞ 8 6 4 2 乏宣 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m