在小型液压挖掘机液压系统中的应用.pdf

应用动 A M E S im 仿 真 技 术 在 小型 液 压 挖 掘 机 液 压系 统中 的 应用 龚进，冀谦，郭勇，张德胜 中南大学机电工程学院， 期南长沙4 1 0 0 8 3 【 月砚 洲 井 一 琴一墨瞥翼瓣犷 摘 熟 对 A A t E ” 软 件 及 其 基 本 特 征 做 了 简 单 介 绍 ; 应 用 A M E S im 建 模 仿 真 技 术 对 挖 掘 机 动 臂 液 压 系 统 进 行 仿 真 ， 并 把 仿 耳 纳 攀 与实测结 果进行 比较分 析。结果 表明 ，仿真模型是 实际模 型的正 确反映 关健词A M E S im 仿真;液压挖掘机; 液压系统;动臂 中图分类号 T U 6 2 1文 献标识码 A文章门 号 1 0 0 9 - 9 4 9 2 2 0 0 7 1 0 - 0 1 1 1 - 0 4 1 引言 A M E S i m A d v a n c e d M o d e l i n g E n v i ro n m e n t f o r P e r - fo r m i n g S im u la t io n o f E n g i n e e r in g S y s t e m s ，工程系统仿真 高级建模环境是 I M A G I N E公司于 1 9 9 5年推出的基于键 合图的一个图形化开发环境，专门用于液压/ 机械系统的 建模、仿真及动力学分析。 A M E S im专门为液压系统建立了一个标准仿真模型库， 包含 1 2 0多个不同复杂程度的模型。鉴于液压系统的元件 多式多样，标准库无法满足所有建模要求，A ME S i m提供 了一个基本元件设计库H D C H y d r a u l i c c o m p o n e n t d e - s i g n , HD C是一个强大的工具，包含了任何机液系统的基 本结构单元模块。利用H D C，用户可以建立标准库中没有 的液压模型。 2 基干A M E S i m的小型液压挖掘机动借 下 降的液压系统仿真 2 . 1 动胃下降工作原理 采用节流系统的小型液压挖掘机动臂工作的液压系统 原 理 图 如 图 1 和 图 2所 示 。 图 2小 型 液 压 挖 掘 机 动 臂 下 降 液 压 工作 原理 图 图 1小型液压挖掘机动臂液压工作原理图 2 .2仿真徽型的趁立 整个液压系统主要由泵、多路阀、液压缸和负载组 成。下面将分别对其中三种主要元件进行分析，并确定参 数建立相应的仿真模型。 1 液压泵 AM E S i m软件中关于泵的模型有几种，如单向定量泵、 双向定量泵、单向变量泵、双向变量泵、压力调节泵。文 章研究的液压系统所用液压泵采用的是一种近似恒功率泵。 根据实际泵的模型及A ME S i m软件中各种泵模型的具体应 用范围，选用压力调节泵作为仿真泵的模型。 泵与发动机是相连的，对系统进行测试时，使发动机 在额定转速下工作，其额定转速为2 3 0 0 r / m in . 测得泵的出口压力与排量曲线如图3所示。 收稿 日 期 2 0 0 7 -0 5 -3 1 万方数据 息 技术 动 }一I}}}1一 es }} \ 、}}} }}\ 工}} }} } 、 、{ } } 三}}}、 卜 } }一{{与 犷 一-}}} 一} ]} }}}一 1}}一}}一 {- }}}一}} 一一 阀芯与各处的节流[J死区尺寸如图5所示 从图5中可以看出，在阀芯中有 6处存在节流口，文 章所研究内容为动臂下降的单动作，此时起作用的节流口 只有 3 处，它们分别是 2 、3 、6 ，所以只需对这三处的尺 寸进行测量即可得到所要参数 2 1 5 ‘， 氏 3 2 4 2 目 P 目 图3泵出口压力与排量曲线 2 〕多路阀 在A ME Sim软件中，有两种定义元器件的方式，第- 种 直接调用 A M E si m 里现有模型 ;第二种 通过 A M E Sim提供的一些小单元来自行搭建元器件 A M E si m里现有阀的模型只能定义时间与所流过阀的 流量之间的关系，而文章研究的液压系统所用多路阀为液 压先导式换向阀，研究重点是各种形状的节流槽与节流面 积之间的关系。所以软件中所提供的模型不能直接利用， 须通过上述中的第二种方法来搭建模型。经过研究阀联的 内部结构及A ME sim软件所提供的各种元器件模型，所搭 建的A ME sim多路阀模型如图4所示 图 5阀芯 与 各 处 的 节 流 日死 区 尺 寸 3 先导压力 先导压力是用液压综合测试仪multi s yste m 5 O 50 实测 的，所测压力曲线如图6所示。 阀芯与各处的节流口死区尺寸如图6所示。 卿 鹦熬攀樱黔缚攀黔叶、 图4A ME Sim多路阀模型 多路阀参数确定 1 弹簧 ①弹性系数的测量 测量原理对弹簧缓慢加力，让其匀速运动，根据公 式凡k ，求得k 月9 ， 99N / Inln 。 ②弹簧预紧力 阀芯在中位时，阀芯两端的弹簧有一定的压缩量，所 以存在预紧力。预紧力的大小与液压先导力推动阀芯所需 的起始力的大小是相等的。 先导压力作用在阀芯上的面积为 图6动臂下降时的实测先导压力曲线 ， 二 、 。 {答 }’ 6 3 放 、m m Z 因此，预紧力 户P A二 6 3 石 Z x l o 人0 2 x 1 0 性1 27 2 N 2 阀芯及阀体 ①阀芯质量 阀芯质量是用电子天秤进行称量的。称得其质量为 1 2 5 .24 9 。 ②各处节流口的形状及尺寸，及节流口与阀体配合时 的死区长度。 3 液压缸和负载 在动臂下降的过程中，虽说对整个挖掘机来说是空 载，但对动臂来说是有负载的，因为动臂油缸还要支撑动 臂 、斗杆、斗杆油缸、铲斗和铲斗油缸，在动臂下降的过 程中，这个力的大小是时刻在变化的。在文章中，是通过 在动臂油缸的一端加一负载力曲线来体现这一作用力的， 其 A M E S 皿 的模 型如 图7所示 ， 液压缸负载特性 曲线 如 图 8 所 示 。 昼 伽恒震氢 图7A ME sim液压缸和负载模型 万方数据 应用动 L o a d N 900003500030000 匡 王三三 三 三 卫 2600020000Iwolowwo0一聋 0 2 a份白l a T im e 习 、 】 l j 、 尸 心‘ V 图8液压缸负载特性曲线 4 整个系统的A M E S im模型 通过以上搭建的各液压元器件的模型，把它们组合在 一起就是个完整的动臂下降的A M E S im液压系统模型， 如图9 所示 ④ 5 0 5 0 进行了实测，所测得的压力曲线如图 1 1所示。 在图 I 1 中 曲线 1 液压缸下降时有杆腔压力曲线; 曲线2 液压缸下降时无杆腔压力曲线; 曲线3 液压缸下降时泵出口压力曲线。 3 仿真与实测结果比较 不同之处 ①实测曲线的8 . 8 ， 左右有一个 压力骤增的过程， 这是 在实际操作时，出现说流时的状态，而在仿真过程中没有 考虑这一动作，所以在仿真曲线中没有出现此状态; ②对比两图中泵的出口 压力曲 线， 在图1 0 中从。 - 1 . 5 s 左右压力一直为0 ，而图 1 1 中大概为 1 5 6 a r ,这主要是由 于在实际中油直接回汕箱时存在的回油背压，在仿真时没 有考虑回油背压; ③对比两图中有杆腔的压力曲线， 在图1 0 中 从。 一 1 .5 秒左右压力 一 直为0 ，而图1 1中大概为2 8 6 a r 左右，这主 要是由于挖掘 机在没有动作 时里面也充满 不不不石斗 落 4 早 而 而_了液压油而产 辱 .K ③ LJ目 图 9动臂下降时的A ME S i m液压系统模型 3 模型验证与结果分析 封 仿真结果 把上述参数加人仿真模型，进行了仿真，其部分参数 曲线如图t o所示 在图10 中 曲线 1 -液压缸下降时有杆腔压力曲线; 曲线2 -液压缸下降时无杆腔压力曲线; 曲线3 液压缸下降时泵出口压力曲线。 2 实测结果 为了验证仿真结果的正确性，对挖掘机下降时有杆 腔 ，无杆腔及泵 出口的压力用综合测试仪 m u lt ie y s te m 生的压力 ，而 仿真时没有考 虑此种状态。 相 同 之 处 ; 从 图 1 0 中 可以看出从 1 .5 - 8 s左 右 ， 仿真曲线与实 测曲线不 管是 从 曲线 的变化 趋 势，还是 曲 线 上相应 的数 值 都是非 常接 近 的。而 L 5 - 8 s左右是挖掘 机 动 臂 下 降 正 常动作的时间，这段时间里的仿真结果与实测结果的一致 性，可以得出仿真模型是实际模型的正确反映。 1 2___ 3 图 1 0 0 74 s日1 0 1 S mP 阁 液 压缸 无杆 腔 、有 杆 腔 压 力 及 泵 的 出 口压 力 仿 真 曲 线 万方数据 息 技术 ‘’ lso lso ..._.._..._;一 ; Display as gaphic ....... -卜一 日 { 一一厂 一{一 } 「- - 一嘴 {一 i 、 ‘ ， 带 i ._ ._ ......- }一 } { 一 {一 } 一_ 一 「 ， 一{另 卜 一占 - - -- -- ---- fj }I} }一 不 一 - 一 一 一 - - - 一」 一 一 } 一 一_一 __汉 {}k 广全 }I s }一那 {一一 非 扮 };{}; 一 二习 } ___见竺 _ 了 - 一 井一 ’ l- 尸】 畔衅 芍 ，一 ， 「’I U I 曰 下 r 如一 11」i I了 图 1 1液压 缸 无 杆 腔 、有 杆 腔 压 力 及 泵 的 出 口压 力 实 测 曲 线 行了仿真建模，仿真结果与实测结果基本吻合，仿真模型 是实际模型的正确反映。因此，A ME S i m对挖掘机液压系 统的设计和分析有十分重要的作用。 参 考文 献 [ 1 1秦 家升 ，井 善 兰 .A M E S i m欲 件的 特征及 其 应用〔 J 1 . i租 机械 ，2 0 0 4 , 1 2 ; 6 - 8 . [ 2 〕付 永 领 ，4 R 晓 开. A M E S im 系跳 建模 和仿 真从 入 门到精 通 [ M〕北京 北京 航空航天大学出版社， 2 0 0 6 [ 3 1黄 宗益 ，叶伟 ，李 兴华.液压挽 栖机 液a A统棍 述 [ 1 1. 建 筑机械 化 ， 2 0 0 3 , 9 , 1 2 - 1 6 . [ 4 1冀 宏 .傅断 .杨 华勇.几种 典型液 压 间口过 流面 称分析 及计 算 [ J ]. 机床 与液压 . 2 0 0 3 , 0 5 , 1 4 - 1 6 【 5 ]W 霍 夫受 ， 等液 压元件 及 系 统 的动 态仿真 [ M ]. 杭 州 浙 is 大 学tN 版社 .1 9 8 8 . 4结论 1 利用AM E S im图形化的建模方法对挖掘机液压系 统进行仿真，避免了繁琐的公式推导，显示了A M E S im是 一个方便、高效、直观的动态系统建模和仿真分析工具。 2 应用A ME S i m对小型液压挖掘机动臂液压系统进 第 一作者 简介 龚进 。男 。1 9 6 3 年生 ，湖南益 阳人 .硕 士 ， 副 研 究员 .高级 工程师 。研究 领城 工程 装备 电液控 制及 机 电一体 化。已发表论文2 0 篇。 编辑 向飞 争 升月 斗 冷 争 升争 升争 奋 务 争 奋 4 争 奋 于 争 奋 M“ 令 子 争 于 a e峥羚升升唱冷升升洲啥冷升升升争 争 升升争 升卜 粉争 升 资升 升曙玲升 上 接 第 4 3页 2 软件设计思路 由于系统有两种工作方式，所以软件的设计有两个分 支。对于手动工作方式，主要控制功能是由人工操作的， 通过不同的按键实现不同的动作，这时软件的功能就是把 按键输人信号直接变成输出信号，驱动相应的机构动作。 对于自动工作方式，软件的功能一方面是不断读取相应输 人信号，如光电开关、位置开关等状态值，同时要根据这 些状态值结合上下动作时序，作出下一步动作的判断，并 输出相应的信号，通过驱动电路驱动机构动作。另外，软 件部分还有运行状态显示、结果显示、报警、故障应急处 理等等功能。 系统主程序流程图如图3所示。 3 软件设计中的几个问题 ①动作互锁。为了保证检测机构动作的顺序性，系统 在软件设计上采用了前后动作互锁功能，使前后动作不能 错位，并且没有前面的动作后面的动作就不能进行。 ②断电保护。系统所使用的状态元件、定时器和数据 处理器均采用电池作为后备元件，当突然掉电时，可启动 电池电源以保护现场数据等。 ③故障应急处理。当遇到电气、机械故障或意外情况 时软件按超时进行处理并报警，终止正在进行的动作，然 后 进 人手 动 方式 进 行 故 障 处 理 。 5结束语 由于 P L C具有使用灵活方便、性能稳定、可靠性高、 成本低等优点，在工业、通信等领域的应用非常广泛。该 轴承质量自动检测系统采用 P L C可编程控制器作为系统的 控制中心，实现了在轴承生产线上的自动上料、定位、检 测、卸料及分选等功能，与之前的人工手动测量方式相 比，测量精度、工作效率和可靠性大大提高，降低了人工 劳动强度，并且降低了企业的生产成本。 .考 文献 [ l ] 梅 宏 斌. 滚 动 抽 承振 动 监 剥 与 诊 断一 理 论 、 方 法、 系统 [ M] .北京 机械 s业 出版社 ，1 9 9 6 L 2 〕王 卫 兵， 高俊 山.可编 程序 径制 器 原理 及应 用[ M].第 2 版 ，北京 机械 工业出版 社，2 0 0 2 . 【 3 〕王兆 义小型可 编租拉制 器实 用 技 术 【 M 〕北京 机械 二业 出版杜 ，1 9 9 6 . 第一 作者简 介李猛 ，男 ，19 8 2 年 生 ，山东济 宁人 ，硕士 。研 究领 域工业 监控 。 编拜 梁玉 万方数据