基于AMEsim与ADAMS的双钢轮压路机振动液压系统的仿真分析-.pdf

第 7卷第 l期 2 0 0 9年 3月 中国工程机械学报 C HI N E S E J O U R N A L O F C O N S T R U C T I O N MA C HI N E R Y V0 1 ． 7No ． 1 Ma r ．2 o o 9 基 于 AMEs i m 与 ADAMS的双钢轮压路机 振动液压 系统 的仿真分析 沈建军 ， 刘 龙 ， 唐红彩 1 ． 长安大学 道路施工技术与装备教育部重点实验室 ， 陕西 西安7 1 0 0 6 4 ； 2 ． 长安大学 工程机械学 院， 陕西 西安7 1 0 0 6 4 摘要 双钢轮振动压路机压实作业时需要频繁起振和停振， 起振和停振过程中路面质量难以保证， 所 以要求起 振和停振的动态过程能在较短的时间内完成． 振动系统是 1 个大惯量系统， 由于机器状态改变会带来很大的惯 性力， 这势必造成液压系统的压力冲击， 过大的液压冲击会影响液压元件的寿命和机器的可靠性． 利用 A ME s i m 和 A D A MS软件对该液压系统和振动偏心轴构成的机械系统进行仿真， 研究了系统的动态过程和压力冲击控制 方法 ． 关键词 振动压路机； 液压系统 ； 联合仿真； A ME s i m； AD AM S 中图分类号U 4 1 5 ． 5 2 1 文献标识码 A 文章编号1 6 7 25 5 8 1 2 0 0 9 0 1 0 0 3 1 0 5 Si mu l a t i o n a n d a n a l y s i s o n v i b r a t o r y h y d r a u l i c s y s t e m o n t ande m r ol l e r s us i ng AMEs i m and ADAM S S H E N J ia n - j u n ， U【 ， L o n g 。 ，T A N G H o n g - c a i 。 1 ． Ke y La b o r a t o r y f o r Hi g h wa y C o ns t r u c t i o n Te c h n o l o g y a n d Equ i p me n t o f Mi ms try o f Ed u c a tio n， Ch a n g’ a n Un i v e r s i t y， Xi ’ a n 7 1 0 0 6 4，Ch i n a；2． S c h o o l o f Co n s tru c t i o n Ma c h i n e r y，Ch a n g’ a n Un i v e r s i t y，Xi ’ a n 7 1 0 0 64，Ch i n a Ab s t r a c t To me e t c o mp a c t i o n r e q u i r e me n t s o n t a n d e m r o l l e r s ，t h e f r e q u e n t v i b r a t o r y s t a r t s a n d b r a k e s s i g n i f i c a n t l y i mp a c t o n t h e r o a d s u r f a c e q u a l i t y ．Ac c o r d i n g l y ，t h i s d y n a mi c p r o c e s s s h o u l d b e c o mp l e t e d i n s t a n t a n e o u s l y ． As a r e s u l t ，t h e v i b r a t i o n s y s t e m p o s s e s s e s a l a r g e i n e r t i a，a n d t h e r e a f t e r p r o d u c e s l a r g e i n e r t i a f o r c e s wh i l e ma c h i n e s t a t e c h a n g e s ．Th i s wi l l b r i n g a b o u t h u g e p r e s s u r e s h o c k s t o wa r d s t h e h y - d r a u l i c s y s t e m ， wh i c h r e s u l t s i n l o w h y d r a u l i c c o mp o n e n t l i f e - s p a n a n d ma c h i n e r e l i a b i l i t y ． B y a p p l y i n g a n i n t e g r a t e d s i mu l a t i o n v i a A M E s i mT M a n d AD MS ，t h e h y d r a u l i c s y s t e m a n d me c h a n i cal s y s t e m， wh i c h c o mp r i s e s v i b r a t o r y e c c e n t r i c a x l e s ，a r e s t u d i e d r e g a r d i n g d y n a mi c s y s t e m p r o c e s s a n d p r e s s u r e s h o c k c o n t r o 1 ． Ke y wo r d s v i b r a t o r y r o l l e r ；h y d r a u l i c s y s t e m；i n t e g r a t e d s i mu l a t i o n；A MEs i m ；A DA M S 双钢轮振动压路机主要用于路基和面层的压实作业中， 其传动系统采用全液压传动， 主要包括液压行 走系统和液压振动系统两部分 ， 采用液压传动不仅大大减轻了操作人员的工作强度， 而且使整机的性能有 了很大的提高[ 1 ] ． 高等级路面施工标准规定 ， 高等级沥青路面的压实必须使用双钢轮振动压路机． 根据 公 路沥青路面施工技术规范 [ 2 ] ， 压路机碾压段的总长度应尽量缩短， 通常不超过 6 0 8 0 m． 因此 ， 压路机往 复循环的工作 起步一前进压实停车一后退起步～后退压实一停车 ， 整个工作过程 中起步和停车时间要 占整个循环过程 2 0 ％． 双钢轮压路机的循环作业特性决定了作业中存在着频繁的起振、 停振过程． 压路机 的振动系统和行走系统都是大惯量系统 ， 频繁的起振与停振必然会产生较大惯性力 ， 从而引起液压冲击 ， 影响液压元件的正常使用， 并直接影响路面的压实质量[3 ] ． 因此， 研究振动系统动态过程对解决振动系 作者简介 沈建军 1 9 7 4 一 。 男， 博士生． E - m a i l c h d l i u l o n g g m a i l ． c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中国工程机械学报 第 7 卷 统压力冲击就很有必要． 1 双钢轮压路机振动系统问题分析 双钢轮振动压路机振动液压系统为一典型的闭式变量泵一 定量马达系统， 国产某型号 1 3 t 双钢轮振 动压路机振动液压系统原理图如图 1所示． 圈 1 双钢轮振动压路机振动液压系统原理图 Fi g． 1 Hy d r a u l i c d i a g r a m o f t a n d e m v i b r a t o r y r o l l e r 为了更好了解振动压路机实际工作过程中压力 冲击特性 ， 对国产某 1 3 t 压路机振动系统进行测试， 图 2和图 3分别为测试得到的液压系统高压侧压力变化和马达转速变化曲线． 可以看出， 振动系统的起振 时间在 3 s 左右 ， 这对于双钢轮振动压路机来说是合适的． 然而， 系统的瞬时压力冲击却达到了3 7MP a ， 超 过了溢流阀设定压力． 虽然该 冲击持续时间较短 ， 但 由于双钢轮振动压路机工作 时需要频繁启动和停车， 这必然会使液压系统发热 ， 大大降低液压元件的可靠性和寿命． 当然， 使系统 的启动时间延长可以减小压 力冲击， 但起振和停振时间过长 ， 直接影响路面压实质量 ， 同时也会降低压路机的作业效率， 因此应该寻求 1种切实可行的方法来降低或者消除该压力冲击． 重 主 t ／ S 图 2 起振时高压侧 压力变化 Fi g ． 2 Hi g h e r p r e s s u r e c h a ng e s wh e n s t a r t i n g v i b r a t i o n 图 3 起振时马达转速变化 Fi g ． 3 Mo t o r s p e e d c h an g e s wh e n s tarti ng v i b r a t i o n 冲击压力是由于系统状态改变过程中惯性力引起的． 对于大惯量系统来说， 状态改变得越快， 其惯性 力也越大． 对于双钢轮压路机振动系统来说， 其振动系统起振和停振过程持续时间越短， 惯性力越大， 冲击 压力越大． 为了分析这一过程， 采用 A ME s i m和 A D A MS 对此过程进行联合仿真 ． 2 仿真模型 本文所采用的液压系统仿真软件为 A ME s i m A d v a n c e d Mo d e l i n g E n v i r o n me n t f o r S i mu l a t i o n s ， 该软 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 沈建军， 等 基于 A l V s i m与 A D A MS 的双钢轮压路机振动液压系统的仿真分析 3 3 件为著名仿真软件公司 L MS产品， 其建模过程方便、 灵活、 直观， 在液压系统仿真领域应用 广泛． 同时， A ME s i m还是 1 个鲁捧性极强的智能求解器， 能够根据所建模的数学特性 自 动选择最佳的积分方法， 根据 不同的仿真时刻特点动态地调整积分算法和调整积分步长以缩短仿真时间和提高仿真精度． 另外 ， E s ． i m还是 1个开放的仿真体系， 能够与 MA T L A B， A D A MS等软件进行联合仿真[ 6 ] ． A ME s i m液压系统模型 如图 4所示 ， 溢流阀 1的设定压力为 3 5 MP a ， 溢流阀 2的设定压力为 3 2 MP a ， 阻尼孔 3的直径为 0 ． 8 1 mm， 变量泵 4的最大排量为 5 5 m1 ． r ～， 补油泵溢流阀 5的设定压力为 2 ． 4 MP a ， 补油泵 6的排量为 1 7 m1 ． r ～， 定量马达 7的排量为 3 5 ml r ～． 一～一 旦 一⋯⋯ 一 _ 兰兰兰 三 三 兰兰 兰 兰 1 ,2 一 溢流 阀； 3 一 阻尼孔； 4 - 变量泵； 5 一 补油泵溢沉阎； 6 一 补油泵； 7 一 定量 马达 ；8 一 液压系统负载． 图 4 振动液压系统的 A ME s i m模型 Fi g． 4 AMEs i m mo d e l o f v i b r a t i o n h y d r a u l i c s y s t e m 该液压系统负载 8 即振动轴 的模型通过 A ME s i m的 A D S接 口以分布方式引入 ， 该模型如图 5所 示 ， 固定偏心块与活动偏心块之间通过设置接触来实现高振幅与低振幅 2种工况 ． 采用分布方式进行联合 仿真 ， 2种软件各 自使用 自己的求解器对各 自的模型进行求解 ， 在设定 的时间间隔内进行数据交换 ， 如图 6 所示， 这样可以发挥各 自的求解器在求解特定问题时的特长和优势， 仿真结果更加可靠． 前振动偏心轴 后振动偏心轴 固定偏 心块 图 5 振动偏心轴的 A D S模 型 Fi g ． 5 ADAMS mo d e l o f v i b r a t i o n e c c e nt r i c s ha ft 3 模型验证及仿真结果分析 转速 转矩 图 6 分布方式联合仿真 示意 图 Fi g ． 6 Co - s i m ul a t i o n s c h e ma o f d i s c r e t e mo d e 设定系统仿真时间为 8 s ， 时间步长为 0 ． 0 1 s ， A ME s i m与 A D A MS的数据交换时间间隔为 O ． 0 0 1 S ． 给 电磁阀1 个阶跃信号， 系统高压侧压力变化和振动马达转速化分别如图7 与图 8 所示． 对比仿真结果与测试结果可以看出， 起振时间上二者是基本相同的， 系统压力变化规律基本相同． 仿 真是在对各实际模型进行相应简化的基础上进行的， 仿真精度的提高可通过参数选择和设置来获得． 故此 可以认为该 A ME s i m与 A MS的联合仿真模型基本上反映了实际系统起振时的动态特性， 可以用于对 该系统的分析研究． 双钢轮压路机振动液压系统是通过变量泵排量变化来控制机器起振加速的， 因此通过调控变量泵排 量的变化过程可以调整振动系统的起振加速度进而控制液压冲击． 在振动系统中， 变量泵排量的改变是靠 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中国工程机械学报 第 7卷 伺服油缸推动的， 伺服油缸运动则可以通过电磁阀进行相应的控制． 给电磁阀加上 1 个适宜的电信号， 控 制电磁阀开度变化的快慢 ， 就可 以控制进入伺服油缸的油液流量 ， 从而调整斜盘变化的速度 ． 给电磁阀加 1 个斜坡信号， 保持其他设置参数不变， 重新对系统进行仿真后高压侧压力与马达转速的变化分别如图9 与图 1 0所示． 图 7 高压侧压力变化 Fi g ． 7 P r e s s u r e c h a n g es i n h i g h e r p r e s s u r e s i d e 图 9 调整节流孔后高压侧系统压力变化 Fi g ． 9 Pr e s s u r e c h a n g e s i n hi g h e r p r e s s u r e s i d e a f t e r t h r o t t l e b e i n g a d j u s t e d 鲁 喜 毒 阜 ＼ 可以看出， 改变电磁阀输入特性后 ， 振动液压系统 的启动时间有所延长， 但压力冲击明显下降． 考虑到双宴 钢轮压路机作业特性需求， 起振时间不宜过长 ， 因此合 适的电磁阀输入特性一定要考虑到具体压路机振动系 统惯量大小和作业质量的要求． 按照仿真结果， 对试验 罱 用压路机进行调整， 该压路机 的起振和停振特性 明显任 改善， 如图 1 1 所示 ． 4 结语 图 8 振动 马达转速变化 Fi g ． 8 Vi b r a t i o n mo t o r s p e e d c ha n g es 图 1 0 调整节流孔后马达转速变化 Fi g ． 1 0 Mo t o r s p e e d c h an g e s a f t e r t h r o t t l e bei n g a d j u s t ed 图 l 1 调整后高压侧系统压力 Fi g ． 1 1 S y s t e m p r e s s ur e i n hi g h e r p r e s s u r e s i d e a f t e r bei n ga d j u s t e d 1 采用 A M E s im与A D A MS 联合仿真， 可以模拟双钢轮压路机振动系统启动特性， 液压系统仿真中 负载模型的正确引入是保证仿真结果准确的关键 ， 采用与多体动力学软件联合仿真的方法 ， 可以发挥各 自 求解器的优势， 也使得模型的建立过程更加方便． 2 分析和仿真表明， 通过改变电磁阀输入信号来调节变量泵斜盘的运动特性， 从而改变起振过程中 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 沈建军 ， 等 基于 A ME s i m与 A D A MS的双钢轮压路机振动液压系统的仿真分析 的加速度， 可以明显降低冲击压力， 但同时要影响系统的响应时间， 因此应在二者之间取一最佳的平衡点． 具体的参数需根据压路机振动系统惯量大小和作业质量要求来定． 参考文献 冯忠绪 ． 工程机械理论 [ M] ． 北 京 人民交通 出版社 ， 2 0 0 4 ． F E N G Z h 0 n g c u ． T h e o r y o f c o n s t r u c t i o n m a c h i n e r y [ - M] ． B e i j i n g C h i n a C o m m u n i c a t i o n P r e s s ， 2 0 0 4 ． 中华人民共和国交通部． J T G F 4 O ～2 0 0 4 公路沥青路面施工技术规范 [ s ] ． 北京 人民交通出版社， 2 0 0 4 ． P R C Com mu n i cati o n Mi n i s t r y ． J T G F 4 0 - - 2 0 0 4 S p e c i fi c a t i o n f o r c o n s t r u c t i o n o f a s p h a l t r o a d[ S ] ． B e i ／ in g Chi n a Com mu n i cati o n Pr e s s， 2 0 0 4． 冯忠绪， 姚运仕， 冯健生． 热沥青混合料碾压过程的离析现象[ J ] ． 长安大学学报 自然科学版， 2 0 0 6 ， 2 6 3 9 6 9 9 ． F E N GZ h o n g x u ， Y A OY u n s h i ， F E N G J i a n s h e n g ． R o l l i n g s e g r e g a t io n o f h o t a s p h a l t m ix t u r e口] ． J o u r n a l o f C h a n g ’ a n U n i v e r s i t y N a t u r a l S c i e n c e Ed i t i o n，2 0 0 6， 2 6 3 9 69 9． 孙祖望， 卫雪莉 ， 王鹊 ． 振 动压实的动力学过程及其响应特性的研究口] ． 中国公路学报 ， 1 9 9 8 ， 1 1 2 1 1 71 2 6 ． S U N Z u w a n g ， WE I X u e l i ， WA N G Q u e ． T h e d y n a mi c p r o c e s s o f o s c il l a t o r y c o mp a c t i o n a n d i t s r e s p o n s e c h a r a c t e r i s t ／ c [ J ] ． C h i n a J o u r n a l of Hi g h wa y a n d Tr a n s p o r t ，1 9 9 8，1 1 2 1 1 71 2 6． 秦四成． 程悦荪， 李 忠， 等． 土壤振动压实下动态性能试验研究[ J ] ． 农业工程学报， 2 0 0 1 ， 1 7 1 4 2 6 2 9 ． Q I NS i c h e n g ， f E N G Y u e s u n ， L I Z hon g ， e t a 1 ． Dy nami c s t u d y o nt h e s o i l c o mp a c t i o n b y v i b r a t o r y r o l l e r [ J ] ． T r a n s a c t i o n sof t h e C h i n e s e S o c i e t yAg r i c u l t u r a l En g i n e e r i n g， 20 01 。 1 7 1 4 2 62 9 ． 余佑官， 龚国芳， 胡国良． A M E s i m仿真技术及其在液压系统中的应用口] ． 液压气动与密封， 2 0 0 5 3 2 8 3 1 ． Y U Y o u g u a n ， G N G G u ofa n g ， H U G u o l i a n g ． S imu la t i o n t e c h n i q u e a n d i t s a p p l i c a t i o n i n h y d r a u l i c s y s t e m[ J ] ． H y d r a u l i c s P n e u m a t i c s ＆ S e a l s ， 2 0 0 5 3 2 83 1 ． ⋯⋯⋯⋯⋯⋯ ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一一’ 。 ’ ； i ； ； l 下 期部 分文 章 摘要 预报 } ； { i 行 星 轮系 刚 柔 耦 合多 体 动 力 学 分 析 l ； ； } -5 I ， 杨 伟， 尤 小 梅 } ； l 建 立 了 行 星 轮 系 刚 柔 耦 合 多 体 动 力 学 仿 真 模 型 ， 应 用 多 体 动 力 学 仿 真 分 析 软 件 l 5 R e c u r D y n ， 仿 真 计算了 行星 轮系 齿轮 在完整 工作 周期， 给 定最危险工况 下的 动力学 5 l 响 应 ， 得 到 了 刚 柔 、 柔 柔 齿 轮 副 之 间 的 动 态 接 触 力 ， 与 理 论 值 比 较 吻 合 ； 同 时 得 到 了 i ； 柔 性行星 齿轮和 太阳 轮的动 态等效 应力分 布云图， 以 及任意 节点的等 效应力， 分 析 5 i 出 行 星 轮 破 坏 的 原 因 ， 为 行 星 轮 的 动 态 优 化 设 计 和 灵 敏 度 分 析 奠 定 了 基 础． i { { ； { l g ⋯⋯一⋯⋯ ⋯⋯⋯⋯⋯⋯ ， ] ] ] ] ] ] 哪 嘲 嘲 嘲 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m