基于机液耦合的双钢轮振动压路机行走液压系统仿真.pdf

基于机液耦合的双钢轮振动压路机行走液压系统仿真 刘龙 ， 唐红彩 ， 冯忠绪 ， 沈建军 长安大学工程机械 学院 摘要 双钢轮振动压路机行走液压系统是典型的闭式变量泵一 定量马达系统 ， 此类液压系统的分 析计算中负载通常是静态的，而实际作业时，振动压路机启动或停车过程中的负载是变化的。利用 A ME s i m软件建立压路机行走液压系统的仿真模型， 同时利用 A d a ms 软件建立压路机动力学模型以获得 对液压系统进行仿真时的负载， 通过 A ME s i m与 A d a m s 的联合仿真 ， 较好地模拟双钢轮振动压路机行走 系统的工作特陛， 仿真结果与试验结果吻合较好。 关键词 振动压路机 ； 行走液压 系统 ； 联合仿真 ； A ME s i m； A d a ms 双钢轮振动压路机主要用于路基和面层的压实 作业f l 】 ， 路面施工标准 中规定 ， 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 ，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， 为此 ， 压路机必须循环往 复地工作 起步一前进压实_ 停车一后退起步一后 退压实 事 车 ，其 中起步和停车的时间约 占整个循 环过程的 2 0 ％。双钢轮振动压路机的行走系统是大 惯量系统 ， 如果液压系统参数匹配不 当， 如此频繁地 起步、停车将会对压路机 的液压系统造成较大的压 力冲击 ， 影响液压元件 的正常使用 。影响液压系 统性能的参数很多 ，如何评价各参数对系统 的不同 影响是困难的，采用液压系统仿真是解决这个问题 的较好途径。 1 液压系统仿真存在的问题 双钢轮振动压路机行走液压系统是典型的闭式 变量泵一 定量马达系统 ，图 1 所示为 国产某型号双 钢轮振动压路机行走液压系统的原理 图。变量泵 1 分别带动两个排量相 同的斜轴式马达 2和 3 进行工 作 ，当系统压力过大时溢流阀 4或 5开启 以对系统 进行保护 ， 变量泵 由电磁换 向阀 6控制 。 在此类液压 系统的仿真分析中，通常要将负载变化特性事先测 出来 ，再根据负载特征加一个等效载荷进行仿真分 析 。 实际上 ， 压路机在启动或停车的过程 中负载是动 态变化的 ， 这种简化忽略了动态因素的影响 ， 是造成 液压系统仿真精度不高的原因之一。负载的动力学 模型是对负载动态特性的准确描述 ，动态负载 的合 1 ． 行走变量泵2 、 3 ． 行走马达4 、 5 ． 溢流阀6 ． 电磁换向阀 图 1 双钢轮振动压路机行走液压系统原理图 作者简介 刘龙 1 9 8 5 一 ， 男， 山东临沂人， 在读硕士， 研究方向 振动压路机动态特性及其仿真。 --- 49---- 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 理引入是液压系统仿真的关键之一。本文将在动力 学软件中建立双钢轮振动压路机 的虚拟样机模 型 ， 这一模型具有足够的精度 ， 能够真实地反映液压系 统的负载特性， 可以与液压仿真软件结合起来完成 整个机械一 液压系统 的联合仿真。 2 仿真模型的建立 2 ． 1 液压系统仿真模型的建立 本 文所采 用 的液压系统 仿真 软件 为 AME 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 m e n t f o r S i mu l a t i o n s ， 该 软件为著名仿真软件公司 L MS的产品 ， 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 M E s i m还是一个鲁棒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， 并根据不同的仿真时刻特点 ， 动态地调整积 分算法和积分步长， 以缩短仿真时间和提高仿真精 度 。另外 ， A ME s i m还是一个开放的仿真体系 ， 能够 与 MA T L A B 、 A d a ms 等软件进行联合仿真。 A ME s i m液压系统模型如图 2所示 ， 其 中， 变量 泵 1的最大排量为 5 5 mL ／ r ，补油泵 2的排量为 1 7 mL ／ r ， 斜轴式定量马达 3的排量 为 6 0 mL ／ r ， 两马达 后分别带有一个速 比为5 1的减速装置 7 。溢流阀 4 的设定压力为 4 2 MP a ， 压力限制阀 5的设定压力为 3 9 MP a ， 模型 6为 A d m a s 马达负载。 1 ． 行走变量泵2 ． 补油泵3 ． 行走 马达4 ． 溢流阀5 ． 压力 限制 阀6 ． A d a ms 马达负载模 型7 ． 减速装置 图 2 行走液压系统的 A ME s i m 模型 2 ． 2 机械 系统仿真模型的建立 本文所建立 的双钢轮振动压路机的 A d a ms 模 型如图3所示 ，压路机机架简化为位于质心的集 中 质量 ， 主要参数如表 1 所示 。 后 面 图 3 双钢轮振动压路机的 A d a ms 模型 压路机行驶性能试验通常在水泥路 面上进行 ， 因此可 以认为路面为刚性的。 在 A d a ms 中通过在钢 轮与路面之间设置接触副 c o n t a c t 来模拟钢轮滚动 时的受力状态 ， A d a m s 中接触副的库伦摩擦力模型 如 图 4所示 ，其中 为最大静摩擦 系数 ， 为动摩 ～ 50一 表 1 Ad a ms 模型的主要参数 I钢轮直径／ m m 1 2 1 4 l 钢轮宽 度／ m m 2 1 3 O } 质心高度， m 6 1 0 质心到后轮距离／ ram 1 6 5 3 钢轮质量／ k g 3 0 0 0 机架 质量／ k g 7 7 o 0 轮距 ／ mm 3 3 3 6 擦系数 ， l ， 为最大静摩擦 时的滑转速度 ， 为 由静 摩擦到动摩擦时的过渡速度。该模型中摩擦系数是 接触点处滑转速度的函数， 利用摩擦系数的这一变 化规律可以较好地模拟静摩擦与滚动摩擦这两种 状态。压路机钢轮开始转动时处于滑转状态 ， 因此 由库伦摩擦力提供的驱动力与滑转速度的关系可 以用这一曲线进行描述 。压路机在稳定工作时的阻 力 主要 由两部分组成 ， 一 是路面阻力 ， 二是机器 内 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 舒 ／ 、 { 一 ． 0 、 略 ◆●◆ ／ 滑转速度 图 4 Ad a ms中接触 副的库伦摩擦 力模型 部摩擦阻力 ， 这两种阻力可以一起简化为钢轮 的转 动阻尼 。 2 ． 3 联合仿真模型的建立 将 建 立 的 双 钢 轮 压 路 机 A d a ms模 型 通 过 A ME s i m的 A d a ms 接 口以 D I S C R E T E方式引入 。采 用 D I S C R E T E方式进行联合仿真 ， 两种软件分别使 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。两软件各 自的输出与输 入如图5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 ， 使仿真结果更加可靠 。 匹 冀 转 速 -_．厂 ] I A M E sim 』 转 矩 1 I 图 5 D I S CR E T E方式联合仿真 示意 图 3 模型仿真结果及试验验证 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 0 ． 0 0 1 S 。 仿真后所 得到的行走马达转速变化 曲线和高压侧 系统压力变化 曲线分别如图 6和图 7所示。 为了验证模型的精度 ， 对该双钢轮振动压路机 进行 了测试 ，测试只是针对压路机的行驶性能 ， 因 此该测试是在水泥路面上进行的 ， 测试时钢轮无振 动。测试采用 的压力传感器为进 口压力传感器 ， 量 程 0 ～ 6 0 MP a ， 精度 0 ． 2 5 ％。测试软件为 D E WE s o fl ， 采样频率为 2 0 0 0 次／ s ， 图8 和图 9 为测试的马达转 速曲线和高压侧系统压力变化 曲线。 对比仿真曲线与试验曲线可知， 仿真结果与试 验结果基本相 同 ， 误差在可接受范 围以内 ， 并且仿 真压力响应特性与试验结果吻合。 暑 { 时间 ／ s { 时间 ／ s 时间 ／ s 图9 高压侧系统压力变化试验曲线 下转第 5 6页 一 51 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 7 两种出渣方式维修保养费用对 比 万元 项目 胶带机出渣 矿车出渣 差额 配件材料 消耗 2 0 0 7 0 0 - 5 0 0 人工费 5 7 1 3 7 - 8 0 合计 2 5 7 8 3 7 - 5 8 0 表 8 两种出渣方式综合成本对 比 万元 项 目 胶 带机 出渣 矿车出渣 差额 采购成本 8 4 8 6 9 9 2 8 1 4 4 2 运行成本 1 3 3 2 ． 5 1 9 8 0 6 4 7 ． 5 维修保养成本 2 5 7 8 3 7 - 5 8 0 3 进度影 响 针对不同的工程项 目、 不同的 T B M选型 ， 影响 掘进施工进度的因素较多， 仅就其中的出渣运输因 素予以对 比。 西康铁路秦岭隧道和西南铁路桃花铺一号隧 道 T B M施工采用有轨运输方式出渣 ，与之直接相 关 的因素 主要包括矿车延误 、 卸渣机延误 、 翻车机 延误等 3 个方面 ， 这些延误都是突发性的， 并且离 散性很 大 ， 几乎没有征兆 ， 由此而延误 的时 间只能 白白浪费 。 辽宁大伙房输水 隧道 T B M施工采用连续胶带 机方式 出渣 ， 连续胶带机 的检查 、 维护保养工作全 部是在运转过程中实施的。 T B M每掘进 2 5 0 m需要 硫化皮 带 ， 每次皮带硫化时间约为 1 8 h ， 最快可达 1 2 h ， 皮带硫化完全是按照计划进行的， 并且所占用 的时间相对集 中 ，可以统筹安排实施 T B M维护保 养、 维修 、 支护等方面 的工作 。当然 ， 连续胶带机运 转过程 中不可避免地也会 出现意外停机 、 更换少量 损坏的托辊等情况 ， 但出现 的频率 以及影响程度极 小。 根据成熟 的施工经验 ， 胶带机连续出渣方案对 比矿车出渣方案 ，更有利 于充分发挥 T B M的掘进 效率 ， 加快进度 。 4结 论 综上所述 ， 西秦岭隧道 T B M施工 ， 采用连续胶 带机出渣与采用有轨运输矿车出渣相比， 综合成本 预计可节约 2 6 6 9 ． 5万元 ；因工期提前而节约的人 工费、 管理费尚未计入其中； 同时采用连续胶带机 出渣， 对于隧道通风的压力会减少很多， 通风设备 采购与运行成本会大幅减少 ； 胶带机 出渣 ， 投 入有 轨运输车辆大大减少，对于运输调度压力较小 ， 便 于施工组织。但连续胶带机一次性投入较大 ； 而有 轨运输矿车 出渣方式采购运输 设备可根据进度分 阶段实施 ， 有利于减小工程初期资金投人。 因而对于特长隧道 T B M施工 ，连续胶带机运 输出渣方式具有有轨运输不可比拟的优势， 值得推 广 。 通 信地 址 天 津 市 河 西 区柳 林 中铁 十 八 局 隧 道公 司 3 0 0 2 2 2 收稿 日 期 2 0 0 9 0 3 1 6 上接第 5 1 页 4 结束语 通过本文仿真分析可以看出，采用 A ME s i m与 A d a m s的联合仿真 ，能够得到液压系统仿真时的动 态负载 ， 可较好地模拟双钢轮振动压路机行走系统 的工作特性 ， 这对 液压系统 的分析和设计具有现实 意义。研究表明， 采用与多体动力学软件联合仿真 的方法来解决机一 液耦合问题是可行的 ，可以发挥 各 自软件所带有的求解器的优势， 使得模型的建立 过程更加方便 ，该方法也可用于其他类似的机一 液 系统的仿真之中。 一 5 6一 参考文献 【 1 】 冯忠绪． 工程机械理论 【 M】 ． 北京人民交通出版社， 20 o 4． [ 2 ] 冯忠绪 ， 姚运仕 ， 冯健生． 热沥青混合料碾压过程的离 析现象f J 】 ． 长安大学学报 ， 2 0 0 6 3 9 6 9 9 ． 【 3 ] 张志峰， 冯忠绪， 刘本学． 振动压路机对建筑物的振动 影响及控制对策[ J ] ． 长安大学学报， 2 0 0 7 1 8 8 9 1 ． 【 4 ] 侯劲汝． 双钢轮振动压路机振幅不均匀性的试验研究 【 D 】 ． 西安 长安大学， 2 0 0 8 ． 【 5 ] 陈立平． 机械系统动力学分析及 A D A MS 应用教程【 M] ． 北京 清华 大学 出版社 ， 2 0 0 5 ． 通信地址 陕西省西安市南二环路 中段长安大学工程机械 学院 7 1 0 0 7 4 收稿 日期 2 0 0 9 0 3 1 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m