液压凿岩台车钻臂变幅系统的联合仿真.pdf

Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 9 ． 2 0 1 2 液压凿岩台车钻臂变幅系统的联合仿真 吴晓 明 ， 赵 燕 燕山大学 机械工程学院 ， 河北 秦皇岛0 6 6 0 0 4 掎要 该文 主要描述 了液压凿岩机钻臂变幅机构的几何模型 和液压驱 动方 式 ， 通过建立 了钻臂变 幅机构 的虚拟样机 ， 用 A ME S i m软 件对 双三 角钻臂变 幅机构虚拟样机及变幅液压系统进 行了联合仿真 。 模拟 了钻臂变幅的实际运动 ， 找出了影响钻臂准确定位即钎杆平 行移 动的主要 因素 。 关键 词 联合仿真 ； 钻臂结构 ； 凿岩台车 中图分类号 T P 1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 2 0 9 0 0 1 3 - 0 5 Co s i m u l a t i o n o f t he Lu ffing Bo o m M e c h a n i s m S y s t e m f o r t he Hy d r a u l i c r oc k Dril l P i g Xi a o -mi n g． Z HA0 Yo n C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，Y a n s h a n U n i v e r s i t y ，Q i n h u a n g d a o 0 6 6 0 0 4， C h i n a a． b s t r a c t T h i s p a p e r d e s c ri b e s t h e g e o me t r y mo d e l a n d t h e h y d r a u l i c d riv i n g mo d e o f b o o m l u ffin g me c h a n i s m f o r t h e h y d r a u l i c r o c k d r i l l i n g r i g ．T h e v i r t u a l p r o t o t y p e o f t h e b o o m l u ffin g me c h a n i s m i s b u i l t a n d c o - s i mu l a t i o n o f t h e d o u b l e t r i a n g l e b o o m l u ffin g me c h a n i s m i r t u a l p r o t o t y p e i s d o n e b a s e d o n t h e AME S i m s o f t w a r e ． T h r o u g h S i mu l a t i n g t h e a c t u a l mo v e me n t o f t h e b o o m， t h e ma i n f a c t o r s f o r t h e b o o m p o s i t i o n i n g a c c u r a t e l y ， t h a t i s ，d ri l l r o d mo v i n g i n p a r a l l e l a r e i d e n t i f i e d ． Ke y w o r d s c o ～ s i m u l a t i o n ． b o o m l u ffin g me c h a n i s m； h y d r a u l i c d r i l l r 唔 O 引言 机械液压联合仿真 ．可 以将 复杂系统的动力 学模型与液压系统模型有机地联系在一起 ，将动力学 仿真与液压系统仿真联合起来 ，实现系统机液一体化 全模型仿真 ，提高仿真精 确性 。液压 系统仿真 软件 ．A ME S i m 是 一 个 开 放 的 仿 真 体 系 ，能 够 与 Ma t l a b 、 A d a ms 、 V i r t u a 1 ． 1 a b等软件进行联合仿真 ， 可以有效地对 钻臂的动态过程进行分析 ， 更加真实地模拟实际情况 ． 通过联合仿真结果更准确地评价系统的性能l l l。 液压系统的仿真分析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 ， 钻臂在变幅过程 中负载是动态变化的， 如 果忽略了动态因素的影响 ，会严重影响液压系统仿真 精度 。 负 载的动 力学模 型是 对负载 动态 特性 的准确描 述 ． 动态负载的合理引入是液压系统仿真的关键之一四 。本 文将在动力学软件中建立钻臂变幅机构的虚拟样机模 型 ， 这一模型具有较高的精度 ， 能够比较真实地反映液 收稿 日期 2 0 1 2 0 6 0 8 作者简介 吴晓明 1 9 5 7 一 ， 男 ， 辽宁新民人 ， 教授 ， 博 士 ， 主要研究方 向为 电液控 制系统 和机电系统的计算机辅 助设计 。 压系统的负载特性 ，可以与液压仿真软件结合起来完 成整个机械液压系统的联合仿真 。 1 钻臂变幅机构及其几何模型 图 1 为钻臂结构组成。左、 右支臂缸用以实现钻臂 的上下及左右摆动 ； 左 、 右俯仰缸用 以实现推进器的上 下及左右摆动 钻臂伸缩液压缸用 以实现钻臂的长度 变化 ； 推进器翻转摆动缸用以实现推进器的侧向旋转 ； 推进器补偿液压缸用 以补偿推进器的前后位移 ；推进 器倾 翻液 压缸 用 以实现 推进 器 的正 向翻转[3 1 。 1 一 支座2 一 连接件 3 3 - 左 支臂缸杆4 一 左支臂缸筒 5 一 凿岩机6 一 左俯仰缸筒7 一 左俯仰缸杆8 一 连接件 5 9 一 托架 l 0 一 连接件 1 1 1 - 右支臂缸杆1 2 一 连接件 2 1 3 一 右支臂缸筒 l 4 一 钻臂伸缩缸 1 5 一 右俯仰缸筒 l 6 一 钻臂伸缩缸杆 l 7 一 右俯仰缸杆 1 8 一 连接件 6 1 9 一 连接件 4 2 0 一 臂头 2 1 一 推进器翻转摆动缸 2 2 一 推进器倾 翻液压缸筒2 3 一 推进器倾翻液压缸杆 2 4 一 推进 器补偿缸筒2 5 一 推进器补偿缸杆 图 1钻臂结构组成 1 3 液 压 气 动 与 密 ／ 2 0 1 2年 第 9期 全液压凿岩台车现多采用双三角钻臂定位机构和 液压驱动方式 ， 这是因为它具有结构 紧凑 、 运行平稳 、 凿岩无盲区等优点 双三角钻臂属于直接定位钻臂 ，主要指一对支臂 缸和一对俯仰缸组成的部分 ，支臂缸和俯仰缸分别呈 前后对称分布， 推进器和钎杆置于托架之上。在工作区 间可将钎头直接移位到 目标位置。 图2为双三角钻臂的机构原理图，其中④ ，③和 ② ，①分别为俯仰缸和支臂缸， A 和 A ， A 和 A ， A 和 A 及 B 。 和 B ， B 3 和 B ， B 和 B 构成六个 十字铰 ， A ， ， A s ， B ， ， B s 为 四个 关节 轴承 ， A 2 B 为钻 臂 中心 ， A 。 。 上 A2 B2 ， A7 A8 J _ A2 B2 ， A7 A8上A2 B2 ， A 1 上 A3 A5 ， B9 B1 0 j _ A2 B2 ， B 9 B l o j - B 7 B 8 ， B 7 B 8 j _ A l ， B o B I 上B 3 B 5 ， B 7 B 8 ， ／ A 7 A 8 ，直 线 A ， A 2 B 2 ， A ， 。 ， B 0 B ， B B l o 在同一平面内， 后变幅机构 以 A。 ～ A 8 各铰点为顶点构成空间多面体 A。 前变幅机构 以 B rB 各铰点为顶点构成空间多面体 B， A和 B两多 面体构成空间液压 自动平行机构。 后变幅机构以 A ～ 各铰点为顶点构成空间多面体 A， 前变幅机构 以 B ～ B 8 各铰点为顶点构成空间多面体 B， A和 B两多面体构成 空间液压 自动平行机构 。 器 图 2钻 臂 机 构 原 理 图 空间 自动平行机构的作用是 当钻臂变幅机构作 变幅运动时， 前变幅机构 自动跟踪运动 ， 前变幅机构上 的 B ， B ， ， B 组成的平面 简称 B B 。 B 平面 相对其运动 前的位置作平行移动 ，亦即使与 B 。 B B 平面 固定在一 体的凿岩推进器作平行移动 ，从而保证前后钻凿炮孔 的相互 平行[ 5 1 。 2 联合仿真模型 2 _ 1 A ME S i m 仿真模 型 钻臂变幅平行联动是最基本的一种运动方式 ， 图 3 是双三角钻臂液压原理图。 左支臂缸有杆腔的油进入右 仰俯缸无杆腔 ；右仰俯有杆腔的油进人左支臂无杆腔 ， 右支臂缸与左仰俯缸也如此． 即左支臂缸与右俯仰缸串 联 ， 右支臂缸与左俯仰缸串联， 形成平行联动机构嘲 。使 钻臂在移位过程中， 保持钎杆与标准断面垂直。两串联 的液压 回路分别由换向阀控制。 为了克服钻臂 自重而引 起 的超速和冲击 ， 在 回油路上加平衡阀， 使之运行平稳。 1 4 即 皿 I 囱 l - ,iI{ 眦 吣 南 商 一 L 1 畦 f II l f J I l l 0． B F L - 左俯仰缸B F R 一 右俯仰缸B P t L 一 左支臂缸B R R 一 右支臂缸 图 3双三角钻臂变幅液压原理图 用 A ME S i m建立的双三角钻臂变幅液压系统模型 如图 4所示 ， 恒压泵 l的排量为 7 0 m L ／ r ， 溢流 阀 2的设 定压力 为 2 8 0 b a r 。泵 的参数设 置主要 为 切 断压力 2 5 2 b a r ， 额定转速 1 0 0 0 r p m， 机械效率 0 ． 9 5 。 _ [ FR l { } F车剖 r __ ’ ④ 甲 ]7 7 3 』▲ 舟 L E l。 ，一 罔眦 一一 8 『 I ～ 园B R R 二 i 曲 L _ _ ． 口 』 s楷 s 碰 一 1 8 1 一 恒 压泵2 一 溢 流 阀3 一 单 向 阀4 一 三 位 四通 换 向 闭5 一 } 殴压锁 6 一 顺序阀7 一 液控单 向阀8 一 支臂缸9 一 俯仰缸1 0 一 联合仿 真模块 图 4 双三角钻臂变幅液压 系统模型 对钻臂诸多液压缸的控制一般是分时进行 ，但 为 了达到直接定位的 目的 ，两支臂缸和两俯仰缸 的运动 应协调 ， 使其速度成比例变化。可见 ， 控制两支臂缸和 两俯仰缸， 比控制其它液压缸要求更高， 难度更大。 2 ． 2 恒压 泵模 型 恒压泵模型的数学公式为 q z ． o k Q P 3 _ P 1 p 1 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 9 ． 2 0 1 2 盟 q 2 n m _ _ di d t 2 。 一 式 中 口 2 名义流量 ； q 、 厂流量、 压力 比例因子 ； d i 排量 ； d d i ， d ￡ 排 量变 化率 ； n ⋯厂 一名义 转速 ； 】一 时间变化常数 。 2 ． 3电液 比例 方 向阀模 型 文中所用的比例方向阀模型为具有非对称节流 口 的三 位 四通 阀 。通 过 查样 本 得 到 阀换 向 时所 对应 的额 定流量一 压降， 如下 P A A T 8 0 I J mi n 1 2 ． 2 b a r ； P B B T 6 0 L ／ m i n 1 2 ． 2 b a r ； 在 A ME S i m模 型中 ， 设置 电流值为 3 0 mA， 意味着 控制信号输人为 3 0时对应着阀芯移到左位或右位。 其 中． 通过阀的节流 口的流量方程为 q C q A 、 ／ 2 卸 3 式 中口 阀的节 流 口流量 ； G ． 一 流量系数 ； A 节流 口的横截面积 ， i n ； △ P _节 流 口前后 压 差 ， MP a p 油液密度 ， k g ／ m 。 2 ． 4液 压缸 模型 本 文 液压 缸 的建 模 处理 主要 基 于液 压缸 的连 续性 方程 ． 即 g rC ic pl - p z 一 ∞ 4 C icp - p - q 2- C ecp 2 警 5 式 中 q 、 q 厂进 、 出油腔 的流 量 ； C i 液压缸的内泄漏系数 ； C 液压缸 的外泄漏系数 ； 一 有效体积弹性模数 包括液体 、 混入油 中 的空气以及工作腔体的机械柔度 ； 。 、 厂液 压 缸进 、 回油 腔 容 积 包 括 阀 、 连 接 管道和进油腔的体积 。 2 ． 5液庄 缸受 力平衡 方 程 液压缸主要受到惯性力 ， 重力和摩擦力 。 p,A h - p 2 A r mi 聃 i 6 式 中A。，油缸无杆腔面积； A。 油缸 有杆 腔 面积 ； i 重力分量 ； 摩擦力分量 ； m 广_ _质量分量 。 3 虚拟样机模型 负载的模拟是联合仿真的一个重点 ，也是一个难 点 ，负载模拟是否准确 ，直接关系到仿真结果 的准确 性。本文通过实际零件外形 、 实际尺寸和零件间的位置 关系建立其动力学模型 ，将支座固定 ，设置刚体的材 质 。 系统 自动计算出模型的质量和重心。液压缸的参数 设 置如表 1 [ 8 一 。 表 1 液压缸 的参数 单位 mm 各个零件之间需要使用约束副把它们连接起来 ， 以定义物体间的相对运动。在双三角钻臂模型中， 如图 5 ， 使用的约束副有旋转副 、 旋转移动副、 移动副 、 球副 ， 具体定义如表 2 ～ 表 5所示 。 图 5钻臂动 力学模型初始状态 表 2具有旋转副的部件及其配合 表 3有旋转移动副的部件及其配合 表 4有移动副的部件及 其配合 1 5 缸一 0 勰 ∞∞脚 推补一 器 缸 一 ， 进 翻 一 踟 即 一 。 。 姗 右缸一 ； 一 一 ∞ 加 。。黜 一 舱 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 2年 第 9期 表 5 有球 副的部件及其配合 4 双三角变幅钻臂联合仿真结果分析 钻臂模型模拟好后 ，整个钻臂的动力学系统和液 压系统的仿真模型就完善了。设置仿真时间为 4 0 s 。 通 讯间隔 0 ． 0 1 s ， 采用变步长积分 。双三角钻臂具体仿真 的变幅过程 支臂 缸和俯 仰缸伸 出 ， 钻臂 和推进 器往 上升直至工作 高度 ； 然后支臂缸和俯仰缸 收缩 ， 钻臂 和推进器往下降直至工作高度。控制信号的设置如 图 6所 示 心 迎 堡 磊 图 6控 制 信 号 曲线 控制阀的信号分 8个阶段 ，如图 6 0 ～ 2 s ， P A接 通 ， 支臂 缸 和 俯 仰 缸 无 杆 腔 开始 进 油 ； 2 ～ 6 s ， 换 向 阀 阀 口开 至最 大 ， 无 杆 腔 继 续进 油 6 ～ 8 s ． 换 向阀 阀 口减 小 直至关 闭。8 1 0 s ， 换向阀处于中位截止状态 ， 系统 背 压 ； 1 0 ～ 1 2 s ， P B接通 ，支臂缸 和俯 仰缸有杆腔进油 ； 1 2 ～ 3 4 s ， 阀口开至最大 ， 有杆腔继续进油 ； 3 4 3 6 s ， 阀 口 减小 直 至关 闭 ； 3 6 ～ 4 0 s ，换 向阀处 于 中位 截 止 状态 ， 钻 臂平 稳 。 由于钻臂往上伸时 ， 无杆腔进油 ， 往下缩 时， 有杆 腔 进油 ， 无 杆 腔 面积大 于 有杆 腔 面积 ， 所 以钻臂 往下 缩 所 需时 间更 长 。 4 ． 1 主 要参数 的仿 真 曲线 1 泵的出口压力曲线和流量衄线 图 7是泵 的出 口压 力 曲线 ， 图 8是 泵 的流 量 曲线 。 在 0 s时，泵的斜盘摆角处于最大位置 ，压力和流量为 零 ； 在 0 2 s 时 ， 支臂缸和俯仰缸同时伸出， 泵的压力适 应最高负载力 的变化 ， 而流量上升适应负载 的需要 ； 在 2 ～ 8 s 时 ， 钻臂往上伸 ， 泵 的压力和流量基本不变 ； 8 1 0 s 时 ， 换 向阀关 闭 ， 压 力上升 ， 流量下 降为零 ， 在 l 0 ～ 1 2 s 时 ， 换 向阀换 向 ， 有 杆 腔进 油 ， 支臂 缸 和 俯 仰 缸 开 始 收 缩 ， 泵 的压力 和 流量 同时适 应 负载 的需 要 而变 化 ， 流量 增大 ，压力减小到只需克服静摩擦力 ，随着缸有位移 量 ， 由于有 杆 腔 的面积 小 于无 杆 腔所 以收缩 时所 需 流 1 6 量减少 ， 在 1 2 ～ 3 4 s时， 钻臂向下缩 ， 泵的压力和流量基 本不变 ， 3 4 ～ 3 6 s ， 阀口减小直至关闭， 支臂缸和俯仰缸完 全缩回， 流量减小至零 ， 压力增大 ； 3 6 ～ 4 0 s ， 换 向阀处于 中位截止状态 ， 系统保压 ， 流量为零 ， 钻臂稳定。泵 的变 量机构是机械式的，它的出口压力是随着负载的变化 而变化的，故泵的出口压力的稳定性和对负载的快速 响应是建模的一个难点。从仿真结果看 ， 效果是 比较理 想的， 泵的压力和流量 曲线波动小 ， 稳定性好 ， 而且能 够快速的响应负载力的变化。 出 0 l 0 2 O 3 O 4 0 时间 ／ s 图 7泵 的 出 口压 力 曲线 2 0 云 1 0 i 一 5 时间 ／ 0 图 8泵的输出流量 曲线 2 液压缸的受力曲线 A ME S i m 中， 规定力的方向 液压缸受拉为负， 受压 为正。由图 9中我们可以通过观察得出， 支臂液压缸受 压 ， 而俯仰缸受拉。 1 一支臂 缸2 一 俯 仰 缸 图 9液压缸的受力曲线 0 ～ 2 s ， 支臂缸活塞杆开始伸出要克服静摩擦力 ， 随 着 油 缸位 移增 大 负载 稳定 ， 所 需 负载 力变 小 ， 所 以支 臂 缸和俯仰缸受到的压力和拉力增大后又减小 ； 2 ～ 8 s ， 活 塞杆不断伸出至其行程 ， 负载力逐渐变大至最大， 支臂 缸和俯仰缸受到的压力和拉力也增大； 8 1 0 s ， 活塞杆伸 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ No ． 9 ． 2 0 1 2 出减速至停止 ． 负载力变小 ， 支臂缸和俯仰缸受到的压 力 和 拉力 减 小 1 0 ～ 4 0 s ， 收缩 时 刚开 始 支臂 缸 也 要 克服 静摩擦力 ， 负载力瞬时变大 ， 但 由于重力的作用 ， 支臂 缸负载力逐渐减小 ，所 以支臂缸和俯仰缸受到的压力 和拉力增大后又减小。 3 液压缸速度 和位移曲线 图 l O为支臂缸和俯仰缸的速度曲线 ， 从仿真结果 看 ， 除了支臂缸和俯仰缸在刚开始伸出和缩 回时 ， 由于 静摩擦力的作用 ， 速度有变化 ， 支臂缸和俯仰缸有加速 度 这 和实际情况相符 外 ， 其余 的和控制信号基本保 持一 致 ， 液 压 缸速 度 不 随负 载 的变 化 而变 化 ， 从 图 中可 计算系统稳定时 ， 在伸出和缩 回的过程 中， 俯仰缸 的运 动速度与支臂缸运动速度之 比约为 0 ． 5 6 3 ， 即俯仰缸与 支臂缸伸缩量之比为 0 ． 5 6 3 。 O O 0 {0 饕． 。- 0 _ J 0 0 1 一 支臂缸2 一 俯仰缸 图 1 0油 缸速 度 曲线 图 l l为支臂缸和俯仰缸 的位移 曲线 ， 从仿真结果 看 ， 支臂缸和俯仰缸 同时到达其行程。 { 坦 1 一夏 臂 缸2 一俯 仰 缸 图 1 1 油 缸位 移 曲线 而从动力学模型的运动也可看出， 在伸缩过程 中， 钎杆一直保持平行移动。说明系统模型的准确性 ， 这也 说明联合仿真对钻臂双三角机构和液压系统建模的准 确性 。 5 结论 本文通过对仿真结果的分析 ，方便地找 出影响双 三角钻臂定位系统准确性 、 稳定性和快速性的因素 ， 也 说 明利用联合仿真 的方法对双三角钻比平行联动研究 的可行 性 和准 确性 。 通过调节 AME S i m模型中的参数和观察钻臂动力 学模型的运动变化 ，从 中发现影响钻臂准确定位即钎 杆平行移动的因素有 1 A和 B两多面体 的初始位置 见 图 2 ， B， A两 多面体相似 ． 而相似比为 K 2 支 臂 缸 和俯 仰 缸 的缸 径 和 杆 径 之 间 的 比例 关 系是影响钻臂准确定位 的主要因素之一 3 行 程 匹配 ， 行 程 是否 匹 配直 接影 响 钻臂 能 否准 确定 位 在变幅过程中， 为了保持钎杆平行移动 ， 相对应 的 俯仰缸与支臂缸的运动速度之比保持为 K， 支臂缸和俯 仰缸行程必须匹配，保证支臂缸和俯仰缸同时到达各 自极限位置 ， 否则任何一个液压缸先达到行程 ， 停止伸 缩 ， 另外一个 液压缸继续伸缩 ， 在重力的作用下 ， 钻臂 不能准确定位 ， 钎杆不能平行移动。所以俯仰缸与支臂 缸 的行 程 比应 为 K 4 阻尼 ， 阻尼大小直接影响钻臂液压系统的稳定 性和快速性 。 回油路上设置节流 阀或阻尼为了防止钻臂 由于 自 重而引起超速和冲击 ， 保证钻臂平稳运行。阻尼太小 ， 系统背压值 太小 ， 阻尼太大 ， 液压缸运 动速度太小 ， 所 以为了保证钻臂稳定性 ， 需选择合适 的阻尼。 参 考 文 献 秦家升 ， 游善兰． 基 于 A ME S i m软件 的特征 及应用『 J 1 ． 工程机 械， 2 0 0 4 ， 1 2 ． 刘龙， 唐红彩 ． 基 于机液耦合 双钢轮振 动压路机行 走液压 系 统仿真【 J 1 ． 工程 机械， 2 0 0 9 ， 9 4 0 1 ． 李力争 ， 何 清华． 双 三角钻臂支臂缸运 动速度 的策划 『 J ] ． 凿岩 机械气动工具， 2 0 0 2 ， 4 ． 陈世 涛． 直接定位双三角支承钻臂运动轨迹 的计算机仿真『 J ] ． 凿岩机械气动工具 ， 1 9 9 5 ， 3 ． 胡均 平 ， 杨 襄壁 ， 王琴罗 ， 春雷 ． 钻臂空 间液压 自动平 行机构 的平 行机理[ J 】 ． 中南工业 大学学报 ， 1 9 9 5 ， 3 ． 李力争 ， 何清华． 双三角钻臂非齐次模 型 自适应预测控制l J 1． 中国机械工程 ， 2 0 0 5 ， f 1 ． 陈世 涛． 钻 车钻臂 与推进器 干涉条 件的数学 模型I J 1． 矿 山机 械 ， 1 9 9 7 ， 5 ． 周宏兵 ， 龚艳玲． 隧道凿岩机器人 钻臂各液 压缸驱动力计算 I J 1 ． 凿岩机械气 动工具 ， 2 0 0 4， 1 ． 何清华 ， 方 向． 隧道凿岩机器人双 三角钻臂运 动分析与控 制 策略[ J 】 ． 矿山机 械， 2 0 0 0 ， 2 ． 1 7 Ⅲ