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多畴模拟——挖掘机的机械学和液压学.doc

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多畴模拟——挖掘机的机械学和液压学

多畴模拟——挖掘机的机械学和液压学 技术创新赞熬_2QQ璺年燕L2勰, 多畴模拟一一挖掘机的机械学和液压学 童琳译 (四川省内江市特种没备监督检验所) 摘要通过使用用于多体和液压系统的Mode1ica程序库,示范Modelica和DymoIa如何模拟和仿真挖掘机.由于液压系统由负栽 传感控制器控制,因此一般来说,要模拟包含了三维机械和液压组件的模型是很难的.通过使用现有的挖掘机进行模拟试验表明, Modehca能有效地适用于这种系统的仿真. 关键词挖掘机传感器机械学液压学 一 种新产品的设计在开始阶段初始就需要作出一系列的重要决 定,这些决定对产品最终能否成功会产生极大影响.因此,今天在初 始阶段往往就使用数字模拟来检验不同的想法.本文的目的是设计一 台新的挖掘机并对几个备选的液压系统作出评估. 模拟包含三维机械和液压组件的系统是很难的,如挖掘机.两个 不同的模拟环境必须连结在一起,这很不方便,导致不必要的数字问 题和边界相互干涉问题.这篇文章将对挖掘机模型的开始进行演示以 证明Modelica是适合这些系统的. 挖掘机的三维组件由新开发的,丰富的Modelica,联合体程序库 来模拟,这可以使用铲斗运动规律进行分析得出结论,并兼顾到液压 缸(也就是动力元件)的质量.液压元件被模拟时,详细地讲,是从 用于Modelica的液压程序库中使用泵,阀和缸,在控制部分使用一个 普通的负载传感器,由一简单方程组进行模拟.这种方法能够得到想 要的结果,并把分析问题所需的时问限制在合理的要求内. 1模型选择 模拟一个系统有几种方法.根据任务的不同,有必要建立一个很 精确的模型,这个模型应该包含系统的每一个细节,并涵盖大量信 息,比如模型参数.这种模型的建立耗资很大,但另一方面,当一个 定义系统的参数需要修正时,建立的这种模型却是非常有用.挖掘机 上平衡阀参数的优化就是一个典型的例子. 对一个系统的初步研究需要另外一种模型,在这种情况下,泵, 阀和负载的性能参数是特定的,模拟需要的是关于系统工作的信息, 例如活塞的速度,泵轴所需的输入动力等,从而判定这个设计是否符 合此设计任务的原则要求.因此,这种模型必须要便宜,也就是 在没有详细了解特殊元件的情况下,它能在短时间内建立起来. 本文作者试图建立和运行一个第二类的模型,并在最少的时问内 得到初步结果.为了达到这一目标,使用了建摸Modeliea(Modeliea 2002),Modelica模拟环境Dymola(Dymola2003),用于三维机械系统 的新Modelica联合体程序库和液压组件的Modelica程序库Hylib.所建 立的模型包含了挖掘机的三维机械结构,动力液压学的详细描述和通 用的负载传感控制器. 2挖掘机的结构 装置,液压驱动装置用于操纵机械,但~ 萎,4_7磐供操作员坐的驾驶室,驾驶室能相对于一驽理履带进行垂直轴旋转.它还拥有柴油发~\.==罱蕊薹委动机,液压泵和液压控制系统,另外有~ 钟l2转,!I!『J动臂油缸中的受力改变方向 此时则需要一个推力.这个改变是非常重要的.两幅图都表明,—个 仿真模型必须考虑挖掘机四个自由度相互之间的联结,如果对一个简 单模型的每个油缸和回转驱动实现连续载荷,那这个模型会导致错误 结果. 3负载传感器 以导致通过方向阀时产生15bar的压降.需要注意的是,方向阀不是 用做泵流体,而是作为一个流体仪表(反馈的压降)和作为一个参考 (阻力).此油路对能量的利用是有效率的,因为泵只输出所需的流 速,相对其他油路,油管的损失很小. 如图5所示,如果不只一个油缸使用这种油路,则变得复杂.如 果斗杆需要300bar的压力,而铲斗也需 要300bar的压力,则泵输出的压力必然 会高于300bar,这会使斗杆油缸产生一 个不必要的运动.因此,可以使用补偿 器来调节油路输出,从而通过某一具体 的方向阀来实现15bar的压降.这些补偿 器可以安装在换向阀的上游或下游.如 果要实现最大泵流速和最大压力,可以 使用另外的闽来降低压力差. 4液压程序库Hylib 图5SchematicdrawingofzLSsystem 商用Mode1ica程序库Hylib常被用于模拟泵调节孔,负载补偿器, 液压回路缸.所有这些元件是液压回路的标准元件,能从许多制造商 获得.Hylibq~包括所有这些元件的模型.这些数学模型包含教科书 上的标准模型,也包含对真实元件表现 进行充分考虑的最先进的模型,如果输 入口压力下降到低于大气压,输出的液 体就会减小,这样的普通泵模型就E例 子.选择一种模型时,还有许多因素要 考虑,值得一提的一点是所有模型能被 1,辟煞20年第1¨2期 体源.进行类似的操作,选择关于阀,缸和其他元件所需的模型. 所有组件都是分级模拟的,从连接器的确定开始(连

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