基于多學(xué)科協(xié)同仿真的液壓系統(tǒng)性能匹配研究*

陳飛云，李光，呂曉林，佘翊妮，寧曉斌*

(1.浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，浙江杭州310014;2.太原重工股份有限公司技術(shù)中心，山西太原030023)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和大型露天礦山建設(shè)的需要，液壓挖掘機(jī)逐漸向高速、高壓、大斗容、大功率發(fā)展。目前，國(guó)外對(duì)于大型液壓挖掘機(jī)的研制技術(shù)比較成熟，而國(guó)內(nèi)在大噸位的液壓挖掘機(jī)領(lǐng)域還處于起步階段，并且在研究設(shè)計(jì)方法與仿真技術(shù)方面，大多只關(guān)注液壓挖掘機(jī)的某一個(gè)或某幾個(gè)方面的研究，缺乏整體性能的研究手段［1-2］。

劉靜等［3］利用ADAMS軟件和Matlab軟件建立挖掘機(jī)的機(jī)械、液壓等子模型，利用參數(shù)關(guān)聯(lián)和模型集成技術(shù)，建立了挖掘機(jī)虛擬樣機(jī)技術(shù)，其通過(guò)一系列數(shù)學(xué)微分方程和代數(shù)方程對(duì)液壓系統(tǒng)模型進(jìn)行求解，但由于液壓系統(tǒng)的高復(fù)雜性和非線性，因而求解難度大。秦成［4］、時(shí)培成等［5］利用ADAMS建立挖掘機(jī)器人的機(jī)械、液壓子系統(tǒng)模型，從而建立挖掘機(jī)液壓與機(jī)械一體化的虛擬樣機(jī)模型，但ADAMS的液壓模塊的功能不完善，無(wú)法準(zhǔn)確建立復(fù)雜的液壓泵變量機(jī)構(gòu)與多路閥控制模型，所以不能準(zhǔn)確分析挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的特性與作業(yè)效率、能耗［6］等。另外，對(duì)于挖掘機(jī)挖掘阻力模型的研究，由于挖掘過(guò)程的復(fù)雜性，很難對(duì)挖掘阻力進(jìn)行直接分析，也沒(méi)有準(zhǔn)確的經(jīng)驗(yàn)公式可循［7-8］。

為克服以上研究方法的不足，本研究提出多學(xué)科協(xié)同仿真方法，以液壓仿真軟件AMESim為基礎(chǔ)仿真平臺(tái)，利用ADAMS軟件建立機(jī)械系統(tǒng)模型，并從離散元仿真軟件EDEM的模擬挖掘過(guò)程中得到準(zhǔn)確的挖掘阻力模型，從而為大型正鏟液壓挖掘機(jī)的性能匹配和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有效的模型理論和技術(shù)參考。

1 協(xié)同仿真原理

在挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，為驗(yàn)證和優(yōu)化所開(kāi)發(fā)機(jī)型液壓系統(tǒng)與工作裝置負(fù)載的各項(xiàng)性能匹配參數(shù)，本研究基于AMESim與ADAMS仿真軟件，建立了機(jī)液協(xié)同仿真模型，協(xié)同仿真原理如圖1所示。

首先，筆者在ADAMS中建立挖掘機(jī)的機(jī)械仿真模型，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析驗(yàn)證;然后，基于AMESim建立液壓系統(tǒng)模型，并以復(fù)合控制泵的實(shí)際參數(shù)變化驗(yàn)證所建立模型的準(zhǔn)確性;最后，通過(guò)協(xié)同仿真接口模塊，將AMESim液壓系統(tǒng)中測(cè)得液壓缸的速度值輸入到ADAMS機(jī)械動(dòng)力學(xué)模型中，并將ADAMS中負(fù)載力的變化及機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量轉(zhuǎn)化為每個(gè)液壓缸上所受的力，反饋至AMESim中液壓系統(tǒng)中的液壓缸模型中，從而通過(guò)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交換，將挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)與機(jī)械仿真模型耦合起來(lái)。

圖1 協(xié)同仿真原理

同時(shí)，筆者在EDEM中建立實(shí)際工況下的礦石料堆模型，以模擬整個(gè)挖掘過(guò)程，測(cè)試鏟斗所受到礦石的總阻力，將得到的挖掘阻力文本數(shù)據(jù)導(dǎo)入ADAMS中，并以加載力的方式添加到挖掘機(jī)鏟斗機(jī)構(gòu)上，從而能夠?yàn)閰f(xié)同仿真提供可靠的挖掘阻力模型。

2 建模與仿真

2.1 ADAMS動(dòng)力學(xué)建模

考慮到ADAMS建模功能較弱以及挖掘機(jī)物理樣機(jī)的復(fù)雜性［9］，本研究對(duì)挖掘機(jī)工作裝置的銷、板等結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，并利用UG軟件建立挖掘機(jī)各部件具有質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等物理特征的的三維實(shí)體模型和裝配圖，然后將模型轉(zhuǎn)成parasolid文件導(dǎo)入ADAMS中，添加約束和和運(yùn)動(dòng)關(guān)系，并根據(jù)挖掘軌跡定義載荷，各執(zhí)行油缸與馬達(dá)的液壓驅(qū)動(dòng)力隨挖掘機(jī)運(yùn)動(dòng)和負(fù)載的變化而變化，在ADAMS中通過(guò)函數(shù)VARVAL獲取各執(zhí)行部件的液壓力數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)各執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)，所建立的動(dòng)力學(xué)模型仿真模型如圖2所示。

圖2 液壓挖掘機(jī)的ADAMS動(dòng)力學(xué)模型

2.2 EDEM挖掘阻力模型

在挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，實(shí)際挖掘阻力是驗(yàn)證液壓系統(tǒng)的各性能參數(shù)匹配是否合理的重要模型依據(jù)［10］。大型正鏟挖掘機(jī)的挖掘?qū)ο笾饕潜坪蟮牡V石或巖石(非均質(zhì)各向異性材料)，在實(shí)際挖掘過(guò)程中由于隨機(jī)因素較多和情況復(fù)雜，導(dǎo)致挖掘過(guò)程中的載荷情況復(fù)雜。這里利用離散元仿真軟件EDEM模擬挖掘過(guò)程的負(fù)載，阻力模型如圖3所示。

圖3 挖掘機(jī)EDEM挖掘阻力模型

筆者根據(jù)離散元素法建立礦石顆粒模型［11］，通過(guò)導(dǎo)入真實(shí)顆粒的CAD模型準(zhǔn)確描述顆粒形狀大小，并添加力學(xué)性質(zhì)、物料性質(zhì)和其他物理性質(zhì)的參數(shù)，最后在EDEM中模擬挖掘工況，測(cè)量挖掘軌跡上鏟斗的受力，從而能夠得到準(zhǔn)確可靠的挖掘阻力。

2.3 基于AMESim平臺(tái)的協(xié)同仿真

挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)主要由主泵、主控制閥和執(zhí)行器等構(gòu)成。本研究在AMESim仿真軟件中分別建立上述液壓元件子模型，并通過(guò)接口控制模塊ADAMS/Controls，構(gòu)建了全系統(tǒng)機(jī)液協(xié)同仿真模型。

2.3.1 復(fù)合控制泵建模

該型挖掘機(jī)采用某型號(hào)液壓泵，液壓系統(tǒng)壓力流量特性只與主泵的外特性有關(guān)，而與主泵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)。所以筆者只關(guān)心變量泵的外部特性對(duì)液壓系統(tǒng)的影響，而對(duì)變量泵的內(nèi)部變量實(shí)現(xiàn)過(guò)程和其效率變化過(guò)程并不關(guān)注。因此可以根據(jù)液壓泵的外特性建立主泵的簡(jiǎn)化模型。主泵控制方式為恒功率曲線控制，并具有壓力切斷功能，調(diào)速方式為容積調(diào)速，以保證挖掘機(jī)工作時(shí)系統(tǒng)在各工況下的工作效率和節(jié)能要求。

恒功率控制時(shí)主泵出口流量Qh與泵出口壓力P之間的關(guān)系為:

壓力切斷控制時(shí)泵出口流量Qq與泵出口壓力P之間的關(guān)系為:

式中:Qmax，Qmin—泵出口最大、最小流量，L/min;W—主泵調(diào)定功率，kW;PS—恒功率控制的啟調(diào)壓力，MPa;PC—壓力切斷閥控制壓力，MPa。

當(dāng)恒功率控制信號(hào)、壓力切斷控制信號(hào)以及手柄控制控制信號(hào)共同作用在主泵的調(diào)節(jié)器上，泵的流量在三者控制下取小值Q。其數(shù)學(xué)模型為:

式中:Qp—手柄控制時(shí)泵的出口流量，L/min。

根據(jù)上述液壓泵的數(shù)學(xué)模型，本研究在AMESim中建立主泵的仿真模型并進(jìn)行封裝，以手柄最大擺角信號(hào)輸入，仿真輸出主泵的壓力與流量關(guān)系，與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了所建立復(fù)合控制泵模型的準(zhǔn)確性。

2.3.2 協(xié)同仿真模型

由于篇幅限制，挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)中的其他子模型建立過(guò)程從略［12］。本研究在ADAMS中定義輸入、輸出狀態(tài)變量，生成ADAMS與AMESim兩軟件的接口，在挖掘機(jī)AMESim液壓模型中，加載接口模塊，所建立的全系統(tǒng)機(jī)液協(xié)同仿真模型如圖4所示。

圖4 挖掘機(jī)機(jī)液協(xié)同仿真模型

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 典型工作循環(huán)分析

各液壓缸位移曲線如圖5所示。由圖5可知，挖掘機(jī)調(diào)整挖掘初始姿態(tài)后，從6.5 s開(kāi)始斗桿挖掘，挖掘持續(xù)時(shí)間6 s后結(jié)束，流量最大時(shí)速度達(dá)到0.28 m/s，并調(diào)整鏟斗姿態(tài)，保持最佳挖掘后角。挖掘結(jié)束后，動(dòng)臂開(kāi)始滿斗舉升，動(dòng)臂液壓缸7.5 s后伸至最長(zhǎng)，速度達(dá)到0.22 m/s，并調(diào)整鏟斗，以免物料灑落，此時(shí)回轉(zhuǎn)馬達(dá)使回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，到達(dá)指定卸載位置。30 s后開(kāi)斗缸打開(kāi)，物料卸載，卸載完畢，開(kāi)斗關(guān)閉，并進(jìn)入下一工作循環(huán)。

圖5 各液壓缸位移曲線

整個(gè)挖掘工作循環(huán)過(guò)程分析結(jié)果表明，液壓系統(tǒng)的液壓泵、多路閥、液壓缸的參數(shù)與壓力變化、工作裝置各液壓缸的伸長(zhǎng)回縮速度、挖掘時(shí)間、流量分配情況等均符合實(shí)際挖掘需求，并驗(yàn)證了挖掘機(jī)所設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)的各元件(變量泵、多路閥、液壓缸等)參數(shù)匹配的合理性。

3.2 不同負(fù)載工況液壓系統(tǒng)參數(shù)匹配分析

挖掘機(jī)工作過(guò)程中的挖掘阻力隨挖掘姿態(tài)和礦石顆粒大小的變化而變化，并因影響液壓系統(tǒng)的各向性能參數(shù)。挖掘機(jī)不同負(fù)載下的EDEM挖掘阻力曲線如圖6所示。

圖6 挖掘機(jī)不同負(fù)載下的EDEM挖掘阻力曲線

挖掘機(jī)斗桿挖掘工況時(shí)，挖掘機(jī)初始的挖掘姿態(tài)位置分別為鏟斗進(jìn)入礦石料堆的深度變化，即從負(fù)載1到負(fù)載4鏟起的礦石厚度逐漸增加，挖掘阻力相對(duì)增大，并可以看到挖掘過(guò)程中挖掘阻力波動(dòng)較大，并隨斗桿液壓缸的不斷伸長(zhǎng)，阻力開(kāi)始減少，是因?yàn)? s后掘削的礦石顆粒層變薄，此時(shí)動(dòng)臂也開(kāi)始逐步提升。

挖掘機(jī)不同負(fù)載下的斗桿液壓缸的壓力變化如圖7所示。從圖7中負(fù)載1到負(fù)載4的壓力曲線變化可以看出，斗桿液壓缸壓力隨負(fù)載的增加有變大的趨勢(shì)，因礦石顆粒大小不同導(dǎo)致的挖掘過(guò)程阻力的變化，使得壓力有一定的波動(dòng)和振蕩，但能夠保持在限定壓力32 MPa的合理范圍內(nèi)，此時(shí)動(dòng)臂液壓缸閉鎖，動(dòng)臂上、下浮動(dòng)范圍很小，沒(méi)有溢流現(xiàn)象。

圖7 挖掘機(jī)不同負(fù)載下的斗桿液壓缸的壓力變化

液壓泵的輸出功率以輸出壓力、流量關(guān)系計(jì)算得出，挖掘速度的調(diào)節(jié)由恒功率控制液壓泵的輸出流量來(lái)確定。當(dāng)負(fù)載1較小時(shí)，泵以最大流量輸出，速度基本恒定，但挖掘過(guò)程負(fù)載變化較大，導(dǎo)致功率有明顯的波動(dòng)。研究結(jié)果表明，挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)流量調(diào)節(jié)方式、功率變化等滿足實(shí)際挖掘工況需求，并為進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化液壓系統(tǒng)與工作裝置提供技術(shù)思路。

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)本研究提出了完善的協(xié)同仿真方法，并在

EDEM中建立了挖掘阻力模型。仿真結(jié)果表明:機(jī)液協(xié)同仿真模型較真實(shí)的模擬挖掘機(jī)的工作負(fù)載和挖掘工況，為液壓系統(tǒng)的性能匹配及優(yōu)化提供設(shè)計(jì)參考模型。

(2)本研究對(duì)比不同挖掘負(fù)載的仿真結(jié)果，所設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)能夠適應(yīng)復(fù)雜的挖掘負(fù)載工況，液壓泵功率變化及其它液壓元件的各向性能參數(shù)匹配合理，且挖掘效率及速度變化等性能均滿足實(shí)際挖掘需求。

(3)與此同時(shí)，液壓系統(tǒng)和各液壓元件參數(shù)，還需進(jìn)一步完善，各元件壓力損失、系統(tǒng)發(fā)熱及溫升情況有待進(jìn)一步分析，為挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供更精確的設(shè)計(jì)依據(jù)。

［1］邸彥強(qiáng)，李伯虎，柴旭東，等.多學(xué)科虛擬樣機(jī)協(xié)同建模與仿真平臺(tái)及其關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2005，11(7):901-908.

［2］KIM S Y.A Development of the virtual design system for the attachments of a hydraulic excavator［J］.SAE International Journal of Commercial Vehicles，2012，5(1):327-332.

［3］潘雙夏，劉靜，馮培恩，等.挖掘機(jī)機(jī)器人虛擬樣機(jī)的機(jī)電液一體化建模與仿真［J］.中國(guó)機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2003，1(1):49-53.

［4］秦成.基于ProE/ADAMS/Matlab挖掘機(jī)虛擬樣機(jī)研究［J］.機(jī)械與液壓，2008，36(9):133-134.

［5］時(shí)培成，王幼民，王立濤，等.挖掘機(jī)液壓-機(jī)械復(fù)合系統(tǒng)建模與仿真研究［J］.機(jī)械傳動(dòng)，2007，31(3):26-29.

［6］陳桂芳，郭勇，劉鋒，等.挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)建模仿真及能耗分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2011，27(5):99-103，108.

［7］FRIMPONG S，HU Y，INYANG H.Dynamic modeling of hydraulic shovel excavators for geomaterials［J］.International Journal of Geomechanics，2008，8(1):20-29.

［8］陳進(jìn)，李維波，張石強(qiáng)，等.大型礦用正鏟液壓挖掘機(jī)挖掘阻力試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2008，19(5):518-521.

［9］林慕義，史青錄.單斗液壓挖掘機(jī)構(gòu)造與設(shè)計(jì)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2011.

［10］FRIMPONG S，HU Y.Parametric simulation of shovel-oil sands interactions during excavation［J］.International Journal of Surface Mining，Reclamation and Environment，2004，18(3):205-219.

［11］KOIZUMI T，TSUJIUCHI N，TOMITA Y，et al.Evaluation Process of Digging Performance for Hydraulic Excavator Using DEM［C］//Proceedings of the 16th INTERNATIONAL CONFERENCE of the International Society Terrain Vehicle Systems.Tokyo:［s.n.］，2008:427-433.

［12］何清華，郝前華，李鐵輝，等.挖掘機(jī)機(jī)液耦合復(fù)雜系統(tǒng)仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，33(12):87-92.