基于AMESim的輪式裝載機(jī)工作裝置建模與仿真研究

趙文祥，嚴(yán)世榕

(福州大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福建福州350108)

裝載機(jī)是集機(jī)械、液壓和電子控制技術(shù)于一體的非線性復(fù)雜系統(tǒng)，具有機(jī)動(dòng)性好、作業(yè)速度快、操作輕便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工程和城市建設(shè)場(chǎng)所。裝載機(jī)的工作裝置是一個(gè)典型的機(jī)液耦合系統(tǒng)，其作業(yè)過(guò)程動(dòng)態(tài)特性直接影響到作業(yè)效率、操縱性能和零部件的使用壽命［1］。因此，為了提高裝載機(jī)工作裝置的動(dòng)態(tài)特性，許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。

目前要對(duì)裝載機(jī)工作裝置進(jìn)行研究，可以參考的設(shè)計(jì)仿真方法有:(1)運(yùn)用ADAMS軟件建立裝載機(jī)工作裝置虛擬樣機(jī)模型［2－3］，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算，設(shè)計(jì)工作裝置機(jī)械機(jī)構(gòu)，但該種方法不能解決液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問(wèn)題，ADAMS軟件的某些版本雖具有液壓模塊，但對(duì)于復(fù)雜的液壓系統(tǒng)模型，不便進(jìn)行建模和分析，比如文中所建負(fù)載敏感變量泵的變量機(jī)構(gòu);(2)利用AMESim和ADAMS等仿真軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真［4］，該方法可以較好地實(shí)現(xiàn)機(jī)液系統(tǒng)仿真計(jì)算，但由于AMESim模型輸出量的不連續(xù)性，容易導(dǎo)致ADAMS的求解器求解失敗，使得某些液壓模塊的使用受到限制［5］，并存在軟件間的單位、符號(hào)和求解精度的設(shè)置問(wèn)題，對(duì)研究裝載機(jī)復(fù)雜控制系統(tǒng)也帶來(lái)了一定的不便。為了克服以上方法的不足，運(yùn)用AMESim軟件自帶液壓元件庫(kù)、信號(hào)元件庫(kù)和平面機(jī)構(gòu)庫(kù)聯(lián)合建模方法，對(duì)某公司生產(chǎn)的ZL10C型裝載機(jī)工作裝置的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了研究。

1 裝載機(jī)工作裝置組成

該ZL10C型裝載機(jī)結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 裝載機(jī)工作裝置組成

其工作裝置為翻轉(zhuǎn)六桿式機(jī)構(gòu)，由鏟斗、動(dòng)臂、搖臂、連桿、轉(zhuǎn)斗油缸和動(dòng)臂油缸組成，依靠工作裝置裝載機(jī)可以進(jìn)行散料裝載作業(yè)與短途運(yùn)輸作業(yè)。其液壓系統(tǒng)工作原理如圖2所示，裝載機(jī)作業(yè)過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)油泵轉(zhuǎn)動(dòng)，為整個(gè)液壓系統(tǒng)提供液壓油，通過(guò)操縱換向閥閥桿控制閥芯移動(dòng)，控制動(dòng)臂液壓缸和轉(zhuǎn)斗液壓缸伸長(zhǎng)或縮短，實(shí)現(xiàn)鏟斗所需動(dòng)作。

圖2 工作裝置液壓系統(tǒng)原理圖

2 裝載機(jī)工作裝置建模與仿真

2.1 系統(tǒng)建模仿真原理

在仿真技術(shù)中，AMESim軟件為用戶提供了一個(gè)系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)與分析的完整平臺(tái)，使用戶可以在單一平臺(tái)上建立復(fù)雜的機(jī)液耦合系統(tǒng)模型［6］，其建模仿真原理如圖3所示。根據(jù)仿真對(duì)象，在AMESim液壓元件庫(kù)和機(jī)構(gòu)庫(kù)中選擇相應(yīng)的元件，分別建立工作裝置的液壓系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)，采用控制信號(hào)控制液壓系統(tǒng)工作。仿真過(guò)程中，液壓系統(tǒng)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出作用力，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)的動(dòng)作，執(zhí)行機(jī)構(gòu)將產(chǎn)生的位移、速度和加速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)反饋給液壓系統(tǒng)［7］，完成仿真計(jì)算。

圖3 AMESim仿真原理圖

2.2 負(fù)載分析與模擬

裝載機(jī)在插入和鏟裝過(guò)程中，插入阻力Fin和掘起阻力Fsh依次達(dá)到最大值［8］。選擇料堆高度為1 m的細(xì)粒河沙為鏟裝對(duì)象，由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到最大插入阻力為9 998.3 N，最大掘起阻力為6 700 N，物料重力Fg在鏟裝完成時(shí)達(dá)到最大值，這里取滿載工況，即物料重力為10 000 N，各構(gòu)件的重力則不發(fā)生變化［8］。構(gòu)件重力可以由系統(tǒng)自動(dòng)加載，F(xiàn)in、Fsh和Fg則需要使用系統(tǒng)提供的Signal03和FXA001模塊模擬，圖4為仿真過(guò)程中負(fù)載模擬結(jié)果。

圖4 負(fù)載模擬曲線

2.3 系統(tǒng)仿真模型建立

圖5 輪式裝載機(jī)工作裝置系統(tǒng)仿真圖

裝載機(jī)工作裝置機(jī)液耦合仿真模型見(jiàn)圖5。其建立步驟為:構(gòu)建裝載機(jī)工作裝置模型;指定 每個(gè)元件模塊的數(shù)學(xué)模型;設(shè)定模型的參數(shù);仿真計(jì)算與分析［9－10］。在草圖模式 (Sketch Mode)下建立液壓系統(tǒng)與液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)仿真模型，其液壓系統(tǒng)由液壓缸、液壓閥、溢流閥、定量泵以及信號(hào)源和延時(shí)等模塊構(gòu)成，這些模塊可以在基本液壓元件庫(kù) (Hydraulic)與信號(hào)庫(kù) (Signal)中選擇;液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)仿真模型由轉(zhuǎn)斗、連桿、搖臂、動(dòng)臂、轉(zhuǎn)斗油缸、舉升油缸等組成，相應(yīng)模塊可以在平面機(jī)械庫(kù) (Planner Mechanical)中選擇。各構(gòu)件的重心和端口坐標(biāo)均由工作裝置三維模型獲得。連接各模塊完成系統(tǒng)模型搭建，模型參數(shù)設(shè)置如表1所示。為了仿真計(jì)算方便，在不影響工作裝置動(dòng)作的前提下，將動(dòng)臂多路閥簡(jiǎn)化為三位六通閥。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

2.4 仿真計(jì)算與結(jié)果分析

針對(duì)裝載機(jī)的典型作業(yè)過(guò)程，即插入、鏟裝、動(dòng)臂舉升、卸料、動(dòng)臂下降，進(jìn)行一次循環(huán)作業(yè)仿真計(jì)算。在仿真計(jì)算過(guò)程中，設(shè)置仿真時(shí)間為16 s，采樣時(shí)間間隔為0.01 s，各仿真動(dòng)作時(shí)長(zhǎng)如表2所示，仿真模式選擇“Stabilizing+Dynamic”，進(jìn)行仿真計(jì)算。

表2 各仿真動(dòng)作時(shí)長(zhǎng) s

仿真完成之后，從AMESim中讀取結(jié)果，如圖6—9所示。

圖6 動(dòng)臂油缸壓力曲線

圖7 轉(zhuǎn)斗油缸壓力曲線

圖8 溢流閥流量曲線

圖9 液壓缸缸桿加速度曲線

(1)插入階段(t=0～3 s)，在仿真開(kāi)始時(shí)刻(t=0)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)計(jì)算，由于工作機(jī)構(gòu)自身重力存在，所以在動(dòng)臂油缸與轉(zhuǎn)斗油缸產(chǎn)生一個(gè)初始?jí)毫ΑＱb載機(jī)鏟斗插入物料時(shí)液壓缸均封閉，由于插入阻力作用，油缸產(chǎn)生被動(dòng)力，動(dòng)臂油缸與轉(zhuǎn)斗油缸壓力在t=2.45 s時(shí)達(dá)到最大，分別為2.67和1.09 MPa。

(2)鏟裝階段 (t=3～4.5 s)。此階段動(dòng)臂油缸封閉，轉(zhuǎn)斗油缸無(wú)桿腔進(jìn)油，如圖6—7所示在鏟斗開(kāi)始掘起時(shí)，動(dòng)臂油缸無(wú)桿腔與轉(zhuǎn)斗油缸無(wú)桿腔均在3.3 s達(dá)到最大值，動(dòng)臂油缸無(wú)桿腔壓力為3.01 MPa，隨后逐漸降低到2.44 MPa，轉(zhuǎn)斗油缸無(wú)桿腔壓力為4.8 MPa，隨后逐漸降低到1.81 MPa。在收斗達(dá)到極限時(shí)，鏟斗撞擊動(dòng)臂，使動(dòng)臂油缸無(wú)桿腔壓力上下波動(dòng)，轉(zhuǎn)斗油缸無(wú)桿腔壓力迅速增加到雙穩(wěn)閥開(kāi)啟壓力12 MPa，液壓油通過(guò)雙穩(wěn)閥直接流回油箱，造成功率溢流損失，如圖8所示。

(3)動(dòng)臂舉升 (t=4.5～10 s)。舉升過(guò)程中動(dòng)臂油缸無(wú)桿腔壓力逐漸增大，當(dāng)舉升完成時(shí)壓力約為8.44 MPa，隨后迅速超過(guò)16 MPa，并產(chǎn)生一定的波動(dòng)，此時(shí)系統(tǒng)主安全溢流閥開(kāi)啟，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，液壓油通過(guò)溢流閥直接流回油箱，同樣造成了功率溢流損失，如圖8所示。

(4)鏟斗卸料 (t=10～12 s)。在卸料初始階段轉(zhuǎn)斗油缸有桿腔壓力大于無(wú)桿腔壓力，從t=10.5 s開(kāi)始，鏟斗翻轉(zhuǎn)速度加快，物料重力迅速減小到0，如圖4所示。轉(zhuǎn)斗油缸和動(dòng)臂油缸無(wú)桿腔壓力均迅速減小。卸料完成時(shí)，鏟斗撞擊限位塊，導(dǎo)致轉(zhuǎn)斗油缸產(chǎn)生壓力沖擊，其無(wú)桿腔壓力最大值達(dá)到7.03 MPa，如圖7所示。

(5)動(dòng)臂下降 (t=12～16 s)。在此過(guò)程中動(dòng)臂油缸有桿腔進(jìn)油，動(dòng)臂開(kāi)始下降，由于此過(guò)程工作裝置的重力勢(shì)能逐漸轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，動(dòng)臂快速下降，動(dòng)臂油缸有、無(wú)桿腔的壓力均較小，并且壓力變化比較穩(wěn)定，如圖6所示。

由上述分析可知，在鏟裝和舉升完成時(shí)，液壓系統(tǒng)無(wú)法驅(qū)動(dòng)負(fù)載，系統(tǒng)壓力快速升高，導(dǎo)致主安全閥打開(kāi)，造成功率溢流損失。由圖9也可以看出，在t=3.9 s和t=8.2 s附近壓力快速升高使缸桿產(chǎn)生了較大的加速度。同樣，裝載機(jī)作業(yè)過(guò)程中復(fù)雜多變的工況，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)負(fù)載變化頻繁，當(dāng)外部負(fù)載過(guò)大以致液壓系統(tǒng)過(guò)載時(shí)，大多數(shù)操作人員很難做到準(zhǔn)確判斷并快速關(guān)閉多路閥，這種情況下也會(huì)造成大量的功率損失。

這些能耗損失歸根到底是因?yàn)橄到y(tǒng)采用定量泵，定量泵輸出的流量和壓力不能夠隨著負(fù)載的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)，而產(chǎn)生的壓力和流量的過(guò)剩。為了解決這一問(wèn)題，降低功率損失，在以上研究的基礎(chǔ)之上，用某公司生產(chǎn)的A10VSO系列負(fù)載敏感變量泵取代原ZL10C裝載機(jī)的定量泵。

3 工作裝置負(fù)載敏感系統(tǒng)建模與仿真

3.1 工作裝置負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)

對(duì)ZL10C型裝載機(jī)采用A10VSO系列負(fù)載敏感變量泵改進(jìn)后，其液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖10所示。各多路閥出口壓力通過(guò)梭閥網(wǎng)絡(luò)比較，將最大負(fù)載壓力傳送到負(fù)載敏感泵變量機(jī)構(gòu)。變量機(jī)構(gòu)通過(guò)保持多路閥進(jìn)出口壓力差為恒值 (A10VSO產(chǎn)品中標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定壓差為1.4 MPa)，對(duì)變量泵進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)負(fù)載敏感變量泵可以根據(jù)負(fù)載需求，調(diào)節(jié)輸出的壓力和流量［11］。在待機(jī)空轉(zhuǎn)時(shí)，輸出壓力低，斜盤轉(zhuǎn)角小，近似處于零壓零流量狀態(tài)。在過(guò)載時(shí)輸出流量很低，僅能夠維持系統(tǒng)本身控制與泄漏需求。這樣液壓系統(tǒng)就可以避免溢流損失，提高液壓系統(tǒng)的效率。同時(shí)在壓力補(bǔ)償閥的作用下，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)臂油缸和轉(zhuǎn)斗油缸同時(shí)動(dòng)作，提高了工作裝置的操作特性。

圖10 負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)原理圖

3.2 工作裝置負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)建模

在AMESim軟件中，由于沒(méi)有負(fù)載敏感變量泵模塊，因此變量泵的變量機(jī)構(gòu)需要運(yùn)用液壓元件設(shè)計(jì)庫(kù)HCD(Hydraulic Component Design)建立。變量泵主體選用現(xiàn)有變量泵模型，建立的工作裝置系統(tǒng)仿真模型如圖11所示。為了更好地對(duì)比改進(jìn)前后工作裝置性能的變化，除了變量泵模型外，其他參數(shù)設(shè)置與原工作裝置相同。

圖11 負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)仿真圖

3.3 仿真計(jì)算與結(jié)果分析

圖12 多路閥輸入信號(hào)

各仿真動(dòng)作時(shí)長(zhǎng)設(shè)置同樣如表2所示，進(jìn)行仿真計(jì)算。圖12為多路換向閥輸入信號(hào)，其中輸入信號(hào)值為1時(shí)表示多路換向閥全開(kāi)。圖13為變量泵輸出流量曲線，由圖可知，在鏟裝和舉升完成時(shí)，變量泵輸出流量迅速減小，降低了系統(tǒng)溢流損失。圖14為負(fù)載敏感系統(tǒng)壓力曲線，由圖可知，負(fù)載敏感閥調(diào)節(jié)過(guò)程中，泵出口壓力與最高負(fù)載壓力差值基本保持在1.4 MPa左右，泵輸出壓力能夠較好跟隨負(fù)載壓力變化，降低了系統(tǒng)壓力損失。

圖13 變量泵輸出流量曲線

圖14 負(fù)載敏感系統(tǒng)壓力曲線

圖15是兩種不同液壓系統(tǒng)泵的輸出功率曲線，表3是作業(yè)過(guò)程中液壓系統(tǒng)能量消耗情況。分析可知，在插入階段多路閥關(guān)閉，負(fù)載敏感泵輸出的功率僅為0.038 kW，用來(lái)維持系統(tǒng)本身控制與泄漏需求。在鏟裝完成和到達(dá)最大舉升位置時(shí)，相比定量泵系統(tǒng)產(chǎn)生溢流損失，負(fù)載敏感泵輸出流量迅速減小，使輸出功率降低到1.21 kW。由表3數(shù)據(jù)可以得出:此次作業(yè)循環(huán)中，0～16 s內(nèi)定量泵液壓系統(tǒng)總能耗為123.4 kJ，平均每秒消耗7.71 kJ，而負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)總能耗為60.2 kJ，平均每秒消耗3.77 kJ。所以負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)能夠更好地適應(yīng)負(fù)載流量和壓力的需求變化，明顯降低了液壓系統(tǒng)的能量損失。

圖15 液壓泵輸出功率曲線

表3 液壓系統(tǒng)能量消耗

4 結(jié)論

(1)在AMESim中建立了原裝載機(jī)工作裝置液壓系統(tǒng)和機(jī)械機(jī)構(gòu)仿真模型，針對(duì)裝載機(jī)典型作業(yè)過(guò)程，對(duì)模型施加外部負(fù)載，完成了虛擬仿真計(jì)算。由仿真結(jié)果可知:裝載機(jī)在鏟裝過(guò)程中容易產(chǎn)生振動(dòng)和壓力沖擊，對(duì)工作裝置產(chǎn)生一定的損傷，并造成大量的功率損失。

(2)為了減少裝載機(jī)作業(yè)過(guò)程中的功率溢流損失，對(duì)原工作裝置液壓系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了ZL10C型裝載機(jī)負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)。通過(guò)結(jié)果對(duì)比分析，可以看出改進(jìn)后的負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)能夠較好地適應(yīng)負(fù)載流量和壓力的需求變化，避免流量和壓力的過(guò)剩，從而降低系統(tǒng)的功率溢流損失，提高了系統(tǒng)的效率。

(3)將多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真軟件AMESim應(yīng)用到工程機(jī)械領(lǐng)域，在AMESim單一平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了裝載機(jī)工作裝置機(jī)液耦合機(jī)構(gòu)的聯(lián)合仿真。該研究方法對(duì)于類似機(jī)液耦合機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、分析與優(yōu)化具有一定的參考意義。依靠其強(qiáng)大的優(yōu)越性，AMESim軟件將在機(jī)電液系統(tǒng)仿真領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

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