基于AMESim的液壓挖掘機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)研究*

龍 峰，馮志君

(廣西科技大學(xué) 機(jī)械與交通工程學(xué)院，廣西 柳州 545616)

0 引 言

挖掘機(jī)在工業(yè)與民用建筑、交通運(yùn)輸、水力工程等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，隨著工程機(jī)械能耗指標(biāo)的制定，挖掘機(jī)的能耗問(wèn)題也越來(lái)越引起人們的重視，挖掘機(jī)的動(dòng)力節(jié)能技術(shù)研究已成為工程機(jī)械研究的熱點(diǎn)。

挖掘機(jī)在實(shí)際工況中負(fù)載變化劇烈，使得效率低下，研究挖掘機(jī)動(dòng)力節(jié)能技術(shù)須實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)實(shí)際負(fù)載工況模擬。挖掘機(jī)負(fù)載模擬的加載方式主要有機(jī)械式，電動(dòng)式和液壓式。機(jī)械式的缺點(diǎn)不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)加載，無(wú)法滿足挖掘機(jī)實(shí)際負(fù)載工況的需求，電動(dòng)式的缺點(diǎn)是裝機(jī)容量大且成本高，液壓式能實(shí)現(xiàn)連續(xù)加載、成本低、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制[1]。因此，筆者采用液壓加載方式模擬挖掘機(jī)實(shí)際工況。通過(guò)對(duì)挖掘機(jī)重載工況進(jìn)行頻譜分析，設(shè)計(jì)液壓負(fù)載模擬系統(tǒng)并建立仿真模型，從系統(tǒng)階躍特性、頻響特性和重載工況跟隨特性對(duì)系統(tǒng)仿真分析，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)重載工況負(fù)載高頻變化的模擬且動(dòng)態(tài)誤差精度不超過(guò)5%。

1 液壓負(fù)載模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 挖掘機(jī)重載工況

圖1為某5 t挖掘機(jī)在一個(gè)周期的重載工況下泵出口壓力曲線[2]。由圖可知，挖掘機(jī)在實(shí)際工作中，負(fù)載波動(dòng)劇烈，壓力約在0～20 MPa之間變化，采用快速傅里葉變換對(duì)泵出口壓力進(jìn)行頻譜分析[3]。如圖2所示，由圖可知頻率主要集中在0～3 Hz。因此，負(fù)載模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)負(fù)載高頻變化的模擬。

圖1 載工況下泵出口壓力曲線

圖2 壓力頻譜特性曲線

1.2 負(fù)載模擬系統(tǒng)原理

由于挖掘機(jī)負(fù)載變化劇烈，在負(fù)載模擬系統(tǒng)中，需要實(shí)時(shí)的控制泵出口壓力。圖3為挖掘機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)原理圖，泵的出口壓力通過(guò)響應(yīng)頻率較高的比例溢流閥進(jìn)行控制，通過(guò)控制電流信號(hào)實(shí)現(xiàn)壓力連續(xù)調(diào)節(jié)。表1為負(fù)載模擬系統(tǒng)主要液壓元件型號(hào)及生產(chǎn)廠家。

圖3 負(fù)載模擬系統(tǒng)原理圖

表1 元件選型

2 液壓負(fù)載模擬系統(tǒng)模型的建立

為驗(yàn)證負(fù)載模擬系統(tǒng)的性能，本文主要利用AMESim軟件中HCD庫(kù)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真分析，由負(fù)載模擬系統(tǒng)原理圖可以看出，比例溢流閥的建模是關(guān)鍵。在HCD庫(kù)中，模型圖和數(shù)學(xué)模型存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此，建立比例溢流閥仿真模型的前提須要先搭建其數(shù)學(xué)模型。

2.1 比例溢流閥的數(shù)學(xué)模型

圖4為比例溢流閥簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)原理圖，根據(jù)結(jié)構(gòu)原理圖列出如下數(shù)學(xué)模型[4]。

(1) 比例環(huán)節(jié)

信號(hào)裝置輸入的電壓信號(hào)經(jīng)比例放大器轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，電流信號(hào)作用在比例電磁鐵產(chǎn)生電磁力，由于比例放大器的響應(yīng)頻率高，其傳遞函數(shù)可近似看做比例環(huán)節(jié):

(1)

式中：T1為為比例放大器的增益；U(s)為比例放大器的輸入電壓；I(s)為比例放大器輸出電流。

由于比例電磁鐵響應(yīng)頻率高，因此，比例電磁鐵也可近似看做比例環(huán)節(jié):

(2)

式中：T2為比例電磁鐵的增益；F(s)為電磁鐵推力。

(2) 閥芯力平衡方程

P1a1=P2a2+k1(x1+x2)+Ff1

(3)

P3a3=k2(x3+x4)+Ff2+F

(4)

式中：P1，P2為主閥芯前端與后端承受的壓力；a1，a2為主閥芯前端與后端的承壓面積；P3，a3為先導(dǎo)閥芯前端的壓力與承壓面積；k1，k2為主閥與導(dǎo)閥彈簧剛度；x1，x2為主閥與導(dǎo)閥彈簧預(yù)壓縮量；x3，x4為主閥與導(dǎo)閥彈簧位移量；Ff1，F(xiàn)f2為主閥與導(dǎo)閥所受摩擦力；F為電磁鐵推力。

(3) 閥口流量方程

(5)

(6)

式中：q1，q2為主閥與導(dǎo)閥的溢流量；Cd1，Cd2為主閥與導(dǎo)閥節(jié)的流量系數(shù)；ρ為油液密度。

圖4 比例溢流閥結(jié)構(gòu)原理圖

2.2 仿真模型的建立

在AMESim建模環(huán)境中，搭建負(fù)載模擬系統(tǒng)模型如圖5所示[5]。

圖5 負(fù)載模擬系統(tǒng)AMESim仿真模型

2.3 參數(shù)設(shè)置

負(fù)載模擬系統(tǒng)仿真參數(shù)如表2所示。

表2 仿真參數(shù)表

3 液壓負(fù)載模擬系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真

判別一個(gè)系統(tǒng)的性能需要對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析，靜態(tài)分析相對(duì)比較簡(jiǎn)單，只需液壓元件選型滿足目標(biāo)設(shè)計(jì)要求即可。本文主要從系統(tǒng)階躍響應(yīng)特性，頻響特性，重載工況跟隨特性對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析[6]。

3.1 系統(tǒng)階躍響應(yīng)特性

給比例溢流閥連續(xù)兩個(gè)階躍信號(hào)，第一段階躍0～100 bar，仿真時(shí)間0.3 s，第二段階躍0～200 bar，仿真時(shí)間0.6 s，0.3～0.6 s泵卸荷，打印步長(zhǎng)為0.000 1 s，仿真結(jié)果如圖6、7所示。由圖可知，第一段階躍泵出口壓力約100 ms后維持在100.28 bar，壓力超調(diào)量為1.4 bar，響應(yīng)時(shí)間100 ms，靜態(tài)誤差精度0.28%，動(dòng)態(tài)誤差精度0.7%。第二段泵出口壓力約180 ms后維持在200.64 bar，壓力超調(diào)量為1.1 bar，響應(yīng)時(shí)間180 ms，靜態(tài)誤差精度0.32%，動(dòng)態(tài)誤差精度0.55%。綜上所述，系統(tǒng)的響應(yīng)速度、精度和穩(wěn)定性較好。

圖6 泵出口壓力階躍響應(yīng)曲線

圖7 泵出口壓差曲線

3.2 系統(tǒng)頻響特性

為得到系統(tǒng)動(dòng)態(tài)頻率響應(yīng)特性，根據(jù)比例溢流閥的穩(wěn)態(tài)特性，在比例溢流閥中輸入y=110+90 sin(2π*ωt)正弦電流信號(hào)，在其導(dǎo)閥中得到相應(yīng)的電磁力，觀察不同頻率下泵出口壓力正弦特性響應(yīng)曲線，圖8～11分別是系統(tǒng)輸入頻率為1 Hz，3 Hz，4 Hz，5 Hz的正弦特性響應(yīng)曲線。

圖8 1Hz正弦響應(yīng)曲線

圖9 3Hz正弦響應(yīng)曲線

由圖可知，頻率1 Hz和3 Hz時(shí)，泵出口壓力在25～207 bar之間，波峰壓差均為7 bar，波谷壓差均為5 bar。頻率為1 Hz和3Hz時(shí)，都沒(méi)有明顯的幅值衰減和相位滯后。4 Hz時(shí)，泵出口壓力在25～195 bar之間，波峰壓差為-5 bar，波谷壓差5 bar，相位滯后0.02 s，5 Hz時(shí)，加載壓力在25～173 bar之間，波峰壓差為-27 bar，波谷壓差為5 bar，相位滯后0.03 s，頻率為4 Hz和5Hz時(shí)，有明顯幅值衰減和相位滯后。由此可知，系統(tǒng)在輸入信號(hào)頻率小于3 Hz時(shí)，具有較好的頻響特性，符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

圖10 4 Hz正弦響應(yīng)曲線

圖11 5 Hz正弦響應(yīng)曲線

3.3 重載工況跟隨特性

對(duì)挖掘機(jī)重載工況泵出口壓力信號(hào)進(jìn)行處理，取一個(gè)周期的泵出口壓力曲線，根據(jù)比例溢流閥壓力控制特性，利用OriginPro擬合電流信號(hào)，輸入系統(tǒng)，得到挖掘機(jī)重載工況下泵出口壓力跟隨特性曲線如圖12所示，壓差曲線如圖13所示。由圖可知，泵出口壓力在0～207 bar之間，整體動(dòng)態(tài)誤差維持在3%～5%之間，說(shuō)明系統(tǒng)在重載工況下跟隨特性較好。

圖12 重載工況跟隨曲線

圖13 壓差曲線

4 結(jié) 語(yǔ)

本文根據(jù)5 t挖掘機(jī)的實(shí)際工況，設(shè)計(jì)了挖掘機(jī)負(fù)載模擬系統(tǒng)，利用AMESim軟件對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，分別從系統(tǒng)階躍響應(yīng)特性，頻響特性，重載工況跟隨特性對(duì)該系統(tǒng)泵出口壓力進(jìn)行仿真分析：該系統(tǒng)階躍響應(yīng)時(shí)間為180 ms，動(dòng)、靜態(tài)誤差精度分別為0.55%、0.32%；負(fù)載信號(hào)頻率不超過(guò)3 Hz時(shí)，具有較好的頻響特性；在重載跟隨特性中，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)誤差精度不超過(guò)5%；說(shuō)明該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)挖掘機(jī)重載工況負(fù)載高頻變化的模擬，為挖掘機(jī)負(fù)載模擬研究提供了參考依據(jù)。