王釗

摘 要：目前大部分挖掘機(jī)企業(yè)都在使用AMESim或其他仿真軟件進(jìn)行建模和仿真。本文介紹了AMESim在液壓系統(tǒng)建模和仿真方面的應(yīng)用功能，并通過XE40挖掘機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的建模和仿真分析，驗(yàn)證了該軟件強(qiáng)大功能和諸多優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：AMESim；XE40；挖掘機(jī)；執(zhí)行機(jī)構(gòu)；建模；仿真

液壓系統(tǒng)仿真技術(shù)是指為了模擬實(shí)際液壓系統(tǒng)的工作，使用仿真技術(shù)建立液壓系統(tǒng)和液壓元件的仿真模型而進(jìn)行的計(jì)算機(jī)仿真運(yùn)算技術(shù)。國外的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在上個(gè)世紀(jì)七十年代就已經(jīng)應(yīng)用在挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的研究上了，十幾年以后，我國的液壓技術(shù)人員才開始進(jìn)行這方面的研究。具有代表性的軟件有美國波音公司出的Easy5，法國出的AMESim。

一、液壓仿真軟件AMESim介紹

AMESim（Advanced Modeling and Simulation Environment for Systems Engineering）即多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模與仿真平臺(tái)。該軟件由法國著名公司IMAGINE推出，一經(jīng)面世就被廣泛使用，頗受好評(píng)。為用戶可以使用AMESim這個(gè)系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)完整的平臺(tái)，并在此平臺(tái)上建立較復(fù)雜的一維多門學(xué)科領(lǐng)域的機(jī)、電、液壓等一體化系統(tǒng)模型，并依此為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算仿真和更深入的分析研究。

AMESim使用的是圖形化用戶界面，簡便且易于操作，該軟件在中國銷售的主要包含有以下模塊：4個(gè)操作平臺(tái)、20多個(gè)應(yīng)用模型庫、5個(gè)接口工具、1個(gè)三維動(dòng)畫前后處理工具、1個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)工具包和10個(gè)實(shí)時(shí)仿真代碼生成功能。

二、XE40挖掘機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型的建立

執(zhí)行裝置是挖掘機(jī)重要的組成部分，是挖掘機(jī)完成挖掘任務(wù)的直接運(yùn)動(dòng)裝置。我們從動(dòng)臂開始分析，動(dòng)臂通過鉸鏈和挖掘機(jī)上回轉(zhuǎn)平臺(tái)前部相連，動(dòng)臂液壓缸無桿腔通過鉸鏈與上回轉(zhuǎn)平臺(tái)相連，有桿腔通過鉸鏈和動(dòng)臂相連接。斗桿一端通過鉸鏈固定在動(dòng)臂的上端，斗桿液壓缸無桿腔固定在動(dòng)臂上，有桿腔與斗桿連在一起。鏟斗根部通過鉸鏈和斗桿一端相連，鏟斗液壓缸無桿腔古仔在斗桿上，有桿腔有連桿相連。

執(zhí)行裝置的動(dòng)作如下：動(dòng)臂液壓缸無桿腔進(jìn)油，動(dòng)臂液壓缸伸出，動(dòng)臂上舉；動(dòng)臂液壓缸有桿腔進(jìn)油，動(dòng)臂液壓缸縮回，動(dòng)臂下降。斗桿液壓缸無桿腔進(jìn)油，斗桿液壓缸伸出，斗桿進(jìn)行挖掘；斗桿液壓缸有桿腔進(jìn)油，斗桿液壓缸縮回，斗桿進(jìn)行卸載。鏟斗液壓缸無桿腔進(jìn)油，鏟斗液壓缸伸出，鏟斗進(jìn)行挖掘；鏟斗液壓缸有桿腔進(jìn)油，鏟斗液壓缸縮回，鏟斗進(jìn)行卸載。

三、執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作仿真分析

普通情況下，挖掘機(jī)的工作包括以下四個(gè)過程：挖掘工作過程、滿載提升和回轉(zhuǎn)過程、卸載過程、空載返回過程。在第一挖掘工作過程和第三個(gè)卸載過程，一般需要?jiǎng)颖?、斗桿和鏟斗三種執(zhí)行裝置配合復(fù)合動(dòng)作才能完成。下文對(duì)卸載工作過程中的動(dòng)臂、斗桿、鏟斗復(fù)合模擬研究來分析挖掘機(jī)在復(fù)合動(dòng)作時(shí)的流量分配關(guān)系。

在卸載工作過程中，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件復(fù)合動(dòng)作的信號(hào)如圖1所示，其中數(shù)字1是驅(qū)動(dòng)動(dòng)臂上升的信號(hào)，數(shù)字2是驅(qū)動(dòng)斗桿卸載的信號(hào)，數(shù)字3是驅(qū)動(dòng)鏟斗卸載的信號(hào)。

圖1 卸載過程復(fù)合動(dòng)作驅(qū)動(dòng)信號(hào)

已知在閥后補(bǔ)償型負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)（LUDV）中，流經(jīng)各閥的流量分配跟負(fù)載沒有關(guān)系，只與通流截面積大小相關(guān)。在挖掘機(jī)各執(zhí)行裝置復(fù)合動(dòng)作時(shí)，當(dāng)流量達(dá)到飽和以后，流向各執(zhí)行裝置的流量根據(jù)各執(zhí)行裝置通道面積比流向各執(zhí)行裝置。

在模型中，把流量閥的兩端額定壓力差設(shè)置是14bar，流量系數(shù)Cd設(shè)定是0.7，各執(zhí)行機(jī)構(gòu)給定的先導(dǎo)壓力參照?qǐng)D2所示，在此先導(dǎo)壓力下，XE40挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)中多路閥中各執(zhí)行裝置等效截面積如下，動(dòng)臂液壓缸進(jìn)油的最大流通面積是13.5mm2，斗桿液壓缸進(jìn)油的最大流通面積是17.8 mm2，鏟斗液壓缸進(jìn)油的最大流通面積是18.4mm2。

根據(jù)公式

通過計(jì)算可以求得動(dòng)臂部分流量是33L/min，斗桿部分流量是43L/min，鏟斗部分流量是44L/min。

圖2所示是對(duì)模型仿真得到的流量曲線圖，其中數(shù)字1代表的是液壓泵排量曲線，數(shù)字2代表的是動(dòng)臂進(jìn)油的流量曲線，數(shù)字3代表的是斗桿進(jìn)油的流量曲線，數(shù)字4是鏟斗進(jìn)油的流量曲線。通過流量曲線圖可以得出：在0.6到2.0時(shí)，執(zhí)行裝置中只有動(dòng)臂工作，在14的壓差作用下，流入動(dòng)臂油液的流量約為32左右，當(dāng)斗桿和鏟斗開始同時(shí)動(dòng)作后，斗桿液壓缸和鏟斗液壓缸需要同時(shí)進(jìn)油，理論的進(jìn)油量需求為120。此時(shí)液壓泵達(dá)到功率的最大限制點(diǎn)，待稍后平衡后，泵實(shí)際的最大供油量為87左右（曲線1）。此時(shí)測得動(dòng)臂液壓缸的進(jìn)油量是24左右（曲線2），斗桿液壓缸的進(jìn)油量是31.3左右（曲線3），動(dòng)臂液壓缸的進(jìn)油量是32左右（曲線4）?？梢姡魅敫鲌?zhí)行裝置的油液流量是按照多路閥各開口面積的比例進(jìn)行分配的。

圖2 模型流量曲線圖

根據(jù)以上研究可驗(yàn)證結(jié)論：在XE40液壓系統(tǒng)中，流經(jīng)主換向閥的液壓油量只與閥的流通面積有關(guān)系，而與系統(tǒng)的負(fù)載沒有任何關(guān)系。如果液壓泵能提供的最大流量低于系統(tǒng)所需要的流量時(shí)，流入各執(zhí)行裝置的液壓油量是根據(jù)各執(zhí)行裝置流通面積比例進(jìn)行分配。

結(jié)論：通過對(duì)AMEsim軟件的功能介紹，并利用AMEsim軟件分別對(duì)XE40挖掘機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模和仿真分析?？梢缘玫皆撏诰驒C(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在工作狀態(tài)下壓流量、壓力等方面的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析，反映出液壓系統(tǒng)的壓力變化特性和流量變化特性。驗(yàn)證了在液壓技術(shù)研究中使用AMEsim軟件進(jìn)行建模和仿真分析能起到事半功倍的作用。

參考文獻(xiàn)

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