陳飛云，李光，呂曉林，佘翊妮，寧曉斌*

(1.浙江工業(yè)大學機械工程學院，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

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

劉靜等［3］利用ADAMS軟件和Matlab軟件建立挖掘機的機械、液壓等子模型，利用參數(shù)關(guān)聯(lián)和模型集成技術(shù)，建立了挖掘機虛擬樣機技術(shù)，其通過一系列數(shù)學微分方程和代數(shù)方程對液壓系統(tǒng)模型進行求解，但由于液壓系統(tǒng)的高復雜性和非線性，因而求解難度大。秦成［4］、時培成等［5］利用ADAMS建立挖掘機器人的機械、液壓子系統(tǒng)模型，從而建立挖掘機液壓與機械一體化的虛擬樣機模型，但ADAMS的液壓模塊的功能不完善，無法準確建立復雜的液壓泵變量機構(gòu)與多路閥控制模型，所以不能準確分析挖掘機液壓系統(tǒng)的特性與作業(yè)效率、能耗［6］等。另外，對于挖掘機挖掘阻力模型的研究，由于挖掘過程的復雜性，很難對挖掘阻力進行直接分析，也沒有準確的經(jīng)驗公式可循［7-8］。

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

1 協(xié)同仿真原理

在挖掘機的設(shè)計過程中，為驗證和優(yōu)化所開發(fā)機型液壓系統(tǒng)與工作裝置負載的各項性能匹配參數(shù)，本研究基于AMESim與ADAMS仿真軟件，建立了機液協(xié)同仿真模型，協(xié)同仿真原理如圖1所示。

首先，筆者在ADAMS中建立挖掘機的機械仿真模型，進行運動學分析驗證;然后，基于AMESim建立液壓系統(tǒng)模型，并以復合控制泵的實際參數(shù)變化驗證所建立模型的準確性;最后，通過協(xié)同仿真接口模塊，將AMESim液壓系統(tǒng)中測得液壓缸的速度值輸入到ADAMS機械動力學模型中，并將ADAMS中負載力的變化及機構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣量轉(zhuǎn)化為每個液壓缸上所受的力，反饋至AMESim中液壓系統(tǒng)中的液壓缸模型中，從而通過實時的數(shù)據(jù)交換，將挖掘機的液壓系統(tǒng)與機械仿真模型耦合起來。

圖1 協(xié)同仿真原理

同時，筆者在EDEM中建立實際工況下的礦石料堆模型，以模擬整個挖掘過程，測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)導入ADAMS中，并以加載力的方式添加到挖掘機鏟斗機構(gòu)上，從而能夠為協(xié)同仿真提供可靠的挖掘阻力模型。

2 建模與仿真

2.1 ADAMS動力學建模

考慮到ADAMS建模功能較弱以及挖掘機物理樣機的復雜性［9］，本研究對挖掘機工作裝置的銷、板等結(jié)構(gòu)進行簡化，并利用UG軟件建立挖掘機各部件具有質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量等物理特征的的三維實體模型和裝配圖，然后將模型轉(zhuǎn)成parasolid文件導入ADAMS中，添加約束和和運動關(guān)系，并根據(jù)挖掘軌跡定義載荷，各執(zhí)行油缸與馬達的液壓驅(qū)動力隨挖掘機運動和負載的變化而變化，在ADAMS中通過函數(shù)VARVAL獲取各執(zhí)行部件的液壓力數(shù)據(jù)，實現(xiàn)各執(zhí)行器的驅(qū)動，所建立的動力學模型仿真模型如圖2所示。

圖2 液壓挖掘機的ADAMS動力學模型

2.2 EDEM挖掘阻力模型

在挖掘機液壓系統(tǒng)的設(shè)計過程中，實際挖掘阻力是驗證液壓系統(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)，在實際挖掘過程中由于隨機因素較多和情況復雜，導致挖掘過程中的載荷情況復雜。這里利用離散元仿真軟件EDEM模擬挖掘過程的負載，阻力模型如圖3所示。

圖3 挖掘機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］，通過導入真實顆粒的CAD模型準確描述顆粒形狀大小，并添加力學性質(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，測量挖掘軌跡上鏟斗的受力，從而能夠得到準確可靠的挖掘阻力。

2.3 基于AMESim平臺的協(xié)同仿真

挖掘機液壓系統(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，并通過接口控制模塊ADAMS/Controls，構(gòu)建了全系統(tǒng)機液協(xié)同仿真模型。

2.3.1 復合控制泵建模

該型挖掘機采用某型號液壓泵，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)無關(guān)。所以筆者只關(guān)心變量泵的外部特性對液壓系統(tǒng)的影響，而對變量泵的內(nèi)部變量實現(xiàn)過程和其效率變化過程并不關(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，以保證挖掘機工作時系統(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。

當恒功率控制信號、壓力切斷控制信號以及手柄控制控制信號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)學模型為:

式中:Qp—手柄控制時泵的出口流量，L/min。

根據(jù)上述液壓泵的數(shù)學模型，本研究在AMESim中建立主泵的仿真模型并進行封裝，以手柄最大擺角信號輸入，仿真輸出主泵的壓力與流量關(guān)系，與試驗測試結(jié)果對比，驗證了所建立復合控制泵模型的準確性。

2.3.2 協(xié)同仿真模型

由于篇幅限制，挖掘機液壓系統(tǒng)中的其他子模型建立過程從略［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AMESim液壓模型中，加載接口模塊，所建立的全系統(tǒng)機液協(xié)同仿真模型如圖4所示。

圖4 挖掘機機液協(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，挖掘機調(diào)整挖掘初始姿態(tài)后，從6.5 s開始斗桿挖掘，挖掘持續(xù)時間6 s后結(jié)束，流量最大時速度達到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，動臂開始滿斗舉升，動臂液壓缸7.5 s后伸至最長，速度達到0.22 m/s，并調(diào)整鏟斗，以免物料灑落，此時回轉(zhuǎn)馬達使回轉(zhuǎn)機構(gòu)運動，到達指定卸載位置。30 s后開斗缸打開，物料卸載，卸載完畢，開斗關(guān)閉，并進入下一工作循環(huán)。

圖5 各液壓缸位移曲線

整個挖掘工作循環(huán)過程分析結(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回縮速度、挖掘時間、流量分配情況等均符合實際挖掘需求，并驗證了挖掘機所設(shè)計液壓系統(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 不同負載工況液壓系統(tǒng)參數(shù)匹配分析

挖掘機工作過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)。挖掘機不同負載下的EDEM挖掘阻力曲線如圖6所示。

圖6 挖掘機不同負載下的EDEM挖掘阻力曲線

挖掘機斗桿挖掘工況時，挖掘機初始的挖掘姿態(tài)位置分別為鏟斗進入礦石料堆的深度變化，即從負載1到負載4鏟起的礦石厚度逐漸增加，挖掘阻力相對增大，并可以看到挖掘過程中挖掘阻力波動較大，并隨斗桿液壓缸的不斷伸長，阻力開始減少，是因為3 s后掘削的礦石顆粒層變薄，此時動臂也開始逐步提升。

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

圖7 挖掘機不同負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確定。當負載1較小時，泵以最大流量輸出，速度基本恒定，但挖掘過程負載變化較大，導致功率有明顯的波動。研究結(jié)果表明，挖掘機液壓系統(tǒng)流量調(diào)節(jié)方式、功率變化等滿足實際挖掘工況需求，并為進一步改進和優(yōu)化液壓系統(tǒng)與工作裝置提供技術(shù)思路。

4 結(jié)束語

(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:機液協(xié)同仿真模型較真實的模擬挖掘機的工作負載和挖掘工況，為液壓系統(tǒng)的性能匹配及優(yōu)化提供設(shè)計參考模型。

(2)本研究對比不同挖掘負載的仿真結(jié)果，所設(shè)計的液壓系統(tǒng)能夠適應(yīng)復雜的挖掘負載工況，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際挖掘需求。

(3)與此同時，液壓系統(tǒng)和各液壓元件參數(shù)，還需進一步完善，各元件壓力損失、系統(tǒng)發(fā)熱及溫升情況有待進一步分析，為挖掘機液壓系統(tǒng)設(shè)計提供更精確的設(shè)計依據(jù)。

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