張 蕊

(貴州大學(xué)工程實(shí)訓(xùn)中心，貴州貴陽(yáng)550003)

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基于AMESim和RecurDyn的履帶車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)聯(lián)合仿真分析

張 蕊

(貴州大學(xué)工程實(shí)訓(xùn)中心，貴州貴陽(yáng)550003)

根據(jù)鉸接式履帶車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理，在RecurDyn軟件和AMESim軟件中分別建立履帶車的虛擬樣機(jī)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)；通過(guò)兩種軟件的對(duì)接，實(shí)現(xiàn)履帶車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的機(jī)械-液壓聯(lián)合仿真。運(yùn)用聯(lián)合仿真方法，分析了履帶車原地轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向液壓缸的液壓特性變化情況。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果非常接近；表明聯(lián)合仿真模型的可靠性，為后期系列產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造提供可靠數(shù)據(jù)。

AMESim軟件 RecurDyn軟件 轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 聯(lián)合仿真

0 引言

鉸接式履帶車通過(guò)鉸接機(jī)構(gòu)連接前后兩個(gè)車體，鉸接機(jī)構(gòu)中的兩個(gè)水平對(duì)稱的液壓缸驅(qū)動(dòng)車體實(shí)現(xiàn)左右轉(zhuǎn)向。鉸接轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對(duì)車輛的機(jī)動(dòng)性能和通過(guò)性能具有重要影響，而單一的分析其機(jī)械性能或者液壓性能已經(jīng)不能很好地模擬實(shí)際工作狀態(tài)，但是要構(gòu)建一種高精度的非線性動(dòng)態(tài)理論模型仿真實(shí)際工作系統(tǒng)是非常困難的。因此，運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)把機(jī)械轉(zhuǎn)向模型和液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合仿真，分析研究其特性成為優(yōu)化設(shè)計(jì)、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性及可靠性的重要手段。

1 履帶車鉸接轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理

圖1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓原理圖 圖2 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

履帶車鉸接轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理如圖1所示，該系統(tǒng)主要有轉(zhuǎn)向液壓缸、轉(zhuǎn)向器總成和供、回油系統(tǒng)三大部分組成(圖2)。在該系統(tǒng)中，由壓力流量補(bǔ)償變量泵提供動(dòng)力，轉(zhuǎn)向器總成控制液壓油流量大小。當(dāng)運(yùn)作轉(zhuǎn)向器的時(shí)候，轉(zhuǎn)向器的出油口會(huì)跟油缸負(fù)腔相通，反饋到變量泵上面，使得提供給轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的液壓泵的排量隨著負(fù)載的不同而變化。通過(guò)壓力控制，轉(zhuǎn)向器的壓差發(fā)生變化，液壓油按照需要進(jìn)入轉(zhuǎn)向器，進(jìn)而調(diào)整轉(zhuǎn)向液壓缸中流量，從而實(shí)現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性。

2 履帶車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的仿真模型建立[1-2]

2.1 AMESim和RecurDyn聯(lián)合仿真的原理及軟件環(huán)境設(shè)置[3]

RecurDyn的Hydraulic工具包和AMESim的Interface block工具包中提供了機(jī)械系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)聯(lián)合仿真的接口，通過(guò)接口數(shù)據(jù)模塊，可以實(shí)現(xiàn)液壓軟件AMESim和RecurDyn機(jī)械模型的耦合仿真，適用于液壓系統(tǒng)與機(jī)械系統(tǒng)交互的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

對(duì)AMESim接口設(shè)置時(shí)，必須保證系統(tǒng)中裝有C++，然后將RecurDyn安裝路徑下CoSim_AMESim下的整個(gè)文件夾復(fù)制到AMESim安裝目錄的LIB文件夾中。在進(jìn)行聯(lián)合仿真時(shí)，要把RecurDyn中建立的機(jī)械模型和AMESim中建立的液壓系統(tǒng)模型都存放在一個(gè)英文文件夾里面，這樣才是設(shè)置了正確的聯(lián)合仿真環(huán)境。

兩個(gè)軟件運(yùn)用各自獨(dú)立的求解器計(jì)算，仿真完成后，停止AMESim軟件仿真。在AMESim軟件里面查看液壓特性的變化，在RecurDyn環(huán)境里面，單擊Plot Result按鈕，在后處理界面的右側(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)中可以機(jī)械模型的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真參數(shù)。

2.2 AMESim和RecurDyn聯(lián)合仿真模型的建立

2.2.1 轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)模型的建立

圖3 液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)AMESim仿真建模及接口設(shè)置

根據(jù)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理，通過(guò)AMESim軟件中的元件子模型和接口工具包，建立圖3所示的液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仿真模型及其聯(lián)合仿真環(huán)境接口[4]。從圖中可以看出，液壓系統(tǒng)向機(jī)械模型輸入活塞桿的速度，機(jī)械模型中的活塞桿根據(jù)輸入的速度信號(hào)進(jìn)行運(yùn)作，運(yùn)作受到的阻力又作為機(jī)械模型的輸出，傳給液壓系統(tǒng)，作為它的輸入，活塞桿受外力產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)帶來(lái)速度。往復(fù)傳輸，形成了閉環(huán)系統(tǒng)[5]，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)履帶車的轉(zhuǎn)向。

圖4 履帶車虛擬樣機(jī)

2.2.2 鉸接式履帶車的整車虛擬樣機(jī)的建立

在RecurDyn軟件中建立的履帶車整車虛擬樣機(jī)如圖4所示，包括鉸接轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)[6]、行走底盤[7]和前后車體，并在RecurDyn/Hydraulic環(huán)境下設(shè)置聯(lián)合仿真的接口。

模型建立完成后，在RecurDyn和AMESim軟件中設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)。在參數(shù)設(shè)置過(guò)程中，需要注意下面三點(diǎn)：

1)RecurDyn輸入和輸出的單位一定要和AMESim中輸入輸出的單位統(tǒng)一。

2)在定義液壓缸輸出位移的時(shí)候，要根據(jù)液壓缸的實(shí)際安裝情況，確保RecurDyn和AMESim中液壓缸的初始位移位置相同，否則就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的動(dòng)作。

3)采集信號(hào)的步調(diào)要設(shè)置一致，確保AMESim運(yùn)行模式下的信號(hào)間隔、RecurDyn中CoSim模式下的交互時(shí)間間隔以及RecurDyn中Dynamic/Kinematic Analysis模式下的時(shí)間間隔統(tǒng)一起來(lái)。

3 履帶車轉(zhuǎn)向過(guò)程的聯(lián)合仿真

車輛轉(zhuǎn)向時(shí)不僅受到路面參數(shù)的影響，還會(huì)受到轉(zhuǎn)向方式的影響。由于車輛在原地轉(zhuǎn)向時(shí)受到的轉(zhuǎn)向阻力大于車輛行駛中轉(zhuǎn)向阻力，故分析研究了履帶車在原地轉(zhuǎn)向時(shí)的轉(zhuǎn)向特性。在RecurDyn中設(shè)置履帶車為空載狀態(tài)，轉(zhuǎn)向液壓缸處于自由狀態(tài)；在AMESim中設(shè)置方向盤轉(zhuǎn)速為50 rad/s，設(shè)定活塞缸的位移范圍，使得車輛向左轉(zhuǎn)向。為了增加對(duì)比性，設(shè)定履帶車在第1 s時(shí)開(kāi)始轉(zhuǎn)向，5 s內(nèi)完成轉(zhuǎn)向。

原地轉(zhuǎn)向時(shí)在虛擬樣機(jī)中設(shè)置行走系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速為零，路面設(shè)置為水泥地面；履帶車原地轉(zhuǎn)向時(shí)的轉(zhuǎn)向特性仿真曲線如圖5所示。

圖5中(a)、(b)為AMESim軟件后處理中導(dǎo)出的曲線圖，分別表示了原地左轉(zhuǎn)時(shí)左側(cè)液壓缸兩腔內(nèi)的壓力、流量變化情況。從兩腔壓力對(duì)比看出，左側(cè)液壓缸有桿腔與無(wú)桿腔之間的壓差克服了車輛轉(zhuǎn)向時(shí)受到的阻力，且每腔的流量變化隨著壓力的變化而產(chǎn)生變化浮動(dòng)。從圖中可以看出，轉(zhuǎn)向中系統(tǒng)的最大壓力接近140 Bar，最大流量接近16 L/min。在AMESim軟件的后處理中，很明顯的表示了液壓油的流進(jìn)和流出，流進(jìn)為正值，流出為負(fù)值。

(a)左側(cè)液壓缸兩腔壓力 (b)左側(cè)液壓缸兩腔流量圖5 聯(lián)合仿真液壓特性圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

對(duì)實(shí)際車輛進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)路面為廠區(qū)內(nèi)較為平坦的水泥地面，車輛為空載狀態(tài)。通過(guò)司機(jī)控制履帶車方向盤，實(shí)現(xiàn)車輛的原地向左轉(zhuǎn)向，利用雷諾公司開(kāi)發(fā)的CHPM手持式液壓測(cè)試儀采集轉(zhuǎn)向液壓缸的壓力、流量數(shù)據(jù)，其試驗(yàn)曲線如圖6所示。

試驗(yàn)曲線與聯(lián)合仿真曲線對(duì)比還可以發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)曲線的波動(dòng)范圍要大些。這主要是因?yàn)閺S區(qū)的水泥地面存在不平整的情況，路面不平時(shí)會(huì)造成整車的波動(dòng)，但在聯(lián)合仿真過(guò)程中，則理想化設(shè)置了路面，所以特性曲線呈現(xiàn)的比較平緩。

圖6 試驗(yàn)液壓特性圖

由于計(jì)算機(jī)仿真軟件的某些局限，后處理中不能同時(shí)導(dǎo)出同一側(cè)液壓缸中的壓力、流量曲線，所以在圖5中分別導(dǎo)出的左側(cè)液壓缸兩腔的壓力、流量曲線；但試驗(yàn)中，為了保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對(duì)液壓缸的有桿腔或者無(wú)桿腔同時(shí)測(cè)其壓力、流量，這樣就沒(méi)有實(shí)現(xiàn)仿真曲線圖和實(shí)驗(yàn)曲線圖的一一對(duì)照。

圖6中(a)、(b)液壓特性曲線與圖5中(a)、(b)相比，試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)液壓缸里面存在壓力差，且比聯(lián)合仿真中的壓差稍微大些；且在轉(zhuǎn)向開(kāi)始后，試驗(yàn)曲線與聯(lián)合仿真曲線沒(méi)有呈現(xiàn)出一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，但是左側(cè)液壓缸有桿腔和無(wú)桿腔的壓力、流量曲線的走勢(shì)形態(tài)與聯(lián)合仿真得到的曲線則近乎保持一致。這是因?yàn)樵诜抡孳浖校簤合到y(tǒng)的建模稍微簡(jiǎn)單化和理想化，虛擬樣機(jī)與實(shí)際車輛之間也存在某些簡(jiǎn)化的差異，試驗(yàn)測(cè)試中也會(huì)存在某些誤差，但是不影響對(duì)履帶車轉(zhuǎn)向特性的分析。

5 結(jié)論

根據(jù)履帶車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理，建立履帶車的動(dòng)力學(xué)模型和轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)。通過(guò)軟件之間的接口，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的機(jī)械模型和液壓系統(tǒng)的聯(lián)合仿真。通過(guò)聯(lián)合仿真結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，驗(yàn)證了聯(lián)合仿真得到的轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)特性參數(shù)變化的確切性， 為液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和鉸接機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了可靠依據(jù)。

[1] 陸倩倩.流量放大全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的仿真分析及實(shí)驗(yàn)[D].杭州：浙江大學(xué)，2010.

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Co-simulation analysis of the steering system of tracked vehicle based on AMESim and RecurDyn

ZHANG Rui

The virtual prototype and the hydraulic steering system were established on the platform of RecurDyn software and AMESim software, according to the working principle of steering system of articulated tracked vehicle. It can realize combined mechanical-hydraulic simulation of the steering system on this platform. Hydraulic characteristics change of steering hydraulic cylinder was analyzed as the tracked vehicle pivot steering by the co-simulation technology. Experiment showed that the simulation results were consistent with the experimental results, and the model provided a reliable basis for later design and manufacture of series of products.

AMESim software, RecurDyn software, steering system, co-simulation

TP391.9

A

1002-6886(2016)06-0022-04

張蕊(1985-)，女，河南人，碩士研究生，實(shí)驗(yàn)師，主要從事工程訓(xùn)練教學(xué)、現(xiàn)代制造技術(shù)研究工作。

2016-06-26