基于SimulationX的液壓挖掘機(jī)仿真分析

李侃，劉會勇，李佳，林良

(貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州貴陽 550003)

0 前言

液壓挖掘機(jī)是一種多功能機(jī)械，主要由工作裝置、回轉(zhuǎn)裝置、運(yùn)行裝置 (行走裝置)三大部分組成。其動力裝置主要采用液壓傳動系統(tǒng)，直接控制各系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)?；谝簤旱慕M成使其具有質(zhì)量輕、能實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，調(diào)速范圍大、傳動平穩(wěn)、操作簡單、靈活、省力、工作裝置品種多等特點(diǎn)。因此液壓挖掘機(jī)被廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、電力工程、水利工程、礦山工程、土木工程、機(jī)械工程的施工當(dāng)中，它大大的減輕了人類的勞動強(qiáng)度，改善了工作時的環(huán)境，保證了工程按時、按質(zhì)完成。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，液壓挖掘機(jī)的種類已經(jīng)非常的齊全，涵蓋幾乎所有的工程領(lǐng)域，因此，大受相關(guān)行業(yè)的青睞，使其作用顯得更加突出。但是大量采用液壓裝置的結(jié)果是對于液壓元件的制造精度要求高，裝配非常嚴(yán)格，且出現(xiàn)問題難于發(fā)現(xiàn)及維修較為困難，同時液壓油溫度對系統(tǒng)工作的影響較大，在不同的場合采用何種液壓油冷卻液都需要有專家經(jīng)驗(yàn)的指導(dǎo)［1］。

SimulationX是德國ITI公司開發(fā)的一款基于標(biāo)準(zhǔn)物理對象建模語言modelica的分析評價技術(shù)系統(tǒng)內(nèi)各部件相互作用的權(quán)威軟件，是多學(xué)科領(lǐng)域建模、仿真和分析的通用CAE工具，并具有強(qiáng)大標(biāo)準(zhǔn)元件庫，這些元件庫包括:1D力學(xué)、3D多體系統(tǒng)、動力傳動系統(tǒng)、液力學(xué)、氣動力學(xué)、熱力學(xué)、電子學(xué)、電驅(qū)動、磁學(xué)和控制，另外simulationX還具有強(qiáng)大的后處理系統(tǒng)。ITI在其新版本3.6中新增了一系列的應(yīng)用庫和模型類型及改進(jìn)和增加現(xiàn)有模型庫當(dāng)中的模型。

以往利用軟件對于液壓挖掘機(jī)的仿真建模大多停留在Creo、UG或者是SolidWorks等三維軟件中的建模及簡單的運(yùn)動分析，在ADAMS等虛擬樣機(jī)軟件中進(jìn)行運(yùn)動和受力分析，或者是在AMESim等液壓輔助軟件中做純液壓分析，而文中以SimulationX為平臺統(tǒng)一了液壓、電磁和三維模型之間的復(fù)雜耦合，為液壓挖掘機(jī)的仿真提供了一個完整的仿真、分析、后處理和優(yōu)化平臺，其既提供了直觀的動畫顯示，又得到了真實(shí)、準(zhǔn)確、詳實(shí)的實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果。

本文作者以某型液壓挖掘機(jī)為原型，利用simulationX軟件建立了液壓挖掘機(jī)整機(jī)的液壓系統(tǒng)及三維實(shí)體模型，并對模型進(jìn)行了時域動態(tài)仿真，分析了液壓挖掘機(jī)整機(jī)系統(tǒng)動態(tài)特性。

1 建立挖掘機(jī)三維實(shí)體模型

圖1 液壓挖掘機(jī)原型

液壓挖掘機(jī)的種類及型號多種多樣，因此選擇比較有代表性的型號有研究的實(shí)際價值和能夠運(yùn)用到其他挖掘機(jī)上面，或者部分運(yùn)用到其他設(shè)備上面。文中的液壓挖掘機(jī)應(yīng)用自機(jī)械工業(yè)出版社出版由北京兆迪科技有限公司編著的《Creo2.0運(yùn)動仿真與分析教程》中的挖掘機(jī)原型［2］。模型如圖 1所示。

2 模型導(dǎo)入SimulationX中

SimulationX的優(yōu)勢在于其可以通過轉(zhuǎn)換三維模型的格式然后直接導(dǎo)入到軟件當(dāng)中，這樣在仿真的時候使得模型的動態(tài)仿真結(jié)果更加的直觀、真實(shí)和可靠，讓研究者更好的識別模型的動態(tài)仿真是否錯誤，或者模型的仿真結(jié)果是否達(dá)到了所需要的結(jié)果。simulationX可以導(dǎo)入AUTOCAD公司的inventor和PTC公司三維設(shè)計(jì)軟件的組件或者裝配體［3］。具體操作步驟如下:

2.1 格式轉(zhuǎn)換

圖2 格式轉(zhuǎn)換

將在Creo2.0軟件中建立好的底盤、轉(zhuǎn)塔、動臂、動臂液壓缸、動臂液壓桿、斗桿、斗桿液壓缸、斗桿液壓缸液壓桿、鏟斗、鏟斗液壓缸、鏟斗液壓缸液壓桿以及其他附件在軟件中均轉(zhuǎn)換為STL格式，如圖2所示。

2.2 STL格式文件模型導(dǎo)入simulationX中

Creo2.0中的模型成功轉(zhuǎn)換為STL格式的文件后便可以通過進(jìn)一步操作導(dǎo)入到simulationX軟件中，打開軟件，找到如圖3所示的STL文件導(dǎo)入接口模型，按住鼠標(biāo)左鍵不放拖動到右邊的編輯區(qū)，為導(dǎo)入接口模型，雙擊該模型，打開屬性菜單，切換到inertia and geometry菜單，單擊load…按鈕，找到轉(zhuǎn)換后的STL文件，再次單擊打開即可。模型添加成功后，為窗口增加一個三維預(yù)覽窗口。顯示如圖3所示。

圖3 導(dǎo)入步驟演示

2.3 模型裝配

模型導(dǎo)入后，還需要進(jìn)一步進(jìn)行裝配，才能顯示出完整的圖樣，在裝配過程中選擇相應(yīng)的裝配方式，例如旋轉(zhuǎn)副、平移副等聯(lián)接相應(yīng)的元部件，由于Moddelica對的特點(diǎn)，在連接過程中可能出現(xiàn)鉸接環(huán)等現(xiàn)象，因此，需要注意的是，在特殊的連接點(diǎn)需要采用特定的元件消除掉鉸接環(huán)。聯(lián)接后如圖4、5所示。

圖4 挖掘機(jī)機(jī)械部分模型連線圖

圖5 模型的完整展示

2.4 液壓系統(tǒng)工作原理

挖掘機(jī)的工作主要依賴于底盤、轉(zhuǎn)塔、動臂液壓缸、斗桿液壓缸和鏟斗液壓缸。底盤主要實(shí)現(xiàn)液壓挖掘機(jī)的行走和支撐，轉(zhuǎn)塔實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)的轉(zhuǎn)向工作，此部分的動力系統(tǒng)可由液壓系統(tǒng)完成也可由機(jī)械傳動完成。而其工作部分主要是實(shí)現(xiàn)液壓挖掘機(jī)的挖掘工作以及其他挖掘機(jī)能夠?qū)嵉墓δ?，比如鉆、打等。

當(dāng)電動機(jī)帶動圖6中的液壓泵，使液壓泵輸出油液，油液經(jīng)過動臂液壓缸電磁換向閥到達(dá)動臂液壓缸有桿腔，液壓桿收回使動臂向下旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)的同時液壓油通過斗桿液壓缸電磁閥進(jìn)入斗桿液壓缸的有桿腔，液壓桿伸出使斗桿旋轉(zhuǎn)，通過動臂和斗桿的協(xié)同操作，使鏟斗達(dá)到預(yù)定或者被操作對象所處的位置，此時，啟動鏟斗液壓缸電磁閥，使液壓油進(jìn)入鏟斗液壓缸，使鏟斗執(zhí)行相應(yīng)的挖掘動作。當(dāng)挖掘完畢時，啟動相應(yīng)的電磁閥換向時，實(shí)現(xiàn)動臂液壓缸液壓桿伸出，斗桿液壓缸液壓桿和鏟斗液壓缸液壓桿回收，從而達(dá)到卸載的動作，此時，液壓挖掘機(jī)便實(shí)現(xiàn)了挖掘機(jī)回收的整個過程。

3 液壓系統(tǒng)仿真模型

SimulationX的建模過程非常的簡單，只需要在相應(yīng)的庫中拖動相應(yīng)的元件到編輯區(qū)，然后添加適當(dāng)?shù)倪B線，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，運(yùn)行仿真后，即可查看相應(yīng)的結(jié)果。首先我們進(jìn)入機(jī)械庫中的多體機(jī)械庫完成STL格式構(gòu)建的相應(yīng)的三維實(shí)體模型，便可以查看裝配的實(shí)體是否合理和正確，以便及時進(jìn)行修改。導(dǎo)入和裝配，使之裝配成完整的液壓挖掘機(jī)。其次進(jìn)入液壓庫，選擇相應(yīng)的電磁閥、液壓缸、液壓泵、油箱完成液壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)模型的構(gòu)建，然后進(jìn)入信號庫拖拽出電磁閥的換向輸入信號模塊，最后再次進(jìn)入機(jī)械庫中的旋轉(zhuǎn)機(jī)械庫拖拽出預(yù)設(shè)旋轉(zhuǎn)模塊，完成對液壓泵動力源的設(shè)置，即完成電動機(jī)的設(shè)置，此時整個液壓系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)完成構(gòu)建和融合，通過對模型的進(jìn)一步優(yōu)化，便可以達(dá)到多學(xué)科領(lǐng)域的完美結(jié)合的目的。圖6所示為液壓系統(tǒng)原理圖。

圖6 液壓系統(tǒng)原理圖

挖掘機(jī)的模型建立完畢以后，需要對模型的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，主要參數(shù)為:溢流閥調(diào)定壓力20 MPa，電機(jī)轉(zhuǎn)速2 000 r/min;其他參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 液壓系統(tǒng)設(shè)定參數(shù)值

4 仿真結(jié)果和分析

建立完液壓系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)模型，并且設(shè)置完組件的參數(shù)后，設(shè)置仿真的時間為10 s，在跟蹤選項(xiàng)卡里面 設(shè)置要跟蹤的項(xiàng)目，如Solver、External Functions，Objects and Models， Co-Simulation、 Compiled Simulation以便追蹤仿真，在仿真出現(xiàn)錯誤或者仿真時間較長時，快速查找出原因并給予糾正。仿真結(jié)果分析如圖7所示。

圖7 仿真結(jié)果曲線

圖7(a)為液壓缸的位移曲線，由圖可知在開始幾秒內(nèi)動臂液壓缸活塞桿收回，斗桿液壓缸和鏟斗液壓缸的活塞桿伸出，使得挖掘機(jī)做出挖掘的動作，時間的后半段，動臂液壓缸活塞桿伸出，斗桿液壓缸和鏟斗液壓缸的活塞桿收回，整個挖掘動作完成。

圖7(b)為液壓缸無桿腔的壓力曲線，由圖可知在電磁閥未換向時壓力基本保持平衡，當(dāng)電磁閥執(zhí)行換向操作時，壓力值瞬間升高，換向完成后，壓力回復(fù)平衡，在5.2 s的時候由于換向時間較長，因此產(chǎn)生的壓力升高值不是很大，造成的沖擊也不大。

圖7(c)為液壓缸有桿腔的壓力曲線，由圖可知開始由于溢流閥的作用動臂液壓缸壓力值很大，但是由于控制斗桿液壓缸和鏟斗液壓缸電磁閥的電磁線圈并沒有通電，所以基本為0，在換向時同樣出現(xiàn)了壓力沖擊。

圖7(d)、(e)分別為液壓缸無桿腔的流量曲線和液壓缸有桿腔的流量曲線，從對比中可以看出，有桿腔與無桿腔之間的流量呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系，即有桿腔流量增加時，無桿腔流量減少，而當(dāng)有桿腔流量減少時，無桿腔流量增多。同時，換向時流量瞬時增大。

圖7(f)為液壓缸無桿腔的受力曲線，由受力曲線可知，受力主要發(fā)生在電磁閥換向時液壓油液對液壓缸的沖擊。

5 結(jié)論

(1)挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)在電磁閥換向時，液壓系統(tǒng)的壓力明顯增高，即產(chǎn)生了較大的壓力沖擊，沖擊對挖掘機(jī)的性能會產(chǎn)生較大的影響。因此，換向壓力不容忽視，應(yīng)在換向閥換向之前，降低進(jìn)入主油缸的油液流量，以減緩活塞運(yùn)動速度，從而降低壓力沖擊。

(2)各電磁閥的動作順序?qū)τ谝簤和诰虻膶?shí)際運(yùn)動影響很大，當(dāng)參數(shù)匹配不合理時，會使挖掘機(jī)產(chǎn)生振動，從而導(dǎo)致挖掘機(jī)的工作效能下降，甚至損壞挖掘機(jī)。

(3)液壓缸的受力受到油液品質(zhì)、電磁換向閥的換向時間等的影響，因此，對于油液、電磁閥等的選擇也非常的重要。

［1］何彥海.基于SimulationX的液壓挖掘機(jī)仿真研究［J］.機(jī)械工程與自動化，2010(6):159－160.

［2］北京兆迪科技有限公司.Creo2.0運(yùn)動仿真與分析教程［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

［3］宮立強(qiáng)，于安才，姜繼海，等.基于SimulationX挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)聯(lián)合仿真及能耗分析研究［J］.液壓與氣動，2013(11):83－86.