基于AMESim的裝載機工作液壓系統(tǒng)仿真分析

王峰

摘 要：AMESim軟件作為液壓仿真分析件之一，憑借其自身的優(yōu)勢特點，在機械工程液壓行業(yè)廣泛應(yīng)用。結(jié)合實際裝載機工作液壓系統(tǒng)和機械動作結(jié)構(gòu)，介紹了AMESim軟件在液壓系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用。對裝載機鏟斗及其相關(guān)液壓系統(tǒng)進行了建模仿真計算，說明了若液壓泵選擇不當(dāng)可能造成的后果，為液壓泵的選擇提供了借鑒數(shù)據(jù)。同時針對負載敏感液壓系統(tǒng)進行了仿真分析，驗證了其可行性。并且進行了機液聯(lián)合仿真計算，為機械耦合設(shè)計提供了新思路。

關(guān)鍵詞：液壓系統(tǒng)仿真 裝載機 AMESim

中圖分類號：TH243 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）07（c）-0074-02

由于機電液耦合運動操控方式的不斷改進，在全球化趨勢越來越明顯的今天，各個行業(yè)的競爭也來越激烈，機制行業(yè)則有過之而無不及。面對這樣的局面，如何迅速、精準(zhǔn)地設(shè)計機械液壓系統(tǒng)，是提高企業(yè)競爭力的關(guān)鍵所在[1]。

1 AMESim仿真分析軟件

AMESim是一款多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真平臺。該軟件擁有超過27個不同方向的工具包，每個工具包由該學(xué)科的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)單位組成，且這些不同學(xué)科方向的工具包中的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)單元都是實際應(yīng)用中驗證過的，是可行的。該軟件擁有與多種軟件通訊的接口，可以與Simulink、Adams、Simpack、Flux2D、RTLab、SPACE軟件聯(lián)合仿真。

2 裝載機工作液壓系統(tǒng)的建模與仿真

2.1 裝載機工作系統(tǒng)建模

結(jié)合模擬項目，在軟件的液壓部件包和機構(gòu)包中挑選合適的結(jié)構(gòu)，然后設(shè)立動作系統(tǒng)的液壓部分和動作結(jié)構(gòu)，調(diào)整各方面數(shù)據(jù)，通過操作信號使用液壓結(jié)構(gòu)。在模擬的操作時，液壓部件對動作結(jié)構(gòu)作用一個力，令動作結(jié)構(gòu)能夠執(zhí)行到位，動作機構(gòu)的速度、位移量和加速度等數(shù)據(jù)傳輸給液壓部分，液壓部分根據(jù)需要再進行調(diào)整，以完成模擬。

2.2 裝載機負載分析

以裝載細河沙為例，裝載機鏟斗在插入細沙和從沙堆掘出時的阻力為最大?？杀疚慕榻B的鏟斗最大插入阻力為9998.3N，挖出力為6700N，可知負載最大質(zhì)量在完成掘出時達到最值，若為滿載的條件下，負載所受重力為一萬牛，且此時鏟斗各機械結(jié)構(gòu)的重力無變化[2]。鏟斗各機械結(jié)構(gòu)的重力可由軟件自適應(yīng)加減。插入阻力、崛起阻力和物料重力則需要使用系統(tǒng)提供的Signal03和FXA001模塊模擬。

2.3 建立模型

按以下順序設(shè)計模型：設(shè)計裝載機械結(jié)構(gòu)的參量；根據(jù)數(shù)學(xué)公式設(shè)計機械結(jié)構(gòu)零部件；規(guī)定模型限制條件；模擬運行求解。在草圖形式中設(shè)計裝載機的液壓系統(tǒng)與其機械動作部分的模擬組件，其液壓系統(tǒng)由液壓缸、液壓閥、溢流閥、定量泵以及信號源和延時等部分構(gòu)成，以上部分可由軟件中的元件庫和信號庫中尋找；機械定做部分的模擬組件由轉(zhuǎn)軸、連桿、搖桿、動作桿、轉(zhuǎn)軸液壓缸、升降液壓缸等部分組成，以上部分在平面機械庫（Plan-ner Mechanical）里尋找。每個組件的質(zhì)心和坐標(biāo)都可以在已生成機械動作部分的模擬組件中找到。

2.4 仿真結(jié)果分析

對于裝載機的常用工作流程，鏟入，裝載，動桿升起、卸下負載、動桿回落，進行完整的工作流程模擬。根據(jù)模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)裝載和升起動作后，液壓機械結(jié)構(gòu)不能支撐負載，液壓油的壓力會過高，引起主安全閥泄壓，功率會溢流降低。并且，裝載機工作條件的頻繁變化，會造成機械結(jié)構(gòu)負載的不穩(wěn)定，如果機械結(jié)構(gòu)受力超過設(shè)計值即過載，工程操作人員容易忽略這種狀況的發(fā)生導(dǎo)致不能關(guān)閉多路閥，這樣的形式也會引起功率的大量流失。發(fā)生這種情況的根本誘因是液壓動作機構(gòu)使用了定量泵，該泵的輸出流量和可施加壓力不能自適應(yīng)變化，引發(fā)流量和壓力過剩所致。

3 工作裝置負載敏感液壓系統(tǒng)仿真分析

3.1 負載敏感液壓系統(tǒng)模型的建立

負載敏感變量泵由負載敏感閥、壓力控制閥（壓力截止閥）、可變泵體和可變液壓缸組成。該泵有低壓備用、一般備用和高壓備用三個工作條件。在低壓備用和一般工作條件下，負載敏感閥根據(jù)負載大小，具有閥門核心的運動過程，使泵的流量隨負荷大小而變化；在高壓備用狀態(tài)下，壓力控制閥通過負載敏感閥來感應(yīng)負載需求，閥門核心運動，根據(jù)負載的大小調(diào)整泵的流量。

首先在AMESim的草圖模式中的Hydraulic及HCD庫為系統(tǒng)選用合適的液壓元件，建立裝載機工作裝置液壓系統(tǒng)的仿真草圖模型，用PLM庫建立裝載機工作裝置機構(gòu)部分，機構(gòu)部分含有動臂、鏟斗、搖臂和連桿。草圖搭建完后，在子模型模式下為每個元件選擇一個子模型。

在選擇子模型后，所有相關(guān)參數(shù)均以參數(shù)化方式設(shè)置，負載敏感泵是保證工作裝置液壓系統(tǒng)中動臂液壓缸和旋轉(zhuǎn)斗式液壓缸所需壓力和流量的動力源。負載敏感泵的排量設(shè)置為140mL/r，轉(zhuǎn)速為1500r/min，負載敏感閥的壓差為2MPa，壓力補償閥的截斷壓力為21MPa。

3.2 仿真結(jié)果分析

設(shè)置比例溢流閥的參數(shù)，模擬負載分別為0、4.9、9.3、13.6、18和22.8MPa，調(diào)節(jié)圖 模型中負載敏感閥為0～1s為關(guān)，1～7s開度一樣，運行仿真，得到仿真結(jié)果。可知，剛開始的輸出壓力隨負載增大而增大，與負載敏感口壓力相差2MPa左右。

3.3 裝載機工作流程模擬

將敏感多路閥門的打開條件和打開角度設(shè)定好，設(shè)計23秒鐘的模擬時間，進行模擬，單位工作流程里油泵的施加力和工作對象敏感閥的力差值在2MPa左右，這是由于負載敏感閥的設(shè)定壓差值為2MPa所致。

可知，當(dāng)負載達到壓力控制閥設(shè)定值時，泵輸出流量很小，此時液壓缸活塞運行至行程終點（設(shè)定值），變量泵輸出壓力升高至泵的壓力控制閥設(shè)定壓力，壓力控制閥芯克服彈簧力的作用，打開泵出口至斜盤，伺服液壓缸的通路高壓油進入伺服液壓缸，使斜盤處于0°傾角位置，變量泵輸出流量接近于零，負載敏感變量泵處于高壓待命工作狀態(tài)；泵的流量輸出與轉(zhuǎn)斗液壓缸及動臂液壓缸的流量需求相適應(yīng)，沒有多余的流量損耗。0～1s內(nèi)泵啟動，但由于負載敏感換向閥未開啟，泵輸出壓力只有2MPa左右，輸出流量很小，此時因負載沒需求，功率需求小，泵處于低壓待命工作狀態(tài)。仿真結(jié)果表明，這種液壓系統(tǒng)的輸出壓力和流量與負載需求相適應(yīng)，可以大幅提高系統(tǒng)效率，達到節(jié)能降耗的目的。

4 結(jié)語

本文分別對裝載機鏟斗工作過程中液壓系統(tǒng)的受力情況和敏感元件在負載情況下的工作情況進行了建模仿真。得出如下結(jié)論。

（1）在AMESim軟件中設(shè)計了裝載機動作裝置液壓系統(tǒng)和機械機構(gòu)模擬組件，針對裝載機常態(tài)化工作流程，對模擬組件添加外部負載，進行了模擬仿真。根據(jù)模擬過程可知：裝載機在鏟裝過程中容易產(chǎn)生振動和壓力沖擊，對工作裝置產(chǎn)生一定的損傷，并造成大量的功率流失。

（2）使用AMESim軟件進行仿真時，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的模擬數(shù)學(xué)組件和各個元件子模型中的結(jié)構(gòu)參量同樣重要，在設(shè)計模擬組件時需要準(zhǔn)確知道這些參量，否則仿真結(jié)果會不理想。

（3）在AMESim單一平臺上實現(xiàn)了裝載機動作機構(gòu)的機液耦合機構(gòu)的聯(lián)合仿真。該研究方法對于相似的機液耦合結(jié)構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化具有相當(dāng)?shù)慕梃b意義。依靠其強大的模擬能力，AMESim軟件將在機電液系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

參考文獻

[1] 王曉瑜.基于AMESim的旋轉(zhuǎn)沖擊型錨桿鉆機液壓驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計與建模仿真分析[J].機床與液壓，2017，45（3）：181-184.

[2] 魯建軍，張寧.機械設(shè)計制造過程中的仿真技術(shù)分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014（20）：100.