小型液压挖掘机液压系统建模与仿真研究

　　0　引言

　　多路阀是工程机械液压系统的核心部分。其节流口形状、尺寸对主机的运动特性有直接的影响。国外多路阀的技术已经相对成熟,有众多厂家生产多路阀,知名的如德国REXROTH公司、日本KYB公司和美国HUSCO公司等。国内也有部分院校和研究机构对此进行过一些研究。本文以某型号小型液压挖掘机为研究对象,建立其液压系统模型和整机动力学模型,用于研究多路阀节流口参数和主机运动特性之间的联系。

　　AMEsim是一种基于键合图理论的系统仿真软件,有丰富的液压元件库,允许用户以绘制液压原理图的方式建立系统模型和设置各部件的结构参数;通过选择油液类型和油温即可获得液压油的特性,使用户不必关心各种受到油液特性影响的系数和参数,也不必关心系统的数学方程。因而本文采用AMEsim来搭建液压系统模型。

　　整机动力学响应特性与液压系统响应特性紧密联系,不可分割。ADAMS是目前最具权威的机械系统动力学仿真分析软件,并且该软件与AMEsim、Mat-lab等软件的接口简单易用,采用该软件建立小型液压挖掘机的动力学模型,与使用AMEsim的液压系统模型进行联合仿真,可以弥补AMEsim软件目前无法进行三维多体动力学仿真分析的缺陷。

　　1　液压系统原理及模型组成

　　本文针对SWE17型液压挖掘机部分液压系统(泵、动臂、斗杆、铲斗和回转部分)进行建模仿真,该部分是小型液压挖掘机液压系统设计和控制的核心内容。以下分别介绍各部分的系统原理及模型组成。

　　1·1　泵

　　该挖掘机采用日本KYB公司生产的液压泵系统,其原理如图1所示,变量泵1和泵2组成全功率控制方式,泵1向动臂和铲斗联阀供油,泵2向斗杆联阀供油;定量泵3向回转联阀供油,同时越权控制泵1和泵2的排量;泵4为先导定量泵;当泵1和泵2同时向左右行走马达供油实现直线行走时,泵3则负责其他所有动作的供油。

　　泵1、泵2和泵3的压力流量特性如图2所示,其中图2a为KYB公司提供的特性曲线,图2b为仿真模型中所采用的理想恒功率控制曲线。仿真时先导系统压力将使用实验的测量值,因而模型中不对先导泵4建模。图2中,Q为流量,Pi为各泵的压力。

　　由以上理想恒功率控制曲线获得泵系统的AMEsim模型,如图3所示。由于本文所建模型侧重于研究多路阀的特性,因而没有关注泵的结构,只近似模拟泵的输出特性。

　　1·2　液压缸

　　在液压挖掘机液压缸内、关节、连接机构和阀中都存在摩擦。根据S·Tafazoli等人的实验,液压缸中的活塞、活塞杆和液压缸之间产生的摩擦力是主要的,与它相比,其他的摩擦力因素可以忽略。因此在建立液压缸模型时采用应用最广泛的经典摩擦力Ff计算公式为: