基于AMESim軟件XE40挖掘機執行機構的仿真研究

王釗

摘 要：目前大部分挖掘機企業都在使用AMESim或其他仿真軟件進行建模和仿真。本文介紹了AMESim在液壓系統建模和仿真方面的應用功能，并通過XE40挖掘機執行機構的建模和仿真分析，驗證了該軟件強大功能和諸多優點。

關鍵詞：AMESim；XE40；挖掘機；執行機構；建模；仿真

液壓系統仿真技術是指為了模擬實際液壓系統的工作，使用仿真技術建立液壓系統和液壓元件的仿真模型而進行的計算機仿真運算技術。國外的計算機仿真技術在上個世紀七十年代就已經應用在挖掘機液壓系統的研究上了，十幾年以后，我國的液壓技術人員才開始進行這方面的研究。具有代表性的軟件有美國波音公司出的Easy5，法國出的AMESim。

一、液壓仿真軟件AMESim介紹

AMESim（Advanced Modeling and Simulation Environment for Systems Engineering）即多學科領域復雜系統建模與仿真平臺。該軟件由法國著名公司IMAGINE推出，一經面世就被廣泛使用，頗受好評。為用戶可以使用AMESim這個系統的工程設計完整的平臺，并在此平臺上建立較復雜的一維多門學科領域的機、電、液壓等一體化系統模型，并依此為基礎進行計算仿真和更深入的分析研究。

AMESim使用的是圖形化用戶界面，簡便且易于操作，該軟件在中國銷售的主要包含有以下模塊：4個操作平臺、20多個應用模型庫、5個接口工具、1個三維動畫前后處理工具、1個優化設計工具包和10個實時仿真代碼生成功能。

二、XE40挖掘機執行機構模型的建立

執行裝置是挖掘機重要的組成部分，是挖掘機完成挖掘任務的直接運動裝置。我們從動臂開始分析，動臂通過鉸鏈和挖掘機上回轉平臺前部相連，動臂液壓缸無桿腔通過鉸鏈與上回轉平臺相連，有桿腔通過鉸鏈和動臂相連接。斗桿一端通過鉸鏈固定在動臂的上端，斗桿液壓缸無桿腔固定在動臂上，有桿腔與斗桿連在一起。鏟斗根部通過鉸鏈和斗桿一端相連，鏟斗液壓缸無桿腔古仔在斗桿上，有桿腔有連桿相連。

執行裝置的動作如下：動臂液壓缸無桿腔進油，動臂液壓缸伸出，動臂上舉；動臂液壓缸有桿腔進油，動臂液壓缸縮回，動臂下降。斗桿液壓缸無桿腔進油，斗桿液壓缸伸出，斗桿進行挖掘；斗桿液壓缸有桿腔進油，斗桿液壓缸縮回，斗桿進行卸載。鏟斗液壓缸無桿腔進油，鏟斗液壓缸伸出，鏟斗進行挖掘；鏟斗液壓缸有桿腔進油，鏟斗液壓缸縮回，鏟斗進行卸載。

三、執行機構動作仿真分析

普通情況下，挖掘機的工作包括以下四個過程：挖掘工作過程、滿載提升和回轉過程、卸載過程、空載返回過程。在第一挖掘工作過程和第三個卸載過程，一般需要動臂、斗桿和鏟斗三種執行裝置配合復合動作才能完成。下文對卸載工作過程中的動臂、斗桿、鏟斗復合模擬研究來分析挖掘機在復合動作時的流量分配關系。

在卸載工作過程中，驅動執行元件復合動作的信號如圖1所示，其中數字1是驅動動臂上升的信號，數字2是驅動斗桿卸載的信號，數字3是驅動鏟斗卸載的信號。

圖1 卸載過程復合動作驅動信號

已知在閥后補償型負載敏感液壓系統（LUDV）中，流經各閥的流量分配跟負載沒有關系，只與通流截面積大小相關。在挖掘機各執行裝置復合動作時，當流量達到飽和以后，流向各執行裝置的流量根據各執行裝置通道面積比流向各執行裝置。

在模型中，把流量閥的兩端額定壓力差設置是14bar，流量系數Cd設定是0.7，各執行機構給定的先導壓力參照圖2所示，在此先導壓力下，XE40挖掘機液壓系統中多路閥中各執行裝置等效截面積如下，動臂液壓缸進油的最大流通面積是13.5mm2，斗桿液壓缸進油的最大流通面積是17.8 mm2，鏟斗液壓缸進油的最大流通面積是18.4mm2。

根據公式

通過計算可以求得動臂部分流量是33L/min，斗桿部分流量是43L/min，鏟斗部分流量是44L/min。

圖2所示是對模型仿真得到的流量曲線圖，其中數字1代表的是液壓泵排量曲線，數字2代表的是動臂進油的流量曲線，數字3代表的是斗桿進油的流量曲線，數字4是鏟斗進油的流量曲線。通過流量曲線圖可以得出：在0.6到2.0時，執行裝置中只有動臂工作，在14的壓差作用下，流入動臂油液的流量約為32左右，當斗桿和鏟斗開始同時動作后，斗桿液壓缸和鏟斗液壓缸需要同時進油，理論的進油量需求為120。此時液壓泵達到功率的最大限制點，待稍后平衡后，泵實際的最大供油量為87左右（曲線1）。此時測得動臂液壓缸的進油量是24左右（曲線2），斗桿液壓缸的進油量是31.3左右（曲線3），動臂液壓缸的進油量是32左右（曲線4）?？梢姡魅敫鲌绦醒b置的油液流量是按照多路閥各開口面積的比例進行分配的。

圖2 模型流量曲線圖

根據以上研究可驗證結論：在XE40液壓系統中，流經主換向閥的液壓油量只與閥的流通面積有關系，而與系統的負載沒有任何關系。如果液壓泵能提供的最大流量低于系統所需要的流量時，流入各執行裝置的液壓油量是根據各執行裝置流通面積比例進行分配。

結論：通過對AMEsim軟件的功能介紹，并利用AMEsim軟件分別對XE40挖掘機執行機構進行建模和仿真分析?？梢缘玫皆撏诰驒C執行機構在工作狀態下壓流量、壓力等方面的數據，通過數據分析，反映出液壓系統的壓力變化特性和流量變化特性。驗證了在液壓技術研究中使用AMEsim軟件進行建模和仿真分析能起到事半功倍的作用。

參考文獻

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[2]余佑官，龔國芳，胡國良.AMESim仿真技術及其在液壓系統中的應用[J].液壓氣動與密封，2005（3）：28～31.