基于ADAMS與EASY5的40 kN液壓起重機聯合仿真

程學進，王慶安，許同輝

(1.淮陰工學院機械工程學院，江蘇淮安 223003；2.江蘇省神工機械制造集團有限公司，江蘇淮安 223003)

液壓起重機作為一種常見的甲板設備，包含了機械、液壓、電氣等多個子系統，且工況多變，其液壓系統的性能直接影響整臺設備的性能。隨著計算機技術的不斷進步，由最初的單一系統分析逐淅發展到將液壓系統與機械、電氣等系統耦合起來進行分析成為可能［1－4］。利用虛擬樣機技術，分別建立液壓起重機的機械系統與液壓系統模型，并通過ADAMS的Controls模塊與EASY5軟件建立實時通信，實現ADAMS和EASY5之間的聯合仿真，為液壓起重機的設計與試驗分析提供一種方便快捷的途徑。

1 機械系統建模

1.1 建立三維模型

在ADAMS中進行運動學、動力學分析時，只需考慮零件的質量和質心，而對零件的外部形狀可不予考慮，但若能獲得準確的零件形體描述，ADAMS自動計算的零件質量和質心位置也就越精確。由于ADAMS軟件的三維建模功能相對較弱，但其提供了與通用CAD軟件的接口，可利用UG軟件進行建模和裝配，再以Parasolid格式導入ADAMS中進行仿真分析。

該液壓起重機主要由吊臂、回轉體及回轉支座等組成，可實現變幅、起升及回轉動作，分別由變幅油缸與液壓馬達來完成。在滿足工程應用需要的前提下，對起重機模型做了一些合理的簡化，然后在UG軟件中繪制出了各零件的三維模型，并且對其進行裝配。

1.2 建立虛擬樣機模型

將UG中建立的起重機三維模型以Parasolid格式導入ADAMS中，設置各個零件的名稱和顯示顏色，定義零件的材料屬性以及各個零件之間的運動副約束關系、欲輸出結果、仿真基本參數等，最后得到起重機的虛擬樣機模型，如圖1所示。

圖1 起重機虛擬樣機模型

2 液壓系統建模

該起重機液壓驅動系統由兩個獨立的液壓馬達與一個工程液壓缸構成，分別實現起重機的回轉、起升與變幅等動作。文中只針對變幅動作進行聯合仿真，在液壓系統圖基礎上，依據EASY5的工程應用液壓庫的特點，在不影響分析結果的原則上將原系統進行了適當的簡化，建立的變幅動作液壓系統回路模型如圖2所示。

圖2 液壓系統回路

此系統采用單向調速回路，活塞桿伸出時速度不可調，退回時由節流閥進行調節，油液的流向由三位四通閥來控制。

3 聯合仿真

3.1 接口設計

ADAMS軟件的Controls模塊提供了與EASY5進行通信的標準接口［5－7］，其作用是實現機械虛擬樣機與液壓系統模型之間的數據傳遞。

在EASY5中，液壓缸組件有兩種工作模式［6］，如圖3所示:(1)缸體固定，輸入為施加在活塞桿上的作用力，輸出為活塞桿的速度與位移，見圖3(a);(2)缸體固定，輸入為活塞桿的速度與位移，輸出為作用在活塞桿上的液壓力，見圖3(b)。為了保持系統的物理意義與人們的習慣思維一致，采用第二種工作模式，即活塞桿的速度與位移由ADAMS動力學模型計算得出并輸出給EASY5中的液壓系統模型。液壓系統模型在仿真計算的過程中根據輸入的速度與位移計算出作用在活塞桿上的驅動力，ADAMS模型則以此驅動力作為輸入參數進行動力學計算。

圖3 EASY5中活塞缸組件的2種工作模式

在ADAMS中設置好輸入、輸出變量后，利用ADAMS/Control模塊導出，在 EASY5中通過 Extension接口導入，聯接兩者相對應的輸入、輸出參數。然后點擊EASY5軟件Build/Export Model as/ADAMS External System Library，在出現的對話框中對Use Design Parameters和Use Display Output的參數按需要進行設置，這樣做的目的是為了在ADAMS軟件中可對液壓系統的關鍵參數進行修改，并在仿真結束后顯示液壓系統運行結果。點擊Export后生成*.dll和*.xfe.ezanl兩個文件，其中*.dll文件就是ADAMS軟件所需要的動態鏈接庫文件。需要注意的是，兩個文件需在同一個文件夾內，聯合仿真才能正常運行。

3.2 仿真結果分析

設置總的仿真時間為為15 s，三位四通閥的開度函數控制閥芯位置變化如圖4所示，仿真結果如圖5—7所示。從圖中可以看出，液壓系統模型中的液壓缸產生的推力成功的傳遞給ADAMS所建立的虛擬樣機上，仿真過程成功實現了虛擬樣機模型與液壓系統模型的無縫連接。

圖4 閥芯位置變化曲線

圖5 溢流閥流量曲線

圖6 液壓缸速度曲線

圖7 液壓缸位移曲線

4 結論

針對液壓起重機，探討了采用ADAMS與EASY5進行機械/液壓聯合仿真的方法，成功實現了機械系統與液壓系統的無縫聯接，仿真結果在ADAMS窗口中可直觀動態顯示，克服了傳統設計方法的不足，為相應設備的機電液一體化仿真提供了一種有效的途徑。

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