基于AMESim與Adams聯合仿真的挖掘機鏟斗特性研究

姜雪峰　朱亞軍

摘 要：應用大型系統仿真軟件AMESim7.0和Adams2010建立了正流量挖掘機液壓系統與工作裝置動力學模型，建立聯合仿真平臺分析了挖掘機的鏟斗聯的壓力特性和位移特性等，研究結果表明：仿真結果和真實結果相似，且相比AMESim單平臺仿真更準確。

關鍵詞：AMESim與Adams聯合仿真軟件；挖掘機鏟斗；特性研究

引言

作為挖掘機直接完成工況要求的工作裝置，鏟斗性能的穩定發揮尤為重要。本研究以某中型挖掘機為對象，根據挖掘機的鏟斗聯回路建立AMESim模型圖，使用ADAMS軟件建立整機動力學模型，然后對鏟斗的操作進行精確控制。

1 模型建立

1.1 挖掘機鏟斗聯液壓系統的AMESim建模

1.主控閥2.鏟斗合流閥3.防反轉閥4.鏟斗液壓缸

圖1 鏟斗動作液壓回路

如圖1所示，所研究的液壓挖掘機的鏟斗聯的液壓回路，回路包括有雙聯泵、主控閥1、鏟斗合流閥2、防鏟斗反轉閥3和鏟斗油缸4。控制鏟斗油缸的主控閥只有1根閥芯，控制鏟斗的兩個動作。主控閥處于左位時，鏟斗外擺動作，此動作負載較小，只需克服鏟斗的重力，鏟斗合流閥不工作，達到節能的效果；主控閥處于右位時，鏟斗內收動作，由于鏟斗在挖掘機時受到的負載力很大，所以這個動作需要鏟斗合流閥的合作，從而完成鏟斗合流動作，提高挖掘機作業效率。為了防止鏟斗在挖掘時負載過大而可能引起鏟斗液壓缸活塞桿反向運動，在回路中裝有單向閥，起到保護作用。

利用AMESim軟件依照原理圖對挖掘機鏟斗聯回路進行建模。由液壓原理圖可知系統采用雙聯泵，液壓挖掘機多路閥實質是三位六通閥的組合，為了滿足挖掘機的各類工況，在多路閥的閥芯上會開有各式各樣的節流槽，本研究選用HCD庫中的BAO22模型來搭建，然后只需在模型中設置相應的參數即可完成仿真動作。最終建立模型如圖2所示。

1.2 挖掘機工作裝置ADAMS建模

由于ADAMS本身建模的復雜性，首先采用三維軟件PROE進行挖掘機整機的建模，然后導入ADAMS中進行動力學分析。本研究以某公司中型挖掘機為平臺進行建模，該挖掘機的主要結構參數如表1，最終三維模型如圖3所示。

如圖4為導入后的ADAMS模型。首先檢驗模型各部分的完整性，本研究暫不研究挖掘機的回轉工況，將回轉平臺、底架和履帶即整個下車平臺看成一個整體，此操作通過布爾運算獲得，經Tools-Database Navigator查得模型中有15個構件。ADAMS中的元件是以構件的形式存在，需要對每個構件重新命名。然后設置工作環境（柵格、單位、背景色等）和質量信息。最后根據挖掘機的運動情況對各個構件間進行約束和設置油缸驅動，得出最終挖掘機無冗余約束，自由度為0，自檢結果如圖5。

1.3 建立聯合模型

本研究把AMESim作為主控軟件，在AMESim中運行并控制著ADAMS的仿真進程。從ADAMS輸出到AMESim中采用共同仿真模式，即由AMESim通知ADAMS在給定的時間提供它的輸出，由ADAMS自己來求解它的模型。

通過在ADAMS中的變量和接口定義，由ADAMS/Controls模塊模型，然后將模型導入AMESim中，從而在AMESim環境中建立了能夠被識別的ADAMS model子模塊，如圖6，可以直接來調用。本研究只涉及挖掘機鏟斗工作裝置，ADAMS模型提供速度和位移給AMESim模型，由AMESim計算液壓缸的驅動力傳遞給ADAMS運動學模型。最終建立的鏟斗聯的聯合仿真模型如圖7所示。

2 參數設置

2.1 泵的參數設置

泵的參數主要有額定轉速和泵出口的排量。泵和發動機相連，本研究中發動機的額定轉速為2050 r/min；泵出口的排量由系統壓力確定的，如圖8所示為測得的泵出口壓力與排量的關系曲線。

2.2 多路閥參數設定

彈簧的彈性系數為k=29.99 N/mm，預緊力f=105.98N；鏟斗閥的過流面積如圖9所示，本研究只涉及內收工況。通過MATLAB把曲線中過流面積與閥芯位移的關系數據以TXT的形式存入記事文章件中，然后通過指定路徑的方式來調用該記事文章件。

2.3 鏟斗液壓缸的參數確定

鏟斗液壓缸的參數在表1中已經給出，這里不再敘述。

2.4 ADAMS model子模塊參數設置

3 仿真分析

根據鏟斗的實際工作速度和平均挖掘時間，設置仿真步長為0.05s，仿真時間為26s。仿真過程中只研究內收工況，即鏟斗缸大腔進油，小腔回油。

3.1 壓力特性

如圖11，挖掘機鏟斗內收過程，由于鏟斗在內收過程中，在鏟斗齒尖過垂直位置之前，重力做功為正功，所以在5.5s之前有桿腔壓力一直大于無桿腔壓力，保持一定的背壓，故有桿腔的壓力大于無桿腔壓力，第5.5s時，鏟斗與斗桿平行，之后繼續內收必須要克服鏟斗的自重，在6～12s，進油路（無桿腔）的壓力必須大于回油路（有桿腔）的壓力。無桿腔的壓力在2.8s之前一直為零，由于閥口存在一定的死區長度，在閥芯位移小于死區長度時，進油閥口沒有油液通過，壓力為零。

泵出口壓力開始階段為零，約在2.8s開始逐漸增加，因為開始的時候閥芯中位節流口過流面積全開，閥芯移動后，中位過流面積逐漸減小，開始建立起系統壓力。

3.2 位移特性

圖12所示為鏟斗內收過程中鏟斗缸活塞桿位移隨時間的變化曲線，在0～1.3s內，活塞桿位移為零，油閥口還未打開，第1.3～2.5s行程逐漸增大，之后2s不變，從4.5s開始活塞桿行程不斷增大到11s左右達到最大值1120mm，在實際情況中鏟斗內收大概為10.5s左右，仿真結果與實際情況吻合，能夠證明仿真模型的合理性。

4 結束語

文章建立了正流量挖掘機鏟斗聯的聯合仿真模型，利用該模型模擬了鏟斗的內收工況，分析了鏟斗的壓力特性和位移特性。結果表明：鏟斗油缸進、出油口的壓力仿真曲線和真實情況很相似，油缸位移仿真曲線和真實情況之間的時間差為0.5s左右，證明模型建立的準確性，這為進一步對挖掘機工作裝置性能研究提供了一個很好的基礎。

參考文獻

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