201-4年1月 机床与液压 Jan.20l4 第42卷第1期 MACHINE TO0L&HYDRAULICS Vo1.42 No.1 DOI:10.3969/j.issn.1001—3881.2014.01.033 基于AMESim的轮式装载机工作装置建模与仿真研究 赵文祥,严世榕 (福州大学机械工程及自动化学院,福建福州350108) 摘要:通过对某款国产轮式装载机工作装置结构与作业过程的分析,利用仿真软件AMESim建立相应的机液耦合模型并 进行动态仿真,得出装载机典型作业过程中系统压力、流量等参数的变化情况。在此基础上设计了新工作装置负载敏感液压 系统,并对该负载敏感系统进行仿真研究。研究表明:与原系统相比,负载敏感系统能够更好地适应装载机复杂工况需求, 具有良好的节能效果和操作特性。此外该研究方法对于类似机液耦合机构的设计、分析与优化具有一定的参考价值。 关键词:轮式装载机;AMESim;负载敏感;工作装置;机液耦合 中图分类号:TH243 文献标识码:A 文章编号:1001—3881(2014)1—123—5 Modeling and Simulation for Wheel Loader’S Working Device Based on AMESim zHA0 Wenxiang.YAN Shirong (School of Mechanical Engineering and Automation,Fuzhou University,Fuzhou Fujian 350108,China) Abstract:According to the working mechanism of a wheel loader,a hydraulic—mechanical coupling model for the working device was established with AMESim.Simulation about the pressure and flow rate of the system was carried out under some typical working processes.On this basis,a new load—sensing hydraulic system was designed for the working device.And compared studies were made between the fixed displacement pump system and the load—sensing hydraulic system.The results show that the improved load—sensing hydraulic system can better match the pump under the demand of complex conditions and presents well in energy saving and control characteristics.The way adopted can also be used in design and analysis of some other hydraulic—mechanical coupling mechanisms. Keywords:Wheel loader;AMESim;Load sensing;Working device;Hydraulic—mechanical coupling 装载机是集机械、液压和电子控制技术于一体的 定的不便。为了克服以上方法的不足,运用AMESim 非线性复杂系统,具有机动性好、作业速度快、操作 软件自带液压元件库、信号元件库和平面机构库联合 轻便等优点,被广泛应用于工程和城市建设场所。装 建模方法,对某公司生产的ZL10C型装载机工作装 载机的工作装置是一个典型的机液耦合系统,其作业 置的动态特性进行了研究。 过程动态特性直接影响到作业效率、操纵性能和零部 1 装载机工作装置组成 件的使用寿命 。因此,为了提高装载机工作装置的 该ZL10C型装载机结构形式如图1所示。 动态特性,许多学者进行了相关研究。 目前要对装载机工作装置进行研究,可以参考的 设计仿真方法有:(1)运用ADAMS软件建立装载机 工作装置虚拟样机模型 ,进行动力学仿真计算, 设计工作装置机械机构,但该种方法不能解决液压系 统的设计问题,ADAMS软件的某些版本虽具有液压 模块,但对于复杂的液压系统模型,不便进行建模和 分析,比如文中所建负载敏感变量泵的变量机构; (2)利用AMESim和ADAMS等仿真软件进行联合仿 1一铲斗2一连杆3一动臂4~摇臂5_I转斗液压缸6一动臂 真 ,该方法可以较好地实现机液系统仿真计算,但 液压缸7~车轮点 一铲斗与动臂铰接点点哥一铲斗与连杆铰 接点点cL-连杆与摇臂铰接点点 一摇臂与动臂铰接点点B一 由于AMESim模型输出量的不连续性,容易导致AD— 摇臂与转斗液压缸铰接点点 一转斗液压缸与前车架铰接点 点e一动臂与前车架缸铰接点点日-_动臂缸与前车架缸铰接点 AMS的求解器求解失败,使得某些液压模块的使用 动臂缸与动臂铰接点 受到 ,并存在软件间的单位、符号和求解精度 图1 装载机工作装置组成 的设置问题,对研究装载机复杂控制系统也带来了一 收稿日期:2012—12—28 基金项目:国家自然科学基金资助项目(51175084);福建省自然科学基金资助项目(2011J01300) 作者简介:赵文祥(1987一),男,硕士研究生,研究方向为车辆系统动力学。E—mail:zwx6636@126.eom。 ・124・ 机床与液压 第42卷 其工作装置为翻转六杆式机构,由铲斗、动臂、 号控制液压系统工作。仿真过程中,液压系统向执行 摇臂、连杆、转斗油缸和动臂油缸组成,依靠工作装 机构输出作用力,使执行机构完成相应的动作,执行 置装载机可以进行散料装载作业与短途运输作业。其 机构将产生的位移、速度和加速度等运动参数反馈给 液压系统工作原理如图2所示,装载机作业过程中, 液压系统 ,完成仿真计算。 发动机带动油泵转动,为整个液压系统提供液压油, (垫 塑窆塑 通过操纵换向阀阀杆控制阀芯移动,控制动臂液压缸 和转斗液压缸伸长或缩短,实现铲斗所需动作。 控制信号 死( AM压ES库im)l ̄ 1 ÷1r般—一一 执一 (A面M机行E构机Si库m构平 ) 仿真结果) 伪墨 誊 图3 AMESim仿真原理图 2.2 负载分析与模拟 装载机在插入和铲装过程中,插入阻力F 和掘 起阻力F 依次达到最大值 。选择料堆高度为1 Ill 的细粒河沙为铲装对象,由经验公式计算得到最大插 阀 阀 入阻力为9 998.3 N,最大掘起阻力为6 700 N,物料 重力F 在铲装完成时达 到最大值,这里取满载 工况,即物料重力为10 图2工作装置液压系统原理图 000 N,各构件的重力则 2装载机工作装置建模与仿真 不发生变化 。构件重 2.1 系统建模仿真原理 力可以由系统自动加载, F。 、F。 在仿真技术中,AMESim软件为用户提供了一个 和F 则需要使 系统工程设计与分析的完整平台,使用户可以在单一 用系统提供的Signal03 和FXA001模块模拟, 图4负载模拟曲线 平台上建立复杂的机液耦合系统模型 ,其建模仿真 原理如图3所示。根据仿真对象,在AMESim液压元 图4为仿真过程中负载模拟结果。 件库和机构库中选择相应的元件,分别建立工作装置 2.3 系统仿真模型建立 的液压系统和执行机构,设置各项参数,采用控制信 装载机工作装置机液耦合仿真模型见图5。 图5 轮式装载机工作装置系统仿真图 其建立步骤为:构建装载机工作装置模型;指定 每个元件模块的数学模型;设定模型的参数;仿真计 第1期 赵文祥等:基于AMESim的轮式装载机工作装置建模与仿真研究 ・125・ 算与分析 。在草图模式(Sketch Mode)下建立 液压系统与液压执行机构仿真模型,其液压系统由液 压缸、液压阀、溢流阀、定量泵以及信号源和延时等 模块构成,这些模块可以在基本液压元件库(Hy draulic)与信号库(Signa1)中选择;液压执行机构 仿真模型由转斗、连杆、摇臂、动臂、转斗油缸、举 升油缸等组成,相应模块可以在平面机械库(Plan net Mechanica1)中选择。各构件的重心和端口坐标 均由工作装置三维模型获得。连接各模块完成系统模 型搭建,模型参数设置如表1所示。为了仿真计算方 便,在不影响工作装置动作的前提下,将动臂多路阀 简化为三位六通阀。 表1仿真参数设置 液压油密度/(kg・m ) 环境温度/℃ 油液运动黏度/(IBm。・S ) 工作泵转速/(r・rain ) 工作泵排量/(rnL・r ) 系统额定工作压力/MPa 动臂油缸直径/mm 动臂油缸活塞杆直径/ram 摇臂油缸直径/mm 摇臂油缸活塞杆直径/mm 2.4仿真计算与结果分析 针对装载机的典型作业过程,即插入、铲装、动 臂举升、卸料、动臂下降,进行一次循环作业仿真 计算。在仿真计算过程中,设置仿真时间为16 S, 采样时间间隔为0.01 S,各仿真动作时长如表2所 示,仿真模式选择“Stabilizing+Dynamic”,进行仿 真计算。 表2各仿真动作时长 S 仿真完成之后,从AMESim中读取结果,如图 6一-9所示。 l4 杆腔 l2 差1:i 插入铲』 装 I,一J 卸料下 降 霄10 塞8 :铲装 举/升 卸料 -R 6 | 4 .. 2 . 0 I-f—f‘ ’_ 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 2 4 6 8 10 12 l4 16 时间,s 时间/s 图6动臂油缸压力曲线图7转斗油缸压力曲线 10 — 6 暑 2 暑 … ● 目 2 f T 辆 ‘6 二 …转斗油缸 l0 三 一动臂油缶 斌 R.14 .J.I.I.1 图8溢流阀流量曲线 图9液压缸缸杆加速度曲线 (1)插入阶段(t=0~3 S),在仿真开始时刻 (t=0),对系统进行了稳态计算,由于工作机构自身 重力存在,所以在动臂油缸与转斗油缸产生一个初始 压力。装载机铲斗插入物料时液压缸均封闭,由于插 撷 2 ∞ ∞ 如 入阻力作用,油缸产生被动力,动臂油缸与转斗油缸 压力在t=2.45 S时达到最大,分别为2.67和1.09 MPa。 (2)铲装阶段(t:3~4.5 s)。此阶段动臂油缸 封闭,转斗油缸无杆腔进油,如图6 所示在铲斗 开始掘起时,动臂油缸无杆腔与转斗油缸无杆腔均在 3.3 S达到最大值,动臂油缸无杆腔压力为3.01 MPa,随后逐渐降低到2.44 MPa,转斗油缸无杆腔压 力为4.8 MPa,随后逐渐降低到1.81 MPa。在收斗达 到极限时,铲斗撞击动臂,使动臂油缸无杆腔压力上 下波动,转斗油缸无杆腔压力迅速增加到双稳阀开启 压力12 MPa,液压油通过双稳阀直接流回油箱,造 成功率溢流损失,如图8所示。 (3)动臂举升(t:4.5—10 s)。举升过程中动 臂油缸无杆腔压力逐渐增大,当举升完成时压力约为 8.44 MPa,随后迅速超过16 MPa,并产生一定的波 动,此时系统主安全溢流阀开启,对系统进行保护, 液压油通过溢流阀直接流回油箱,同样造成了功率溢 流损失,如图8所示。 (4)铲斗卸料(t=10~12 S)。在卸料初始阶段 转斗油缸有杆腔压力大于无杆腔压力,从t=10.5 S 开始,铲斗翻转速度加快,物料重力迅速减小到0, 如图4所示。转斗油缸和动臂油缸无杆腔压力均迅速 减小。卸料完成时,铲斗撞击限位块,导致转斗油缸 产生压力冲击,其无杆腔压力最大值达到7.03 MPa, 如图7所示。 (5)动臂下降(t=12~16 S)。在此过程中动臂 油缸有杆腔进油,动臂开始下降,由于此过程工作装 置的重力势能逐渐转换为动能,动臂快速下降,动臂 油缸有、无杆腔的压力均较小,并且压力变化比较稳 定,如图6所示。 由上述分析可知,在铲装和举升完成时,液压系 统无法驱动负载,系统压力快速升高,导致主安全阀 ・126・ 机床与液压 第42卷 打开,造成功率溢流损失。由图9也可以看出,在 t=3.9 S和t=8.2 S附近压力快速升高使缸杆产生了 较大的加速度。同样,装载机作业过程中复杂多变的 工况,导致液压系统负载变化频繁,当外部负载过大 在AMESim软件中,由于没有负载敏感变量泵模 块,因此变量泵的变量机构需要运用液压元件设计库 HCD(Hydraulic Component Design)建立。变量泵主 体选用现有变量泵模型,建立的工作装置系统仿真模 以致液压系统过载时,大多数操作人员很难做到准确 判断并快速关闭多路阀,这种情况下也会造成大量的 功率损失。 . 这些能耗损失归根到底是因为系统采用定量泵, 定量泵输出的流量和压力不能够随着负载的变化自动 调节,而产生的压力和流量的过剩。为了解决这一问 题,降低功率损失,在以上研究的基础之上,用某公 司生产的A10VSO系列负载敏感变量泵取代原ZL10C 装载机的定量泵。 3 工作装置负载敏感系统建模与仿真 3.1工作装置负载敏感液压系统 对ZL10C型装载机采用A10VSO系列负载敏感 变量泵改进后,其液压系统结构简图如图10所示。 各多路阀出口压力通过梭阀网络比较,将最大负载压 力传送到负载敏感泵变量机构。变量机构通过保持多 路阀进出口压力差为恒值(A10VSO产品中标准设定 压差为1.4 MPa),对变量泵进行控制,实现负载敏 感变量泵可以根据负载需求,调节输出的压力和流 量 。在待机空转时,输出压力低,斜盘转角小, 近似处于零压零流量状态。在过载时输出流量很低, 仅能够维持系统本身控制与泄漏需求。这样液压系统 就可以避免溢流损失,提高液压系统的效率。同时在 压力补偿阀的作用下,可以实现动臂油缸和转斗油缸 同时动作,提高了工作装置的操作特性。 阀 图1O负载敏感液压系统原理图 3.2工作装置负载敏感液压系统建模 型如图11所示。为了更好地对比改进前后工作装置 性能的变化,除了变量泵模型外,其他参数设置与原 工作装置相同。 1一油箱 2一变量缸弹簧腔 3一变量泵主体 4一变量缸敏感腔 卜压力控制阀 6_ ̄负载敏感控制阀 7一压力补偿阀 转斗油缸换向阀 梭阀 1 动臂液油 缸换向阀 l1一动臂液压缸 12一转斗液压缸 l3一缓冲补油阀 图11 负载敏感液压系统仿真图 3.3仿真计算与结果分析 各仿真动作时长设置 同样如表2所示,进行仿 真计算。图12为多路换 向阀输入信号,其中输入 信号值为1时表示多路换薅 向阀全开。图13为变量 泵输出流量曲线,由图可 翟,时 煮 图12多路阀输入信号 ,变量泵输出流量迅速 ” 减小,降低了系统溢流损失。图14为负载敏感系统 压力曲线,由图可知,负载敏感阀调节过程中,泵出 口压力与最高负载压力差值基本保持在1.4 MPa左 右,泵输出压力能够较好跟随负载压力变化,降低了 系统压力损失。 100 90 80 .g 70 茸60 50 v_ 40 30 20 1O 0 2 4 6 8 10 12 l4 l6 时间,s 图14负载敏感系 统压力曲线 第1期 赵文祥等:基于AMESim的轮式装载机工作装置建模与仿真研究 ・127・ 图15是两种不同液压系统泵的输出功率曲线, 表3是作业过程中液压系统能量消耗情况。分析可 载敏感液压系统能够更好地适应负载流量和压力的需 求变化,明显降低了液压系统的能量损失。 知,在插入阶段多路阀关闭,负载敏感泵输出的功率 仅为0.038 kW,用来维持系统本身控制与泄漏需求。 在铲装完成和到达最大举升位置时,相比定量泵系统 产生溢流损失,负载敏感泵输出流量迅速减小,使输 出功率降低到1.21 kW。由表3数据可以得出:此次 作业循环中,0~16 S内定量泵液压系统总能耗为 123.4 kJ,平均每秒消耗7.71 kJ,而负载敏感液压系 统总能耗为6O.2 kJ,平均每秒消耗3.77 kJ。所以负 表3液压系统能量消耗 ≥ .g 蒋 图l5液压泵输出功率曲线 4结论 【2】宁晓斌,徐永进,王国彪,等.装载机工作装置机械一液 压耦合系统仿真[J].农业机械学报,2007,38(3):7— 9. (1)在AMESim中建立了原装载机工作装置液 压系统和机械机构仿真模型,针对装载机典型作业过 程,对模型施加外部负载,完成了虚拟仿真计算。由 仿真结果可知:装载机在铲装过程中容易产生振动和 压力冲击,对工作装置产生一定的损伤,并造成大量 的功率损失。 【3】曹旭阳,王国彪,徐进永,等.基于机液耦合的装载机工 作装置仿真与实验研究[J].中国工程机械学报,2008,6 (1):28—32. 【4】谢地,权龙.基于ADAMS和AMESim的装载机联合仿 真[J].矿山机械,2011,39(10):27—32. (2)为了减少装载机作业过程中的功率溢流损 失,对原工作装置液压系统进行了改进,设计了 ZLIOC型装载机负载敏感液压系统。通过结果对比分 析,可以看出改进后的负载敏感液压系统能够较好地 适应负载流量和压力的需求变化,避免流量和压力的 【5】李剑锋,汪建兵,林建军,等.机电系统联合仿真与集成 优化[M].北京:电子工业出版社,2010. 【6】王剑鹏,秦四成,王雪莲,等.50型轮式装载机工作装置 液压系统的实验与仿真[J].机床与液压,2009,37 (10):234—235. 过剩,从而降低系统的功率溢流损失,提高了系统的 效率。 【7】PARK Sung Hee,ALAM Khairul,JEONG Young Man,et a1.Modding and Simulation of Hydraulic System for a (3)将多学科领域复杂系统建模仿真软件 AMESim应用到工程机械领域,在AMESim单一平台 上实现了装载机工作装置机液耦合机构的联合仿真。 该研究方法对于类似机液耦合机构的设计、分析与优 化具有一定的参考意义。依靠其强大的优越性, Wheel Loader Using AMESim[C]//ICROS~SICE Inter- national Joint Conference,2009:2991—2996. 【8】杨占敏,王智明,张春秋.轮式装载机[M].北京:化学工 业出版社,2005. 【9】司癸卯,张青兰,段立立,等.基于AMESim的液压破碎 锤液压系统建模与仿真[J].中国工程机械学报,2010,8 (2):179—183. AMESim软件将在机电液系统仿真领域得到广泛应 用。 参考文献: 【l】侯亮,潘勇军,郭涛,等.装载机八杆机构工作装置多目 标优化与仿真[J].中国工程机械学报,2009,7(3): 258——264 【10】杨树川,杨术明.基于AMESim的平面筛运动仿真与分 析[J].煤矿机械,2010,31(8):219—220. 【11】王炎,胡军科,杨波.负载敏感变量泵的动态特性分析 与仿真研究[J].现代制造工程,2008(12):84—95.