多畴模拟挖掘机的机械学和液压学Word文件下载.docx

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挖掘机的三维组件由新开发的，丰富的Modelica，联合体程序库来模拟，这使得可以使用铲斗运动规律的分析结论，并直接考虑液压缸（也就是动力元件）的质量。

液压元件被模拟，从一个用于Modelica的液压程序库中使用泵，阀和缸。

在控制部分使用一个普通的负载传感器，由一简单方程组模拟。

这种方法得到要求的结果，并使得分析问题所需的时间限制在合理的要求内。

2.模型选择

模拟一个系统有几种方法。

根据任务的需要建立一个很精确的模型，包含系统的每一个细节，需要许多的信息，比如模型参数。

建立这种模型很麻烦。

但另一方面，如果一个定义系统的参数需要修正，建立这种模型是很有效的。

挖掘机上平衡阀参数的优化就是一个特殊的例子。

对一个系统的初步研究需要另外一个模型，在这种情况下，泵，阀和负载的容量是具体的，需要的是关于系统工作的信息，例如活塞的速度，泵轴所需的输入动力。

从而判定这个设计是否符合此任务的原则要求。

因此，这种模型必须是方便的，也就是在没有详细了解特殊元件的情况下，能在短时间内建立起来。

学者们打算建立一个第二类的模型，运行它，并在最少的时间内得到初步结论，为了达到此目的，使用了建摸Modelica（Modelica2002），Modelica模拟环境Dymola（Dymola2003）,用于三维机械系统的新Modelica联合体程序库和液压组件的Modelica程序库Hylib，模型包含挖掘机的三维机械结构，动力液压学的详细描述和通用的负载传感控制器。

3.挖掘机的结构

图一给出了正在考虑中的特殊挖掘机的简图。

它包含履带和液压驱动装置，液压驱动装置用于操纵机械。

它的上面是供操作者坐的驾驶室，驾驶室能相对于履带绕垂直轴旋转。

它还拥有柴油机，液压泵和液压控制系统。

另外有一个动臂、斗杆以及和斗杆相连的铲斗。

专门的液压油缸使斗杆，动臂，铲斗旋转。

图二表示出油缸所需的压力是根据位置确定的，当在伸展开来的情况下，动臂油缸中的压力比收缩的情况高60%。

不仅位置，而且运动也必须考虑。

图三表示动臂下降的情况，如果驾驶室没有旋转，油缸则需要一个拉力，当旋转时，挖掘机旋转通常能达到每分钟12转，则动臂油缸中的受力改变方向，此时需要一个推力。

这个改变是非常重要的。

两幅图都表明一个仿真模型考虑挖掘机四个自由度相互之间的联结，每个油缸和回转驱动使用连续载荷的简单模型将导致错误结果。

4.负载传感器

挖掘机通常具有一台柴油发动机，两个液压马达和三个油缸，存在不同的液压回路，以提供机器消耗所需的液压油源。

一种特殊的设计是负载传感油路，它能有效控制能量，使用方便。

这种想法是使泵有一个流体速率控制系统，因而能准确传递所需的流体速率。

在传感器中，使用经过节孔而产生压降的方法，孔的阻力是参考值。

图四给出了简图，关于这个话题的更好的介绍已经给出（anon.1992）。

泵控制阀，使得泵出口的压力通常比负载传感器中的压力高15bar，如果方向阀关闭，则泵因此有15bar的压力。

如果方向阀打开，泵输出一流体速度导致通过方向阀时产生15bar的压降。

注意：

方向阀不是用做泵流体，而是作为一个流体仪表（反馈的压降）和作为一个参考（阻力）。

此油路对能量是有效率的，因为泵只输出所需的流速，相对其他油路，油管的损失很小。

看图五,如果不只一个油缸使用这种油路，则变得复杂。

如果斗杆需要300bar的压力，铲斗需要300bar的压力，则泵输出的压力高于300bar，这会使斗杆油缸产生一个不必要的运动。

5.液压程序库Hylib

商业Modelica程序库Hylib用于模拟泵调节孔，负载补偿器，液压回路缸，所有这些元件是液压回路的标准元件，能从许多制造商获得。

Hylib中包括所有这些元件的模型。

这些数学模型包含教科书上的标准模型，也包含对真实元件的运行进行考虑的最先进的，如果输入口压力下降到底于大气压，输出的液体就会减小，这样的普通泵模型就上例子。

选择一种模型时，还有许多因素要考虑，值得一提的一点是所有模型能被原代码水平看待，并且可以由从易得文献得来的大约100个参数来证明。

打开程序库后，展示了主要窗口（图十），双击泵图象打开所有元件的选项。

开始或结束油流体所需要元件。

为了现在的问题，使用带有内泄口和外部限定流速的液压流体源。

同样，选择关于阀，缸和其他元件的所需模型。

所有组件都是分级模拟的，从连接器的确定开始（连接器是油进入或流出元件的通口），带有两个口的元件模版如图。

这能继承下来到理想的模型。

如一薄层阻力阀

或释压阀。

当为这些基本模型使用文字上的输入是有道理的。

许多程序库主要模型以图形编制。

由使用图形使用者界面的基本程序库模型组成。

图12给出了图形编制的一个例子。

所有提及的元件从程序库中选出来并分明的连接起来。

6.液压回路中的程序库元件

图12中的结构图是挖掘机模型图形组成的液压部分，以下的模型是从专属的程序库中选出，连接并输入参数。

注意到从Hylib来的缸和马达能简单连接为所示的多功能程序库的组件。

输入信号如，挖掘机发动机的相关信号由图框给出。

如控制流体速度的参考阀。

对于挖掘机的机械部分，只要图12中所示的元件直接与液压元件相连接。

如液压缸接触的直线压力元件。

7.负载传感控制器模型

在这个学习中，选择下面的方法：

模拟挖掘机的机械器件，并一定程度上详细的模拟泵和测量阀。

因为只有元件的参数将改变，一般结构是固定的。

这意味着缸筒的直径可能改变，但确切的只有个一缸那样工作（如图1所示）这个液压系统其余部分是不同的，在这篇文章中使用一泵的负载传感系统如图所示。

但在开始设计阶段还有其他的想法必须评估。

例如在回转运动中使用两泵或单泵。

根据实际元件设计的全面的模型会大得多。

通常在初始设计阶段的开始不适用。

它能由液压程序库中的元件建立起来，但需要相当多的时间，这在工程的开始是行不通的。

在表格1和2中所示的是LS控制器执行的方程式。

一般，联合体模型选择使用图形模型分解或通过方程式定义模型。

但不是在一样的模型标准上混合两种描述形式。

对于LS系统这是不同的。

因为它有7个输入信号和5个输出信号，建立带有17个输入和5个输出的块。

并把它们连接到液压回路。

但是，在这种情况下，如上面液压回路，在一样的标准上直接提供方程式并直接输入输入信号和输出信号，看起来更加可以理解。

例如，格中“metoril.port.A.p”是测量孔metoril的通口的度量压力。

LS控制器的计算值。

例如，泵流体速率“pump.inport.signal[1]=”是在泵元件的蓝色矩形中的信号。

图12。

Modelica的重点是三维机械程序库和非标准的无缝连接。

并且，因此在没程序库可用时，控制系统的模型很容易的处理。

程序库元件在目标图表中能连接起来，根据模型的本文能得到所需的各种变化。

8.仿真结果

使用Modelica模型和仿真环境Dymola建立完全模型，并转换，编译和模拟5秒钟，仿真时间17秒，使用一个1.8Ghz笔记本上相对误差10-6级的DASSI综合器（比真实时间满3.4倍），Dymola的仿真特点使用可能在几乎真实的情况下观察运动，即使相对于非专家。

这也有助于解释结果。

看图9。

图13给出了三个缸和摇摆的相关信号，泵流体速率和压力从t=1.1秒到t=1.7秒和t=3.6秒到t=4.05秒。

泵以最高流速工作。

从t=3.1秒到t=3.6秒达到最高允许压力。

图14给出了斗杆缸和铲斗缸的位置和摇动角度。

能看出在另一个运动开始或结束时，活塞的运动没有重大的改变。

控制系统减少油缸之间的耦合，这种耦合在单路控制中特别严重。

图15给出铲斗缸的操作。

上面数据显示参考轨道，也就是方向阀的开启中间数据，表示补偿器的传导系数。

两钉道是例外，从t=0秒开到t=1s秒，这表示在这段间隔的时间里，泵压力由铲斗缸控制。

它从t=0秒后，斗杆缸需要一个相对高的压力，铲斗补偿器因此增加阻力。

下面数据表明流体速率控制工作良好。

即使存在一个严重的扰乱。

带有小误差的要求的流体速率有铲斗缸供足。

9.结论

建立一个挖掘机的动力模型以评估不同的液压回路。

它包括厢体三维机构的完整模型。

包括动臂，斗杆，铲斗和像泵和缸等标准液压元件。

控制系统不是在组件基础上的模拟，而是通过一系列非线性方程描述。

使用Modelica的联合体程序库，液压程序库Hylib和一系列具体应用方程，模拟了系统。

通过工具Dymola，系统得以建成并且短时间内测试。

使得能计算所需的油路来评估控制系统。

Dymola仿真特性，使得有可能在几乎真实的情况下观看运动。

即使对非转泵，这也有助于解释结果。

Multi-DomainSimulation:

MechanicsandHydraulicsofanExcavator

Abstract

ItisdemonstratedhowtomodelandsimulateanexcavatorwithModelicaandDymolabyusingModelicalibrariesformulti-bodyandforhydraulicsystems.Thehydraulicsystemiscontrolledbya“loadsensing”controller.Usually,modelscontaining3-dimensionalmechanicalandhydrauliccomponentsaredifficulttosimulate.AthandoftheexcavatoritisshownthatModelicaiswellsuitedforsuchkindsofsystemsimulations.

1.Introduction

Thedesignofanewproductrequiresanumberofdecisionsintheinitialphasethatseverelyaffectthesuccessofthefinishedmachine.Today,digitalsimulationisthereforeusedinearlystagestolookatdifferentconcepts.Theviewofthispaperisthatanewexcavatoristobedesignedandseveralcandidatesofhydrauliccontrolsystemshavetobeevaluated.

Systemsthatconsistof3-dimensionalmechanicalandofhydrauliccomponents–likeexcavators–aredifficulttosimulate.Usually,twodifferentsimulationenvironmentshavetobecoupled.Thisisofteninconvenient,leadstounnecessarynumericalproblemsandhasfragileinterfaces.InthisarticleitisdemonstratedathandofthemodelofanexcavatorthatModelicaiswellsuitedforthesetypesofsystems.

The3-dimensionalcomponentsoftheexcavatoraremodeledwiththenew,freeModelicaMultiBodylibrary.Thisallowsespeciallytouseananalyticsolutionofthekinematicloopatthebucketandtotakethemassesofthehydrauliccylinders,i.e.,the“forceelements”,directlyintoaccount.Thehydraulicpartismodeledinadetailedway,utilizingpump,valvesandcylindersfromHyLib,ahydraulicslibraryforModelica.Forthecontrolpartageneric“loadsensing”controlsystemisused,modeledbyasetofsimpleequations.Thisapproachgivestherequiredresultsandkeepsthetimeneededforanalyzingtheproblemonareasonablelevel.

2.ModelingChoices

Thereareseveralapproacheswhensimulatingasystem.Dependingonthetaskitmaybenecessarytobuildaveryprecisemodel,containingeverydetailofthesystemandneedingalotofinformation,e.g.,modelparameters.Thiskindofmodelsisexpensivetobuildupbutontheotherhandveryusefulifparametersofawelldefinedsystemhavetobemodified.Atypicalexampleistheoptimizationofparametersofacounterbalancevalveinanexcavator（Kraft1996）.

Theotherkindofmodelisneededforafirststudyofasystem.Inthiscasesomepropertiesofthepump,cylindersandloadsarespecified.Requiredisinformationabouttheperformanceofthatsystem,e.g.,thespeedofthepistonsorthenecessaryinputpoweratthepumpshaft,tomakeadecisionwhetherthisdesigncanbeusedinprincipleforthetaskathand.Thismodelhasthereforetobe“cheap”,i.e.,itmustbepossibletobuilditinashorttimewithoutdetailedknowledgeofparticularcomponents.

Theauthorsintendedtobuildupamodelofthesecondtype,runitandhavefirstresultswithaminimumamountoftimespent.ToachievethisgoalthemodelinglanguageModelica（Modelica2002）,theModelicasimulationenvironmentDymola（Dymola2003）,thenewModelicalibraryfor3-dimensionalmechanicalsystems“MultiBody”（Otteretal.2003）andtheModelicalibraryofhydrauliccomponentsHyLib（Beater2000）wasused.Themodelconsistsofthe3-dimensionalmechanicalconstructionoftheexcavator,adetaileddescriptionofthepowerhydraulicsandageneric“loadsensing”controller.

3.ConstructionofExcavators

InFigure1aschematicdrawingofatypicalexcavatorunderconsiderationisshown.Itconsistsofachaintrackandthehydraulicpropeldrivewhichisusedtomanoeuvrethemachinebutusuallynotduringaworkcycle.Ontopofthatisacarriagewheretheoperatorissitting.Itcanrotatearoundaverticalaxiswithrespecttothechaintrack.ItalsoholdstheDieselengine,thehydraulicpumpsandcontrolsystem.Furthermore,thereisaboom,anarmandattheendabucket

whichisattachedviaaplanarkinematiclooptothearm.Boom,armandbucket

canberotatedbytheappropriatecylinders.

Figure2showsthattherequiredpressuresinthecylindersdependontheposition.Forthe“stretched”situationthepressureintheboomcylinderis60%higherthanintheretractedposition.Notonlythepositionbutalsothemovementshavetobetakenintoaccount.Figure3showsasituationwherethearmhangsdown.Ifthecarriagedoesnotrotatethereisapullingforcerequiredinthecylinder.Whenrotating–excavatorscantypicallyrotatewithupto12revolutionsperminute–theforceinthearmcylinderchangesitssignandnowapushingforceisneeded.Thischangeisverysignificant.Bothfiguresdemonstratethatasimulationmodelmusttakeintoaccountthecouplingsbetweenthefourdegreesoffreedomthisexcavatorhas.Asimplermodelthatusesaconstantloadforeachcylinderandtheswiveldriveleadstoerroneousresults

4.LoadSensingSystem

ExcavatorshavetypicallyoneDieselengine,twohydraulicmotorsandthreecylinders.Thereexistdifferenthydrauliccircuitstoprovidetheconsumerswiththerequiredhydraulicenergy.AtypicaldesignisaLoadSensingcircuitthatisenergyefficientanduserfriendly.Theideaistohaveaflowratecontrolsystemforthepumpsuchthatitdeliversexactlytheneededflowrate.Asasensorthepressuredropacrossanorificeisused.Thereferencevalueistheresistanceoftheorifice.Aschematicdrawingisshowninfigure4,agoodintroductiontothattopicisgivenin（anon.1992）.

Thepumpcontrolvalvemaintainsapressureatthepumpportthatistypically15barhigherthanthepressureintheLSline（=LoadSensingline）.Ifthedirectionalvalveisclosedthepumphasthereforeastand-bypressureof15bar.Ifitisopenthepumpdeliversaflowratethatleadsto