基于AMESim软件XE40挖掘机执行机构的仿真研究

王钊

摘 要：目前大部分挖掘机企业都在使用AMESim或其他仿真软件进行建模和仿真。本文介绍了AMESim在液压系统建模和仿真方面的应用功能，并通过XE40挖掘机执行机构的建模和仿真分析，验证了该软件强大功能和诸多优点。

关键词：AMESim；XE40；挖掘机；执行机构；建模；仿真

液压系统仿真技术是指为了模拟实际液压系统的工作，使用仿真技术建立液压系统和液压元件的仿真模型而进行的计算机仿真运算技术。国外的计算机仿真技术在上个世纪七十年代就已经应用在挖掘机液压系统的研究上了，十几年以后，我国的液压技术人员才开始进行这方面的研究。具有代表性的软件有美国波音公司出的Easy5，法国出的AMESim。

一、液压仿真软件AMESim介绍

AMESim（Advanced Modeling and Simulation Environment for Systems Engineering）即多学科领域复杂系统建模与仿真平台。该软件由法国著名公司IMAGINE推出，一经面世就被广泛使用，颇受好评。为用户可以使用AMESim这个系统的工程设计完整的平台，并在此平台上建立较复杂的一维多门学科领域的机、电、液压等一体化系统模型，并依此为基础进行计算仿真和更深入的分析研究。

AMESim使用的是图形化用户界面，简便且易于操作，该软件在中国销售的主要包含有以下模块：4个操作平台、20多个应用模型库、5个接口工具、1个三维动画前后处理工具、1个优化设计工具包和10个实时仿真代码生成功能。

二、XE40挖掘机执行机构模型的建立

执行装置是挖掘机重要的组成部分，是挖掘机完成挖掘任务的直接运动装置。我们从动臂开始分析，动臂通过铰链和挖掘机上回转平台前部相连，动臂液压缸无杆腔通过铰链与上回转平台相连，有杆腔通过铰链和动臂相连接。斗杆一端通过铰链固定在动臂的上端，斗杆液压缸无杆腔固定在动臂上，有杆腔与斗杆连在一起。铲斗根部通过铰链和斗杆一端相连，铲斗液压缸无杆腔古仔在斗杆上，有杆腔有连杆相连。

执行装置的动作如下：动臂液压缸无杆腔进油，动臂液压缸伸出，动臂上举；动臂液压缸有杆腔进油，动臂液压缸缩回，动臂下降。斗杆液压缸无杆腔进油，斗杆液压缸伸出，斗杆进行挖掘；斗杆液压缸有杆腔进油，斗杆液压缸缩回，斗杆进行卸载。铲斗液压缸无杆腔进油，铲斗液压缸伸出，铲斗进行挖掘；铲斗液压缸有杆腔进油，铲斗液压缸缩回，铲斗进行卸载。

三、执行机构动作仿真分析

普通情况下，挖掘机的工作包括以下四个过程：挖掘工作过程、满载提升和回转过程、卸载过程、空载返回过程。在第一挖掘工作过程和第三个卸载过程，一般需要动臂、斗杆和铲斗三种执行装置配合复合动作才能完成。下文对卸载工作过程中的动臂、斗杆、铲斗复合模拟研究来分析挖掘机在复合动作时的流量分配关系。

在卸载工作过程中，驱动执行元件复合动作的信号如图1所示，其中数字1是驱动动臂上升的信号，数字2是驱动斗杆卸载的信号，数字3是驱动铲斗卸载的信号。

图1 卸载过程复合动作驱动信号

已知在阀后补偿型负载敏感液压系统（LUDV）中，流经各阀的流量分配跟负载没有关系，只与通流截面积大小相关。在挖掘机各执行装置复合动作时，当流量达到饱和以后，流向各执行装置的流量根据各执行装置通道面积比流向各执行装置。

在模型中，把流量阀的两端额定压力差设置是14bar，流量系数Cd设定是0.7，各执行机构给定的先导压力参照图2所示，在此先导压力下，XE40挖掘机液压系统中多路阀中各执行装置等效截面积如下，动臂液压缸进油的最大流通面积是13.5mm2，斗杆液压缸进油的最大流通面积是17.8 mm2，铲斗液压缸进油的最大流通面积是18.4mm2。

根据公式

通过计算可以求得动臂部分流量是33L/min，斗杆部分流量是43L/min，铲斗部分流量是44L/min。

图2所示是对模型仿真得到的流量曲线图，其中数字1代表的是液压泵排量曲线，数字2代表的是动臂进油的流量曲线，数字3代表的是斗杆进油的流量曲线，数字4是铲斗进油的流量曲线。通过流量曲线图可以得出：在0.6到2.0时，执行装置中只有动臂工作，在14的压差作用下，流入动臂油液的流量约为32左右，当斗杆和铲斗开始同时动作后，斗杆液压缸和铲斗液压缸需要同时进油，理论的进油量需求为120。此时液压泵达到功率的最大限制点，待稍后平衡后，泵实际的最大供油量为87左右（曲线1）。此时测得动臂液压缸的进油量是24左右（曲线2），斗杆液压缸的进油量是31.3左右（曲线3），动臂液压缸的进油量是32左右（曲线4）。可见，流入各执行装置的油液流量是按照多路阀各开口面积的比例进行分配的。

图2 模型流量曲线图

根据以上研究可验证结论：在XE40液压系统中，流经主换向阀的液压油量只与阀的流通面积有关系，而与系统的负载没有任何关系。如果液压泵能提供的最大流量低于系统所需要的流量时，流入各执行装置的液压油量是根据各执行装置流通面积比例进行分配。

结论：通过对AMEsim软件的功能介绍，并利用AMEsim软件分别对XE40挖掘机执行机构进行建模和仿真分析。可以得到该挖掘机执行机构在工作状态下压流量、压力等方面的数据，通过数据分析，反映出液压系统的压力变化特性和流量变化特性。验证了在液压技术研究中使用AMEsim软件进行建模和仿真分析能起到事半功倍的作用。

参考文献

[1]付永领，祁晓野.AMESim系统建模和仿真-从入门到精通[M].北京航空航天大学出版社，2006.

[2]余佑官，龚国芳，胡国良.AMESim仿真技术及其在液压系统中的应用[J].液压气动与密封，2005（3）：28～31.