基于AMESim与Adams联合仿真的挖掘机铲斗特性研究

姜雪峰　朱亚军

摘 要：应用大型系统仿真软件AMESim7.0和Adams2010建立了正流量挖掘机液压系统与工作装置动力学模型，建立联合仿真平台分析了挖掘机的铲斗联的压力特性和位移特性等，研究结果表明：仿真结果和真实结果相似，且相比AMESim单平台仿真更准确。

关键词：AMESim与Adams联合仿真软件；挖掘机铲斗；特性研究

引言

作为挖掘机直接完成工况要求的工作装置，铲斗性能的稳定发挥尤为重要。本研究以某中型挖掘机为对象，根据挖掘机的铲斗联回路建立AMESim模型图，使用ADAMS软件建立整机动力学模型，然后对铲斗的操作进行精确控制。

1 模型建立

1.1 挖掘机铲斗联液压系统的AMESim建模

1.主控阀2.铲斗合流阀3.防反转阀4.铲斗液压缸

图1 铲斗动作液压回路

如图1所示，所研究的液压挖掘机的铲斗联的液压回路，回路包括有双联泵、主控阀1、铲斗合流阀2、防铲斗反转阀3和铲斗油缸4。控制铲斗油缸的主控阀只有1根阀芯，控制铲斗的两个动作。主控阀处于左位时，铲斗外摆动作，此动作负载较小，只需克服铲斗的重力，铲斗合流阀不工作，达到节能的效果；主控阀处于右位时，铲斗内收动作，由于铲斗在挖掘机时受到的负载力很大，所以这个动作需要铲斗合流阀的合作，从而完成铲斗合流动作，提高挖掘机作业效率。为了防止铲斗在挖掘时负载过大而可能引起铲斗液压缸活塞杆反向运动，在回路中装有单向阀，起到保护作用。

利用AMESim软件依照原理图对挖掘机铲斗联回路进行建模。由液压原理图可知系统采用双联泵，液压挖掘机多路阀实质是三位六通阀的组合，为了满足挖掘机的各类工况，在多路阀的阀芯上会开有各式各样的节流槽，本研究选用HCD库中的BAO22模型来搭建，然后只需在模型中设置相应的参数即可完成仿真动作。最终建立模型如图2所示。

1.2 挖掘机工作装置ADAMS建模

由于ADAMS本身建模的复杂性，首先采用三维软件PROE进行挖掘机整机的建模，然后导入ADAMS中进行动力学分析。本研究以某公司中型挖掘机为平台进行建模，该挖掘机的主要结构参数如表1，最终三维模型如图3所示。

如图4为导入后的ADAMS模型。首先检验模型各部分的完整性，本研究暂不研究挖掘机的回转工况，将回转平台、底架和履带即整个下车平台看成一个整体，此操作通过布尔运算获得，经Tools-Database Navigator查得模型中有15个构件。ADAMS中的元件是以构件的形式存在，需要对每个构件重新命名。然后设置工作环境（栅格、单位、背景色等）和质量信息。最后根据挖掘机的运动情况对各个构件间进行约束和设置油缸驱动，得出最终挖掘机无冗余约束，自由度为0，自检结果如图5。

1.3 建立联合模型

本研究把AMESim作为主控软件，在AMESim中运行并控制着ADAMS的仿真进程。从ADAMS输出到AMESim中采用共同仿真模式，即由AMESim通知ADAMS在给定的时间提供它的输出，由ADAMS自己来求解它的模型。

通过在ADAMS中的变量和接口定义，由ADAMS/Controls模块模型，然后将模型导入AMESim中，从而在AMESim环境中建立了能够被识别的ADAMS model子模块，如图6，可以直接来调用。本研究只涉及挖掘机铲斗工作装置，ADAMS模型提供速度和位移给AMESim模型，由AMESim计算液压缸的驱动力传递给ADAMS运动学模型。最终建立的铲斗联的联合仿真模型如图7所示。

2 参数设置

2.1 泵的参数设置

泵的参数主要有额定转速和泵出口的排量。泵和发动机相连，本研究中发动机的额定转速为2050 r/min；泵出口的排量由系统压力确定的，如图8所示为测得的泵出口压力与排量的关系曲线。

2.2 多路阀参数设定

弹簧的弹性系数为k=29.99 N/mm，预紧力f=105.98N；铲斗阀的过流面积如图9所示，本研究只涉及内收工况。通过MATLAB把曲线中过流面积与阀芯位移的关系数据以TXT的形式存入记事文章件中，然后通过指定路径的方式来调用该记事文章件。

2.3 铲斗液压缸的参数确定

铲斗液压缸的参数在表1中已经给出，这里不再叙述。

2.4 ADAMS model子模块参数设置

3 仿真分析

根据铲斗的实际工作速度和平均挖掘时间，设置仿真步长为0.05s，仿真时间为26s。仿真过程中只研究内收工况，即铲斗缸大腔进油，小腔回油。

3.1 压力特性

如图11，挖掘机铲斗内收过程，由于铲斗在内收过程中，在铲斗齿尖过垂直位置之前，重力做功为正功，所以在5.5s之前有杆腔压力一直大于无杆腔压力，保持一定的背压，故有杆腔的压力大于无杆腔压力，第5.5s时，铲斗与斗杆平行，之后继续内收必须要克服铲斗的自重，在6～12s，进油路（无杆腔）的压力必须大于回油路（有杆腔）的压力。无杆腔的压力在2.8s之前一直为零，由于阀口存在一定的死区长度，在阀芯位移小于死区长度时，进油阀口没有油液通过，压力为零。

泵出口压力开始阶段为零，约在2.8s开始逐渐增加，因为开始的时候阀芯中位节流口过流面积全开，阀芯移动后，中位过流面积逐渐减小，开始建立起系统压力。

3.2 位移特性

图12所示为铲斗内收过程中铲斗缸活塞杆位移随时间的变化曲线，在0～1.3s内，活塞杆位移为零，油阀口还未打开，第1.3～2.5s行程逐渐增大，之后2s不变，从4.5s开始活塞杆行程不断增大到11s左右达到最大值1120mm，在实际情况中铲斗内收大概为10.5s左右，仿真结果与实际情况吻合，能够证明仿真模型的合理性。

4 结束语

文章建立了正流量挖掘机铲斗联的联合仿真模型，利用该模型模拟了铲斗的内收工况，分析了铲斗的压力特性和位移特性。结果表明：铲斗油缸进、出油口的压力仿真曲線和真实情况很相似，油缸位移仿真曲线和真实情况之间的时间差为0.5s左右，证明模型建立的准确性，这为进一步对挖掘机工作装置性能研究提供了一个很好的基础。

参考文献

[1]路甫祥.液压气动技术手册[M].北京：机械工业出版社，2002.

[2]赵武云.ADAMS基础与应用实例教程[M].北京：清华出版社，2011.

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