基于AMESim的装载机工作液压系统仿真分析

王峰

摘 要：AMESim软件作为液压仿真分析件之一，凭借其自身的优势特点，在机械工程液压行业广泛应用。结合实际装载机工作液压系统和机械动作结构，介绍了AMESim软件在液压系统设计中的应用。对装载机铲斗及其相关液压系统进行了建模仿真计算，说明了若液压泵选择不当可能造成的后果，为液压泵的选择提供了借鉴数据。同时针对负载敏感液压系统进行了仿真分析，验证了其可行性。并且进行了机液联合仿真计算，为机械耦合设计提供了新思路。

关键词：液压系统仿真 装载机 AMESim

中图分类号：TH243 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）07（c）-0074-02

由于机电液耦合运动操控方式的不断改进，在全球化趋势越来越明显的今天，各个行业的竞争也来越激烈，机制行业则有过之而无不及。面对这样的局面，如何迅速、精准地设计机械液压系统，是提高企业竞争力的关键所在[1]。

1 AMESim仿真分析软件

AMESim是一款多学科领域复杂系统建模仿真平台。该软件拥有超过27个不同方向的工具包，每个工具包由该学科的基础结构单位组成，且这些不同学科方向的工具包中的基础结构单元都是实际应用中验证过的，是可行的。该软件拥有与多种软件通讯的接口，可以与Simulink、Adams、Simpack、Flux2D、RTLab、SPACE软件联合仿真。

2 装载机工作液压系统的建模与仿真

2.1 装载机工作系统建模

结合模拟项目，在软件的液压部件包和机构包中挑选合适的结构，然后设立动作系统的液压部分和动作结构，调整各方面数据，通过操作信号使用液压结构。在模拟的操作时，液压部件对动作结构作用一个力，令动作结构能够执行到位，动作机构的速度、位移量和加速度等数据传输给液压部分，液压部分根据需要再进行调整，以完成模拟。

2.2 装载机负载分析

以装载细河沙为例，装载机铲斗在插入细沙和从沙堆掘出时的阻力为最大。可本文介绍的铲斗最大插入阻力为9998.3N，挖出力为6700N，可知负载最大质量在完成掘出时达到最值，若为满载的条件下，负载所受重力为一万牛，且此时铲斗各机械结构的重力无变化[2]。铲斗各机械结构的重力可由软件自适应加减。插入阻力、崛起阻力和物料重力则需要使用系统提供的Signal03和FXA001模块模拟。

2.3 建立模型

按以下顺序设计模型：设计装载机械结构的参量；根据数学公式设计机械结构零部件；规定模型限制條件；模拟运行求解。在草图形式中设计装载机的液压系统与其机械动作部分的模拟组件，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部分构成，以上部分可由软件中的元件库和信号库中寻找；机械定做部分的模拟组件由转轴、连杆、摇杆、动作杆、转轴液压缸、升降液压缸等部分组成，以上部分在平面机械库（Plan-ner Mechanical）里寻找。每个组件的质心和坐标都可以在已生成机械动作部分的模拟组件中找到。

2.4 仿真结果分析

对于装载机的常用工作流程，铲入，装载，动杆升起、卸下负载、动杆回落，进行完整的工作流程模拟。根据模拟结果发现，当装载和升起动作后，液压机械结构不能支撑负载，液压油的压力会过高，引起主安全阀泄压，功率会溢流降低。并且，装载机工作条件的频繁变化，会造成机械结构负载的不稳定，如果机械结构受力超过设计值即过载，工程操作人员容易忽略这种状况的发生导致不能关闭多路阀，这样的形式也会引起功率的大量流失。发生这种情况的根本诱因是液压动作机构使用了定量泵，该泵的输出流量和可施加压力不能自适应变化，引发流量和压力过剩所致。

3 工作装置负载敏感液压系统仿真分析

3.1 负载敏感液压系统模型的建立

负载敏感变量泵由负载敏感阀、压力控制阀（压力截止阀）、可变泵体和可变液压缸组成。该泵有低压备用、一般备用和高压备用三个工作条件。在低压备用和一般工作条件下，负载敏感阀根据负载大小，具有阀门核心的运动过程，使泵的流量随负荷大小而变化；在高压备用状态下，压力控制阀通过负载敏感阀来感应负载需求，阀门核心运动，根据负载的大小调整泵的流量。

首先在AMESim的草图模式中的Hydraulic及HCD库为系统选用合适的液压元件，建立装载机工作装置液压系统的仿真草图模型，用PLM库建立装载机工作装置机构部分，机构部分含有动臂、铲斗、摇臂和连杆。草图搭建完后，在子模型模式下为每个元件选择一个子模型。

在选择子模型后，所有相关参数均以参数化方式设置，负载敏感泵是保证工作装置液压系统中动臂液压缸和旋转斗式液压缸所需压力和流量的动力源。负载敏感泵的排量设置为140mL/r，转速为1500r/min，负载敏感阀的压差为2MPa，压力补偿阀的截断压力为21MPa。

3.2 仿真结果分析

设置比例溢流阀的参数，模拟负载分别为0、4.9、9.3、13.6、18和22.8MPa，调节图 模型中负载敏感阀为0～1s为关，1～7s开度一样，运行仿真，得到仿真结果。可知，刚开始的输出压力随负载增大而增大，与负载敏感口压力相差2MPa左右。

3.3 装载机工作流程模拟

将敏感多路阀门的打开条件和打开角度设定好，设计23秒钟的模拟时间，进行模拟，单位工作流程里油泵的施加力和工作对象敏感阀的力差值在2MPa左右，这是由于负载敏感阀的设定压差值为2MPa所致。

可知，当负载达到压力控制阀设定值时，泵输出流量很小，此时液压缸活塞运行至行程终点（设定值），变量泵输出压力升高至泵的压力控制阀设定压力，压力控制阀芯克服弹簧力的作用，打开泵出口至斜盘，伺服液压缸的通路高压油进入伺服液压缸，使斜盘处于0°倾角位置，变量泵输出流量接近于零，负载敏感变量泵处于高压待命工作状态；泵的流量输出与转斗液压缸及动臂液压缸的流量需求相适应，没有多余的流量损耗。0～1s内泵启动，但由于负载敏感换向阀未开启，泵输出压力只有2MPa左右，输出流量很小，此时因负载没需求，功率需求小，泵处于低压待命工作状态。仿真结果表明，这种液压系统的输出压力和流量与负载需求相适应，可以大幅提高系统效率，达到节能降耗的目的。

4 结语

本文分别对装载机铲斗工作过程中液压系统的受力情况和敏感元件在负载情况下的工作情况进行了建模仿真。得出如下结论。

（1）在AMESim软件中设计了装载机动作装置液压系统和机械机构模拟组件，针对装载机常态化工作流程，对模拟组件添加外部负载，进行了模拟仿真。根据模拟过程可知：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，并造成大量的功率流失。

（2）使用AMESim软件进行仿真时，系统整体结构的模拟数学组件和各个元件子模型中的结构参量同样重要，在设计模拟组件时需要准确知道这些参量，否则仿真结果会不理想。

（3）在AMESim单一平台上实现了装载机动作机构的机液耦合机构的联合仿真。该研究方法对于相似的机液耦合结构的设计与优化具有相当的借鉴意义。依靠其强大的模拟能力，AMESim软件将在机电液系统设计领域得到广泛应用。

参考文献

[1] 王晓瑜.基于AMESim的旋转冲击型锚杆钻机液压驱动控制系统设计与建模仿真分析[J].机床与液压，2017，45（3）：181-184.

[2] 鲁建军，张宁.机械设计制造过程中的仿真技术分析[J].科技创新与应用，2014（20）：100.