汽车起重机回转系统联合仿真试验研究

曾春峰 陈效平 李志卿 刘绍忠

1邵阳学院 邵阳 422000 2湖南省汽车技师学院 长沙 410329 3邵阳职业技术学院 邵阳 422099

0 引言

汽车起重机是现代化建设不可缺少的重要工具之一，伴随着社会的进步，对其的各方面性能也提出了更高的要求，而对回转系统的性能要求是其中至关重要的一项[1-4]。回转系统工作时要求运行平稳，制动时间短，起制动和换向时压力冲击小，为满足这些要求，有必要对回转系统进行分析研究，分析回转系统的动静态特性，对系统的各种参数进行合理的匹配，达到设计要求。

汽车起重机回转系统是一个集机械装置、电气控制、液压传动于一体的复杂机电系统，因此需要一个支持多学科、多平台融合的软件环境来建立机构和电液系统的精确仿真模型，然后对系统进行仿真分析及优化[5-9]。在AMESim软件中模拟回转液压系统模型的三维负载很难实现，因在不同工况下回转负载不停地发生变化，常将三维负载简化为平面负载来处理，若需得到接近实际的仿真结果，需联合机构模型和电液系统模型仿真分析的数据，两个系统实时进行数据交换，综合各仿真软件的优点。故采用联合仿真分析的方法对汽车起重机回转系统进行仿真分析。

联合仿真软件选用LMS公司的LMS Virtual.Lab Motion和AMESim两款软件进行。这两款软件均属于同一家公司，进行联合仿真时数据交换的可靠性和效率更高。本文以某企业的25 t汽车起重机为研究对象，分别建立回转液压系统模型以及回转机构模型进行联合仿真分析。并通过实车进行试验测试，对仿真模型进行修正，得到接近实际的仿真模型，以此为基础对回转系统进行动静态特性分析以及参数合理匹配。

1 建立联合仿真模型

1.1 建立回转液压系统仿真模型

25 t汽车起重机回转液压系统主要由泵、换向主阀、缓冲溢流阀、缓冲切断滑阀、整流单向阀、自由滑转阀、补油单向阀、回转马达、安全阀及其他辅助元件构成。回转液压系统原理如图1所示。

图1 回转液压系统原理图

换向阀部分主要包括换向主阀与安全阀，换向主阀（见图1）特点是在普通的液控三位六通换向阀的基础上，在回油口上嵌入了一个调速阀。换向阀的功能主要是控制回转方向以及回转速度。当从中位开始沿某方向逐渐移动换向主阀阀芯到最大行程位置会经历3个状态：预开启状态、小开口状态、中大开口状态。

缓冲阀部分包括缓冲溢流阀、缓冲切断滑阀整流单向阀组、补油单向阀组以及自由滑转阀等元件。当回转系统起制动以及处于重载工况时，通过缓冲阀分走部分流量，降低系统的冲击压力，使回转运动更加平稳。

AMESim软件自带大量液压元件模型库，同时也可自定义元件模型，集成功能强大，与其他软件联合的接口丰富，适合液压元件技系统设计人员使用。因此，本文根据已有的回转液压系统原理图和元件参数，在AMESim中建立了回转液压系统的仿真模型，如图2所示。

图 2 回转液压系统的仿真模型

由于模型中各液压元件的结构和参数非常接近实际元件，仿真的精度得到了保证，故为后续的联合仿真奠定了良好的基础。

1.2 建立回转机构仿真模型

25 t汽车起重机回转机构主要包括臂架、上车身，回转马达、回转减速器、回转支撑等。利用LMS Virtual.Lab Motion软件自带CAD引擎建立简化后的回转机构三维模型，设置好材料属性、运动副、驱动、作用力等参数，得到回转机构的仿真模型，如图3所示，为接下来的联合仿真做好准备。

图3 回转机构仿真模型

1.3 回转系统联合仿真参数设置

AMESim与LMS Virtual.Lab Motion进行联合仿真常用的方式有3种：Function Evaluation方式、Coupled方式和Co-Simulation方式。本文采用Co-Simulation方式进行联合仿真，仿真分析时，AMESim通过自带的求解器进行回转液压系统模型求解，与此同时LMS Virtual.Lab Motion也利用自带的求解器进行回转机构模型求解，按照设置好的通讯步长进行数据交换。

具体工作过程为：AMESim求解回转液压系统模型得到回转马达的输出力矩，将参数值传递给LMS Virtual.Lab Motion软件中的回转机构模型，同时LMS Virtual.Lab Motion将求解得到的回转马达角度、角速度参数值传递到AMESim软件中的回转液压系统模型中，实现了实时数据交换，可完整地分析及观察整个动态变化过程。

联合仿真之前，需对输入输出变量、环境变量及单位变换等参数进行设置，最后对联合仿真接口进行设置，如图4所示。联合仿真时的AMESim模型如图2所示。全部参数设置完成后，可对回转系统进行联合仿真分析。仿真完成后，将在AMESim中联合仿真计算的结果导入到LMS Virtual.Lab Motion中，可从AMESim中查看相关的曲线结果，也可从LMS Virtual.Lab Motion中回放动画。

图 4 AMESim和LMS Virtual.Lab Motion联合仿真接口

2 实车试验结果对比

为了验证仿真模型的准确性，对某企业的25 t汽车起重机回转系统进行了实车试验。试验数据采集系统采用某公司PCI-1710数据采集卡，配合 LabVIEW软件进行试验数据采集。

汽车起重机回转系统工作时的工况非常多，如是否伸出吊臂、是否踩油门、慢速稳态或快递动态、是否吊重以及吊重的大小、吊车工作时是否在斜坡上、回转速度等。本文主要对基本臂空载怠速稳态、基本臂空载怠速动态、基本臂重载怠速稳态这3种典型的工况进行分析。

首先进行实车试验，采集相应的数据。由于试验数据带有干扰信号，需进行滤波处理，经过处理后得到了3种典型工况下系统压力和马达流量的试验结果曲线，如图5所示。

根据3种典型工况的实际情况，设置联合仿真模型的相关参数，分别进行联合仿真分析，得到3种典型工况下系统压力和马达流量的仿真分析结果曲线，如图5所示。

图5 不同工况下仿真与试验结果对比

图5详细列出了3种典型工况下试验曲线与仿真曲线的对比情况，试验曲线和仿真曲线的重合程度较好，从而验证仿真模型的准确性。利用该仿真模型，可以快速高效地分析回转系统的工作特性、影响因素及极端工况分析等，进一步优化回转系统性能。

3 结论

利用AMESim与Virtual.Lab Motion建立的汽车起重机回转系统联合仿真模型比较精确地反映实际系统。因此可利用该仿真模型，快速高效地分析汽车起重机回转系统的系统特性、影响因素、极端工况等，进一步优化回转系统性能。该联合仿真分析方法综合了多个软件的优势，可快速、高效地开发出可靠的产品，适用于复杂装备的设计与研究。