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j i i iiiii i i iiii iiii iiii y 17 6 2 0 2 7 s i m u l a t i o n a n a l y s i so n l_ -_l -n h y d r a u l i c - m e c h a n i c a lc o u p l i n gs y s t e m o t t h e w k i n rd e v i c e 。s k i dloaderthew o r k i n gd e v i c eo ts k i ds t e e r ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro f e n g i n e e r i n g b y l i ul e s u p e r v i s e db y p r o f e s s o rs u nbe i b e i s c h o o lo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y m a y 2 010 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果,也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名:迎坠、_ e l 期: 型7 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外,允许论文被查阅和借阅,可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名:边 导师签名:三盘璺日期:坐:墨7 摘要 滑移装载机工作装置机一液耦合系统的 仿真与分析 摘要 本文结合江苏省科技支撑计划项目“x t 7 5 0 滑移装载机研发”( 编号:b e 2 0 0 8 0 2 8 ) , 对滑移装载机工作装机进行机一液耦合系统仿真分析,较为系统地提出了对于类似滑移 装载机工作装置的机液耦合机构仿真分析的实现策略。 工作装置以液压系统提供的液压力作为驱动是一个相对复杂的非线性的过程,单纯 地对工作装置进行机械仿真研究,而忽略机械机构和液压系统的耦合作用,将是一个不 准确的仿真过程。针对以往研究的不足,提出了对工作装置进行机液耦合系统动态仿 真的重要性。基于虚拟样机的机液耦合系统的联合仿真研究具有很强的工程应用价值, 它完善了滑移装载机的虚拟样机,可为实际设计提供理论依据。 本课题通过建立一个接口模块,系统地将a d a m s 中建立的工作装置的机械系统模 型和e a s y 5 中建立的工作装置液压系统模型耦合到一起,然后对一个典型的作业过程 进行了仿真分析,仿真结果和理论分析相吻合。 论文的主要研究工作如下: 1 对l u d v 液压系统工作原理进行了详细的解析,阐述了l u d v 系统的特点。为 l u d v 液压控制系统的仿真分析提供了理论基础与判断标准。 2 建立了工作装置液压系统模型,针对l u d v 的独立流量分配特性,对液压系统 的三个工作联分别施加不同的载荷。通过仿真运算后,从多方面显示,获得的仿真结果 和前面的理论分析一致,因此,液压控制系统模型可以反映实际情况。 3 建立了工作装置机械系统的动力学模型,对工作装置一个典型作业循环的几个工 况进行了仿真运算,得到了能够反映装载机主要工作性能的相关曲线,实现了利用虚拟 设计技术研究滑移装载机工作性能的目的,为下一步的机液耦合模型提供了正确的机 械系统动力学模型。 4 建立了数据交换的接口模块,使机械系统动力学模型和液压控制系统进行联合仿 真,针对不同的工况设定了液压控制系统的命令曲线,对工作装置一个典型作业循环进 行了仿真运算,仿真结果和液压系统以及动力学模型的理论分析相吻合,可以反映作业 实际情况。 本文实现了机液耦合的联合仿真,提供了一个完整的滑移装载机的虚拟样机。达 到了利用虚拟设计技术研究滑移装载机工作性能的目的,为以后的系统优化设计提供了 理论参考。 关键词:滑移装载机,工作装置,液压控制系统,l u d v ,机液耦合,仿真 s i m u l a t i o na n a l y s i so n h y d r a u l i c - m e c h a n i c a lc o u p l i n g s y s t e mo ft h ew o r k i n g d e v i c eo fs k i ds t e e rl o a d e r a bs t r a c t b a s e do nt h es c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i c a ls u p p o r tp r o j e c ti nj i a n g s up r o v i n c e ”x t 7 5 0s k i d s t e e rl o a d e rr & d ”( n u m b e r s :b e 2 0 0 8 0 2 8 ) s i m u l a t i o na n a l y s i so nh y d r a u l i c m e c h a n i c a l c o u p l i n gs y s t e mo ft h ew o r k i n gd e v i c eo fs k i ds t e e rl o a d e rw a sc a r r i e do u ti nt h i sp a p e r a n d e f f e c t i v em e t h o da b o u ts i m u l a t i n ga n a l y s i so fh y d r a u l i c m e c h a n i c a lc o u p l i n gm e c h a n i s ml i k e t h ew o r k i n gd e v i c eo fs k i ds t e e rl o a d e ri sa l s or e l a t i v e l ys y s t e m a t i cp r e s e n t e d i t i sar e l a t i v e l yc o m p l i c a t e dn o n l i n e a rp r o c e s st h a tt h ew o r k i n gd e v i c ew o r k sw i t ht h e l i q u i dp r e s s u r ep r o v i d e db yt h eh y d r a u l i cs y s t e ma si t sd r i v e r t os i m p l yw o r k f o rm e c h a n i c a l d e v i c es i m u l a t i o nr e s e a r c hi sn o ta ne x a c ts i m u l a t i o ni g n o r i n gt h ec o u p l i n ge f f e c to ft h e m e c h a n i s ma n dt h eh y d r a u l i cs y s t e m a i m i n ga tt h el a c ko fs i m u l a t i o nr e s e a r c h d y n a m i c s i m u l a t i n ga n a l y s i so nh y d r a u l i c m e c h a n i c a lc o u p l i n gs y s t e mo ft h ew o r k i n gd e v i c eo fs k i d s t e e rl o a d e ri sp r e s e n t e d s i m u l a t i o nr e s e a r c ho nh y d r a u l i c m e c h a n i c a lc o u p l i n gs y s t e mb a s e d o nt h ev i r t u a lp r o t o t y p eh a ss t r o n ge n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nv a l u e ,a n di tw i l li m p r o v et h e v i r t u a lp r o t o t y p eo fs l i ds t e e rl o a d e ra n da l s op r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ep r a c t i c a ld e s i g n i nt h i sp a p e r , m e c h a n i c a ls y s t e mm o d e le s t a b l i s h i n gi nt h ea d a m sa n dh y d r a u l i c s y s t e mm o d e le s t a b l i s h i n ge a s y 5w a ss y s t e m a t i c a l l yc o u p l e dt h r o u g ha ni n t e r f a c em o d u l e s y s t e m s i m u l a t i n ga n a l y s i so fat y p i c a lw o r k i n gp r o c e s sw a sa l s op e r f o r m e d ,a n dt h e o b t a i n e dr e s u l t sc o r r e s p o n d e dw i t ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i s t h em a i nw o r ko ft h et h e s i sh a sm a i n l yb e e nc o n d u c t e da sf o l l o w i n ga s p e c t s : 1 t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fl u d vh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mh a sb e e na n a l y z e di nd e t a i l e x p l a i n i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h el u d vs y s t e m w h i c hw i l lp r o v i d et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o n a n dt h ei u d g m e n ts t a n d a r df o rt h es i m u l a t i o na n a l y s i so fl u d v h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m 2 h y d r a u l i cs y s t e mm o d e lo fw o r k i n gd e v i c ei se s t a b l i s h e d a n dt h a tt h ec o m p u t a t i o n a l r e s u l t sc o r r e s p o n d e dw i t ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i sf r o mv a r i o u sa s p e c t ss h o w st h a tt h em o d e l c a nr e f l e c tt h ea c t u a ls i t u a t i o n 3 o nt h eb a s i so ft h et h e o r yo fp a r a m e t r i cf e a t u r em o d e l i n g , t h ec o n s t r a i n t sa n de x t e r n a l f o r c ew o r k e do nt h ew o r k i n gd e v i c ea r ea n a l y z e d ,a n dt h e nt h ep a r a m e t r i cf e a t u r ee n t i t y m o d e li se s t a b l i s h e du s i n ga d a m s w h i c hw i l lp r o v i d et h ec o r r e c tm e c h a n i c a ls y s t e m d y n a m i c sm o d e lf o r t h en e x tm o d e le s t a b l i s h m e n to fh y d r a u l i c - m e c h a n i c a lc o u p l i n gs y s t e m 4 t h ed a t ae x c h a n g ei n t e r f a c em o d u l eh a sb e e ne s t a b l i s h e d ,w h i c hm a k e st h e m e c h a n i c a ls y s t e md y n a m i c sm o d e la n dh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mc o u p l e a c c o r d i n gt o d i f f e r e n tc o n d i t i o n s ,h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mw a ss e tt ow o r ko r d e r sc u r v e ,a n dat y p i c a l o p e r a t i o nc y c l ei ss i m u l a t e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sc a nm a t c ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i s w h i c h c a nr e f l e c ta c t u a ls i t u a t i o n t h er e s e a r c ho nt h eh y d r a u l i c - m e c h a n i c a lc o u p l i n gs y s t e mp r o v i d e st h e o r e t i c a lr e f e r e n c e f o rt h es y s t e m a t i c a lo p t i m i z a t i o nd e s i g n k e y w o r d :s k i ds t e e rl o a d e r , w o r k i n gd e v i c e ,h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m ,u j d vs i m u l a t i o n , h y d r a u l i c - m e c h a n i c a lc o u p l i n gs y s t e m i l 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第一章绪论1 1 1前言1 1 2 论文研究背景l 1 2 1 课题来源1 1 2 2 研究背景1 1 3国内外研究现状2 1 3 1国外液压仿真研究现状2 1 3 2国内液压仿真研究现状3 1 4 论文研究意义和主要内容4 1 4 1 研究意义。4 1 4 2 论文主要内容4 第二章滑移装载机的基本组成6 2 1滑移装载机的主要组成及其结构特点6 2 1 1 发动机6 2 1 2 车架7 2 1 3 工作装置7 2 1 4 驾驶室8 2 1 5附件8 2 2 滑移装载机的液压控制系统8 2 2 1 液压传动系统的主要优缺点8 2 2 2 滑移装载机的液压控制系统9 2 3 滑移装载机的总体要求9 2 4 本章小节l o 第三章l u d v 液压控制系统工作原理分析1 1 3 1液压阀口的基本理论。1 1 3 1 1 阀口流量公式及流量系数1 1 3 1 2 作用在阀芯上的作用力。1 2 3 2l u d v 系统的结构和油路分析1 3 3 2 1l u d v 系统的结构1 3 3 2 2l u d v 系统其它阀的功能作用1 4 3 2 3l u d v 油路原理分析15 3 3l u d v 工作原理分析1 6 3 3 1 理论基础1 6 3 3 2l u d v 系统的数学原理1 6 3 4l u d v 系统的独立流量分配特性分析1 8 3 4 1 负载适应功能18 3 4 2 负载补偿功能l8 3 4 3 各联负载的压力补偿大小l8 3 4 4 负载压力p 的变化对流量的影响1 9 3 4 5 所需流量大于泵的最火流量时的抗饱和特性1 9 i i i 1 9 2 0 2 0 2 0 2 0 2 0 2 l 一2 1 2 2 2 3 2 6 2 7 一2 8 。3 0 一3 0 4 4 2 多路阀进油联模型的建立3 1 4 4 3 工作装置液压系统模型3 2 4 5l u d v 系统模型的仿真3 3 4 5 1输入初始运行点并选择输出函数一3 3 4 5 2 初始稳态分析3 4 4 5 3 仿真分析3 5 4 6l u d v 液压系统仿真结果分析3 5 4 6 1 仿真结果流量分析3 7 4 6 2 压力补偿特性分析3 9 4 7 本章小结4 3 第五章工作装置机械系统模型的建立 5 1 a d a m s 软件 5 1 1a d a m s 中的零件 5 1 2a d a m s 中的运动副和驱动。 5 1 3a d a m s 中作用力的输入 5 1 4 控制模块( a d a m s c o n t r o ls ) 5 2 基于a d a m s 环境的工作装置多刚体模型的创建 5 2 1 工作装置的c a d 模型。 5 2 2 工作装置中约束的添加。 5 2 3 在模型中添加作用力 5 3 仿真结果分析 5 3 1工作装置一个完整作业过程的仿真 5 3 2 仿真结果分析 5 4 本章小结 第六章机液耦合系统的仿真分析 6 1机械系统和液压系统的耦合机理 6 2 工作装置机液耦合系统模型的建立 6 2 1 液压控制系统模型及其接口的定义 6 2 2 工作装置动力学模型及其接口的定义 6 2 3 机一液耦合的接口设置 6 3 机液耦合系统仿真结果及分析 i v 6 3 1 机械系统和液压系统传递、引用的数据5 8 6 3 2 仿真结果的流量分配特性6 0 6 3 3 动臂缸和铲斗缸的压强6 1 6 4 提高系统效率的讨论6 2 6 5 本章小结6 2 第七章结论与展望6 3 7 1论文总结6 3 7 2 论文展望一6 3 到【谢6 5 参考文献6 6 v 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 滑移装载机是一种机、电、液一体化小型多功能设备,被广泛用于城市市政、仓库、 码头等狭窄地区的作业,以代替人力劳动,它在降低工作强度、保证施工质量、提高劳 动生产率方面具有十分显著的作用。目前,滑移装载机的主要市场在北美、日本、西欧 等发达地区,近年来在亚洲地区也开始有抬头发展的趋势,它在社会建设中发挥了巨大 的作用,这些设备在小型工程建设、市政维护工程及农村市场均有广阔的发展前景u 2 。 滑移式装载机最大的特点是整机外形尺寸小,且可实现3 6 0 。原地转向,机动灵活, 特别适用于作业场地狭小、作业内容更换频繁的场合,同时可作为大型工程施工机械的 辅助设备使用。滑移式装载机的3 6 0 。滑移转向是利用两侧车轮线速度差来实现的,轮 式专用底盘采用轮式行走机构全轮驱动滑移转向,并且可于根据作业现场快速更换或挂 接各种工作装置,以适应不匀的作业环境和作业内容口1 。滑移式装载机的动力一般为 2 0 6 0 k w ,主机质量2 0 0 0 - 4 0 0 0 k g ,车速一般为l0 15 k m h 左右。 滑移装载机对于不同的作业内容,具体类型非常多样化,当需要一种机械承担多种 工作,而且还需要操作快捷时,就应该考虑使用滑移转向装载机。总之,它是一种多用 途万能型的城市建设机械。其用途主要有以下几个方面。 ( 1 ) 由于其最小转向半径尚不足同等级铰接装载机的一半,特别适用于如城市基 础设施、道路或建筑工地、住宅建设、厂房车间、仓库、码头、轮船甲板甚至船舱内等 狭窄场地的作业。 ( 2 ) 采用全轮驱动,有利于在起伏不平的场地上进行作业。 ( 3 ) 于作业现场瞬息间即可更换或挂接不同的工作装置,一般仅需数分钟。从而 可分别进行铲运、堆垛、起重、挖掘、钻孔、破碎、抓取、推扒,松土、开沟、道路清 扫和路面压实等作业,特别适于基础工程和园林作业中。 ( 4 ) 用于大型工程机械的后勤保障、场地清理及工程收尾等作业。 ( 5 ) 可以作为移动式泵站使用,为手持式液压镐等液压机具提供动力源。 1 2 论文研究背景 1 2 1 课题来源 本文来源于江苏省科技支撑计划“x t 7 5 0 滑移装载机的研发 ( 项目编号: b e 2 0 0 8 0 2 8 ) ,由东南大学和徐州徐工特种工程机械有限公司合作,本文重点对滑移装载 机工作装置液压系统的工作状况进行仿真分析和研究。 1 2 2 研究背景 目前,国外生产滑移装载机的企业大约有1 0 0 多家,主要有美国的英格索兰、卡特 彼勒、凯斯、特雷克斯、约翰迪尔;日本的小松、日立;德国的利渤海尔;英国的j b c ; 韩国的斗山、现代等。欧美国家劳动力价格很高,用户很乐意购买这种一机多用、相对 价格低廉的产品。1 9 9 8 年以来,在欧洲和北美滑移转向装载机的销量正持续增长。1 9 9 8 年全世界滑移转向装载机销量年约为4 3 0 0 0 台,到2 0 0 6 年达到了2 0 万台左右,其中北 美市场约1 2 万台,欧洲市场约8 万台,不发达地区的销量则非常少。 在国内,工程机械液压系统行业尚处在跟随国外企业模仿学习的阶段,在性能、操 作舒适性、产品内在质量上,尤其是可靠性方面同国外相比要相差很多。虽说国内滑移 装载机市场处于稳步发展的上升时期,相对发达国家的市场还远未饱和,滑移装载机还 可以渗透到中国很多尚未开发的应用领域中,但是这需要时间。国内生产企业不多,主 奎堕叁兰婴兰堂垡丝塞 要生产商有北京施工机械厂、徐工集团、山河智能、柳工、常林、德州德工、山东光明 机器制造有限公司等。国内滑移装载机面临着主要的问题有: ( 1 ) 非本土化生产导致价格偏高。当小型设备的总需求量同益增长时,由于价格 低廉的国产设备如小型轮式装载机等的存在,使其不易与其他小型设备的竞争中赢取更 多市场份额。 ( 2 ) 大量的廉价劳动力以及传统的工作习惯等阻碍了滑移装载机的推广。 ( 3 ) 滑移装载机技术含量高,用户对滑移概念还没有完全接受,操作经验欠缺等。 ( 4 ) 中国用户往往出于某一专门用途来购买设备,其用途在下订单之前就已经确 定了,除铲斗外一般只购买单一的破碎锤作附具,对价格敏感也决定了很多用户不会有 通常远见地购买更多工作附具。 由于经济的不断增长,我国等新兴市场经济国家对小型机械具有非常巨大的需求。 随着国内城市化进程不断加快,城市建设也由以前的粗放型向精雕细刻方向转变,而且 由于劳动力价格的上涨和市政工程对时效的要求,决定了以往由人工劳动为主的施工形 式必然寻求其他经济高效的施工手段。同时,工作附具的持续开发将也会很大程度增加 滑移装载机的用途,扩大对用户的吸引力。随着不断开发出各种工作附具,滑移装载机 总能找到新的应用领域。 1 3 国内外研究现状 传统设计中,机械工程设备都是采用经验或类比的方法,设计出的系统经装配、试 运行后方知系统设计的优劣性和经济合理性。若发现设计不合理,则需重新改进设计, 造成设计周期长、效率不高、经济性下降。随着计算机技术的发展及各种c a d ( p r o e ,u g ,c a t i a 等) 、c a e ( a d a m s 、e a s y 5 、a b q u s 、a n s y s 等) 软件的应用, 基于虚拟样机的设计方法与传统方法相比较,有了很大的改进。利用c a d 和c a e 建立 滑移装载机的虚拟样机,可以快捷、高效地解决许多技术难题,缩短产品设计周期,提 高设计质量,增强产品的市场竞争力,因此应用仿真技术进行研究成为一种趋势。 目前,仿真技术在液压领域的应用大致可以归纳为下述几个方面h 3 。( 1 ) 对已有的液 压元件或系统在建立数学模型的基础上,进行仿真研究。仿真目的是将仿真结果与实验 结果比较,验证理论的准确程度,并不断修改数学模型和改变仿真参数,使更接近于实 验结果,为以后改进和设计类似元件或系统的提供理论依据。( 2 ) 通过仿真实验研究测试 新设计的元件各结构参数对系统动态特性的影响,确定参数的最佳匹配。仿真结果作为 系统调试的理论依据,提供实际设计所需的数据,从而缩短调试周期和避免损坏设备。 ( 3 ) 对于新设计的系统,通过仿真验证系统控制方案的可行性,研究系统结构参数对动态 性能的影响,由此获得最佳控制方案和最优结构参数。 联合仿真则需要实现不同仿真环境的集成和数据交换,其基本任务是定义一个层次 化结构,主要提供接口标准、通信结构、管理结构、置信度指标、技术规范以及将异构 仿真器加入到一个统一的、无缝的综合环境中。无缝结合在工程技术方面有深远的应用 价值,可将现有的不同用途、不同技术水平以及不同仿真模型集成一体并实现交互使用, 这样能更好地反映实际情况,从而使仿真结果更有可信度。不同软件间的求解器一般使 用不同种语言和算法,因此同步协调数据的交换是重点。对液压系统仿真控制模型和机 械系统模型集成的过程中,若接口状态变量只是单向数据交换,则比较容易处理:但一 旦包含机械变量特别是流体变量就比较困难了,因为加入一些反馈信号后,也引入了更 多误差,使系统更加复杂。 1 3 1国外液压仿真研究现状 随着计算机软硬件的飞速发展,虚拟样机技术用于计算机辅助设计的优点和优势越 来越明显。在液压技术领域,针对液压系统的设计特点,开发出用于液压设备虚拟样机 2 第一覃绪论 设计的平台软件就很有实际应用价值。 1 9 7 3 年,美国俄克拉何马洲立大学的史密斯( c ks m i t h ) 等人开发出h y d s i m 程序, 它是第一个直接面向液压技术领域的专用液压仿真软件,该软件首次采用液压元件功率 键模型方式进行建模,模型可以重复使用。1 9 7 4 年德国亚深工业大学的贝歇( w ba c h e ) 开始开发液压系统仿真软件包d s h ,该软件具有面向原理图建模,并含有非线性等优点, 但也有模型库及系统描述文件需人工管理、新元件描述繁琐、系统阶次不易降低等缺点。 英国巴斯大学的布朗( d e b r o w n ) 教授等人也在1 9 7 4 年开发出液压系统仿真软件h a s p ( h y d r a u l i ca u t o m a t i cs i m u l a t i o np a c k a g e ) ,它使用功率键合图的建模方法,数学模型由 f o r t r a n 子程序自动生成,该软件物理机理清楚,但不直观,对用户要求高。与此同 时,美国麦道公司率先开发出用以预测液压元件和系统工作性能的a f s s 仿真软件包, 使液压设计从经验估计提高到定量分析的水平h ,。 在液压仿真理论方面,国外也做了大量的研究,从研究对象讲,大致可分为三个方 面:通用液压系统、专用液压系统和机液耦合综合应用方面。 在通用液压系统方面,已开发了较多的通用仿真软件,如德国亚深大学研制的液压 系数字仿真软件d s h ;英国b a t h 大学开发的h a s p 液压仿真程序包;波兰华沙大 学的p o l s y a s 仿真系统;德国斯图加特的r e k o n a 系统h 1 。 在专用液压系统方面,开发了许多专用对象的液压仿真软件,广泛应用于机床液压 系统和工程机械液压系统等,如叉车、挖掘机、注塑机等。 在机液耦合综合应用方面,国际通用的可用作于机液耦合系统仿真的大型液压仿 真软件有美国m s c 公司的e a s y 5 ,它的液压库包含超过9 0 个元件,代表了任何液压系 统的关键部分,可解决对详细液压系统的复杂动态特性进行建模的问题;可对液压元件 的动态和稳态行为进行描述;可实现与多体动力学仿真软件如a d a m s 、p r o m e c h a n i c a l 的集成,通过计算整个系统的所有重要参数( 包括液体压力、流量和温度等) 来仿真和 分析系统的动态特性。另一个常用于机液耦合系统仿真并被研究人员广泛采用的是 m a t l a b s i m u l i n k 软件包,它对运行复杂的液压系统仿真非常方便实用,具有递阶结构, 适合于大系统拓扑建模思想和策略,同时它支持连续、离散或两者混合的线性和非线性 系统,也支持具有多种采样速率的多速率系统,可支持同a d a m s c o n t r o l 控制系统设 计分析模块进行联合分析。另外,法国a m e s i m 提供了一个系统级工程设计的完整平台, 使得用户可以在单一的平台上建立复杂的一维多学科领域的机电液一体化系统模型,通过 a m e s i m 和s i m u l i n k 的联合,转换s i m u l i n k 环境也可实现机液耦合。 1 3 2 国内液压仿真研究现状 中国液压系统仿真技术始于上世纪8 0 年代初,以浙江大学、上海交通大学、大连 理工大学和航空航天一些部门为主,通过引进国外仿真软件进行消化改进或自主开发, 都取得了一些进展。 浙江大学通过引进德国d s h 液压仿真软件,并配合国家“七五 、“八五”科技攻 关计划进行二次开发,取得了多项成果,推出了s i m u i z d 液压仿真专用软件。大连理 工大学在国内率先采用了功率键合图建模方法,在全面了解和总结国内外液压系统动态 仿真通用软件研究开发的现有成果和水平的基础上,实现了一种以键合图技术与液压系 统基本特点相结合为特征的行之有效的自动建模方法,开发出了名为s i m 1 的液压系统 仿真通用软件包,该软件包是采用b a s i c 语言编写的专门用来进行液压系统动态特性 分析和预测的实用化软件工具。华中理工大学也开发出了复杂液压系统智能仿真软件 c h i s p ,它以a u t o c a d 为支撑环境,利用f o x p r o 进行数据库管理,以v i s u a lc + + 编辑,实现了面向液压原理图的自动建模与仿真。此外,北京航空航天大学研制出f p s 通用仿真程序。上海交通大学自主研制开发的针对液压原理图的仿真软件包h yc a d 。 浙江大学流体传动及控制研究所与国营1 8 3 厂合作开发的液压系统及元件仿真软件系统 3 查堕查堂堡主兰垡笙兰 d l y s i m ,但这些仿真软件同国外相比,仍存在一定的差距m 刊。 与国外不断发展的液压仿真技术相比,我国近二十多年在这方面的研究是比较落后 的,但从最近几年来看,我国的液压领域对液压仿真需求越来越高,研究人员的研究热 情也不断升高。 西南交通大学的朱杰、王国志在m a t l a b s i m u l i n k 的环境中,建立了小型液压挖 掘机工作装置的液压系统模型。主要针对l u d v 控制系统的流量分配特性进行仿真分 析,并讨论了压力补偿器工作状态对多路阀特性的影响,最后分析了多路阀主阀芯和压 力补偿器阀芯直径、系统压力、压力补偿器阀芯阻尼对输出流量的影响。 西南交通大学的将道成、于兰英基于对小型液压挖掘机工作装置液压系统控制特性 的研究,采用了法国的液压仿真软件a m e s i m 对l s 系统与l u d v 系统进行了对比仿真, 通过数据曲线图的对比,直观地说明了l u d v 系统具有良好的复合性以及精细工作能 力,并在此l u d v 系统上进行完善,建立了整机模型。但该论文主要就l u d v 系统的 协调性与l s 系统进行了研究,但是针对l u d v 系统与l s 系统的节能性本文没有比较, 目前几乎所有液压系统的功率损失仍然相当大,因此有待于进一步研究旧1 。 大连理工大学的于春宇、赵福令采用功率键合图方法建立了闭式起升机构非线性数 学模型,并在a m e s i m 仿真环境下,建立了闭式起升机构的动态仿真模型,利用仿真结 果对闭式系统关键技术进行仿真,通过对液压系统的元件选型和机构计算,验证了液压 系统设计的合理性归。 北京科技大学王国彪、曹旭阳在a d a m s v i e w 中建立了装载机工作装置多刚体仿 真模型,对工作装置一个典型作业过程进行了运动学、动力学仿真,改变仿真条件,有 针对性地对工作装置工作性能进行了优劣判断。应用a d a m s h y d r a u l i c s 模块结合实体 模型建立了装载机工作装置机液耦合系统仿真模型,分析了油液的弹性作用对油缸受 力的影响,并对液压系统流量、压力等特性参数进行了动态分析0 。 1 4 论文研究意义和主要内容 1 4 1 研究意义 液压系统是联接负载与发动机之间的中间环节,对它进行研究具有重要意义。它是 将发动机输出功率最终传递给工作机构的动力传动链,它必须保证滑移装载机工作装置 可以完成各个工况,实现其稳定的工作性能。同时,液压系统对整车的操控性能具有十 分重要的影响。一个比较完善的液压系统不仅应有良好的静态性能,还应具有良好的动 态性能,这是因为系统中执行元件的速度,动作和方向以及外载荷经常在不断变化,如 果系统的动态特性不灵敏,则反馈信号就无法被系统很快执行,造成系统灵敏死区、动 作死区等1 。另外,液压系统压力的波动相当于给机械装置一个振动激励源,因此,有 必要对其动态性能进行分析和研究。 基于虚拟样机的机液耦合系统的联合仿真研究具有现实意义,它可为实际设计提 供理论依据。机液耦合以及与计算机技术相结合是液压技术的发展趋势,液压系统性 能对于整机系统的影响,越来越被研究装备整机性能的人们重视u 引。本课题通过将 a d a m s 中建立的工作装置的机械模型和e a s y 5 中建立的工作装置液压系统模型相联 结,可以系统地将工作装置及其液压系统耦合到一起进行仿真分析,使得工作装置各零 件的受载分布更能接近实际工况。 1 4 2 论文主要内容 本文对x t 7 5 0 滑移装载机的工作装置进行机一液耦合系统的仿真分析,论文的主要 内容有: ( 1 ) 对滑移装载机的主要部件进行介绍,并阐述其总体特点,以达到对滑移装载 机在狭小作业区的灵活性以及多用途性的理解。 4 笙二童竺堡 ( 2 ) 分析滑移装载机工作装置的液压控制系统。液压系统作为工作装置动力传递 中间环节,在以往的研究中没有引起足够的重视,本文将对滑移装载机的液压控制系统 进行详细分析。 ( 3 ) 对工作装置的液压控制系统进行仿真分析,本文将为液压系统设计和分析引 入一种新的方法。本文将运用控制软件m s c e a s y 5 对液压系统进行建模和仿真分析, 根据液压系统的分析特点进行有针对性的仿真运算,建立一个符合实际情况的液压系统 模型,为下一步的机液耦合仿真分析提供一个j 下确的液压系统模型。 ( 4 ) 建立工作装置机械系统的多体动力学模型,并对工作装置一个典型作业循环 的几个工况进行仿真运算,以得到能够反映装载机主要工作性能的相关曲线。为下一步 的机液耦合仿真分析提供j 下确的机械模型。 ( 5 ) 建立机液耦合系统模型,提供一个机液耦合系统的接口模块,并仿真完善滑 移装载机的虚拟样机。工作装置以液压系统作为驱动是一个相对复杂的非线性的过程, 如果单纯地对工作装置进行机械仿真研究,而忽略机械机构和液压系统的耦合作用,将 是一个不准确的仿真过程。本研究将机械系统和控制系统进行联合仿真分析,使虚拟样 机更能反映实际工作状况的动态特性,从而使滑移装载机的虚拟样机更能反映实际情 况。 第二章滑移装载机的基本组成 第二章滑移装载机的基本组成 本课题研究的x t 7 5 0 滑移式装载机是徐工集团特种工程机械有限公司生产的一种 小型工程机械,其工作装置的动力源来自于液压系统,同时采用比例控制的先导手柄进 行操作控制,使得操作者能够很快的熟练操作机器,省力且不易疲劳。油门采用手脚联 动,手油门为固定油门,用于破碎锤、铣刨机

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