基于SimulationX挖掘机液压系统联合仿真及能耗分析研究.docx

DOI:10 11832 / j issn 10004858 2013 11 022基于挖掘机液压系统联合SimulationX仿真及能耗分析研究宫立强1 ，于安才1，2 ，姜继海2 ，孟广良1Co-simulation of Excavator Hydraulic System Based onSimulationX and Energy AnalysisGONG Li-qiang1 ，YU An-cai1，2 ，JIANG Ji-hai2 ，MENG Guang-liang1(1 天津工程机械研究院，天津 300409; 2 哈尔滨工业大学机电工程学院，黑龙江 哈尔滨150080)摘 要:为研究挖掘机液压系统的能耗损失，寻找节能的途径，采用 SimulatinX 仿真软件建立了挖掘机液压系统的仿真模型，采用 CATIA 软件建立了挖掘机的三维模型，利用两种软件进行仿真，获得了挖掘机标 准循环工况下的能耗，结果表明工作机构中动臂缸在作业过程中能耗最大，多路阀中的出口节流损失和旁路 损失最大，应该列为节能的重点。该研究对于挖掘机节能优化问题具有一定的理论意义和实用价值。关键词:液压挖掘机;液压系统;联合仿真;能耗分析中图分类号:TH137 文献标志码:B文章编号:1000-4858(2013)11-0083-04引言或条件困难。另外，在新产品研发过程中，设备本身复杂制造成本高，短期内完成一个系统全面的测试和试 液压挖掘机是一种用途广泛、工况复杂的工程机械，随着近年来石油价格的上涨，挖掘机使用成本不断 增加，再加上排放标准要求的提高，节能型挖掘机已经 成为发展的方向和趋势，国内外的挖掘机生产企业都 投入大量人力、物力对挖掘机在作业过程中的能量消 耗进行研究。但是，单纯运用试验方法对挖掘机作业 过程中的耗能情况进行研究费工费时，而且变更参数收稿日期:2013-06-05基金项目:国家自然科学基金资助项目(50375033) 作者简介:宫立强(1977)，男，黑龙江兰西人，高级工程师，主要从事工程机械技术研发工作。通讯作者:于安才(1978)，男，黑龙江富锦人，博士研究生。櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄(3) 应保持液压系统附件表面的清洁，在光滑干净的表面，霉菌不易滋生，而在粗糙不洁表面，霉菌容 易滋生蔓延，从而对防护层或金属基体产生破坏;(4) 应改进 45 号合金工具钢和铸钢等金属材料 的防护措施，或更换新型防腐蚀材料，以提高材料防腐 蚀能力和保证材料表面的光滑;(5) 皮革对氟塑软管的钢丝编织层有较好的保护 作用，在使用中应保护好皮革防护层，避免皮革层的机 械损伤;(6) 舰载机尽量在机库内停放，机库内的温度保 持在 60% 以下，并对舰载机的机体内部空间进行通风 干燥，从而对霉菌的生长繁殖进行抑制。参考文献:1缪良道 我国军用光学仪器生霉区域划分和维护方法C/ / 航空装备保障技术及发展航空装备保障技术 专题研讨会论文集，2006，(6):348 353王效安 国防仓储防霉学M 北京:国防工业出版社，2001 9朱武峰 机械系统附件检修技术基础M 青岛:海军航 空工程学院青岛分院，2010军用装备环境试验方法 霉菌试验，中华人民共和国国 家军用标准 GJB150 10A 2009S 国防科学技术工业 委员会，2009 12吕人豪 微生物腐蚀及其控制的研究 工业微生物学成就M 北京:科学出版社，1998eza Javaherdashti Microbiologically Influenced CorrosionM Springer-Verlag London Limited 2008 0123456液压与气动2013 年第 11 期84验难以实现，这些都制约着挖掘机行业的发展1 3。因此，仿真研究在挖掘机的研发初期是十分必要的，这对 于指导后续产品设计以及生产试验都有着重要的意义。 目前，国内外普遍采用对工作装置或液压系统单 独仿真的方法研究挖掘机能耗情况，对挖掘机工作臂 进行节能优化设计或自动控制问题的计算方法，主要 是从机构设计角度考虑节能问题，但是挖掘过程的能 耗主要来自液压系统，这种方法不能从根本上解决挖掘机的节能问题。通过数字仿真研究挖掘机液压系统 的能耗问题的缺陷是不能准确地模拟挖掘机在挖掘过 程中的负载，随着挖掘姿态和速度的变化，挖掘机各杆 件的转动惯量、质心位置是在不断变化的，挖掘机三个 液压缸的受力也是在不断变化，所以单独应用某一软 件对挖掘机的液压系统仿真时，不能考虑到挖掘机在 动作过程中负载随着工作液压缸速度和位移的变化而 变化的特性。本研究利用 CATIA 和 SimulationX 进行联 合仿真，较好地解决了上述问题，对挖掘机在作业过程 中液压系统能耗的分析提供了更加准确的理论依据。1 仿真元件的选取液压挖掘机的种类较多，其结构和配置的方式也 是多种多样，这里选取的是目前比较具有代表性的 20t 级液压挖掘机，以其数据为原型作为研究对象。主 要研究的是挖掘机在挖掘和回转工作过程中的能耗情 况，由于挖掘机在工作过程中行走机构同时工作的情 况很少，故暂不把行走机构考虑在内。液压挖掘机系统是机、电、液、控集成度高的综合 体系，系统建模高度复杂，往往需运用多种仿真软件进 行综合的评价，如 MATLAB、AMESim、ADAMS、ANSYS 等协同仿真，但进行协同仿真同时，必然会存在数据的 传输，或者多个系统的调用，这样就会影响到仿真的速 度和效果4。SimulationX 是新一代先进工程系统模 拟软件，使用 SimulationX 可以在很大程度上简化挖掘 机具体结构间相对运动的仿真计算，提供了液压挖掘 机的机械、液压系统之间进行联合仿真研究工作更加 方便、快捷的手段。在 SimulationX 的仿真系统中，液压挖掘机运动结 构部分参数可分为三类:位置、质量、方向属性。位置 属性指各执行机构几何特征，其中包括转轴坐标、关键 的位置点坐标以及质心坐标等;质量属性指执行机构 的质量、转动惯量;方向属性指各执行机构质心在坐标 系中的方向。模型中动臂、斗杆、铲斗及转台尺寸、各 部件重心坐标位置和转动惯量以及重量分别按照某型挖掘机实际资料选取。由于 SimulationX 支持 3D 模型功能，系统的结构参数是在 CATIA 中建立 3D 模型，如 图 1 所示。构建实际挖掘机的三维模型，导入 Simula- tionX 中进行多体动力学仿真得到的5。这种方式很 好的解决了协同仿真过程多个系统调用的问题，保证 了仿真的速度和效果。图 1 挖掘机 CATIA 三维模型2 系统仿真模型的构建综上所述，在 CATIA 下构建了挖掘机工作机构的3D 模型，并建立了各模块的数学模型的基础上，利用 CATIA 模型导入 SimulationX 进行仿真，其仿真框图及 系统的仿真模型如图 2、3 所示。发动机同时驱动两台 串联的变量泵，经过多路阀控制作用同时向液压缸和 液压马达提供液压油。控制器会按照操纵手柄输出信2013 年第 11 期液压与气动85号向各个多路阀发出相应指令来驱动各执行机构完成 特定的工作。同时控制器还对系统的工作状态等数据 进行采集和统一的处理，并根据返回的结果以及操作人 员的指令向发动机、液压泵、多路阀5 7输入控制信号。系统仿真分析液压挖掘机能够完成很多复杂的工作，各执行元 件的组合搭配也是多种多样的，为了反应出液压挖掘 机工作的特点以及使仿真的结果具有一定的代表性， 在本文的内容当中选择的是和实际工况相同的标准流 程，放斗挖掘提升旋转 90 放铲旋转回位，作 为进行仿真研究的基本动作8 13。控制信号在进行 标准挖掘工况时，将控制各执行元件运动的多路阀先 导压力信号进行归一化后如图 4 所示。采用图 3 的仿 真模型，对图 4 先导压力控制信号下的液压挖掘机标 准循环工况进行仿真，仿真结果如图 5、6、7 所示。3图 7 挖掘机空载工作过程功率仿真结果从仿真可以清晰看出，挖掘机执行元件在标准工 况下，铲斗和回转的转角幅度最大，动臂和斗杆幅度很 小。铲斗在液压缸推动下挖掘，转角幅度大但动作幅 度小工作范围固定，本身没有势能的积累，不具备能量 回收的条件。从能耗观点来看，动臂的能耗最大，其次 是回转机构，然后是斗杆。仿真的结果表明，整个标准 工况循环周期中，其峰值输出功率为 86 kW。由于仿 真的过程中，没有在执行机构上施加外部的载荷，因此 液压泵的全部输出能量都消耗于液压控制阀和执行元 件(液压马达和液压缸)上，仿真结果如表 1 所示。表 1 标准工况下多路阀能量损失的仿真结果分析可知，液压泵输出的能量有 80% 都消耗于多路阀上，执行元件和溢流损失所占的比例反而很小。 多路阀的能耗损失分别是进口节流损失 10. 47% 、出 口节流损失 40. 97% 、旁路节流损失 37. 4% 。由此可 见，出口节流损失和旁路损失占的比例比 较，达78. 37% ，可以作为挖掘机节能研究工作的重点。以上 仿真结果能够得出，经过六通多路阀的能量损失主要对象能量损失百分比(% )进口节流 损失回转马达0 48斗杆液压缸4 13动臂液压缸1 49铲斗液压缸4 37出口节流 损失回转马达10 28斗杆液压缸7 31动臂液压缸13 32铲斗液压缸10 06回转、斗杆旁路损失16 02动臂、铲斗旁路损失21 38合计88 84液压与气动2013 年第 11 期86是以节流损失的形式出现的，在液压系统能量传递的过程中占很高的比例，是液压系统效率低下的主要原 因。综上所述的液压系统，其液压执行元件的进口节 流和出口节流损失主要在三个方面:(1) 现有系统液压缸工作稳定时造成的节流损 失。为防止气穴现象而保持一部分压力，该压力在阀 出口处产生一定的压降损失能量，另一方面，为保证液 压缸以稳定的速度工作，在液压缸的回油腔也要保持 一定的背压，这样也会产生一定的压力损失;(2) 多路阀进、出口联动产生节流损失。多路阀 阀芯控制着液压缸的进出油口通流面积。液压缸精细 操作时，由于阀口开度较小，进出油口上产生很大节流 损失;(3) 工作负载差异产生压力补偿节流损失。挖掘 机在工作过程当中，存在着单泵驱动多个负载的工况， 此时液压泵的压力一定要高于最大负载所需的压力， 这就造成了小负载的执行元件多余的压力消耗在多路 阀进出节流口上，产生了比较大的节流损失。在传统挖掘机结构中，进出口节流有助于保证系 统的稳定性、可靠性和可控性的同时，消耗了大部分的 能量，可以通过能量回收的方式来解决。把原本消耗 在阀口的能量通过别的形式储存起来。传统挖掘机大多采用的开中心控制系统是造成多 路阀的旁路损失主要原因，当多路阀阀芯接近中位的 时候，旁路通道打开，液压泵部分流量经旁路通道流回 油箱，此时的压降就是液压泵的压力，所以耗损的能量 很高。采用闭中心控制可有效的避免旁路损失，泵控 方案可以直接控制执行元件运动速度，当泵的转速为 定值，执行元件的运动速度和液压泵的排量是对应的， 液压泵排量受到执行元件速度控制信号的控制。如果 忽略系统泄漏，此时控制液压泵排量实际上就是在控 制执行元件的运动速度。当执行元件速度为零时，液 压泵排量置于零点，这样就可以大大地减少旁路损失。 泵控方式虽然可以达到节能目的，但是泵控方式对于 执行元件是液压缸这种情况，很难保证在精细操作时 的操作精度要求，尤其是挖掘机系统的工作机构经常 会承受负负载，单纯的泵控很难实现此类控制，应该采 取其他节能方式。回转机构在正常工作中与其它机构有较大的不 同。负载在水平面移动，理想情况下不消耗功。所以 回转时系统输入的液压能，在制动过程停止回转的时 候将全部变为热量损耗掉。回转系统除了启动时溢流损失外，制动时的耗损实际上来是主要形式能量浪费。采用传统液压制动方式系统油温迅速增加，不得不采用 附加冷却措施避免油液变质。因此，应该把减少回转液 压系统能耗，作为挖掘机液压系统节能措施的重点。4结论 本研究建立了挖掘机液压系统的联合仿真模型，通过对挖掘机标准工况下的仿真分析，确定了挖掘机液压 系统的能耗情况并提出了改进方案。针对动臂和回转 机构应采取能量回收的方式降低能量耗损。对于多路 阀的能量损耗，在设计方面应当尽量采用容积节流调速 回路来代替节流调速回路。研究中的仿真分析结果，为 挖掘机液压系统节能研究提供了一定的理论依据。参考文献:1Solazzi L Design of Aluminum Boom and Arm for an Excava-torJ Journal of Terramechanics，2010，47(4):201 207 Bonjak S M Comments on“Design of Aluminum Boom and Arm for an Excavator”J Journal of Terramechanics，2011，48(6):459 462Coetzee C J，Els D N J The Numerical Modelling of Excava- tor Bucket Filling using DEMJ Journal of Terramechan- ics，2009，46(5):217 227张彦廷，何广利，王庆丰，等 基于能量流分析的液压挖掘 机节能研究J 机床与液压，2007，35(8):134 136 刘刚，宋德朝，陈海明，等 并联混合动力挖掘机系统建模 及控制策 略 仿 真J 同 济 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版)，2010，38