多畴模拟：挖掘机机械学和液压学.doc

多畴模拟:挖掘机的机械学和液压学多畴模拟:挖掘机的机械学和液压学概要:通过使用用于多体和液压系统的Modelica程序库,示范Modelica和Dymola如何模拟和仿真挖掘机。液压系统由“负载传感”控制器控制。一般来说模型包含了难以模拟的三维机械和液压组件。对于挖掘机将演示Modelica是如何有效适地用于这种系统的仿真。,这些决定对最终产品是否成功产生很大的影响。因此,今天在初始阶段使用数字模拟来检验不同的想法。这篇论文的目的是设计一台新的挖掘机并评估几个备选的液压系统。模拟包含三维机械和液压组件的系统是很难的,如挖掘机,两个不同的模拟环境必须连结在一起,这很不方便,导致不必要的数字问题和边界相互干涉问题。在这篇文章中,将对挖掘机模型的开始进行演示以证明Modelica是适合这些系统的。挖掘机的三维组件由新开发的,丰富的Modelica,联合体程序库来模拟,这使得可以使用铲斗运动规律的分析结论,并直接考虑液压缸(也就是动力元件)的质量。液压元件被模拟,从一个用于Modelica的液压程序库中使用泵,阀和缸。在控制部分使用一个普通的负载传感器,由一简单方程组模拟。这种方法得到要求的结果,并使得分析问题所需的时间限制在合理的要求内。。根据任务的需要建立一个很精确的模型,包含系统的每一个细节,需要许多的信息,比如模型参数。建立这种模型很麻烦。但另一方面,如果一个定义系统的参数需要修正,建立这种模型是很有效的。挖掘机上平衡阀参数的优化就是一个特殊的例子。对一个系统的初步研究需要另外一个模型,在这种情况下,泵,阀和负载的容量是具体的,需要的是关于系统工作的信息,例如活塞的速度,泵轴所需的输入动力。从而判定这个设计是否符合此任务的原则要求。因此,这种模型必须是方便的,也就是在没有详细了解特殊元件的情况下,能在短时间内建立起来。学者们打算建立一个第二类的模型,运行它,并在最少的时间内得到初步结论,为了达到此目的,使用了建摸Modelica(Modelica2002),Modelica模拟环境Dymola(Dymola2003),用于三维机械系统的新Modelica联合体程序库和液压组件的1Modelica程序库Hylib,模型包含挖掘机的三维机械结构,动力液压学的详细描述和通用的负载传感控制器。。它包含履带和液压驱动装置,液压驱动装置用于操纵机械。它的上面是供操作者坐的驾驶室,驾驶室能相对于履带绕垂直轴旋转。它还拥有柴油机,液压泵和液压控制系统。另外有一个动臂、斗杆以及和斗杆相连的铲斗。专门的液压油缸使斗杆,动臂,铲斗旋转。图二表示出油缸所需的压力是根据位置确定的,当在伸展开来的情况下,动臂油缸中的压力比收缩的情况高60%。不仅位置,而且运动也必须考虑。图三表示动臂下降的情况,如果驾驶室没有旋转,油缸则需要一个拉力,当旋转时,挖掘机旋转通常2能达到每分钟12转,则动臂油缸中的受力改变方向,此时需要一个推力。这个改变是非常重要的。两幅图都表明一个仿真模型考虑挖掘机四个自由度相互之间的联结,每个油缸和回转驱动使用连续载荷的简单模型将导致错误结果。,两个液压马达和三个油缸,存在不同的液压回路,以提供机器消耗所需的液压油源。一种特殊的设计是负载传感油路,它能有效控制能量,使用方便。这种想法是使泵有一个流体速率控制系统,因而能准确传递所需的流体速率。在传感器中,使用经过节孔而产生压降的方法,孔的阻力是参考值。图四给出了简图,关于这个话题的更好的介绍已经给出()。泵控制阀,使得泵出口的压力通常比负载传感器中的压力高15bar,如果方向阀关闭,则泵因此有15bar的压力。如果方向阀打开,泵输出一流体速度导致通过方向阀时产生15bar的压降。注意:方向阀不是用做泵流体,而是作为一个流体仪表(反馈的压降)和作为一个参考(阻力)。此油路对能量是有效率的,因为泵只输出所需的流速,相对其他油路,油管的损失很小。看图五,如果不只一个油缸使用这种油路,则变得复杂。如果斗杆需要300bar的压力,铲斗需要300bar的压力,则泵输出的压力高于300bar,这会使斗杆油缸产生一个不必要的运动。,负载补偿器,液压回路缸,所有这些元件是液压回路的标准元件,能从许多制造商获得。Hylib中包括所有这些元件的模型。这些数学模型包含教科书上的3标准模型,也包含对真实元件的运行进行考虑的最先进的,如果输入口压力下降到底于大气压,输出的液体就会减小,这样的普通泵模型就上例子。选择一种模型时,还有许多因素要考虑,值得