多畴模拟挖掘机的机械学和液压学Word文件下载.docx
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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。
2.模型选择
模拟一个系统有几种方法。
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Modelica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。
3.挖掘机的结构
图一给出了正在考虑中的特殊挖掘机的简图。
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。
4.负载传感器
挖掘机通常具有一台柴油发动机,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(anon.1992)。
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。
5.液压程序库Hylib
商业Modelica程序库Hylib用于模拟泵调节孔,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,值得一提的一点是所有模型能被原代码水平看待,并且可以由从易得文献得来的大约100个参数来证明。
打开程序库后,展示了主要窗口(图十),双击泵图象打开所有元件的选项。
开始或结束油流体所需要元件。
为了现在的问题,使用带有内泄口和外部限定流速的液压流体源。
同样,选择关于阀,缸和其他元件的所需模型。
所有组件都是分级模拟的,从连接器的确定开始(连接器是油进入或流出元件的通口),带有两个口的元件模版如图。
这能继承下来到理想的模型。
如一薄层阻力阀
或释压阀。
当为这些基本模型使用文字上的输入是有道理的。
许多程序库主要模型以图形编制。
由使用图形使用者界面的基本程序库模型组成。
图12给出了图形编制的一个例子。
所有提及的元件从程序库中选出来并分明的连接起来。
6.液压回路中的程序库元件
图12中的结构图是挖掘机模型图形组成的液压部分,以下的模型是从专属的程序库中选出,连接并输入参数。
注意到从Hylib来的缸和马达能简单连接为所示的多功能程序库的组件。
输入信号如,挖掘机发动机的相关信号由图框给出。
如控制流体速度的参考阀。
对于挖掘机的机械部分,只要图12中所示的元件直接与液压元件相连接。
如液压缸接触的直线压力元件。
7.负载传感控制器模型
在这个学习中,选择下面的方法:
模拟挖掘机的机械器件,并一定程度上详细的模拟泵和测量阀。
因为只有元件的参数将改变,一般结构是固定的。
这意味着缸筒的直径可能改变,但确切的只有个一缸那样工作(如图1所示)这个液压系统其余部分是不同的,在这篇文章中使用一泵的负载传感系统如图所示。
但在开始设计阶段还有其他的想法必须评估。
例如在回转运动中使用两泵或单泵。
根据实际元件设计的全面的模型会大得多。
通常在初始设计阶段的开始不适用。
它能由液压程序库中的元件建立起来,但需要相当多的时间,这在工程的开始是行不通的。
在表格1和2中所示的是LS控制器执行的方程式。
一般,联合体模型选择使用图形模型分解或通过方程式定义模型。
但不是在一样的模型标准上混合两种描述形式。
对于LS系统这是不同的。
因为它有7个输入信号和5个输出信号,建立带有17个输入和5个输出的块。
并把它们连接到液压回路。
但是,在这种情况下,如上面液压回路,在一样的标准上直接提供方程式并直接输入输入信号和输出信号,看起来更加可以理解。
例如,格中“metoril.port.A.p”是测量孔metoril的通口的度量压力。
LS控制器的计算值。
例如,泵流体速率“pump.inport.signal[1]=”是在泵元件的蓝色矩形中的信号。
图12。
Modelica的重点是三维机械程序库和非标准的无缝连接。
并且,因此在没程序库可用时,控制系统的模型很容易的处理。
程序库元件在目标图表中能连接起来,根据模型的本文能得到所需的各种变化。
8.仿真结果
使用Modelica模型和仿真环境Dymola建立完全模型,并转换,编译和模拟5秒钟,仿真时间17秒,使用一个1.8Ghz笔记本上相对误差10-6级的DASSI综合器(比真实时间满3.4倍),Dymola的仿真特点使用可能在几乎真实的情况下观察运动,即使相对于非专家。
这也有助于解释结果。
看图9。
图13给出了三个缸和摇摆的相关信号,泵流体速率和压力从t=1.1秒到t=1.7秒和t=3.6秒到t=4.05秒。
泵以最高流速工作。
从t=3.1秒到t=3.6秒达到最高允许压力。
图14给出了斗杆缸和铲斗缸的位置和摇动角度。
能看出在另一个运动开始或结束时,活塞的运动没有重大的改变。
控制系统减少油缸之间的耦合,这种耦合在单路控制中特别严重。
图15给出铲斗缸的操作。
上面数据显示参考轨道,也就是方向阀的开启中间数据,表示补偿器的传导系数。
两钉道是例外,从t=0秒开到t=1s秒,这表示在这段间隔的时间里,泵压力由铲斗缸控制。
它从t=0秒后,斗杆缸需要一个相对高的压力,铲斗补偿器因此增加阻力。
下面数据表明流体速率控制工作良好。
即使存在一个严重的扰乱。
带有小误差的要求的流体速率有铲斗缸供足。
9.结论
建立一个挖掘机的动力模型以评估不同的液压回路。
它包括厢体三维机构的完整模型。
包括动臂,斗杆,铲斗和像泵和缸等标准液压元件。
控制系统不是在组件基础上的模拟,而是通过一系列非线性方程描述。
使用Modelica的联合体程序库,液压程序库Hylib和一系列具体应用方程,模拟了系统。
通过工具Dymola,系统得以建成并且短时间内测试。
使得能计算所需的油路来评估控制系统。
Dymola仿真特性,使得有可能在几乎真实的情况下观看运动。
即使对非转泵,这也有助于解释结果。
Multi-DomainSimulation:
MechanicsandHydraulicsofanExcavator
Abstract
ItisdemonstratedhowtomodelandsimulateanexcavatorwithModelicaandDymolabyusingModelicalibrariesformulti-bodyandforhydraulicsystems.Thehydraulicsystemiscontrolledbya“loadsensing”controller.Usually,modelscontaining3-dimensionalmechanicalandhydrauliccomponentsaredifficulttosimulate.AthandoftheexcavatoritisshownthatModelicaiswellsuitedforsuchkindsofsystemsimulations.
1.Introduction
Thedesignofanewproductrequiresanumberofdecisionsintheinitialphasethatseverelyaffectthesuccessofthefinishedmachine.Today,digitalsimulationisthereforeusedinearlystagestolookatdifferentconcepts.Theviewofthispaperisthatanewexcavatoristobedesignedandseveralcandidatesofhydrauliccontrolsystemshavetobeevaluated.
Systemsthatconsistof3-dimensionalmechanicalandofhydrauliccomponents–likeexcavators–aredifficulttosimulate.Usually,twodifferentsimulationenvironmentshavetobecoupled.Thisisofteninconvenient,leadstounnecessarynumericalproblemsandhasfragileinterfaces.InthisarticleitisdemonstratedathandofthemodelofanexcavatorthatModelicaiswellsuitedforthesetypesofsystems.
The3-dimensionalcomponentsoftheexcavatoraremodeledwiththenew,freeModelicaMultiBodylibrary.Thisallowsespeciallytouseananalyticsolutionofthekinematicloopatthebucketandtotakethemassesofthehydrauliccylinders,i.e.,the“forceelements”,directlyintoaccount.Thehydraulicpartismodeledinadetailedway,utilizingpump,valvesandcylindersfromHyLib,ahydraulicslibraryforModelica.Forthecontrolpartageneric“loadsensing”controlsystemisused,modeledbyasetofsimpleequations.Thisapproachgivestherequiredresultsandkeepsthetimeneededforanalyzingtheproblemonareasonablelevel.
2.ModelingChoices
Thereareseveralapproacheswhensimulatingasystem.Dependingonthetaskitmaybenecessarytobuildaveryprecisemodel,containingeverydetailofthesystemandneedingalotofinformation,e.g.,modelparameters.Thiskindofmodelsisexpensivetobuildupbutontheotherhandveryusefulifparametersofawelldefinedsystemhavetobemodified.Atypicalexampleistheoptimizationofparametersofacounterbalancevalveinanexcavator(Kraft1996).
Theotherkindofmodelisneededforafirststudyofasystem.Inthiscasesomepropertiesofthepump,cylindersandloadsarespecified.Requiredisinformationabouttheperformanceofthatsystem,e.g.,thespeedofthepistonsorthenecessaryinputpoweratthepumpshaft,tomakeadecisionwhetherthisdesigncanbeusedinprincipleforthetaskathand.Thismodelhasthereforetobe“cheap”,i.e.,itmustbepossibletobuilditinashorttimewithoutdetailedknowledgeofparticularcomponents.
Theauthorsintendedtobuildupamodelofthesecondtype,runitandhavefirstresultswithaminimumamountoftimespent.ToachievethisgoalthemodelinglanguageModelica(Modelica2002),theModelicasimulationenvironmentDymola(Dymola2003),thenewModelicalibraryfor3-dimensionalmechanicalsystems“MultiBody”(Otteretal.2003)andtheModelicalibraryofhydrauliccomponentsHyLib(Beater2000)wasused.Themodelconsistsofthe3-dimensionalmechanicalconstructionoftheexcavator,adetaileddescriptionofthepowerhydraulicsandageneric“loadsensing”controller.
3.ConstructionofExcavators
InFigure1aschematicdrawingofatypicalexcavatorunderconsiderationisshown.Itconsistsofachaintrackandthehydraulicpropeldrivewhichisusedtomanoeuvrethemachinebutusuallynotduringaworkcycle.Ontopofthatisacarriagewheretheoperatorissitting.Itcanrotatearoundaverticalaxiswithrespecttothechaintrack.ItalsoholdstheDieselengine,thehydraulicpumpsandcontrolsystem.Furthermore,thereisaboom,anarmandattheendabucket
whichisattachedviaaplanarkinematiclooptothearm.Boom,armandbucket
canberotatedbytheappropriatecylinders.
Figure2showsthattherequiredpressuresinthecylindersdependontheposition.Forthe“stretched”situationthepressureintheboomcylinderis60%higherthanintheretractedposition.Notonlythepositionbutalsothemovementshavetobetakenintoaccount.Figure3showsasituationwherethearmhangsdown.Ifthecarriagedoesnotrotatethereisapullingforcerequiredinthecylinder.Whenrotating–excavatorscantypicallyrotatewithupto12revolutionsperminute–theforceinthearmcylinderchangesitssignandnowapushingforceisneeded.Thischangeisverysignificant.Bothfiguresdemonstratethatasimulationmodelmusttakeintoaccountthecouplingsbetweenthefourdegreesoffreedomthisexcavatorhas.Asimplermodelthatusesaconstantloadforeachcylinderandtheswiveldriveleadstoerroneousresults
4.LoadSensingSystem
ExcavatorshavetypicallyoneDieselengine,twohydraulicmotorsandthreecylinders.Thereexistdifferenthydrauliccircuitstoprovidetheconsumerswiththerequiredhydraulicenergy.AtypicaldesignisaLoadSensingcircuitthatisenergyefficientanduserfriendly.Theideaistohaveaflowratecontrolsystemforthepumpsuchthatitdeliversexactlytheneededflowrate.Asasensorthepressuredropacrossanorificeisused.Thereferencevalueistheresistanceoftheorifice.Aschematicdrawingisshowninfigure4,agoodintroductiontothattopicisgivenin(anon.1992).
Thepumpcontrolvalvemaintainsapressureatthepumpportthatistypically15barhigherthanthepressureintheLSline(=LoadSensingline).Ifthedirectionalvalveisclosedthepumphasthereforeastand-bypressureof15bar.Ifitisopenthepumpdeliversaflowratethatleadsto
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