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AMESim仿真技术在小型液压挖掘机液压系统中的应用

文档作者：龚进冀谦郭勇张德胜文档来源：中南大学机电工程学院		点击数：	更新时间： 2021年09月10日
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应用动
AMESim仿真技术在小型液压挖掘机液压系统中的应用
龚进，冀谦，郭勇，张德胜
(中南大学机电工程学院， 期南长沙410083)
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摘熟 对AAt E”软件及其基本特征做了简单介绍;应用AMESim建模仿真技术对挖掘机动臂液压系统进行仿真，并把仿耳纳攀
与 实 测 结果进行比较分析。结果表明，仿真模型是实际模型的正确反映
关健 词 : AMESim 仿真;液压挖掘机;液压系统;动臂
中 图 分 类号:TU621 文献标识码:A 文章门号:1009-9492 (2007) 10-0111-04
1引言
AM E Sim (Advanced Modeling Enviornment for Performing
Simulation of Engineering Systems，工程系统仿真
高级建模环境)是IMAGINE公司于1995年推出的基于键
合图的一个图形化开发环境，专门用于液压/机械系统的
建模、仿真及动力学分析。
AM E Sim 专门为液压系统建立了一个标准仿真模型库，
包含120多个不同复杂程度的模型。鉴于液压系统的元件
多式多样，标准库无法满足所有建模要求，AMESim提供
了一个基本元件设计库HDC (Hydraulic component design),
HDC是一个强大的工具，包含了任何机液系统的基
本结构单元模块。利用HDC，用户可以建立标准库中没有
的液压模型。
2基干AMESim的小型液压挖掘机动借(下
降)的液压系统仿真
2.1动胃下降工作原理
采 用 节 流系统的小型液压挖掘机动臂工作的液压系统
原理图如图1和图2所示。
图2 小型液压挖掘机动臂下降液压工作原理图
图1 小型液压挖掘机动臂液压工作原理图
2.2仿真徽型的趁立
整 个 液 压系统主要由泵、多路阀、液压缸和负载组
成。下面将分别对其中三种主要元件进行分析，并确定参
数建立相应的仿真模型。
(1 ) 液压 泵
AM ES im 软件中关于泵的模型有几种，如单向定量泵、
双向定量泵、单向变量泵、双向变量泵、压力调节泵。文
章研究的液压系统所用液压泵采用的是一种近似恒功率泵。
根据实际泵的模型及AME Sim软件中各种泵模型的具体应
用范围，选用压力调节泵作为仿真泵的模型。
泵 与 发 动机是相连的，对系统进行测试时，使发动机
在额定转速下工作，其额定转速为:2300r/min.
测 得 泵 的出口压力与排量曲线如图3所示。
收稿日期:2007-05-31
万方数据
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阀 芯 与 各处的节流J[死区尺寸如图5所示
从 图 5 中可以看出，在阀芯中有 6处存在节流口，文
章所研究内容为动臂下降的单动作，此时起作用的节流口
只有3处，它们分别是2、3、6，所以只需对这三处的尺
寸进行测量即可得到所要参数
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图3 泵出口压力与排量曲线
(2 〕 多 路阀
在 AM E Sim软件中，有两种定义元器件的方式，第 -
种:直接调用AMEsim 里现有模型;第二种:通过
AMESim提供的一些小单元来自行搭建元器件
AM E ism 里现有阀的模型只能定义时间与所流过阀的
流量之间的关系，而文章研究的液压系统所用多路阀为液
压先导式换向阀，研究重点是各种形状的节流槽与节流面
积之间的关系。所以软件中所提供的模型不能直接利用，
须通过上述中的第二种方法来搭建模型。经过研究阀联的
内部结构及AMEsim软件所提供的各种元器件模型，所搭
建的AMEsim多路阀模型如图4所示
图5 阀芯与各处的节流日死区尺寸
3) 先 导 压力
先 导 压 力是用液压综合测试仪mltuissyetm 5O05 实测
的，所测压力曲线如图6所示。
阀芯 与 各 处的节流口死区尺寸如图6所示。
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图4 AMESim多路阀模型
多 路 阀 参数确定:
1) 弹 簧
①弹 性 系 数的测量
测 量 原 理:对弹簧缓慢加力，让其匀速运动，根据公
式凡k·%，求得k月9，9N/Inln 。
②弹 簧 预 紧力
阀 芯 在 中位时，阀芯两端的弹簧有一定的压缩量，所
以存在预紧力。预紧力的大小与液压先导力推动阀芯所需
的起始力的大小是相等的。
先 导 压 力作用在阀芯上的面积为:
图6 动臂下降时的实测先导压力曲线
，=二、。{答}’=63放、mmZ)
因 此 ， 预紧力:户P·A二63石Zxlo人02x10性1272(N)
2) 阀 芯 及阀体
① 阀 芯 质量
阀 芯 质 量是用电子天秤进行称量的。称得其质量为
125.249。
② 各 处 节流口的形状及尺寸，及节流口与阀体配合时
的死区长度。
()3 液 压 缸和负载
在 动 臂 下降的过程中，虽说对整个挖掘机来说是空
载，但对动臂来说是有负载的，因为动臂油缸还要支撑动
臂、斗杆、斗杆油缸、铲斗和铲斗油缸，在动臂下降的过
程中，这个力的大小是时刻在变化的。在文章中，是通过
在动臂油缸的一端加一负载力曲线来体现这一作用力的，
其AMES皿的模
型如图7所示，
液压缸负载特性
曲线如图8所示。
昼)伽恒震氢
图7 AMEsim液压缸和负载模型
万方数据
应用动
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图8 液压缸负载特性曲线
(4 )整 个 系统的AMESim模型
通 过 以 上搭建的各液压元器件的模型，把它们组合在
一起就是个完整的动臂下降的AMESim液压系统模型，
如图9所示
④ @
5050进行了实测，所测得的压力曲线如图11所示。
在 图 I1 中:
曲 线 1— 液压缸下降时有杆腔压力曲线;
曲 线 2— 液压缸下降时无杆腔压力曲线;
曲 线 3— 液压缸下降时泵出口压力曲线。
()3 仿 真与实测结果比较
不 同 之 处:
① 实测 曲 线的8.8，左右有一个压力骤增的过程，这是
在实际操作时，出现说流时的状态，而在仿真过程中没有
考虑这一动作，所以在仿真曲线中没有出现此状态;
② 对比 两 图中泵的出口压力曲线，在图10中从。-1.5s
左右压力一直为0，而图11中大概为156ar,这主要是由
于在实际中油直接回汕箱时存在的回油背压，在仿真时没
有考虑回油背压;
③ 对比 两 图中有杆腔的压力曲线，在图10中从。一1.5
秒左右压力一直为0，而图11中大概为286ar左右，这主
要 是 由 于 挖 掘
机 在 没 有 动 作
时 里 面 也 充 满
不不不石斗落4早而而_ 了液压油而产
辱.K③
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图 9 动臂下降时的AMESim液压系统模型
3模型验证与结果分析
(封 仿 真 结果
把 上 述 参数加人仿真模型，进行了仿真，其部分参数
曲线如图to所示
在 图 01 中
曲线 1- 液压缸下降时有杆腔压力曲线;
曲线 2- 液压缸下降时无杆腔压力曲线;
曲线 3— 液压缸下降时泵出口压力曲线。
(2 )实 测 结果
为 了 验 证仿真结果的正确性，对挖掘机下降时有杆
腔，无杆腔及泵出口的压力用综合测试仪multieystem
生的压力，而
仿真时没有考
虑此种状态。
相 同 之 处;
从 图 10中
可以看出:从
1.5 -8s左右，
仿真曲线与实
测曲线不管是
从曲线的变化
趋势，还是曲
线上相应的数
值都是非常接
近的。而L5-
8s左右是挖掘
机动臂下降正
常动作的时间，这段时间里的仿真结果与实测结果的一致
性，可以得出:仿真模型是实际模型的正确反映。
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图10
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液压缸无杆腔、有杆腔压力及泵的出口压力仿真曲线
万方数据
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图11 液压缸无杆腔、有杆腔压力及泵的出口压力实测曲线
行了仿真建模，仿真结果与实测结果基本吻合，仿真模型
是实际模型的正确反映。因此，AMESim对挖掘机液压系
统的设计和分析有十分重要的作用。
参考文献:
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4结论
(1 )利 用 AMESim图形化的建模方法对挖掘机液压系
统进行仿真，避免了繁琐的公式推导，显示了AMESim是
一个方便、高效、直观的动态系统建模和仿真分析工具。
(2 )应 用 AMESim对小型液压挖掘机动臂液压系统进
第一作者简介:龚进。男。1963年生，湖南益阳人.硕士，副
研究员.高级工程师。研究领城:工程装备电液控制及机电一体
化。已发表论文20篇。
(编 辑 :向 飞 )
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(上 接 第 43页)
(2 ) 软 件设计思路
由于 系 统 有两种工作方式，所以软件的设计有两个分
支。对于手动工作方式，主要控制功能是由人工操作的，
通过不同的按键实现不同的动作，这时软件的功能就是把
按键输人信号直接变成输出信号，驱动相应的机构动作。
对于自动工作方式，软件的功能一方面是不断读取相应输
人信号，如光电开关、位置开关等状态值，同时要根据这
些状态值结合上下动作时序，作出下一步动作的判断，并
输出相应的信号，通过驱动电路驱动机构动作。另外，软
件部分还有运行状态显示、结果显示、报警、故障应急处
理等等功能。
系 统 主 程序流程图如图3所示。
(3 ) 软 件设计中的几个问题
① 动 作 互锁。为了保证检测机构动作的顺序性，系统
在软件设计上采用了前后动作互锁功能，使前后动作不能
错位，并且没有前面的动作后面的动作就不能进行。
② 断 电 保护。系统所使用的状态元件、定时器和数据
处理器均采用电池作为后备元件，当突然掉电时，可启动
电池电源以保护现场数据等。
③ 故 障 应急处理。当遇到电气、机械故障或意外情况
时软件按超时进行处理并报警，终止正在进行的动作，然
后进人手动方式进行故障处理。
5结束语
由于 PL C具有使用灵活方便、性能稳定、可靠性高、
成本低等优点，在工业、通信等领域的应用非常广泛。该
轴承质量自动检测系统采用PLC可编程控制器作为系统的
控制中心，实现了在轴承生产线上的自动上料、定位、检
测、卸料及分选等功能，与之前的人工手动测量方式相
比，测量精度、工作效率和可靠性大大提高，降低了人工
劳动强度，并且降低了企业的生产成本。
.考文献:
[l]梅宏斌.滚动抽承振动监剥与诊断一理论、方法、系统
[M ] . 北京:机械s业出版社，1996
L2〕王卫兵， 高俊山.可编程序径制器原理及应用[M].第2
版 ， 北 京:机械工业出版社，2002.
【3〕王兆义小型可编租拉制器实用技术【M〕北京:机械二业
出 版 杜 ，1996.
第一作者简介:李猛，男，1982年生，山东济宁人，硕士。研
究领域:工业监控。
(编 拜 :梁 玉 )
万方数据

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