多畴模拟：挖掘机的机械学和液压学

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1、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。1.绪论一种新产品的设计在开始阶段需要一系列决定，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

2、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。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

3、，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)

4、，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18Modelica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

5、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18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

6、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3

7、00bar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18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