挖掘机回转液压系统的仿真研究

一
据统计，挖掘机回转机构的回转时间约占整 个工作循环的５０％～７０％，能量消耗约占２５％～ ４０％，回转液压油路的发热量约占液压系统总发热 量的３０％～４０％。因此，合理地确定回转机构的液 压油路结构方案，正确的选择回转机构诸参数等， 对系统节能和提高生产效率，改善驾驶员的劳动 条件，减少工作装置的冲击等具有重要的意义。
３）缓冲阀 回转马达采用力士乐公司的 Ａ１０ＦＤ４５马达，缓冲阀与单向阀通过板式安装集 成在马达中。缓冲阀为ＭＨＤＢＮ型号二次溢流阀， 其结构如图２所示，缓冲阀ＨＣＤ模型如图３所示。
缓冲阀的其中一些主要参数设置如下：
主阀芯弹簧刚度（Ｎ／ｍｍ）
１．９７
主阀芯质量（ｋｇ）
０．０２３ ３
小阀芯弹簧刚度（Ｎ／ｍｍ）
二 【摘要】为了降低新型挖掘机产品的开发成本和缩短开发周期，以国内某７吨级液压挖掘机为蓝本，利用 ｉ
。
ＡＭＥ乳ｍ系统建立了液压挖掘机的回转液压系统仿真模型。对回转液压系统进行了仿真，并通过实
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ｇ
，
验进行验证。结果表明：仿真模型能正确地模拟实际回转液压系统。
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【关键词】ＡＭＥＳｉ】ｎ，液压挖掘机，回转液压系统，仿真
０．２６
小阀芯质量（ｋｇ）
Ｏ．００３
节流孔直径（ｍｍ）
１
锥阀芯弹簧刚度（Ｎ／ｍｍ）
７５．２９
锥阀芯质量（ｋｇ）
Ｏ．００ｌ ６
溢流压力（ＭＰａ）
２３
４）多路阀 鉴于多路阀对于回转动态特性
影响不大，采用具有节流作用的三位四通电磁阀
进行代替。仿真时，通过直接信号加载控制泵的
排量以及通过多路阀的流量６０Ｌ／ｍｉｎ，与实验时
使用Adams和AMESim软件联合仿真，求解各种操作下液压系统及整机机构的动态响应，并与实验测试数据相比较，验证了模型的准确性。这些操作包 括动臂、斗杆、铲斗及回转在不同发动机转速下的单动作，动臂+铲斗、动臂+斗杆、斗杆+铲斗及回转+动臂提升的复合动作。对液压挖掘机的典型作业 循环进行了仿真分析，得到了其动态能耗分布特征。
3.学位论文 叶鹏飞 小型液压挖掘机节流控制系统建模与仿真研究 2009
随着近年来国内工程机械行业的飞速发展，国产液压挖掘机不论从数量到品质都有了较大的提高。然而由于国内液压件制造水平和设计能力与国外 的巨大差距使得挖掘机核心液压件（泵、主阀和马达）大部分仍采用进口件。严重制约了国内挖掘机行业的利润空间和发展潜力。本文正是在此背景下 ，以联系液压件设计参数（系统回路和各节流口参数）与挖掘机动态性能的关系为目的，对小型液压挖掘机节流控制系统和整机机构进行了建模和仿真 研究，论文的主要工作如下：
３．１实验 在使用ＡＭＥＳｉｍ软件建立仿真模型的过程
中，是通过设置元件模型的参数来完成建模的， 所以必须对模型的正确性加以验证。本文采用实 验的方法来验证仿真模型的准确性。
实验设备主要有：小型液压挖掘机１台，液 压压力传感器若干，流量传感器１个，测试接头 若干，数据采集器ｌ台，笔记本ｌ台。
实验时，驾驶员通过回转手柄控制多路阀的
开口来控制挖掘机的回转，通过多路阀回转联的 最大流量是６０Ｌ／ｍｉｎ＾．
通过数据分析软件ＨｙｄｒｏＣＯＭｓｙｓ，将Ｍｕｌｔｉ Ｃｏｎｔｒｏｌ ８０５０测试仪采集到的数据进行分析‘，得 到回转马达进出口压力动态特性曲线，见图５。
图５马达进出口压力实验曲线
３．２仿真 对所建立仿真模型进行仿真，得到了回转马
综述了液压挖掘机液压系统、计算机仿真技术及液压系统仿真技术的发展现状。分析了小型液压挖掘机的组成特点、典型工况循环特点和液压系统 基本回路原理。定性的分析了液压系统的各种能量损失。讨论了液压泵的各种控制方法。
在Adams软件中建立了小型液压挖掘机整机主要机构的运动学和动力学模型，采用压力叠加法建立回转支承的摩擦阻力矩模型。在AMESim软件中建立 了小型液压挖掘机节流控制系统核心部分（动臂、斗杆、铲斗和回转部分）相关的液压系统模型。分析了液压缸的摩擦力模型构成及计算方法。分析了 三位六通型多路阀的原理和建模方法。在Matlab软件中开发了过流面积计算程序，用于计算多路阀各节流口的过流面积相对于阀芯位移的曲线。介绍了 AMESim软件中各种管道模型与液压油模型的特性和选用原则，介绍了Adams和AMESim软件联合仿真原理和使用方法。
可以通过其对回转液压系统进行深入的研究。圃
’ 【参考文献】
【ｌ】黄宗益，范基．叶伟．挖掘机回转液压操纵回路 （一）【Ｊ１．建筑机械化，２００４，（１）：５５—５７．
【２】黄宗益，范基，叶伟．挖掘机回转液压操纵回 路（二）【Ｊ】．建筑机械化，２００４，（２）：６２—６３．
【３】付永领，祁晓野．ＡＭＥＳｉｍ系统建模和仿真—— 从入门到精通【Ｍ】．北京：北京航空航天大学出版 社，２００６．
建筑机械化 CONSTRUCTION MECHANIZATION 2008，(11) 0次
参考文献(3条)
1.黄宗益.范基.叶伟 挖掘机回转液压操纵回路(一)[期刊论文]-建筑机械化 2004(01) 2.黄宗益.范基.叶伟 挖掘机回转液压操纵回路(二)[期刊论文]-建筑机械化 2004(02)
3.付永领.祁晓野 AMESim系统建模和仿真--从入门到精通 2006
总之本文论述了对小型液压挖掘机节流控制系统建模与仿真实验对比分析的具体过程和方法。为小型液压挖掘机主阀的设计提供了一种新颖而便捷 的设计方法。
4.期刊论文 郑小军.陶薇.ZHENG Xiao-jun.TAO Wei 基于AMEsim的液压挖掘机运动及控制仿真 -液压气动与密封
通过对挖掘机回转液压回路进行仿真分析， 一方面可以节约人力和资金，降低产品成本，避 免重复试验和加工带来的损失，另一方面也可以 缩短设计周期并提供设计质量可靠的液压系统。
本文以某公司７吨级小型液压挖掘机作为研 究对象，对其回转液压系统进行仿真分析，并通 过实验进行验证。
ｌ回转液压系统的原理
该７吨级小型液压挖掘机回转液压系统如图 ｌ所示，动力源由流量压力功率复合控制变量柱 塞泵ｌ提供，安全压力由主溢流阀２设定，压力油 经过多路阀回转联５到达回转马达７，回转马达在 进出口压差的作用下实现回转。回转马达的正、 反转以及转速都是通过回转操纵手柄来控制，回 转操纵手柄控制先导控制阀３的压力。先导控制 阀实质是一个直动式减压阀，控制压力油由主泵 出来经过油源控制阀４到达先导控制阀的进口，
相似文献(10条)
1.期刊论文 石金艳.谢永超.SHI Jin-yan.XIE Yong-chao 液压挖掘机回转马达机械式制动器研究 -液压气动与密
封2010,30(9)
针对小型挖掘机液压回转马达的制动油路,分析了机械式制动器延迟制动的必要性,采用国际先进仿真软件AMEsim对机械式制动器制动缸的动态特性 进行仿真,验证了采用流量阀的机械式制动器可以延迟制动,并为液压回转马达机械式制动器系统设计中的参数选择提供了很好的参考价值.
回转液压系统主要由泵、多路阀、缓冲阀、补 油阀、马达和回转体组成，下面分别对其主要元 件进行分析并确定参数建立相应的仿真模型。
１）发动机根据挖掘机回转工况，可认为发 动机恒速运动，系统的流量由柱塞泵自动改变排 量来调节，故本模型中采用恒速发动机模型，转 速为２ ２００ｒ／ｍｉｎ。
２）变量柱塞泵挖掘机采用的是流量、功 率、压力复合控制柱塞泵，由流量控制阀、压力 控制阀、功率控制阀来控制柱塞的行程，从而控 制柱塞泵的排量。柱塞泵与多路阀的控制方式主 要是针对整机系统，在单独的回转动作中回转最 高压力由回转回路中的缓冲阀决定，泵的控制方 式对回转液压系统影响不大，所以本实验采用连 续信号控制柱塞泵的排量。
达进出口压力动态曲线，如图６所示。 ∞ ，‘
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１５
２０
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图６马达进出口压力仿真曲线
３．３仿真与实验结果的比较 不同之处如下： １）起动过程中，ｌ～７ｓ，由于驾驶员控制手
柄较平缓，减缓了冲击，所以图５马达进口压力 波动较小。
２）在回转过程中，７～３１．５ｓ，实验曲线有一 定的波动，而图６则不然，主要是因为仿真中系 统的效率设置为常数，忽略了一些影响结果的次
对仿真曲线与实验结果进行比较，可以看出
表ｌ实验与仿真马达出口压力动态特性比较
实验 仿真 差值 误差
出口压力峰值（ＭＰａ） １９．１ １９．４ Ｏ．３ ２．１％
最大压力波动（ＭＰａ） １１．８ １１．１ 一Ｏ．７ —５．９％
不管是从曲线的变化趋势，还是曲线相应的数值 都是非常接近的，基本能够反映出回转系统的真 实运动，仿真结果与实验结果基本吻合，可以得 出：仿真模型能够正确地模拟实际回转液压系统，
的参数保持一致。
５）回转体根据转动惯量的计算公式计算
得出空斗回转时平台转动惯量‘，＝１０ ２８６ｋｇ，ｍ２。
通过以上搭建的各液压元器件的模型，把它
们组合在一起就是完整的回转液压系统的
ＡＭＥｓｉｍ仿真模型，如图４所示。
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图２缓冲阀
图３缓冲阀仿真模型
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万方数据
图４回转液压系统仿真模型
３验证仿真模型
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Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｌｅｗｉｎｇ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｙｓｔｅｍ ｏｎ ｅｘｃａＶａｔｏｒ
张树忠１，张 弓１，陆军坊１，唐一文２
刁｛ＡＮＧ Ｓｈｕ—ｚｈｏｎ＆乃Ｉ舢呵Ｇ Ｇ∞ｇ。ＵＪ Ｊｕｎ－ｆｂｇ，＂州Ｇ Ｙｉ－ｗ钮 （１．西南交通大学机械工程学院，四川成都６１００３ｌ，２．四川大学经济学院．四川成都６１００６５）
要条件，如沿程阻力，局部压力损失等，同时图 ５中回转马达出口压力维持在３ＭＰａ左右，而图６ 刚为０．５ＭＰａ左右，这是因为仿真时没有考虑背 压。
３）回转制动过程中，３１．５～３５ｓ，比较实验 结果与仿真的回转马达出口压力峰值和最大波动， 误差在６％以内，见表１。主要是因为驾驶员在制 动过程中控制手柄比较平缓，减缓了制动的冲 击。
2.期刊论文 王涛.陶薇.WANG Tao.TAO Wei 基于AMESim的液压挖掘机运动仿真及控制参数优化 -机床与液压
2009,37(7)
运用法国AMESim软件平台对液压挖掘机的工作装置进行了建模,通过设置主要参数,实现了该机电液一体化系统的动态仿真,并运用Design Exploration优化工具箱对PID控制器参数进行了自动优化.结果表明,经过优化的PID控制器使动臂液压缸跟踪误差降低57.4%,斗杆液压缸跟踪误差降低 26.7%,铲斗液压缸跟踪误差降低4.3%,与原始方案相比均有较大的改善,因此能够实现较精确的运动轨迹,并且此法减少了传统确定PID控制参数的反复调 整试凑的时间,从而提高了设计的效率.
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【中图分类号】ＴＵ６２１ ［文献标识码】Ｂ 【文章编号］１００１—１３∞（２。０８）１１一００５７—０３ 【收稿日期】２００８－０卜侣
万方数据
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挖掘机回转液压系统的仿真研究
作者：
作者单位：
刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数：
张树忠， 张弓， 陆军坊， 唐一文， ZHANG Shu-zhong， ZHANG Gong， LU Jun-fang， TANG Yi-wen 张树忠,张弓,陆军坊,ZHANG Shu-zhong,ZHANG Gong,LU Jun-fang(西南交通大学,机械工程 学院,四川,成都,610031)， 唐一文,TANG Yi-wen(四川大学经济学院,四川,成都,610065)
当挖掘机开始回转时，首先打开制动电磁阀 ６，松开机械制动。回转制动的压力由缓冲阀８调 定，缓冲阀采用力士乐公司ＭＨＤＢＮ型号二次溢 流阀，并由单向阀９进行补油。
２建立仿真模型
对液压系统进行仿真时，不仅整体结构的数
万方数据
学模型起着决定性的作用，同时关键元件模型的 选择和参数的确定也是非常重要的，为了使建立 的仿真模型最大限度地接近实际情况，仿真模型 中的关键结构参数，如缓冲阀弹簧刚度、阀芯质 量等均通过实测得到。
图１ Ｐｚ７０回转液压系统 ｌ一主泵ｌ ２一主溢流阀，３一回转先导控制阀，４一油源控制
阀·５一多路阀回转联·６一制动电磁阀·７一马达· ８一缓冲阀。９一单向阀
其出口压力与控制手柄成比例关系，输入压力由 驾驶员控制，而多路阀回转联的阀芯位移由阀５ 输入压力控制，从而控制回转马达的流量，实现 回转操纵手柄位置来控制回转马达的速度。