基于AMESIM的220t矿山自卸车举升系统多级液压缸的建模与仿真

但不能预示系统碰撞过程中的接触变形 ,不使用于需要计 算碰撞载荷大小的场合 。
两状态模型将碰撞考虑为“接触 - 变形 - 恢复 - 脱离 接触”的变化过程 ,归结为“自由运动 - 接触变形”两种状 态 ,通过建立描述碰撞过程中力与接触变形之间的关系 , 计算出碰撞过程中的接触力和接触变形 ,本文采用该模 型。
A HC1 x·1 (5)
Q HR
=
A HR2
·x·2
+
A HR3
·x·3
+
V HR E
·P·HR
(6)
式中 :QHR —多级液压缸有杆腔的流出流量 ;
A HR2 、A HR3 —二级 、三级缸有杆腔的有效作用面积 ;
V HR —多级缸有杆腔的体积 ,其表达式如下 :
V HR = A HR2 ·x2 + A HR3 ·x3
V HC = A HC1 ·x1 + A HC2 ·x2 + A HC3 ·x3
(4)
PHC —多级液压缸无杆腔的压力 。
由式 (3) 、(4) 可知 :
·
P HC
=
A HC1
·x1
E + A HC2 ·x2
+ A HC3 ·x3
( Q HC
-
A HC2 x·2 - A HC3 x·3 )
2) 多级液压缸有杆腔的流量方程
本文采用 HCD 库来建立多级液压缸的模型 ,如图 2 所示 ,各部分主要说明如图 2 所示 。
1) 本系统的多级液压 缸是倒装的 ,即末级活塞杆 固定 ,三级缸筒依次伸出或 者缩回 ,因此本文采用带移 动缸 体 的 活 塞 模 块 来 建 立 液压缸的模型 ,该模块如图 3 所示 。
2) 同步运动的实现 :本 文通过第 i 级缸的活塞与第 i + 1 级缸的缸体同步 , 来模 拟图 1 中虚线所示的一体 。 为实现这一功能 , 本文采用 同步运动保持器模块 , 该模 块如图 4 所示 , 1 口 、2 口的 速度 、位移都由 3 口确定 。
δmax —接触点最大法向穿透深度 。
由式 (2) 可知 ,当δ≥δmax时 , C ≥95 %C0 。
2 多级液压缸的运动模型
1) 多级液压缸无杆腔的流量方程
Q HC
=
A HC1
·x·1
+
A HC2
·x·2
+
A HC3
·x·3
+ V HC E
·P·HC
(3)
式中 :QHC —流入多级液压缸无杆腔的流量 ;
Design of AMESIM to the Modeling and Emluator of the 220 t Mining Truck of Hoisting System
BI Hongxia , WANG Ailun
Abstract : It’s inevitable to t he change of effect ual area and t he collision of every cylinders ,so t he t remendous concussion to load is easilable in t he course of hoist . The question of concussion is a difficut matter in t he p hylogenesis ,so it’s mostly to ensure t he model of concussio n and at hletics to t he hoisting cylinder.
设计 ·研究 ·分析
文章编号 :1002 - 6886 (2008) 02 - 0009 - 03
·9 ·
基于 AMESIM 的 220t 矿山自卸车举升系统 多级液压缸的建模与仿真
毕红霞 ,王艾伦
(中南大学 机电工程学院 ,湖南 长沙 410083)
摘要 :由于多级缸运行过程中 ,各级缸之间的碰撞和有效面积的变化是难以避免的 ,所以在起升过程中容易对负载产生过 大冲击 。而多缸体系统的内碰问题是多体系统动力学中的一个难点问题 。因此 ,多级缸的建模主要是确定碰撞力的模型 和构造多级缸的运动模型 。 关键词 :AM ESIM 矿山自卸车 动态仿真 中图分类号 : T G580. 23 + 2 文献标识码 :B
接触变形两状态是从弹性力学的角度出发 ,将碰撞处 理为接触 - 变形 - 恢复 - 脱离的过程 ,通常限定变形在接 触区的领域 ,弹簧接触力根据 Hertz 接触规律确定 ,通过 一个与弹簧平行的阻尼器来考虑接触过程的能量损失 。
对碰撞过程中碰撞处的变形及碰撞力变化的精确描 述是非常困难的 ,通常将参碰物体碰撞处的作用力用一等 效弹簧力 FV 和阻尼力 FS 来取代 ,这样对碰撞过程的研究 转化为研究等效弹簧 —阻尼力模型 。
∑ d p ∑ dt
=
B(
p)
V
q( p) + V0
(10)
式中 , B ( P) —液压油的弹性模量 , 该值与温度 、压力有关 : 压力增加时 , B ( p) 增大 ,但这种变化不呈线性关系 ,当 p ≥ 3 M Pa 时 , B ( p) 基本上不增大 ; 温度升高时 , B ( p) 减小 。 由于本文仿真时为考虑系统发热 , 因此忽略温度对 B ( p) 的影响 。
(7)
PHR —多级液压缸有杆腔的压力 ;
由式 (6) 、(7) 可知 :
·
P HR
=
A
HR2
·x2
E + A HR3
·x3
( Q HC
-
A HR2 x·2 -
A HR3 x·3 )
(8) 3) 多级液压缸的输出作用力 多级液压缸上的主要作用力包括负载力 、液压作用
力 、活塞杆运动过程中的粘性阻力 、摩擦力 、活塞杆之间的
现代机械 2008 年第 4 期
碰撞力 。负载力由系统动力学方程求得 ,除负载力之外第 i 缸体上的作用力为 :
Fi = · P HC A HCi + PHR ·A HRi + Di ·x·i + Fif + Fip (9) 式中 : A HCi —第 i 级缸无杆腔的有效作用面积 ;
A HRi —第 i 级缸有杆腔的有效作用面积 ; Di —粘性阻尼系数 ; Fif 、Fip —第 i 缸体的摩擦力 、碰撞力 。
x·1 、x1 —缸体相对一级活塞杆的速度 、位移 ;
x·2 、x2 —一级活塞杆相对二级活塞杆的速度 、位移 ;
x·3 、x3 —二级活塞杆相对三级活塞杆的速度 、位移 ;
A HC1 、A HC2 、A HC3 —多级缸一级 、二级 、三级活塞作用
面积 ;
V HC —多级液压缸无杆腔的容积 ,其表达式如下 :
M2 、M3
碰撞时最大等效阻尼 系数
1e6
N/ ( m/ s)
C0
第二、三级缸筒的质量 168 、137
kg
L c1
各级缸的行程
850
mm
4 结束语
举升系统负载很大 ,惯性很大 ,而且在多级液压缸工 作过程中 ,由于各级缸筒有效作用面积的突变以及缸筒间 的碰撞 ,在各级液压缸筒伸出的瞬间 ,液压缸无杆腔内会 出现较大的液压冲击 ,该冲击严重影响液压缸的使用寿 命 。因此需要对举升系统进行动态分析 ,来优化各节流口 的参数 ,减少系统的冲击 。本章结合相关碰撞理论 ,建立 了基于 AM ESIM 的三级举升缸的模型 ,为多级液压缸的 仿真分析提供了一种新的建模方法 ,克服了以往建模方法 编程复杂或必须联合仿真的缺点 。
于相对运动速度δ·≠0 ,粘性阻尼系数 C ≠0 ,仍存在一个非
零的接触力 ,在碰撞恢复期 ,接触力有时会表现为拉力 , 这
在实际运动中是不可能的 。
为避免这一问题 ,阻尼系数 C 采用变量处理 , 其表达
式如下 :
C = C0 ( 1 - e ) - 3δ/δmax
(2)
式中 : C0 —最大等效阻尼系数 ;
3 基于 A M ES I ห้องสมุดไป่ตู้ 的多级液压缸模型
由于 AM ESIM 软件的 Hydraulic 库中没有多级液压 缸的模块 ,因此只能通过 HCD 库来设计多级液压缸 。根 据多级液压缸的工作原理 ,可将其分解为若干个相互连通 的单级液压缸的组合 ,如图 1 所示 ,将三级举升液压缸分 解为 1 个柱塞缸和 2 个单干活塞缸 。图 1 中虚线相连的 两个物 体在实际中 是一个物体 ,可变节 流口 来 表 示 第 二 级 缸有 杆 腔 油 口 的 大 小 ,当第二级缸伸出 到最大位置 ,第三级 缸开始动作以后 ,第二级缸有杆腔被封闭 ,从而保证多级 缸压力回缩时的有序动作 。
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才能保证两碰撞物体不会互相穿过 。当等效线性弹簧刚
度系数选择比较适当时 , 所得出的接触力与理论计算接
近 ,且计算效率高 。但当参数选择不当时 , 该模型会产生
仿真结果失效 。例如 ,模型中采用阻尼系数为常数的粘性
阻尼器来等效碰撞前后的能量损失 , 这样就带来一个问 题 :当δ= 0 时 ,系统刚进入接触状态 , 并未发生变形 , 当由
其仿真参数如表 1 所示 , 第一级缸为单作用缸 , 因此 设置其缸径与杆径相同 。
表1
多级缸仿真参数参考值表
符号
意义
参考值
单位
D1 、D2 、D3 d1 、d2 、d3
ks
多级缸的各级缸径 多级缸的各级杆径 碰撞时等效刚度
300 、260 、200 300 、240 、160
1e9
mm mm N/ m
对于碰撞力函数 F ,经典方法是采用线性弹簧 —阻尼 函数 :