基于AMESim的裝載機工作液壓系統仿真分析

王峰

摘 要：AMESim軟件作為液壓仿真分析件之一，憑借其自身的優勢特點，在機械工程液壓行業廣泛應用。結合實際裝載機工作液壓系統和機械動作結構，介紹了AMESim軟件在液壓系統設計中的應用。對裝載機鏟斗及其相關液壓系統進行了建模仿真計算，說明了若液壓泵選擇不當可能造成的后果，為液壓泵的選擇提供了借鑒數據。同時針對負載敏感液壓系統進行了仿真分析，驗證了其可行性。并且進行了機液聯合仿真計算，為機械耦合設計提供了新思路。

關鍵詞：液壓系統仿真 裝載機 AMESim

中圖分類號：TH243 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）07（c）-0074-02

由于機電液耦合運動操控方式的不斷改進，在全球化趨勢越來越明顯的今天，各個行業的競爭也來越激烈，機制行業則有過之而無不及。面對這樣的局面，如何迅速、精準地設計機械液壓系統，是提高企業競爭力的關鍵所在[1]。

1 AMESim仿真分析軟件

AMESim是一款多學科領域復雜系統建模仿真平臺。該軟件擁有超過27個不同方向的工具包，每個工具包由該學科的基礎結構單位組成，且這些不同學科方向的工具包中的基礎結構單元都是實際應用中驗證過的，是可行的。該軟件擁有與多種軟件通訊的接口，可以與Simulink、Adams、Simpack、Flux2D、RTLab、SPACE軟件聯合仿真。

2 裝載機工作液壓系統的建模與仿真

2.1 裝載機工作系統建模

結合模擬項目，在軟件的液壓部件包和機構包中挑選合適的結構，然后設立動作系統的液壓部分和動作結構，調整各方面數據，通過操作信號使用液壓結構。在模擬的操作時，液壓部件對動作結構作用一個力，令動作結構能夠執行到位，動作機構的速度、位移量和加速度等數據傳輸給液壓部分，液壓部分根據需要再進行調整，以完成模擬。

2.2 裝載機負載分析

以裝載細河沙為例，裝載機鏟斗在插入細沙和從沙堆掘出時的阻力為最大?？杀疚慕榻B的鏟斗最大插入阻力為9998.3N，挖出力為6700N，可知負載最大質量在完成掘出時達到最值，若為滿載的條件下，負載所受重力為一萬牛，且此時鏟斗各機械結構的重力無變化[2]。鏟斗各機械結構的重力可由軟件自適應加減。插入阻力、崛起阻力和物料重力則需要使用系統提供的Signal03和FXA001模塊模擬。

2.3 建立模型

按以下順序設計模型：設計裝載機械結構的參量；根據數學公式設計機械結構零部件；規定模型限制條件；模擬運行求解。在草圖形式中設計裝載機的液壓系統與其機械動作部分的模擬組件，其液壓系統由液壓缸、液壓閥、溢流閥、定量泵以及信號源和延時等部分構成，以上部分可由軟件中的元件庫和信號庫中尋找；機械定做部分的模擬組件由轉軸、連桿、搖桿、動作桿、轉軸液壓缸、升降液壓缸等部分組成，以上部分在平面機械庫（Plan-ner Mechanical）里尋找。每個組件的質心和坐標都可以在已生成機械動作部分的模擬組件中找到。

2.4 仿真結果分析

對于裝載機的常用工作流程，鏟入，裝載，動桿升起、卸下負載、動桿回落，進行完整的工作流程模擬。根據模擬結果發現，當裝載和升起動作后，液壓機械結構不能支撐負載，液壓油的壓力會過高，引起主安全閥泄壓，功率會溢流降低。并且，裝載機工作條件的頻繁變化，會造成機械結構負載的不穩定，如果機械結構受力超過設計值即過載，工程操作人員容易忽略這種狀況的發生導致不能關閉多路閥，這樣的形式也會引起功率的大量流失。發生這種情況的根本誘因是液壓動作機構使用了定量泵，該泵的輸出流量和可施加壓力不能自適應變化，引發流量和壓力過剩所致。

3 工作裝置負載敏感液壓系統仿真分析

3.1 負載敏感液壓系統模型的建立

負載敏感變量泵由負載敏感閥、壓力控制閥（壓力截止閥）、可變泵體和可變液壓缸組成。該泵有低壓備用、一般備用和高壓備用三個工作條件。在低壓備用和一般工作條件下，負載敏感閥根據負載大小，具有閥門核心的運動過程，使泵的流量隨負荷大小而變化；在高壓備用狀態下，壓力控制閥通過負載敏感閥來感應負載需求，閥門核心運動，根據負載的大小調整泵的流量。

首先在AMESim的草圖模式中的Hydraulic及HCD庫為系統選用合適的液壓元件，建立裝載機工作裝置液壓系統的仿真草圖模型，用PLM庫建立裝載機工作裝置機構部分，機構部分含有動臂、鏟斗、搖臂和連桿。草圖搭建完后，在子模型模式下為每個元件選擇一個子模型。

在選擇子模型后，所有相關參數均以參數化方式設置，負載敏感泵是保證工作裝置液壓系統中動臂液壓缸和旋轉斗式液壓缸所需壓力和流量的動力源。負載敏感泵的排量設置為140mL/r，轉速為1500r/min，負載敏感閥的壓差為2MPa，壓力補償閥的截斷壓力為21MPa。

3.2 仿真結果分析

設置比例溢流閥的參數，模擬負載分別為0、4.9、9.3、13.6、18和22.8MPa，調節圖 模型中負載敏感閥為0～1s為關，1～7s開度一樣，運行仿真，得到仿真結果?？芍?，剛開始的輸出壓力隨負載增大而增大，與負載敏感口壓力相差2MPa左右。

3.3 裝載機工作流程模擬

將敏感多路閥門的打開條件和打開角度設定好，設計23秒鐘的模擬時間，進行模擬，單位工作流程里油泵的施加力和工作對象敏感閥的力差值在2MPa左右，這是由于負載敏感閥的設定壓差值為2MPa所致。

可知，當負載達到壓力控制閥設定值時，泵輸出流量很小，此時液壓缸活塞運行至行程終點（設定值），變量泵輸出壓力升高至泵的壓力控制閥設定壓力，壓力控制閥芯克服彈簧力的作用，打開泵出口至斜盤，伺服液壓缸的通路高壓油進入伺服液壓缸，使斜盤處于0°傾角位置，變量泵輸出流量接近于零，負載敏感變量泵處于高壓待命工作狀態；泵的流量輸出與轉斗液壓缸及動臂液壓缸的流量需求相適應，沒有多余的流量損耗。0～1s內泵啟動，但由于負載敏感換向閥未開啟，泵輸出壓力只有2MPa左右，輸出流量很小，此時因負載沒需求，功率需求小，泵處于低壓待命工作狀態。仿真結果表明，這種液壓系統的輸出壓力和流量與負載需求相適應，可以大幅提高系統效率，達到節能降耗的目的。

4 結語

本文分別對裝載機鏟斗工作過程中液壓系統的受力情況和敏感元件在負載情況下的工作情況進行了建模仿真。得出如下結論。

（1）在AMESim軟件中設計了裝載機動作裝置液壓系統和機械機構模擬組件，針對裝載機常態化工作流程，對模擬組件添加外部負載，進行了模擬仿真。根據模擬過程可知：裝載機在鏟裝過程中容易產生振動和壓力沖擊，對工作裝置產生一定的損傷，并造成大量的功率流失。

（2）使用AMESim軟件進行仿真時，系統整體結構的模擬數學組件和各個元件子模型中的結構參量同樣重要，在設計模擬組件時需要準確知道這些參量，否則仿真結果會不理想。

（3）在AMESim單一平臺上實現了裝載機動作機構的機液耦合機構的聯合仿真。該研究方法對于相似的機液耦合結構的設計與優化具有相當的借鑒意義。依靠其強大的模擬能力，AMESim軟件將在機電液系統設計領域得到廣泛應用。

參考文獻

[1] 王曉瑜.基于AMESim的旋轉沖擊型錨桿鉆機液壓驅動控制系統設計與建模仿真分析[J].機床與液壓，2017，45（3）：181-184.

[2] 魯建軍，張寧.機械設計制造過程中的仿真技術分析[J].科技創新與應用，2014（20）：100.