挖掘机负载敏感系统的联合仿真及能耗分析

论文摘要

液压挖掘机是一种功能典型、工况复杂、用途非常广泛的工程机械,我国目前正处于高速发展阶段,有大量的基础建设工作都要用到挖掘机。但是近几年石油价格不断上涨,使得挖掘机的使用成本增加,再加上排放标准要求的提高,节能型挖掘机就成为发展的方向和趋势,目前国内外的许多挖掘机生产企业都投入大量资金对挖掘机在作业过程中的能量消耗进行研究。单纯运用传统的实验方法对挖掘机在作业过程中的能耗情况进行研究费工费时,变更参数或条件困难,有时甚至无法实现。因此,基于计算机的仿真技术得到飞速发展,许多企业特别是一些大学都在利用仿真方法对挖掘机在作业过程中的能量消耗情况进行研究,但是大多数是对工作装置和液压系统的单独仿真。然而,单独利用ADAMS对挖掘机的工作装置进行运动学和动力学分析,主要是为了解决工作臂的优化设计问题和挖掘机的智能化控制问题,无法进行能耗分析,因为挖掘机的主要能量消耗来自液压系统;而单独利用AMESim或MATLAB/Simulink仿真液压系统能量消耗情况,不能够考虑到转动惯量的变化,而随着挖掘姿态和速度的变化,转动惯量也在不断变化,所以,单独仿真的方法,无法准确模拟挖掘机的真实工作环境。论文以广西玉柴生产的YC60-7型号挖掘机为具体研究对象,利用多体系统动力学仿真软件ADAMS和液压系统仿真软件AMESim进行联合仿真,很好地解决了上述问题,对挖掘机作业过程中液压系统能耗的分析提供了更加准确的理论依据。具体内容有:1.利用牛顿—欧拉方法建立挖掘机工作装置的动力学模型。2.实际测量挖掘机工作装置的尺寸,采用Pro/E软件,建立其零部件的三维模型并根据实际连接情况进行装配,然后用MECH/Pro将建好的模型导入ADAMS中并进行动力学仿真,分析挖掘机在工作过程中三个液压缸的受力情况。3.利用AMESim建立挖掘机的负载敏感压力补偿液压系统模型,并将建好的动力学模型导入进行联合仿真,分析挖掘机在作业过程中的能量消耗。4.提出了一种电子压力补偿流量匹配的新型液压系统,并且通过仿真对比了负载敏感压力补偿、电子压力补偿流量匹配、电液负载敏感三种液压系统的能量消耗情况。本课题是国家自然科学基金“新概念电液流量、方向连续控制的理论与方法研究”和博士点基金资助课题“新型比例阀和基于流量匹配的电液负载敏感控制原理研究”的研究内容,国家自然基金项目批准号/申请号:50775156/E051202,博士点基金资助课题编号:20070112007.

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的提出及意义
• 1.2 论文的创新点
• 1.3 计算机仿真技术概述
• 1.3.1 计算机仿真技术产生的背景
• 1.3.1.1 传统技术的缺陷
• 1.3.1.2 市场竞争的需要
• 1.3.1.3 仿真技术实现的可能性
• 1.3.2 计算机仿真技术发展趋势
• 1.3.3 联合仿真技术的特点
• 1.4 仿真技术与液压挖掘机开发
• 1.4.1 复杂产品仿真技术研究现状
• 1.4.1.1 系统动力学仿真现状
• 1.4.1.2 液压控制系统仿真现状
• 1.4.1.3 联合仿真现状
• 1.4.2 仿真技术在液压挖掘机领域的应用
• 1.4.2.1 国内应用现状
• 1.4.2.2 国外应用现状
• 1.5 挖掘机节能技术研究
• 1.5.1 挖掘机液压系统能量损失分析
• 1.5.2 几种典型回路的能量损失
• 1.5.3 国内外挖掘机节能技术研究现状
• 1.5.3.1 国内研究现状
• 1.5.3.2 国外挖掘机节能控制概况
• 1.6 本论文的主要研究内容
• 第二章 液压挖掘机工作装置模型的建立
• 2.1 液压挖掘机概述
• 2.1.1 液压挖掘机
• 2.1.2 单斗反铲液压挖掘机
• 2.1.3 液压挖掘机工作循环过程
• 2.2 挖掘机工作装置动力学数学模型的建立
• 2.2.1 坐标系的建立
• 2.2.2 求各工作臂连杆的速度和加速度
• 2.2.3 求刚体的惯性和惯性力矩
• 2.2.4 刚体的动力学方程
• 2.3 挖掘机工作装置动力学仿真模型的建立
• 2.3.1 Pro/E软件的特点
• 2.3.2 建模并装配
• 2.3.3 基于MECH/Pro的模型的传递
• 2.3.4 ADAMS/View环境下建立仿真模型
• 2.4 本章总结
• 第三章 基于AMESim的挖掘机液压系统仿真模型的建立
• 3.1 AMESIM软件的功能
• 3.1.1 图形化建模、仿真工具AMESim
• 3.1.2 模型与文档生成器AMESet
• 3.1.3 数据库创建工具AMECUSTom
• 3.1.4 运行工具AMERun
• 3.2 建模仿真软件AMESim的基本特性
• 3.3 AMESim软件的应用方法研究
• 3.4 YC60-7型挖掘机负载敏感压力补偿液压系统分析
• 3.4.1 负载敏感压力补偿的概念
• 3.4.2 负载敏感压力补偿液压系统的主要元件
• 3.4.3 负载敏感压力补偿的特点
• 3.5 挖掘机负载敏感压力补偿系统仿真模型的建立
• 3.5.1 压力补偿阀模型的建立
• 3.5.2 液压泵模型的建立
• 3.5.3 整个液压系统模型的建立
• 3.6 本章小结
• 第四章 联合仿真及节能研究
• 4.1 联合仿真模型建立
• 4.1.1 概述
• 4.1.2 设置联合仿真环境
• 4.1.3 联合仿真模型的建立
• 4.2 在AMESim下运行联合仿真模型并分析结果
• 4.2.1 负载的模拟
• 4.2.2 联合仿真及结果分析
• 4.2.3 不同工况仿真及结果分析
• 4.2.3.1 不同挖掘方式的对比
• 4.2.3.2 负载变化时功率消耗情况
• 4.3 挖掘机液压系统节能研究
• 4.3.1 电液比例流量控制新原理
• 4.3.2 电液负载敏感系统
• 4.3.3 电子压力补偿流量匹配液压系统
• 4.3.4 三种回路节能效果对比
• 4.4 本章小结
• 第五章 全文总结与工作展望
• 5.1 论文总结
• 5.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录Ⅰ
• 攻读硕士学位期间发表的论文