日本机械研究实验室，Hirokazu Araya,Masayuki Kago Shima

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，示范通过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，模型包含难以模拟的三维机械和液压组件。对于挖掘机将演示Modelica有效适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，一般，两个不同的模拟环境必须连结在一起，这一般很不方便，导致不必要的数字问题和破碎界面。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近的，丰富的Modelica，联合体程序库来模拟，这使得可以使用铲斗运动循环的分析结论，并直接考虑液压缸（也就是动力元件）的质量。液压部分以详细的方法模拟，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，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，对特殊元件没有详细了解时能在短时间内建立起来。

学者们打算建立第二类的一个模型，并运行它，但在最少的时间内得到第一类的结论，为了达到此目的，使用了建摸Modelica，Modelica模拟环境Dymola，用于三维机械系统的新Modelica联合体程序库，和液压组件的Modelica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。它在Hylib的下一个版本中可应用为一种样本。

3． 挖掘机的结构

挖掘机它包含履带和液压推动装置，液压推动装置用于操纵机械，但通常不在一个工作循环的时候。它的上面是供操作者坐的车厢，厢体能相对于履带绕垂直轴旋转，柴油发动机液压泵和控制系统却在里面，另外转臂，动臂。在末端是铲斗，铲斗经由一平面运动回路连接到动臂上。特定的液压缸使转臂，动臂，铲斗旋转。

油缸所需的压力是根据位置确定的，当在伸展开来的情况下，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。动臂下降的情况，如果车厢没有旋转，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，因为此时活跃的油缸内箱转变，这必须由控制系统加以考虑。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

挖掘机通常具有一台柴油发动机，两台液压马达和三台油缸，为这些消耗机器提供所需的液压油源的液压线路上不同的。一种特殊的设计是负载传感线路，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。

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15MPA，如果方向阀关闭，则泵因此有15 MPA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15 MPA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）。此线路对能量是有效率的，因为泵只输出所需的流体速率，相对其他线路，油管的损失很小。

如果不只一个油缸使用这种线路，则变得复杂。如果转臂需要300 MPA的压力，铲斗需要300MPA的压力，则泵输出的压力高于300MPA，这会使转臂油缸产生一个不要的运动。因此，使用补偿器来约束油流体，因此达到通过特殊定向伐时产生15MPA的压降，这些补偿器可以安装在定向阀的前面或后面。如果达到最大泵流体速度或泵最大压力，则附加的阀减少容许压力差。

5． 机械部分的模型

机械部分假设履带为不动的，组件“rev1…rev4”是使得相互联系的部分运动的旋转关节，长黑色线的图象是实质是的闩，用于标明机械部分上的特别的关节。特别是液压油缸的固定关节，淡蓝球是有质量和惯量张量的球体，是用于模拟挖掘机的相应部分，“cy11f.cy12f和cy13f”三个部分是线性力部件，描述两个连接之间沿着线的力相互作用，这些部件中的小绿方格表示Modelica机械翻译程序库中的一维翻译连接器，他们用于表示两连接关节之间的一维力法规。这里，将在下一部分中介绍饿液压油缸是直接连接的。“cy11f.cy12f和cy13f”部件图象上的两个小球表示有选择的考虑两点的质量，在沿连接线上的连接点之间的已定距离上，这方便于模拟，只有少计算液压油缸的质量部分（质量和作用中心）。

关节RRR组件是包含三个旋转关节的装配元件，其中旋转关节在连接动臂时一起形成一片面回路。当移动旋转关节“rev4”（大红油缸，表示关节RRR装配部件中三个旋转关节的小红缸），关节RRR部件中左右旋转关节的连接点的位置和定位是已知的，关节RRR部件中有非线性代数回路用以计算连接点运动时产生的3个旋转关节的角度。这非线性方程系统在关节RRR中分解解决，如，一种快速有效的方法。

第一步，在没有液压系统独立测试时，模拟挖掘机的机械部分，通过连接转换弹簧和代替液压油缸的合适弹簧惯量来完成。当动力制作看起来不错，节点上的力和扭矩达到要求时，弹簧以下将介绍的液压系统代替。

新的联合体程序库的所有组件有内部的默认定义，也就是，默认部分都是通过联合体系统中的已知定义读用推导的，例如连接两旋转关节的闩被错误的理解为油缸，油缸的直径d相对油缸的长度很小（d=L/40）。长度反过来是由两旋转关节之间的距离确定的，旋转关节被错误的想象为沿着关节旋转轴的红色油缸，挖掘机的默认（只有一小部分采用）。

浅蓝色球代表质量作用点，想象为液压油缸的系列力元件，通过两种向对方运动油缸（黄色和灰色）来定义。就如所见，不用使用一方额外的工作，动作制作有效的获得一张模型的粗糙的照片，照片能视觉上检测最重要的部分，如，质量中心或连接点是否在所要求的位置上。

对于每个组件一Bodean旗能关闭默认的默认的图。移动合适的预设图象。例如，质量中心球。并且添加有单纯实际信息的一些组件所有visxxx组件将迅速得到好看的图象。计算机辅助制造数据也可以使用到图象中，但这些不能用于挖掘机的试验。

6． 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  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代码水平看待，并且可以由从易得文献得来的大约100个参数来证明。

打开程序库后，展示了主要窗口，双击泵图象打开所有元件的选项。开始或结束油流体所需要元件。为了现在的问题，使用带有内泄口和外部限定流速的液压流体源。同样，选择关于阀，缸和其他元件的所需模型。

所有组件都是分级模拟的，从连接器的确定开始（连接器是油进入或流出元件的通口），带有两个口的元件模版。这能继承下来到理想的模型。如一薄层阻力阀或释压阀。当为这些基本模型使用文字上的输入是有道理的。许多程序库主要模型以图形编制。由使用图形使用者界面的基本程序库模型组成。所有提及的元件从程序库中选出来并分明的连接起来。

7． 液压回路中的程序库元件

挖掘机模型图形组成的液压部分，模型是从专属的程序库中选出，连接并输入参数。注意到从Hylib来的缸和马达能简单连接为所示的多功能程序库的组件。输入信号如，挖掘机发动机的相关信号由图框给出。使测量孔的直径具体化。如控制流体速度的参考阀。对于挖掘机的机械部分，只要元件直接与液压元件相连接。如液压缸接触的直线压力元件。

8． 负载传感控制器模型

在这个学习中，选择下面的方法：模拟挖掘机的机械器件，并一定程度上详细的模拟泵和测量阀。因为只有元件的参数将改变，一般结构是固定的。这意味着缸筒的直径可能改变，但确切的只有个一缸那样工作）这个液压系统其余部分是不同的，在这篇文章中使用一泵的负载传感系统。但在开始设计阶段还有其他的想法必须评估。例如在回转运动中使用两泵或单泵。

根据实际元件设计的全面的模型会大得多。通常在初始设计阶段的开始不适用。它能由液压程序库中的元件建立起来，但需要相当多的时间，这在工程的开始是行不通的。

一般，联合体模型选择使用图形模型分解或通过方程式定义模型。但不是在一样的模型标准上混合两种描述形式。

对于LS系统这是不同的。因为它有7个输入信号和5个输出信号，建立带有17个输入和5个输出的块。并把它们连接到液压回路。但是，在这种情况下，如上面液压回路，在一样的标准上直接提供方程式并直接输入输入信号和输出信号，看起来更加可以理解。例如，格中“metoril.port.A.p”是测量孔metoril的通口的度量压力。LS控制器的计算值。例如，泵流体速率“pump.inport.signal[1]=” 是在泵元件的蓝色矩形中的信号。

Modelica的重点是三维机械程序库和非标准的无缝连接。并且，因此在没程序库可用时，控制系统的模型很容易的处理。程序库元件在目标图表中能连接起来，根据模型的本文能得到所需的各种变化。

9． 仿真结果

使用Modelica模型和仿真环境Dymola建立完全模型，并转换，编译和模拟5秒钟，仿真时间17秒，使用一个1.8Ghz笔记本上相对误差10-6级的DASSI综合器（比真实时间满3.4倍），Dymola的仿真特点使用可能在几乎真实的情况下观察运动，即使相对于非专家。这也有助于解释结果。

泵流体速率和压力从t=1.1秒到t=1.7秒和t=3.6秒到t=4.05秒。泵以最高流速工作。从t=3.1秒到t=3.6秒达到最高允许压力。能看出在另一个运动开始或结束时，活塞的运动没有重大的改变。控制系统减少油缸之间的耦合，这种耦合在单路控制中特别严重。

上面数据显示参考轨道，也就是方向阀的开启中间数据，表示补偿器的传导系数。两钉道是例外，从t = 0秒开到t = 1 s 秒，这表示在这段间隔的时间里，泵压力由铲斗缸控制。它从t=0秒后，转臂缸需要一个相对高的压力，铲斗补偿器因此增加阻力。表明流体速率控制工作良好。即使存在一个严重的扰乱。带有小误差的要求的流体速率有铲斗缸供足。

10. 结论

建立一个挖掘机的动力模型以评估不同的液压回路。它包括厢体三维机构的完整模型。包括动臂，转臂，铲斗和像泵和缸等标准液压元件。控制系统不是在组件基础上的模拟，而是通过一系列非线性方程描述。

使用Modelica的联合体程序库，液压程序库Hylib和一系列具体应用方程，模拟了系统。通过工具Dymola，系统得以建成并且短时间内测试。使得能计算所需的线路来评估控制系统。

Dymola仿真特性，使得有可能在几乎真实的情况下观看运动。即使对非转泵，这也有助于解释结果。