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小型挖掘机工作过程能耗特性的联合仿真及试验研究

白帆

   随着我国经济的高速发展,对各种工程机械的需求也越来越大,其中小型液压挖掘机因为其独特的优势,近年来更是呈现出一枝独秀的发展局面。但是长期以来,小型液压挖掘机能耗高,排放差的缺点一直得不到改善。挖掘机的工作效率如何,能量消耗具体产生在那些液压元件上,工作过程中哪个阶段能量消耗最大,具体操作时如何节约能量,目前还缺乏相应的研究结论。 对小型液压挖掘机的能耗研究主要包括以下三个方面:变量泵的能耗分析,多路阀的能耗分析及工作装置的能耗分析。但是至今为止一直没有挖掘机整机的计算和分析,而且缺乏对挖掘机在实际工作过程中能量消耗的仿真研究和实验验证。通过对小型挖掘机整机能量消耗的研究,可以使工作过程中各个主要耗能部件的能量消耗变得明确,为液压元件的节能设计和节能的操作方法及节能操作系统提供依据,而且可以使研究者明确如果设计节能的液压元件或回路的话可以提高多少效率。 现在小型挖掘机所采用的液压系统主要是负载敏感系统,本课题的研究对象是一种应用比较广泛的负载敏感系统——与负载压力无关的流量分配系统,简称LUDV系统。传统的研究方法主要是对挖掘机液压系统的某一部件进行研究,对整机各个部件在具体工作过程中各个参数的变化情况没有定量的研究。近年来对挖掘机工作装置的仿真研究一般是单独利用ADAMS等动力学软件建立虚拟样机,或使用液压仿真软件单独对液压系统进行仿真。单独采用AMEsim等液压仿真软件进行仿真,无法比较准确地模拟挖掘机在实际工作状况下的负载变化情况,并且也无法得到挖掘机在运动过程中各个部件的转动惯量,质心位置等参数。而单独采用动力学软件仿真,主要是通过对挖掘机的部件做运动学和动力学分析,对机械结构进行研究,因挖掘机的主要能耗实际来自液压系统,这种仿真方法不能够对挖掘机的能耗特性进行有效的分析。以上几种方法都有一定的片面性,一是至今为止的研究仅限于挖掘机的部分工作装置,二是缺乏实验的验证。所以仿真结果往往与实际情况有很大出入,无法应用于实践。 为了能够准确模拟挖掘机的实际工作情况,以玉柴工程机械有限公司生产的YC60-7小型液压挖掘机为研究对象,通过实际测绘挖掘机的各个工作部件得到了各个部件的实际参数并用于建模,首先在Pro/E中建立了挖掘机各个部件的三维模型,利用Pro/E与ADAMS接口软件MECH/Pro将三维模型导入到ADAMS中,建立挖掘机的虚拟样机。然后在AMEsim软件下建立液压系统各个元件的能量损耗模型,以AMEsim为主控软件与ADAMS进行联合仿真,利用ADAMS的子模块ADAMS-model建立ADAMS与AMEsim的软件接口,在ADAMS中对挖掘机进行动力学和运动学仿真,并把所得到的力和转矩实时地传递给AMEsim,然后利用AMEsim的工具插件import ADAMS mode加载接口模块ADAMS mode,将液压系统所产生的速度数据实时地输出到ADAMS中。仿真结束后利用能量损耗计算公式对挖掘机在工作过程中各个部件的具体能量消耗进行了计算,与此同时利用MTS速度和位移传感器和ATOS压力传感器及杭州亿恒数据信号采集和分析仪对挖掘机在实际工作过程中的能耗情况进行了试验,得到了相关数据,并与仿真结果进行比较。最后提出了一种比较可靠的仿真模型。通过试验和仿真的研究,使工作过程中各个主要耗能部件的能量消耗变得明确,为设计节能的液压控制系统、元件和明确节能的操作方法及节能操作系统提供依据,掌握可以提高机器工作过程能量效率的途径。并对挖掘机在工作过程中主要工作装置的能量回收潜力进行了预测和分析。 以下为各章的大体内容: 第一章介绍了国内外对液压挖掘机能耗分析的研究和进展,介绍了挖掘机液压系统的发展历程及当代在小型液压挖掘机中使用最广泛的LUDV系统的工作原理,对各种仿真研究方法的特点和不足进行了介绍。提出了一种新的能量损失研究方法,对本课题的研究工作进行了概述。 第二章对YC60-7挖掘机的主要工作元件进行了测绘,利用ProE软件对挖掘机整机建立了准确的三维模型。并将其导入ADAMS中建立了挖掘机工作的虚拟样机。利用虚拟样机模拟了一个比较典型的工作过程。 第三章对挖掘机液压系统的各主要工作元件进行了分析和计算,利用AMEsim软件对挖掘机的变量泵建立了仿真模型,并对变量泵模型进行了仿真,对其在各种运行状态下的能量消耗情况进行了分析和研究。 第四章在AMEsim下建立挖掘机整机工作系统的仿真模型并以AMEsim为主控软件与ADAMS进行联合仿真,并对仿真结果进行了分析。利用实验仪器对6吨小型挖掘机的实际工作过程中的能耗进行了记录和分析,并与仿真结果进行比较。 第五章通过对仿真和试验结果的研究,对挖掘机整机在典型工作过程中的能量消耗进行了计算并对各工作回路能耗占总能耗比例列表。 第六章对本课题的研究成果进行了概括,并对未来的工作作出了展望和分析。……   
[关键词]:小型挖掘机;联合仿真;能耗;ADAMS;AMEsim
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:太原理工大学2010年