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多疇模擬：挖掘機的機械學和液壓學
概要：
通過使用用于多體和液壓系統(tǒng)的Modelica程序庫，示范Modelica和Dymola如何模擬和仿真挖掘機。液壓系統(tǒng)由“負載傳感”控制器控制。一般來說模型包含了難以模擬的三維機械和液壓組件。對于挖掘機將演示Modelica是如何有效適地用于這種系統(tǒng)的仿真。
1. 緒論
一種新產(chǎn)品的設計在開始階段需要一系列決定，這些決定對最終產(chǎn)品是否成功產(chǎn)生很大的影響。因此，今天在初始階段使用數(shù)字模擬來檢驗不同的想法。這篇論文的目的是設計一臺新的挖掘機并評估幾個備選的液壓系統(tǒng)。
模擬包含三維機械和液壓組件的系統(tǒng)是很難的，如挖掘機，兩個不同的模擬環(huán)境必須連結在一起，這很不方便，導致不必要的數(shù)字問題和邊界相互干涉問題。在這篇文章中，將對挖掘機模型的開始進行演示以證明Modelica是適合這些系統(tǒng)的。
挖掘機的三維組件由新開發(fā)的，豐富的Modelica，聯(lián)合體程序庫來模擬，這使得可以使用鏟斗運動規(guī)律的分析結論，并直接考慮液壓缸（也就是動力元件）的質(zhì)量。液壓元件被模擬，從一個用于Modelica的液壓程序庫中使用泵，閥和缸。在控制部分使用一個普通的負載傳感器，由一簡單方程組模擬。這種方法得到要求的結果，并使得分析問題所需的時間限制在合理的要求內(nèi)。
2. 模型選擇
模擬一個系統(tǒng)有幾種方法。根據(jù)任務的需要建立一個很精確的模型，包含系統(tǒng)的每一個細節(jié)，需要許多的信息，比如模型參數(shù)。建立這種模型很麻煩。但另一方面，如果一個定義系統(tǒng)的參數(shù)需要修正，建立這種模型是很有效的。挖掘機上平衡閥參數(shù)的優(yōu)化就是一個特殊的例子。
對一個系統(tǒng)的初步研究需要另外一個模型，在這種情況下，泵，閥和負載的容量是具體的，需要的是關于系統(tǒng)工作的信息，例如活塞的速度，泵軸所需的輸入動力。從而判定這個設計是否符合此任務的原則要求。因此，這種模型必須是方便的，也就是在沒有詳細了解特殊元件的情況下，能在短時間內(nèi)建立起來。
學者們打算建立一個第二類的模型，運行它，并在最少的時間內(nèi)得到初步結論，為了達到此目的，使用了建摸Modelica(Modelica 2002)，Modelica模擬環(huán)境Dymola (Dymola 2003),用于三維機械系統(tǒng)的新Modelica聯(lián)合體程序庫和液壓組件的Modelica程序庫Hylib，模型包含挖掘機的三維機械結構，動力液壓學的詳細描述和通用的負載傳感控制器。
3. 挖掘機的結構
圖一給出了正在考慮中的特殊挖掘機的簡圖。它包含履帶和液壓驅(qū)動裝置，液壓驅(qū)動裝置用于操縱機械。它的上面是供操作者坐的駕駛室，駕駛室能相對于履帶繞垂直軸旋轉。它還擁有柴油機，液壓泵和液壓控制系統(tǒng)。另外有一個動臂、斗桿以及和斗桿相連的鏟斗。專門的液壓油缸使斗桿，動臂，鏟斗旋轉。
圖二表示出油缸所需的壓力是根據(jù)位置確定的，當在伸展開來的情況下，動臂油缸中的壓力比收縮的情況高60%。不僅位置，而且運動也必須考慮。圖三表示動臂下降的情況，如果駕駛室沒有旋轉，油缸則需要一個拉力，當旋轉時，挖掘機旋轉通常能達到每分鐘12轉，則動臂油缸中的受力改變方向，此時需要一個推力。這個改變是非常重要的。兩幅圖都表明一個仿真模型考慮挖掘機四個自由度相互之間的聯(lián)結，每個油缸和回轉驅(qū)動使用連續(xù)載荷的簡單模型將導致錯誤結果。
4. 負載傳感器
挖掘機通常具有一臺柴油發(fā)動機，兩個液壓馬達和三個油缸，存在不同的液壓回路，以提供機器消耗所需的液壓油源。一種特殊的設計是負載傳感油路，它能有效控制能量，使用方便。這種想法是使泵有一個流體速率控制系統(tǒng)，因而能準確傳遞所需的流體速率。在傳感器中，使用經(jīng)過節(jié)孔而產(chǎn)生壓降的方法，孔的阻力是參考值。圖四給出了簡圖，關于這個話題的更好的介紹已經(jīng)給出(anon. 1992)。
泵控制閥，使得泵出口的壓力通常比負載傳感器中的壓力高15bar，如果方向閥關閉，則泵因此有15 bar的壓力。如果方向閥打開，泵輸出一流體速度導致通過方向閥時產(chǎn)生15 bar的壓降。注意：方向閥不是用做泵流體，而是作為一個流體儀表（反饋的壓降）和作為一個參考（阻力）。此油路對能量是有效率的，因為泵只輸出所需的流速，相對其他油路，油管的損失很小。
看圖五,如果不只一個油缸使用這種油路，則變得復雜。如果斗桿需要300 bar的壓力，鏟斗需要300bar的壓力，則泵輸出的壓力高于300 bar，這會使斗桿油缸產(chǎn)生一個不必要的運動。
5. 機械部分的模型
圖六為機械部分的一個Modelica簡圖，履帶不是模擬的，也就是，假設履帶為不動的，組件“rev….rev4”是使得相互聯(lián)系的部分運動的旋轉關節(jié)，長黑色線的圖象是實質(zhì)是的閂，用于標明機械部分上的特別的關節(jié)。特別是液壓油缸的固定關節(jié)，淡藍球是有質(zhì)量和慣量張量的球體，
是用于模擬挖掘機的相應部分，“cyllf. cy12f和cy13f”三個部分是線性力部件，描述兩個連接之間沿著線的力相互作用，這些部件中的小綠方格表示Modelica機械翻譯程序庫中的一-維翻譯連接器，他們用表示兩連接關節(jié)之間的一維力法規(guī)。這里，將在下一部分中介紹餓液壓油缸是直接連接的?！癱yllf.cy12f和cy13f”部件圖象上的兩個小球表示有選擇的考慮兩點的質(zhì)量，在沿連接線上的連接點之間的已定距離上，這方便于模擬，只有少計算液壓油缸的質(zhì)量部分(質(zhì)量和作用中心)
關節(jié)RRR組件(圖六右邊)是包含三個旋轉關節(jié)的裝配元件，其中旋轉關節(jié)在連接動臂時一起形成一片面回路。圖七為挖掘機這方面的一~張圖片，在相應的Modelica簡圖的一-張電子放大圖象和動畫制作圖。當移動旋轉關節(jié)“rev4” (圖七下面部分中的大紅油缸，表示關節(jié)RRR裝配部件中三個旋轉關節(jié)的小紅缸)，關節(jié)RRR部件中左右旋轉關節(jié)的連接點的位置和定位是已知的，關節(jié)RRR部件中有非線性代數(shù)回路用以計算連接點運動時產(chǎn)生的3個旋轉關節(jié)的角度。這非線性方程系統(tǒng)在關節(jié)RRR中分解解決。
6. 液壓程序庫Hylib
商業(yè)Modelica程序庫Hylib用于模擬泵調(diào)節(jié)孔，負載補償器，液壓回路缸，所有這些元件是液壓回路的標準元件，能從許多制造商獲得。Hylib中包括所有這些元件的模型。這些數(shù)學模型包含教科書上的標準模型，也包含對真實元件的運行進行考慮的最先進的，如果輸入口壓力下降到底于大氣壓，輸出的液體就會減小，這樣的普通泵模型就上例子。選擇一種 模型時，還有許多因素要考慮，值得一提的一點是所有模型能被原代碼水平看待，并且可以由從易得文獻得來的大約100個參數(shù)來證明。
打開程序庫后，展示了主要窗口（圖十），雙擊泵圖象打開所有元件的選項。開始或結束油流體所需要元件。為了現(xiàn)在的問題，使用帶有內(nèi)泄口和外部限定流速的液壓流體源。同樣，選擇關于閥，缸和其他元件的所需模型。
所有組件都是分級模擬的，從連接器的確定開始（連接器是油進入或流出元件的通口），帶有兩個口的元件模版如圖。這能繼承下來到理想的模型。如一薄層阻力閥或釋壓閥。當為這些基本模型使用文字上的輸入是有道理的。許多程序庫主要模型以圖形編制。由使用圖形使用者界面的基本程序庫模型組成。圖11給出了圖形編制的一個例子。所有提及的元件從程序庫中選出來并分明的連接起來。
7. 液壓回路中的程序庫元件
圖12中的結構圖是挖掘機模型圖形組成的液壓部分，以下的模型是從專屬的程序庫中選出，連接并輸入?yún)?shù)。注意到從Hylib來的缸和馬達能簡單連接為所示的多功能程序庫的組件。輸入信號如，挖掘機發(fā)動機的相關信號由圖框給出。如控制流體速度的參考閥。對于挖掘機的機械部分，只要圖12中所示的元件直接與液壓元件相連接。如液壓缸接觸的直線壓力元件。
8. 負載傳感控制器模型
在這個學習中，選擇下面的方法：模擬挖掘機的機械器件，并一定程度上詳細的模擬泵和測量閥。因為只有元件的參數(shù)將改變，一般結構是固定的。這意味著缸筒的直徑可能改變，但確切的只有個一缸那樣工作（如圖1所示）這個液壓系統(tǒng)其余部分是不同的，在這篇文章中使用一泵的負載傳感系統(tǒng)如圖所示。但在開始設計階段還有其他的想法必須評估。例如在回轉運動中使用兩泵或單泵。
根據(jù)實際元件設計的全面的模型會大得多。通常在初始設計階段的開始不適用。它能由液壓程序庫中的元件建立起來，但需要相當多的時間，這在工程的開始是行不通的。
在表格1和2中所示的是LS控制器執(zhí)行的方程式。一般，聯(lián)合體模型選擇使用圖形模型分解或通過方程式定義模型。但不是在一樣的模型標準上混合兩種描述形式。
對于LS系統(tǒng)這是不同的。因為它有7個輸入信號和5個輸出信號，建立帶有17個輸入和5個輸出的塊。并把它們連接到液壓回路。但是，在這種情況下，如上面液壓回路，在一樣的標準上直接提供方程式并直接輸入輸入信號和輸出信號，看起來更加可以理解。例如，格中“metoril.port.A.p”是測量孔metoril的通口的度量壓力。LS控制器的計算值。例如，泵流體速率“pump.inport.signal[1]=” 是在泵元件的藍色矩形中的信號。圖12。
Modelica的重點是三維機械程序庫和非標準的無縫連接。并且，因此在沒程序庫可用時，控制系統(tǒng)的模型很容易的處理。程序庫元件在目標圖表中能連接起來，根據(jù)模型的本文能得到所需的各種變化。
9. 仿真結果
使用Modelica模型和仿真環(huán)境Dymola建立完全模型，并轉換，編譯和模擬5秒鐘，仿真時間17秒，使用一個1.8Ghz筆記本上相對誤差10-6級的DASSI綜合器（比真實時間滿3.4倍），Dymola的仿真特點使用可能在幾乎真實的情況下觀察運動，即使相對于非專家。這也有助于解釋結果?？磮D9。
圖13給出了三個缸和搖擺的相關信號，泵流體速率和壓力從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。從t=3.1秒到t=3.6秒達到最高允許壓力。
圖14給出了斗桿缸和鏟斗缸的位置和搖動角度。能看出在另一個運動開始或結束時，活塞的運動沒有重大的改變。控制系統(tǒng)減少油缸之間的耦合，這種耦合在單路控制中特別嚴重。
圖15給出鏟斗缸的操作。上面數(shù)據(jù)顯示參考軌道，也就是方向閥的開啟中間數(shù)據(jù)，表示補償器的傳導系數(shù)。兩釘?shù)朗抢猓瑥膖 = 0秒開到t = 1 s 秒，這表示在這段間隔的時間里，泵壓力由鏟斗缸控制。它從t=0秒后，斗桿缸需要一個相對高的壓力，鏟斗補償器因此增加阻力。下面數(shù)據(jù)表明流體速率控制工作良好。即使存在一個嚴重的擾亂。帶有小誤差的要求的流體速率有鏟斗缸供足。
10. 結論
建立一個挖掘機的動力模型以評估不同的液壓回路。它包括廂體三維機構的完整模型。包括動臂，斗桿，鏟斗和像泵和缸等標準液壓元件?？刂葡到y(tǒng)不是在組件基礎上的模擬，而是通過一系列非線性方程描述。
使用Modelica的聯(lián)合體程序庫，液壓程序庫Hylib和一系列具體應用方程，模擬了系統(tǒng)。通過工具Dymola，系統(tǒng)得以建成并且短時間內(nèi)測試。使得能計算所需的油路來評估控制系統(tǒng)。
Dymola仿真特性，使得有可能在幾乎真實的情況下觀看運動。即使對非轉泵，這也有助于解釋結果。