基于SimulationX的液压挖掘机仿真分析

李侃，刘会勇，李佳，林良

(贵州大学机械工程学院，贵州贵阳 550003)

0 前言

液压挖掘机是一种多功能机械，主要由工作装置、回转装置、运行装置 (行走装置)三大部分组成。其动力装置主要采用液压传动系统，直接控制各系统的运转状态。基于液压的组成使其具有质量轻、能实现无极调速，调速范围大、传动平稳、操作简单、灵活、省力、工作装置品种多等特点。因此液压挖掘机被广泛应用于交通运输、电力工程、水利工程、矿山工程、土木工程、机械工程的施工当中，它大大的减轻了人类的劳动强度，改善了工作时的环境，保证了工程按时、按质完成。经过几十年的发展，液压挖掘机的种类已经非常的齐全，涵盖几乎所有的工程领域，因此，大受相关行业的青睐，使其作用显得更加突出。但是大量采用液压装置的结果是对于液压元件的制造精度要求高，装配非常严格，且出现问题难于发现及维修较为困难，同时液压油温度对系统工作的影响较大，在不同的场合采用何种液压油冷却液都需要有专家经验的指导［1］。

SimulationX是德国ITI公司开发的一款基于标准物理对象建模语言modelica的分析评价技术系统内各部件相互作用的权威软件，是多学科领域建模、仿真和分析的通用CAE工具，并具有强大标准元件库，这些元件库包括:1D力学、3D多体系统、动力传动系统、液力学、气动力学、热力学、电子学、电驱动、磁学和控制，另外simulationX还具有强大的后处理系统。ITI在其新版本3.6中新增了一系列的应用库和模型类型及改进和增加现有模型库当中的模型。

以往利用软件对于液压挖掘机的仿真建模大多停留在Creo、UG或者是SolidWorks等三维软件中的建模及简单的运动分析，在ADAMS等虚拟样机软件中进行运动和受力分析，或者是在AMESim等液压辅助软件中做纯液压分析，而文中以SimulationX为平台统一了液压、电磁和三维模型之间的复杂耦合，为液压挖掘机的仿真提供了一个完整的仿真、分析、后处理和优化平台，其既提供了直观的动画显示，又得到了真实、准确、详实的实验仿真结果。

本文作者以某型液压挖掘机为原型，利用simulationX软件建立了液压挖掘机整机的液压系统及三维实体模型，并对模型进行了时域动态仿真，分析了液压挖掘机整机系统动态特性。

1 建立挖掘机三维实体模型

图1 液压挖掘机原型

液压挖掘机的种类及型号多种多样，因此选择比较有代表性的型号有研究的实际价值和能够运用到其他挖掘机上面，或者部分运用到其他设备上面。文中的液压挖掘机应用自机械工业出版社出版由北京兆迪科技有限公司编著的《Creo2.0运动仿真与分析教程》中的挖掘机原型［2］。模型如图 1所示。

2 模型导入SimulationX中

SimulationX的优势在于其可以通过转换三维模型的格式然后直接导入到软件当中，这样在仿真的时候使得模型的动态仿真结果更加的直观、真实和可靠，让研究者更好的识别模型的动态仿真是否错误，或者模型的仿真结果是否达到了所需要的结果。simulationX可以导入AUTOCAD公司的inventor和PTC公司三维设计软件的组件或者装配体［3］。具体操作步骤如下:

2.1 格式转换

图2 格式转换

将在Creo2.0软件中建立好的底盘、转塔、动臂、动臂液压缸、动臂液压杆、斗杆、斗杆液压缸、斗杆液压缸液压杆、铲斗、铲斗液压缸、铲斗液压缸液压杆以及其他附件在软件中均转换为STL格式，如图2所示。

2.2 STL格式文件模型导入simulationX中

Creo2.0中的模型成功转换为STL格式的文件后便可以通过进一步操作导入到simulationX软件中，打开软件，找到如图3所示的STL文件导入接口模型，按住鼠标左键不放拖动到右边的编辑区，为导入接口模型，双击该模型，打开属性菜单，切换到inertia and geometry菜单，单击load…按钮，找到转换后的STL文件，再次单击打开即可。模型添加成功后，为窗口增加一个三维预览窗口。显示如图3所示。

图3 导入步骤演示

2.3 模型装配

模型导入后，还需要进一步进行装配，才能显示出完整的图样，在装配过程中选择相应的装配方式，例如旋转副、平移副等联接相应的元部件，由于Moddelica对的特点，在连接过程中可能出现铰接环等现象，因此，需要注意的是，在特殊的连接点需要采用特定的元件消除掉铰接环。联接后如图4、5所示。

图4 挖掘机机械部分模型连线图

图5 模型的完整展示

2.4 液压系统工作原理

挖掘机的工作主要依赖于底盘、转塔、动臂液压缸、斗杆液压缸和铲斗液压缸。底盘主要实现液压挖掘机的行走和支撑，转塔实现挖掘机的转向工作，此部分的动力系统可由液压系统完成也可由机械传动完成。而其工作部分主要是实现液压挖掘机的挖掘工作以及其他挖掘机能够实的功能，比如钻、打等。

当电动机带动图6中的液压泵，使液压泵输出油液，油液经过动臂液压缸电磁换向阀到达动臂液压缸有杆腔，液压杆收回使动臂向下旋转，在旋转的同时液压油通过斗杆液压缸电磁阀进入斗杆液压缸的有杆腔，液压杆伸出使斗杆旋转，通过动臂和斗杆的协同操作，使铲斗达到预定或者被操作对象所处的位置，此时，启动铲斗液压缸电磁阀，使液压油进入铲斗液压缸，使铲斗执行相应的挖掘动作。当挖掘完毕时，启动相应的电磁阀换向时，实现动臂液压缸液压杆伸出，斗杆液压缸液压杆和铲斗液压缸液压杆回收，从而达到卸载的动作，此时，液压挖掘机便实现了挖掘机回收的整个过程。

3 液压系统仿真模型

SimulationX的建模过程非常的简单，只需要在相应的库中拖动相应的元件到编辑区，然后添加适当的连线，设置相应的参数，运行仿真后，即可查看相应的结果。首先我们进入机械库中的多体机械库完成STL格式构建的相应的三维实体模型，便可以查看装配的实体是否合理和正确，以便及时进行修改。导入和装配，使之装配成完整的液压挖掘机。其次进入液压库，选择相应的电磁阀、液压缸、液压泵、油箱完成液压系统的基础模型的构建，然后进入信号库拖拽出电磁阀的换向输入信号模块，最后再次进入机械库中的旋转机械库拖拽出预设旋转模块，完成对液压泵动力源的设置，即完成电动机的设置，此时整个液压系统和机械系统完成构建和融合，通过对模型的进一步优化，便可以达到多学科领域的完美结合的目的。图6所示为液压系统原理图。

图6 液压系统原理图

挖掘机的模型建立完毕以后，需要对模型的参数进行设置，主要参数为:溢流阀调定压力20 MPa，电机转速2 000 r/min;其他参数设置见表1。

表1 液压系统设定参数值

4 仿真结果和分析

建立完液压系统和机械系统模型，并且设置完组件的参数后，设置仿真的时间为10 s，在跟踪选项卡里面 设置要跟踪的项目，如Solver、External Functions，Objects and Models， Co-Simulation、 Compiled Simulation以便追踪仿真，在仿真出现错误或者仿真时间较长时，快速查找出原因并给予纠正。仿真结果分析如图7所示。

图7 仿真结果曲线

图7(a)为液压缸的位移曲线，由图可知在开始几秒内动臂液压缸活塞杆收回，斗杆液压缸和铲斗液压缸的活塞杆伸出，使得挖掘机做出挖掘的动作，时间的后半段，动臂液压缸活塞杆伸出，斗杆液压缸和铲斗液压缸的活塞杆收回，整个挖掘动作完成。

图7(b)为液压缸无杆腔的压力曲线，由图可知在电磁阀未换向时压力基本保持平衡，当电磁阀执行换向操作时，压力值瞬间升高，换向完成后，压力回复平衡，在5.2 s的时候由于换向时间较长，因此产生的压力升高值不是很大，造成的冲击也不大。

图7(c)为液压缸有杆腔的压力曲线，由图可知开始由于溢流阀的作用动臂液压缸压力值很大，但是由于控制斗杆液压缸和铲斗液压缸电磁阀的电磁线圈并没有通电，所以基本为0，在换向时同样出现了压力冲击。

图7(d)、(e)分别为液压缸无杆腔的流量曲线和液压缸有杆腔的流量曲线，从对比中可以看出，有杆腔与无杆腔之间的流量呈负相关的关系，即有杆腔流量增加时，无杆腔流量减少，而当有杆腔流量减少时，无杆腔流量增多。同时，换向时流量瞬时增大。

图7(f)为液压缸无杆腔的受力曲线，由受力曲线可知，受力主要发生在电磁阀换向时液压油液对液压缸的冲击。

5 结论

(1)挖掘机液压系统在电磁阀换向时，液压系统的压力明显增高，即产生了较大的压力冲击，冲击对挖掘机的性能会产生较大的影响。因此，换向压力不容忽视，应在换向阀换向之前，降低进入主油缸的油液流量，以减缓活塞运动速度，从而降低压力冲击。

(2)各电磁阀的动作顺序对于液压挖掘的实际运动影响很大，当参数匹配不合理时，会使挖掘机产生振动，从而导致挖掘机的工作效能下降，甚至损坏挖掘机。

(3)液压缸的受力受到油液品质、电磁换向阀的换向时间等的影响，因此，对于油液、电磁阀等的选择也非常的重要。

［1］何彦海.基于SimulationX的液压挖掘机仿真研究［J］.机械工程与自动化，2010(6):159－160.

［2］北京兆迪科技有限公司.Creo2.0运动仿真与分析教程［M］.北京:机械工业出版社，2013.

［3］宫立强，于安才，姜继海，等.基于SimulationX挖掘机液压系统联合仿真及能耗分析研究［J］.液压与气动，2013(11):83－86.