大型矿用液压挖掘机电液控制系统的建模及仿真

论文摘要

大型矿用液压挖掘机是集成了机械、液压和计算机控制技术的大型复杂机电系统,主要用于各种大规模露天矿山的开采、煤炭和尾矿等物料的铲装及大型基础建设,对比机械式电铲,具有整机重量轻、调速范围大、机动性好和卸载精确等优点,代表着露天开采设备的发展方向。目前国外大型液压挖掘机制造技术已非常成熟,最大机型斗容为50 m3,机重达900 t。国内在这一装备领域还处于空白,没有企业制造过斗容量大于12 m3的液压挖掘机,所用大吨位机型完全依赖进口。在此背景下,太重集团公司决定研制国内首台斗容15 m3、机重260 t的大型矿用液压挖掘机,为进一步研制斗容量更大的机型做前期准备。为了完成挖掘机的设计,在机器制造之前就能对整机的工作特性有一个比较全面的了解,需要采用数字仿真技术。目前国内外采用的方法有:(1)利用ADAMS软件对挖掘机工作装置进行动力学仿真,设计机械结构,但这种方法只能解决机构优化问题,不能较准确的施加液压系统对工作装置的驱动,更无法准确分析机器的作业效率及能耗。(2)利用液压系统仿真软件对挖掘机液压系统进行设计,由于不能准确施加挖掘过程各执行器受到的负载力,提供各执行器所驱动的负载质量随挖掘姿态和速度的变化关系,不能准确模拟挖掘机真实的工作环境。为了克服两种方法的不足,完成研发工作,制定的技术路线是对挖掘机作业过程进行多体动力学和液压系统的联合仿真研究。论文用ADAMS软件和AMESim软件对设计的矿用挖掘机工作装置和液压系统进行联合仿真,通过仿真确定所开发机型的各项设计参数。具体内容有:1.运用数学方法建立正铲液压挖掘机挖掘过程的挖掘力模型,分析其最大挖掘阻力。2.建立挖掘机运动工况数学模型;对其工作零部件用Pro/E软件进行三维实体建模和虚拟装配,利用MECH/Pro接口软件将装配模型导入到动力学仿真软件ADAMS中,添加约束和驱动,仿真分析特殊运动工况。3.用AMESim软件建立液压控制系统模型,通过接口用ADAMS和AMESim软件进行机械机构和液压系统的联合仿真,分析挖掘机水平推压工况最大推压力及工作循环中各工作部件对其旋转轴的转动惯量。4.分析各工况下动力系统的功率匹配;通过联合仿真挖掘机作业工况,分析挖掘机的工作效率和能量利用率;提出流量再生液压系统,对比原系统和流量再生系统的能量损耗情况。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 大型液压挖掘机的发展概况
• 1.2 大型液压挖掘机的研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 挖掘机节能控制技术研究
• 1.3.1 改善元件的性能的节能研究
• 1.3.2 改进液压系统的节能研究
• 1.3.3 改善动力系统功率匹配的节能研究
• 1.4 本课题的主要研究内容及论文创新点
• 第二章 正铲液压挖掘机挖掘力模型的建立
• 2.1 引言
• 2.2 正铲挖掘机的结构形式
• 2.3 挖掘力数学模型的建立
• 2.3.1 挖掘机各点位置坐标模型的建立
• 2.3.2 油缸对铰点力臂的计算
• 2.4 挖掘力分析
• 2.4.1 工作油缸的理论挖掘力
• 2.4.2 整机的理论挖掘力
• 2.4.3 整机的实际挖掘力
• 2.5 水平推压力的计算
• 2.6 挖掘阻力分析
• 2.7 本章总结
• 第三章 挖掘机运动学和动力学建模
• 3.1 正铲液压挖掘机主要运动工况
• 3.2 特殊运动工况
• 3.3 各工作部件对其旋转轴转动惯量的确定
• 3.4 工作装置动力学仿真模型的建立
• 3.4.1 Pro/E 软件的功能特点
• 3.4.2 建模并装配
• 3.4.3 基于接口软件MECHANISM/Pro 模型的传递
• 3.4.4 基于ADAMS/View 模型的建立
• 3.5 最大挖掘包络图的确定
• 3.6 本章总结
• 第四章 基于AMESim 的挖掘机液压系统及联合仿真模型的建立
• 4.1 AMESim 软件的功能
• 4.2 AMESim 软件基本特性
• 4.3 基于AMESim 软件的液压系统模型
• 4.3.1 液压主泵模型的建立
• 4.3.2 液压系统模型的建立
• 4.4 联合仿真模型的建立
• 4.4.1 概述
• 4.4.2 联合仿真具体过程
• 4.5 联合仿真
• 4.5.1 负载的仿真模拟
• 4.5.2 仿真结果分析
• 4.5.2.1 转动惯量的确定
• 4.5.2.2 水平挖掘力的确定
• 4.6 本章小结
• 第五章 基于联合仿真的动力系统功率匹配及节能分析
• 5.1 前言
• 5.2 动力系统功率匹配计算方法
• 5.3 各工况分析
• 5.3.1 动臂提升工况
• 5.3.2 平推工况
• 5.3.3 斗杆挖掘工况
• 5.3.4 铲斗挖掘工况
• 5.3.5 复合挖掘工况
• 5.4 各工况功率消耗对比分析
• 5.5 挖掘机流量再生技术研究
• 5.5.1 流量再生控制原理
• 5.5.2 流量再生控制系统仿真
• 5.6 本章小结
• 第六章 全文总结与工作展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 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