多疇模擬：挖掘機(jī)的機(jī)械學(xué)和液壓學(xué)外文文獻(xiàn)翻譯、中英文翻譯,模擬,摹擬,挖掘機(jī),機(jī)械學(xué),以及,液壓,外文,文獻(xiàn),翻譯,中英文 多疇模擬：挖掘機(jī)的機(jī)械學(xué)和液壓學(xué) 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(jī)。液壓系統(tǒng)由“負(fù)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(jī)械和液壓組件。對(duì)于挖掘機(jī)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(shè)計(jì)在開始階段需要一系列決定，這些決定對(duì)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(yàn)不同的想法。這篇論文的目的是設(shè)計(jì)一臺(tái)新的挖掘機(jī)并評(píng)估幾個(gè)備選的液壓系統(tǒng)。 模擬包含三維機(jī)械和液壓組件的系統(tǒng)是很難的，如挖掘機(jī)，兩個(gè)不同的模擬環(huán)境必須連結(jié)在一起，這很不方便，導(dǎo)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(duì)挖掘機(jī)模型的開始進(jìn)行演示以證明Modelica是適合這些系統(tǒng)的。 挖掘機(jī)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(yùn)動(dòng)規(guī)律的分析結(jié)論，并直接考慮液壓缸（也就是動(dòng)力元件）的質(zhì)量。液壓元件被模擬，從一個(gè)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(gè)普通的負(fù)載傳感器，由一簡單方程組模擬。這種方法得到要求的結(jié)果，并使得分析問題所需的時(shí)間限制在合理的要求內(nèi)。 2. 模型選擇 模擬一個(gè)系統(tǒng)有幾種方法。根據(jù)任務(wù)的需要建立一個(gè)很精確的模型，包含系統(tǒng)的每一個(gè)細(xì)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(gè)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(jī)上平衡閥參數(shù)的優(yōu)化就是一個(gè)特殊的例子。 對(duì)一個(gè)系統(tǒng)的初步研究需要另外一個(gè)模型，在這種情況下，泵，閥和負(fù)載的容量是具體的，需要的是關(guān)于系統(tǒng)工作的信息，例如活塞的速度，泵軸所需的輸入動(dòng)力。從而判定這個(gè)設(shè)計(jì)是否符合此任務(wù)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(xì)了解特殊元件的情況下，能在短時(shí)間內(nèi)建立起來。 學(xué)者們打算建立一個(gè)第二類的模型，運(yùn)行它，并在最少的時(shí)間內(nèi)得到初步結(jié)論，為了達(dá)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(jī)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(jī)的三維機(jī)械結(jié)構(gòu)，動(dòng)力液壓學(xué)的詳細(xì)描述和通用的負(fù)載傳感控制器。 3. 挖掘機(jī)的結(jié)構(gòu) 圖一給出了正在考慮中的特殊挖掘機(jī)的簡圖。它包含履帶和液壓驅(qū)動(dòng)裝置，液壓驅(qū)動(dòng)裝置用于操縱機(jī)械。它的上面是供操作者坐的駕駛室，駕駛室能相對(duì)于履帶繞垂直軸旋轉(zhuǎn)。它還擁有柴油機(jī)，液壓泵和液壓控制系統(tǒng)。另外有一個(gè)動(dòng)臂、斗桿以及和斗桿相連的鏟斗。專門的液壓油缸使斗桿，動(dòng)臂，鏟斗旋轉(zhuǎn)。 圖二表示出油缸所需的壓力是根據(jù)位置確定的，當(dāng)在伸展開來的情況下，動(dòng)臂油缸中的壓力比收縮的情況高60%。不僅位置，而且運(yùn)動(dòng)也必須考慮。圖三表示動(dòng)臂下降的情況，如果駕駛室沒有旋轉(zhuǎn)，油缸則需要一個(gè)拉力，當(dāng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，挖掘機(jī)旋轉(zhuǎn)通常能達(dá)到每分鐘12轉(zhuǎn)，則動(dòng)臂油缸中的受力改變方向，此時(shí)需要一個(gè)推力。這個(gè)改變是非常重要的。兩幅圖都表明一個(gè)仿真模型考慮挖掘機(jī)四個(gè)自由度相互之間的聯(lián)結(jié)，每個(gè)油缸和回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)使用連續(xù)載荷的簡單模型將導(dǎo)致錯(cuò)誤結(jié)果。 4. 負(fù)載傳感器 挖掘機(jī)通常具有一臺(tái)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，兩個(gè)液壓馬達(dá)和三個(gè)油缸，存在不同的液壓回路，以提供機(jī)器消耗所需的液壓油源。一種特殊的設(shè)計(jì)是負(fù)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(gè)流體速率控制系統(tǒng)，因而能準(zhǔn)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(guān)于這個(gè)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(fù)載傳感器中的壓力高15bar，如果方向閥關(guān)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(dǎo)致通過方向閥時(shí)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(gè)流體儀表（反饋的壓降）和作為一個(gè)參考（阻力）。此油路對(duì)能量是有效率的，因?yàn)楸弥惠敵鏊璧牧魉?，相?duì)其他油路，油管的損失很小。 看圖五,如果不只一個(gè)油缸使用這種油路，則變得復(fù)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(huì)使斗桿油缸產(chǎn)生一個(gè)不必要的運(yùn)動(dòng)。 5. 機(jī)械部分的模型 圖六為機(jī)械部分的一個(gè)Modelica簡圖，履帶不是模擬的，也就是，假設(shè)履帶為不動(dòng)的，組件“rev….rev4”是使得相互聯(lián)系的部分運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，長黑色線的圖象是實(shí)質(zhì)是的閂，用于標(biāo)明機(jī)械部分上的特別的關(guān)節(jié)。特別是液壓油缸的固定關(guān)節(jié)，淡藍(lán)球是有質(zhì)量和慣量張量的球體， 是用于模擬挖掘機(jī)的相應(yīng)部分，“cyllf. cy12f和cy13f”三個(gè)部分是線性力部件，描述兩個(gè)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(jī)械翻譯程序庫中的一-維翻譯連接器，他們用表示兩連接關(guān)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(gè)小球表示有選擇的考慮兩點(diǎn)的質(zhì)量，在沿連接線上的連接點(diǎn)之間的已定距離上，這方便于模擬，只有少計(jì)算液壓油缸的質(zhì)量部分(質(zhì)量和作用中心) 關(guān)節(jié)RRR組件(圖六右邊)是包含三個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的裝配元件，其中旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)在連接動(dòng)臂時(shí)一起形成一片面回路。圖七為挖掘機(jī)這方面的一~張圖片，在相應(yīng)的Modelica簡圖的一-張電子放大圖象和動(dòng)畫制作圖。當(dāng)移動(dòng)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)“rev4” (圖七下面部分中的大紅油缸，表示關(guān)節(jié)RRR裝配部件中三個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的小紅缸)，關(guān)節(jié)RRR部件中左右旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的連接點(diǎn)的位置和定位是已知的，關(guān)節(jié)RRR部件中有非線性代數(shù)回路用以計(jì)算連接點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的3個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的角度。這非線性方程系統(tǒng)在關(guān)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(fù)載補(bǔ)償器，液壓回路缸，所有這些元件是液壓回路的標(biāo)準(zhǔn)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(xué)模型包含教科書上的標(biāo)準(zhǔn)模型，也包含對(duì)真實(shí)元件的運(yùn)行進(jìn)行考慮的最先進(jìn)的，如果輸入口壓力下降到底于大氣壓，輸出的液體就會(huì)減小，這樣的普通泵模型就上例子。選擇一種 模型時(shí)，還有許多因素要考慮，值得一提的一點(diǎn)是所有模型能被原代碼水平看待，并且可以由從易得文獻(xiàn)得來的大約100個(gè)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(xiàng)。開始或結(jié)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(guān)于閥，缸和其他元件的所需模型。 所有組件都是分級(jí)模擬的，從連接器的確定開始（連接器是油進(jìn)入或流出元件的通口），帶有兩個(gè)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(dāng)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(gè)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(jié)構(gòu)圖是挖掘機(jī)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(dá)能簡單連接為所示的多功能程序庫的組件。輸入信號(hào)如，挖掘機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)信號(hào)由圖框給出。如控制流體速度的參考閥。對(duì)于挖掘機(jī)的機(jī)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(fù)載傳感控制器模型 在這個(gè)學(xué)習(xí)中，選擇下面的方法：模擬挖掘機(jī)的機(jī)械器件，并一定程度上詳細(xì)的模擬泵和測量閥。因?yàn)橹挥性膮?shù)將改變，一般結(jié)構(gòu)是固定的。這意味著缸筒的直徑可能改變，但確切的只有個(gè)一缸那樣工作（如圖1所示）這個(gè)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(fù)載傳感系統(tǒng)如圖所示。但在開始設(shè)計(jì)階段還有其他的想法必須評(píng)估。例如在回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中使用兩泵或單泵。 根據(jù)實(shí)際元件設(shè)計(jì)的全面的模型會(huì)大得多。通常在初始設(shè)計(jì)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(dāng)多的時(shí)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(biāo)準(zhǔn)上混合兩種描述形式。 對(duì)于LS系統(tǒng)這是不同的。因?yàn)樗?個(gè)輸入信號(hào)和5個(gè)輸出信號(hào)，建立帶有17個(gè)輸入和5個(gè)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(biāo)準(zhǔn)上直接提供方程式并直接輸入輸入信號(hào)和輸出信號(hào)，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(jì)算值。例如，泵流體速率“pump.inport.signal[1]=” 是在泵元件的藍(lán)色矩形中的信號(hào)。圖12。 Modelica的重點(diǎn)是三維機(jī)械程序庫和非標(biāo)準(zhǔn)的無縫連接。并且，因此在沒程序庫可用時(shí)，控制系統(tǒng)的模型很容易的處理。程序庫元件在目標(biāo)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(jié)果 使用Modelica模型和仿真環(huán)境Dymola建立完全模型，并轉(zhuǎn)換，編譯和模擬5秒鐘，仿真時(shí)間17秒，使用一個(gè)1.8Ghz筆記本上相對(duì)誤差10-6級(jí)的DASSI綜合器（比真實(shí)時(shí)間滿3.4倍），Dymola的仿真特點(diǎn)使用可能在幾乎真實(shí)的情況下觀察運(yùn)動(dòng)，即使相對(duì)于非專家。這也有助于解釋結(jié)果?？磮D9。 圖13給出了三個(gè)缸和搖擺的相關(guān)信號(hào)，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(dá)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(dòng)角度。能看出在另一個(gè)運(yùn)動(dòng)開始或結(jié)束時(shí)，活塞的運(yùn)動(dòng)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(yán)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(bǔ)償器的傳導(dǎo)系數(shù)。兩釘?shù)朗抢?，從t = 0秒開到t = 1 s 秒，這表示在這段間隔的時(shí)間里，泵壓力由鏟斗缸控制。它從t=0秒后，斗桿缸需要一個(gè)相對(duì)高的壓力，鏟斗補(bǔ)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(gè)嚴(yán)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(jié)論 建立一個(gè)挖掘機(jī)的動(dòng)力模型以評(píng)估不同的液壓回路。它包括廂體三維機(jī)構(gòu)的完整模型。包括動(dòng)臂，斗桿，鏟斗和像泵和缸等標(biāo)準(zhǔn)液壓元件。控制系統(tǒng)不是在組件基礎(chǔ)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(yīng)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(shí)間內(nèi)測試。使得能計(jì)算所需的油路來評(píng)估控制系統(tǒng)。 Dymola仿真特性，使得有可能在幾乎真實(shí)的情況下觀看運(yùn)動(dòng)。即使對(duì)非轉(zhuǎn)泵，這也有助于解釋結(jié)果。