基于Modelica的装载机工作装置工程仿真研究
第 1 章 绪论1.1 课题来源及目的意义装载机是一种工程运输机械，其工作装置伴随着设备移动实现举升与搬运。装载机广泛应用于各个领域，包括铁路、码头、桥梁和林业等[1]。装载机具有作业速度快、效率高、机动性好、操作轻便等优点。随着当今技术的全面发展，全球市场竞争也在逐步加剧。高质量、低成本、高性能的装载机，才能更好的满足市场需求，在竞争中得到延续和发展[2-3]。随着装载机需求的不断变化，企业也需要设计相应的方案来满足市场需求。在产品地设计过程中自主研发是至关重要的一步，时效性在很大程度上决定了产品的竞争力。我国装载机发展起步较晚，和国外相比存在较大的劣势，包括寿命短、稳定性差、更新慢等缺点。这使得国产装载机的竞争力明显处于劣势，主要市场还是被国外产品所占据。怎样解决上述问题是目前国内装载机发展的关键所在，可将产品设计作为主要突破方向[4-6]。现阶段针对产品的设计主要采用有限元分析技术完成，其能够有效提高装载机的性能，缩短和国外设备的差距，来满足日益庞大的国内市场。工作装置是实现装载机挖掘及转运物料的核心结构，其工作性能是装载机性能优劣、作业效率及质量高低的重要体现。在工作装置最初的设计过程中，类比法和作图试凑法作为两种传统的方法被广泛使用，但是这两种设计方法工作量大，效率低下，设计人员的经验在很大程度上影响着设计结果的质量[7-9]。随着建模分析软件的不断完善，工作装置的尺寸、结构以及干涉等问题都能够通过仿真软件有效的解决，同时能有效地缩短开发时间、减少生产费用，并且使设备的结构和性能更加合理。当前装载机工作装置仿真存在的问题包括仿真优化目标较单一难以进行多学科仿真优化；或者通过接口，运用多个软件进行联合优化，难以在统一地环境下进行仿真优化。基于 Modelica 统一建模语言，可以建立工作装置多学科仿真模型，并运用 Dymola软件进行仿真分析，从而实现工作装置的机械、液压等联合仿真，对于装载机工作装置的设计与仿真优化有显著作用。本文选自国家自然科学基金项目基于 TRIZ 的机械产品创新设计与多学科仿真优化方法研究;，拟采用多学科建模语言 Modelica 和建模软件 Dymola 对不同工况下 HT25装载机进行动力学建模与仿真。通过各工况下的仿真研究，找出可能出现的各种问题。采用的方法为首先建立数学模型，其次描述约束函数，最后进行多学科仿真优化，同时为基于 TRIZ 的机械产品创新设计与多学科仿真优化方法研究;课题的后续工作提供可靠的验证。........1.2 国内外研究现状装载机拥有很多型号，各个国家装载机的近况也各有不同，对其进行多学科建模时，需要将机械、控制以及液压等领域综合起来联合分析。相对于国外而言，国内针对装载机多学科联合仿真的研究较少，可从其他方面突破。例如通过其他工程车辆的多领域仿真研究，借鉴其研究内容，用于装载机的仿真研究[10-11]。从我国研究装载机至今已经快有 60 年的时间。主要分为 60 年代、70 年代以及 80年代到至今三个阶段：60 和 70 年代还是初始阶段，主要研究装载机地仿制和研发；而80 年代之后则是装载机全面发展的阶段[12-13]。从上世纪末开始，工程设备的地位在工业机械行业逐年提高，已经进入到三甲行列，装载机作为其中一员起到了至关重要的作用。国内的需求在近年也是逐步提高，每年 2、3 万台是基本的底线，随着现代化的发展以及工业智能化的提倡，装载机的前景在未来还有很大的提升空间。我国现阶段主要产品是中等吨型的装载机，最具代表性的就是 ZL 系列装载机。随着装载机需求的提升，目前我国正在通过自主研发以及引进国外的先进技术来制造满足各个领域、各种需求的装载机[14-16]。相对于我国装载机的研究，国外在上世纪末已经具备了相当高的水平。随着信息技术的快速发展，装载机已经不只是满足于简易的上下料和运输功能，目前已经研发了涉及各个领域的系统，例如配备信息技术和微电子技术的管理信息系统，其有助于装载机的设计和优化；电子监控系统，主要是为了监控装载机在整个工作流程中，确保其安全性；另外驾驶者辅助操作系统、电控换挡系统、智能操作控制系统、柴油机计算机控制装置等，这些系统全面优化了装载机的操作及控制系统，为操作人员提供了便利，以上几点对于装载机的性能和工作效率有明显的提升。.........第 2 章 装载机工作装置建模仿真总体框架2.1 引言论文的主要目的是针对装载机工作装置的机械-液压建模，通过多学科建模Modelcia语言下的 Dymola 仿真平台对该模型进行仿真分析，其框架如下图 2.1 所示。面向对象建模方法是目前针对计算机仿真的一种重要方法，从名称中就可以看出其以对象为研究中心。面向对象建模主要采用封装的方式，将所需的数据和操作等进行封装，忽略了封装以外的所有内容。通过该方法在建模省略了编码时的各项传输，有效了缩短了建模时间。传统建模方法一般是按照计算机内部的思维来运行，而面向对象则是摈弃了这种方式，以人的思维为基础来运行。而言，其主要由数学思想发展而来，对于模型地描述主要通过数学方程，而不是选用赋值句子完成。对于使用方程求解，其主要由软件自身所判断，不必按照定义来进行。.........2.2 Modelica 语言随着现代化的到来，单一系统的研究已经跟不上产品研发的脚步，工业 4.0 的到来，进一步验证了这一点。人们迫切需求一个包含电气、机械、热力学等多学科的复杂系统，以此来进行仿真优化[32-33]。Modelica 正是基于该点出现在人们的视野中，其自身拥有多个开源的标准模型库，可供各行业免费使用，这点正好符合现发表展的需求。目前Modelica 主要运用的领域包括机电、航天、工程车辆等。和很多计算机语言一样，Modelica语言也是从 C 语言延伸而来的[34]。该语言在编译模型时存在较大的差别，一般使用微分代数方程。Modelica 自身含有十分多的模型库和数学模型，可从其内部直接调用元件以及模型，这大大减少了编译所需的时间，提高了整体建模的效率。Modelica 不仅仅只是提供单一库地调用，不同模型库间也可以相互转换，模型能够被多次使用，没有次数限制。面向对象方法就是一个很好的例子，其在软件领域和物理建模方面都能被很好的使用。想要定义一个新的模型，有很多方面需要注意，比如接口模块、参数以及参数所在公式的相互关系等[35]。在完成工作装置各个组件的模型之后，还需要将组件的接口进行连接，这就是上文所述的文本建模方式，也可以采用建模工具完成建模，只需要找到相对应的组件库，将其按照拖放、连接、设置参数三步骤来完成[36]。..........第 3 章 装载机工作装置多领域模型......193.1 引言 .....193.2 机械系统建模原理 ...........193.3 液压系统建模原理 ...........203.3.1 液压传动工作介质性质 ............213.3.2 基本元件建模 ........223.4 机械系统建模 .........233.5 工作装置液压模型 ...........263.6 系统连接接口的定义 .......333.7 本章小结 .......34第 4 章 装载机工作装置多领域模型仿真分析..........354.1 引言 .....354.2 仿真分析 .......364.3 分析验证 .......414.4 本章小结 .......42第 5 章 卸料工况下回缩现象的仿真优化........435.1 装载机回缩现象 .....435.2 工作装置数学建模 ...........435.3 约束条件 .......455.4 Modelica 建模 .........495.5 仿真分析 .......505.6 卸料工况仿真结果对比验证 .....52第 5 章 卸料工况下回缩现象的仿真优化5.1 装载机回缩现象装载机作为一种多功能的工程机械设备，包涵了铲、装、运、卸等一系列的功能，其工作过程包含六种工况，分别为铲斗插入、铲斗翻斗、物料运输、铲斗举升、物料卸载和铲斗放平。装载机在各种工况下都会受到一些外界不确定载荷的影响，在这些载荷作用下，装载机是否会发生故障进而导致某些意外，这些问题需要在设计过程中加以充分考虑。工作装置在进行卸料工况时，运动所需的力主要由转斗油缸收缩提供，在该力作用下铲斗获得一个初始的速度，在外界重力及其他力作用下油缸从收缩现实慢慢地进行收回，铲斗在此过程中转速会变得越来越快，到达横梁限位位置的时候才会停止，在卸料工况下，有些装载机由于设计及结构问题会出现回缩现象。回缩现象的出现会大大降低装载机工作装置在卸料过程中的效率，需要重新提起动臂以确保工作装置的继续运行；甚至可能出现撞击护栏等情况，导致一系列的事故，安全性能不能够得到充分的保证。所以，在工作装置的设计中，要极力避免动臂油缸回缩现象地出现。动臂油缸出现回缩现象的根本原因是：铲斗在运动过程中，由于转速太大的原因，会获得一个向下的作用力，同时油缸的收缩也会作用于动臂上，对其也施加一个向下的力，此时动臂油缸提供的支撑力不足以平衡这两个力，使动臂油缸不得不打开过载阀，这就产生了油缸地回缩。针对回缩现象，防护措施主要采用增大液压油缸的支撑力，使最大支撑力远大于动臂油缸的载荷，这样就不会出现回缩现象，但这极大地降低了工作装置的工作效率。本文通过建立数学模型和仿真分析，计算极限位置的卸料行程，进而优化动臂油缸的关键参数，提高装载机的工作效率。
.........总结装载机作为一种多功能的工程机械设备，其铲、装、运、卸等功能被广泛使用于铁路、桥梁、林业等行业，工作装置作为其主要工作部件，需要有良好的性能。本文针对工作装置进行了运动学及动力性仿真分析。为了防止传统设计方法中对单一机械系统分析时的片面性，本文采用机械-液压联合仿真方法，在研究装载机工作装置机械系统的同时，对其液压系统也进行研究，以求结果更接近真实。本文主要完成以下工作：（1）介绍了装载机的用途、结构、分类等，明确了本文的研究对象为装载机工作装置，进而确定了本文的重点建模对象为装载机工作装置的机械系统和液压系统；详解了装载机工作装置的工作过程，并介绍了装载机工作装置的基本作业工况，从而明确了本文仿真的对象及仿真的过程。（2）针对论文的整体构架，简要的介绍本文进行多学科建模仿真所需的 Modelica语言、Dymola 仿真软件以及卸料工况下可能出现的回缩现象，为接下来的章节提供了帮助。（3）介绍了液压系统和机械系统的基本原理，为装载机工作装置机械系统和液压系统的建模打好理论基础。接着利用 Modelica 语言和 Dymola 平台，并基于液压系统建模的基本原理和机械系统建模的基本原理，对液压系统的接口以及其各个基础元器件分别进行建模，然后通过所建立的工作装置元器件模型搭建机械与液压系统模型，为本文对装载机工作装置进行仿真奠定基础。（4）通过所建立的工作装置液压系统和机械系统组成一个完整的机械-液压系统，对其进行联合仿真，得到液压缸的长度及速度变化曲线、腔内压力的压力变化曲线和油缸的流量变化曲线，对仿真所得的曲线进行了分析。径值的合理性。得出以下结论，动臂油缸的支撑力小于油缸最大载荷，并不符合要求，会引起回缩现象。通过增加油缸个数以及增大油缸缸径的方法有效解决上述问题。利用ADAMS软件对其进行了验证，两者实验结果基本相似，证明仿真结果的合理性。..........参考文献（略）