钻装机扒斗机构机电液联合仿真研究

钻装机扒斗机构机电液联合仿真研究

李建光,韩相冬,李健

三一重型装备有限公司，辽宁 沈阳 110027

摘要：针对钻装机扒斗机构机电液联合控制耦合问题，在分析扒斗机构结构原理基础上，建立了扒斗机构的ADAMS机械模型和基于AMESim的电液仿真模型，并利用软件之间的接口将机械模型导入到AMESim中，实现机电液联合仿真。研究结果表明：采用AMESim建模的液压元件仿真输出特性与样本参考特性误差约为5%，建模准确度高；机电液联合仿真结果包含各油缸的压力和流量变化曲线、扒斗末端运动轨迹等信息，可用于扒斗机构系统状态估计与参数匹配，可为钻装机系统设计与性能提升提供必要的技术参考。

关键词： 钻装机；扒斗机构；机电液；联合仿真

Research on electromechanical-hydraulic co-simulation of drilling machine bucket mechanism

Li jianguang,Han xiangdong,Li jian

Sanyi Heavy Equipment Co., Ltd. Shenyang 110027

Abstract: Aiming at the coupling problem of electromechanical and hydraulic joint control of the drilling and loading machine bucket mechanism, based on the analysis of the structural principle of the bucket mechanism, the ADAMS mechanical model of the bucket mechanism and the electro-hydraulic simulation model based on AMESim are established. The mechanical model is imported into AMESim by using the interface between the software to realize the electromechanical and hydraulic joint simulation. The results show that the error between the simulation output characteristics and the sample reference characteristics of the hydraulic components modeled by AMESim is about 5 %, and the modeling accuracy is high. The results of electromechanical-hydraulic co-simulation can contain the pressure and flow curve of each cylinder, the trajectory of the end of the bucket and other information, which can be used for the state estimation and parameter matching of the bucket mechanism system, and can provide the necessary technical reference for the design and performance improvement of the drilling machine system.

Key words: Drilling machine ; ripper mechanism ; electromechanical liquid ; joint simulation

引言

钻装机是一种集行走、装运、钻孔于一体的井下作业设备，扒斗机构作为钻装机收料的核心作业部件，其工作的平稳性和可靠性对钻装机的高效安全运行具有重要的意义。孙海舰等[1]应用ADAMS与ANSYS联合仿真研究了钻装机扒斗机构的运动包络图和各运动铰点及各液压油缸的受力情况，并基于ADAMS以油缸受力最小为目标实现了对扒斗机构的优化设计[2]；尹中会等[3]针对扒斗机构铲斗斗齿接触地面硬石时产生的冲击问题开展了瞬态动力学仿真分析；唐娟等[4]基于牛顿-欧拉法对钻装机挖臂机构斗齿尖速度、力曲线、油缸驱动参数等进行动力学仿真设计。本文在分析扒斗机构结构原理基础上，建立扒斗机构的ADAMS机械模型（三维仿真）和基于AMESim的电液仿真模型，并利用软件之间的接口将机械模型导入到AMESim中，实现了扒斗机构的机电液联合仿真，实现了各油缸的压力流量变化曲线、扒斗末端运动轨迹等仿真。作为典型的机电液综合装置，开展扒斗机构机电液联合仿真，对钻装机液压系统及各执行机构状态分析与参数预估具有重要作用，可为钻装机系统设计与性能提升提供必要的技术参考。

1 扒斗机构结构组成

钻装机扒斗机构铰接于回转部上，由铲斗、斗杆（小臂）、动臂、回转座等组成。通过扒斗与铲板配合搜集物料，运输机将物料转载至其他设备。收料过程中，电液控制系统控制动臂、斗杆、扒斗等油缸联动实现扒斗机构的收料动作，具体结构组成如图1所示。

图1 钻装机扒斗机构结构示意图

2 扒斗机构机电液联合建模

2.1 机械结构ADAMS建模

ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)具有复杂虚拟样机的建模与运动及动力学仿真功能 [5]。考虑到特征复杂的零部件导入ADAMS后会占用较多的内存，影响仿真速度，在Pro/E中对扒斗机构的三维模型进行简化，删除掉所有质量较小的零部件。模型简化后，可能会出现模型属性信息（质量、质心、转动惯量等）与实际模型属性信息不一致或相差很大的情况，此时把简化后的三维模型导入ADAMS时各构件仍应使用简化前的模型属性信息，以保证机构模型的准确性。

在扒斗机构Pro/E整体模型坐标系下，按照扒斗机构的工作运动关系把扒斗机构按照构件导出为Parasolid（.x_t）格式文件。导出模型时要求各构件必须在整体坐标系下导出，以保证导入ADAMS中各个构件的装配关系是正确的。导出的构件共有7个，分别是转座、回转架、动臂、斗杆（小臂）、连杆、摇杆、扒斗。打开ADAMS/View软件，使用Import命令把生成的扒斗装置的各个构件（Parasolid格式）导入到ADAMS中，每个Parasilid文件导入为一个Part构件，。由于各构件都是在整体部件统一坐标系下导出的，所以导入ADAMS后各构件之间的装配关系与在Pro/E三维模型中是一致的。

扒斗机构中的液压油缸是运动部件，直接将液压油缸的Pro/E模型导入将无法实现油缸的运动，可在ADAMS仿真模型中通过建模工具建立液压油缸模型。液压缸的位置根据实际产品位置或Pro/E模型得到。添加路面，用于观测挖掘位置，最后完成的扒斗机构ADAMS机械结构建模。

2.2 扒斗机构电液系统AMESim建模

根据双臂钻装机液压系统原理图，其主要液压元件包括泵、多路阀、平衡阀、油缸等。液压泵采用负载敏感变量泵，具有恒功率、负载敏感、压力切断三种工作状态，其AMESim模型采用基础模型库中已经建立的油泵模型[7]，并根据系统参数设置油泵排量、待命压力及最大压力值。平衡阀的仿真模型也包含在液压基础模型库中，建模时可以直接调用，根据平衡阀的参数设定平衡阀的公称流量、在该流量下的压降以及导压比即可。扒斗机构动臂、斗杆、扒斗等油缸的运动速度由比例多路阀控制，多路阀通过流量只与主阀芯开度有关，而与负载压力无关，即流量由控制信号决定。多路阀建模主要采用HCD元件库[6]。

多路阀样本曲线和AMESim模型仿真曲线如图2所示。

图2 多路阀仿真模型验证

从上图可知，多路阀仿真曲线与样本曲线基本吻合，误差低于5%，由此可以验证多路阀AMESim仿真模型准确度高，建模合理。

完成液压系统主油泵、多路阀、平衡阀等各关键元件建模后，参照钻装机扒斗装置液压系统原理，完成个液压元件模型的连接，即可完成扒斗装置电液系统AMESim建模。

2.3 扒斗机构机电液联合仿真模型

联合仿真接口参数设置：完成三维运动模型和液压系统AMESim仿真模型后，还需设置两模型之间的接口。三维机构模型的仿真接口包括作用在机构上的力、机构输出的速度和位移。机构模型的作用力包括作用于扒斗油缸、斗杆油缸以及动臂油缸缸筒、活塞杆连接绞点处的驱动力、扒斗水平方向外负载、扒斗竖直方向外负载。机构模型输出的参数包括扒斗油缸、斗杆油缸以及动臂油缸缸筒与活塞杆连接绞点的位移和速度具体见表1所示。

表1 机构模型变量表

在ADAMS菜单下选择Controls下拉菜单，单击Import，即可编辑联合仿真接口[8]，选择ADAMS输入变量和输出变量。

在AMESim仿真软件中通过Modeling\Interface block\Import Adams model，选择ADAMS接口文件，与AMESim模型中对应的机构相连接，即可得到液压系统仿真接口。

扒斗油缸、斗杆油缸及动臂油缸输出的力通过联合仿真接口输入至ADAMS模型中，ADAMS模型输出各油缸的速度和位移值通过联合仿真接口输入至AMESim模型中的油缸模型。

由于ADAMS模型中长度的单位为mm，在AMESim中油缸的输入速度和位移的单位分别是m/s和m，另外输入速度和位移与油缸的实际运动速度相反，因此在ADAMS输出的速度和位移需要与单位和方向转换系数相乘。另外在ADAMS模型中油缸的位移是两个连接绞点之间的距离，而在AMESim模型中液压缸的输入位移只是位移的变化，因此需要将去除两绞点之间的初始位移的位置值传输到AMESim的油缸模型中。

3 扒斗机构机电液联合仿真结果分析

根据双臂钻扒斗系统的作业工况，仿真过程中，设定扒斗水平方向的外负载为4kN，竖直方向的外负载为10kN，三个油缸同时动作，设定仿真时间10s，得油缸压力、流量等仿真结果。

根据仿真结果可知，钻装机扒斗机构在收料过程中，扒斗油缸、斗杆油缸、动臂油缸同时动作，行程短的油缸先达到极限位置。除了油缸压力在达到极限位置时略有冲击之外，其余时刻油缸压力平稳，流量均匀。扒斗末端的位置变化平稳连续，符合扒斗正常收料的工作要求。

4 结论

1）建立比例多路阀等液压元件的AMESim仿真模型，对比元件仿真结果输出曲线与样本参考特性曲线误差仅为5%，AMEsIm建模准确度高。

2）利用ADAMS、AMESim建立了扒斗装置机电液联合仿真模型，仿真结果包含了各油缸的压力和流量变化曲线、扒斗末端运动轨迹等信息，可用于液压系统状态估计与参数匹配，同时可以根据扒斗末端运动轨迹调整扒斗结构，优化运动轨迹。

参考文献：

[1]孙海舰,闫炳雷,文斌.刚柔耦合的钻装机扒斗机构动力学分析[J].机械设计与制造,2013,No.273(11):157-160.

[2]孙海舰,闫炳雷,秦绪鑫.基于ADAMS的钻装机扒斗机构优化仿真分析[J].机械工程师,2013,No.261(03):98-99.

[3]尹中会,朱纪铭,杨鹏等.钻装机扒装机构瞬态动力学分析[J].煤矿机电,2022,43(03):29-33.

[4]唐娟,杨林.煤矿用钻装机挖臂机构动力学仿真分析[J].采矿技术,2013,13(06):94-97.

[5]吴卫东,杨志新,李杰等.液压凿装机掘进臂扒岩载荷分析及结构优化[J].煤矿机械,2021,42(03):85-88.

[6]杨文明,白建朋,黄莹等.基于BP改进PID的掘进机闭环回路跟随误差联合仿真[J].中国工程机械学报,2022,20(06):493-497.

[7]杨文林,闫炳雷,王忠宾.基于AEMSim的掘进机液压系统参数优化分析[J].机床与液压,2014,42(05):129-131.

[8]韩寿松,晁智强,刘相波等.基于联合仿真的全液压驱动履带车辆转速感应控制策略[J].装甲兵学报,2022,1(06):79-83+100.

作者简介：

李建光(1979—)，辽宁沈阳人，机械工程师，本科，研究方向：煤矿机械。