基于ADAMS的液压破碎机液压系统仿真
Ｖｏｌ．２４Ｎｏ．３Ｊｕｌｙ２００７
文章编号：１６７１－７８７２（２００７）０３－０２８８－０５
安徽工业大学学报
Ｊ．ｏｆＡｎｈｕｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ第２４卷第３期２００７年７月
基于ADAMS 的液压破碎机液压系统仿真
吴墩明，岑豫皖，罗
铭
（安徽工业大学机械工程学院，安徽马鞍山２４３００２）
摘要：从传统的液压系统设计方法和虚拟样机的概念出发，以ＡＤＡＭＳ／Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ为基础，建立液压系统虚拟样机并探讨仿真分析的方法，给出液压破碎机工作装置斗杆液压举升系统虚拟样机的一个分析实例。仿真结果表明，破碎机在液压缸的驱动下可以完成工作过程中的主要动作，液压缸运行平稳，无较大冲击。关键词：ＡＤＡＭＳ；液压系统；虚拟样机；联合仿真ＴＨ１３７．７中图分类号：
文献标识码：Ｂ
ＨｙｄｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌＣｏｍｂｉｎｅｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＨｙｄｒａｕｌｉｃＣｒｕｓｈｅｒＢａｓｅｄｏｎＡＤＡＭＳ
ＷＵＤｕｎ－ｍｉｎｇ，ＣＥＮＹｕ－ｗａｎ，ＬＵＯＭｉｎｇ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＡｎｈｕｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｍａ＇ａｎｓｈａｎ２４３００２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＢａｓｅｄｏｎＡＤＡＭＳ／Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ，ｓｔａｒｔｅｄｗｉｔｈｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎａｎｄｔｈｅｃｏｎｃｅｐｔｉｏｎｏｆｖｉｒｔｕａｌｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ，ｄｉｓｃｕｓｓｅｄｈｏｗｔｏｅｓｔａｂｌｉｓｈａｎｄａｎａｌｙｚｅｔｈｅｖｉｒｔｕａｌｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃ
ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄｐｒｏｖｉｄｅｄｗｉｔｈａｎｅｘａｍｐｌｅｏｆｗｏｒｋｉｎｇｄｅｖｉｃｅ＇ｓａｒｍｌｉｆｔｓｙｓｔｅｍｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｃｒｕｓｈｅｒ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔｈｙｄｒａｕｌｉｃｃｒｕｓｈｅｒｃａｎｅｘｅｃｕｔｅｔｈｅｍａｉｎａｃｔｉｏｎｕｎｄｅｒｔｈｅｄｒｉｖｉｎｇｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｃｙｌｉｎｄｅｒ，ｔｈｅｃｙｌｉｎｄｅｒｒｕｎｓｔａｂｌｙａｎｄｈａｄｎｏｂｉｇｉｍｐａｃｔ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＡＤＡＭＳ；ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｙｓｔｅｍ；ｖｉｒｔｕａｌｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ；ｃｏｍｂｉｎｅｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
液压破碎机是一种用于破碎、拆除的专用工程机械。可以用于冶炼等各种炉窑清渣，抢险和修理，并且广泛应用于工业与民用建筑、道路建设、水力、矿山、市政工程等土石方施工中。液压破碎机的各种主要动作是通过液压缸的运动来实现的，其机械系统和液压系统之间有着密切的耦合关系。机械系统承受液压系统输出的液压力和外界负载的共同作用，同时机械系统参数也直接或间接影响着负载和液压系统的作用情况。应用ＡＤＡＭＳ软件，对液压破碎机的机械液压系统进行仿真研究，结果对实际系统的分析与设计具有一定的指导意义，可以预测潜在的各种设计问题，并在建造和试验物理样机前，修正其设计方案。
１虚拟样机技术
１．１虚拟样机的一般概念
虚拟样机技术是一种基于智能设计技术和仿真工程的先进技术，以计算机仿真和建模技术为支持，利用虚拟产品模型，在产品实际制造之前对产品的性能、行为、功能进行分析和评估，从而对设计方案进行评估和优化，达到产品生产的最优目标。
目前，国际上已经出现一些比较成熟的虚拟样机技术的商业软件，其中较优秀的是美国ＭＤＩ公司（现已被ＭＳＣ公司收购）开发的ＡＤＡＭＳ软件。ＡＤＡＭＳ软件是世界上应用范围最广和具有权威性的机械系统动力学仿真分析软件，已经被世界上很多著名的制造商采用。１．２液压系统虚拟样机技术
液压系统虚拟样机技术是利用ＣＡＤ建模技术，融合先进的液压仿真技术，在计算机上建立液压系统虚
收稿日期：２００６－１２－２９
作者简介：吴墩明（１９７９－），男，江西玉山人，硕士生，研究方向为虚拟样机技术。
第３期
吴墩明等：基于ＡＤＡＭＳ的液压破碎机液压系统仿真２８９
拟模型，并对液压系统的动、静态特性进行预测和研究，实现对液压系统的优化和设计方案评估的一种技术。现有的商品化著名液压仿真软件有德国ＦＬＵＩＤＯＮＧｍｂＨ公司的ＤＳＨＰｌｕｓ，美国波音公司的Ｅａｓｙ５（现在该软件也被ＭＳＣ收购），法国ＩｍａｇｉｎｅＳ．Ａ．公司的ＡＭＥＳｉｍ以及英国Ｆｌｏｗｍａｓｔｅｒ国际有限公司开发的Ｆｌｏｗｍａｓｔｅｒ等。１．３基于ＡＤＡＭＳ的液压系统虚拟样机
ＡＤＡＭＳ／Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ是ＡＤＡＭＳ软件的扩充模块之一［１］，能够同机械模块很好地耦合，建立和测试液压系统虚拟样机，实现在计算机上对液压系统的动、静态特性分析仿真。该模块能够模拟包括液压系统回路在内的复杂液压机械系统的动力学性能，如对工程机械的液压系统进行仿真。１．４ＡＤＡＭＳ液压系统虚拟样机建立方法
液压系统一般是由动力元件、执行元件、控制元件、工作介质和辅助装置组成的。液压系统各部分组成一个有机联系的整体。可以直接在ＡＤＡＭＳ／Ｖｉｅｗ中建立液压系统回路的框图，然后通过液压驱动元件（如油缸）将其连接到机械系统模型中，最后选取合适的求解器分析整个系统的功能。
在ＡＤＡＭＳ系统中建立液压系统虚拟样机的步骤如下：
（１）在ＡＤＡＭＳ环境中建立机械模型（或输入已建立好的模型），并进行环境设置，如重力加速度、单位设置等；（２）预备分析在建立液压回路前，需要在模型上添加运动来驱动机械系统，主要对液压系统作用的机械系统进行动力学分析，获得基本的数据；
（３）建立液压回路，包括设置Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ环境参数，创建流体（液压油），创建油箱和压力源，创建控制阀、液压缸、三通联接器等，并将上述液压元件按指定的液压回路联接。然后就可以将液压驱动与机械模型虚拟结合到一块，分析液压系统与机械系统的相互作用，并进行动力学仿真分析；
（４）模型检验选择分析项目，检验模型并绘制曲线图。
２模型建立
２．１输入已建立好的几何模型
在建立液压破碎机工作装置的液压回路前，先输入创建好的机械系统模型［２］。本文的模型是在Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ中创建的，先装配零件，然后在ＡＤＡＭＳ与Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ的专用接口程序Ｍｅｃｈ／Ｐｒｏ（要先安装接口程
中定义刚体、添加标记和简单约束，最后向ＡＤＡＭＳ转序，安装成功后在菜单管理器中会出现Ｍｅｃｈ／ｐｒｏ菜单）
换模型。考虑到与ＡＤＡＭＳ结合，单位制统一用ＭＭＫＳ。当模型导入ＡＤＡＭＳ后，就可以充分利用系统自身的工具，添加复杂约束、施加载荷、函数和子过程等复杂模型特性，通过运动学和动力学进行仿真分析。
通过运动学和动力仿真后，就可以把液压回路添加到机械系统中。以下只分析斗杆油缸的工作状况，其它３组油缸类似。其几何模型如图１所示（图中隐去了
所有的图标）。图１液压破碎机几何模型２．２液压元件参数设置
在ＡＤＡＭＳ／Ｖｉｅｗ环境中，先调出ＡＤＡＭＳ／Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ菜单，液压元件采用图形符号进行建模。各液压元件参
４］
数定义为［３，：液压油（Ｆｌｕｉｄ）在ＡＤＡＭＳ／Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ中有特性：可压缩性、低压非线性行为（空穴作用）和粘性（随温度变化）。接受对液体的默认参数设置。
泵（Ｐｕｍｐ）选择压力源（ＰｒｅｓｓｕｒｅＳｏｕｒｃｅ），压力源定义为一个可变压力的油箱，一个函数定义压力而不考虑流入流出的流量。一般情况下，在液压系统工作时压力源的压力变化不会很大，并且难以计算，所以只考虑理想情况，认为其压力不变。定义初始压力（Ｉｎｉｔｉａｌｐｒｅｓｓｕｒｅ）和压力函数（ＰｒｅｓｓｕｒｅＦｕｎｃｔｉｏｎ）均为５．０Ｅ＋４。
方向控制阀（ＤｉｒｅｃｔｉｏｎａｌＣｏｎｔｒｏｌＶａｌｖｅ４ｗ３）在ＡＤＡＭＳ／Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ中对方向控制阀假定为：（１）阀中体积为零；（２）阀芯质量忽略不计；（３）液流面积和阀芯位移成正比；（４）双向流量特征相同；（５）当外控制为零时阀芯返回零位。
２９０
安徽工业大学学报２００７年
单向阀Ａ，Ｂ两口的压降与流量的关系是一条直线。单向阀在液压系统中起到正向通过、反向截止的作用，对于单向阀来说，需要设置参数：ＢＡ及ＸＢ的压力面积比（ＰｒｅｓｓｕｒｅＡｒｅａＲａｔｉｏ），Ａ１，Ａ２压力及流量，ＡＢ间的泄漏以及相应时间等。
２．３液压破碎机液压系统的虚拟样机建模（１）加载ＡＤＡＭＳ／Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ模块及设置液压环境。
从Ｔｏｏｌ菜单中选中Ｐｌｕｇｉｎｓ，指向Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ然后选择Ｌｏａｄ即可加载ＡＤＡＭＳ／Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ模块。
（２）创建液压元件。
根据液压破碎机液压系统原理图在ＡＤＡＭＳ／图２斗杆举升液压系统框图Ｖｉｅｗ环境下建立液压系统框图，主要完成斗杆的举升动作。如图２所示。
分别建立液压元件：液体（Ｆｌｕｉｄ）、油箱（Ｔａｎｋ）、压力源（ＰｒｅｓｓｕｒｅＳｏｕｒｃｅ）、方向控制阀（ＤｉｒｅｃｔｉｏｎａｌＣｏｎｔｒｏｌ、平衡阀（Ｃｏｕｎｔｅｒ－ＢａｌａｎｃｅＶａｌｖｅ）、单向阀（ＣｈｅｃｋＶａｌｖｅ）、液压缸（Ｃｙｌｉｎｄｅｒ２）。Ｖａｌｖｅ４ｗ３）
本回路中当换向阀由中位移至左位时，压力油经单向阀进入液压缸底部，液压缸伸出动臂起升，同时液压缸上腔里的液压油回到油箱，活塞向上运动；反之，当换向阀由中位移至右位时，液压油直接进入液压缸上腔，使活塞向下运动，从液压缸下腔流出的液压油通过平衡阀回到油箱。为了防止负载自由下落而保持背压的压力控制阀称为平衡阀。它通常用来防止液压缸活塞因负载重量而高速下落。
在液压系统回路中，控制元件通过控制方程表达式，本例用的是阀芯控制函数ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，０．０，０．０，０．２，１．０）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，０．８，０．０，１．２，－２．０）＋ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，１．８，０．０，２．０，１．０），控制液压流量，从而控制液压阀并驱动液压破碎机完成预定的运动。液压系统的稳定性在很大程度上受背压阀的影响，当液压系统回路建立并完成后，可以对背压阀进行一个单变量的设计研究。２．４虚拟样机液压系统与机械系统的接口
液压破碎机斗杆举升动作由液压缸驱动机械系统，通过Ｉ－Ｍａｒｋｅｒ和Ｊ－Ｍａｒｋｅｒ点在机械系统中对应的两个Ｍａｒｋｅｒ点可以实现与机械系统连接，且机械系统和液压系统可以在同一界面下同时进行仿真计算和分析，完成整机系统的虚拟仿真。
ＦＬＵＩＯ
３仿真分析
在创建破碎机液压回路之前，创建速度驱动（ｍｏｔｉｏｎ）来驱动机械系统可以获得一些基本数据。
首先，在破碎机机械系统模型上添加速度驱动ＳＴＥＰ（ｔｉｍｅ，０．０，０．０，０．４，０．３）和测量（ｍｅａｓｕｒｅ），进行仿真分析得到驱动所需的力。此时油缸的平稳运行速度大约是０．３０ｍ／ｓ。之后，对驱动做无效（Ｄｅａｃｔｉｖａｔｅ）处理，设计液压回路产生与驱动（ｍｏｔｉｏｎ）效果一致的力。初步进行静态与运动学仿真分析，结果如图３所示。
７５．０
Ｃｕｒｒｅｎｔ
６５．０力／ｋＮ
５５．０
４５．０
３５．０
０．０
０．１０．２０．３０．４
０．５ｔ／ｓ
０．６０．７０．８０．９１．０
图３油缸举升力曲线
第３期
吴墩明等：基于ＡＤＡＭＳ的液压破碎机液压系统仿真２９１
图３表明静载力大约为３９．５ｋＮ，峰值力为７２．２ｋＮ。由几何模型可知液压缸活塞直径为１２５ｍｍ，３９．５
平衡阀的推荐设置压力为静载的１．３倍，即４２００ｋＮ／ｍ２。因ｋＮ作用于活塞面积上相当于３２２０ｋＮ／ｍ２的压力。
此，回路中阀的关闭压力设置为４２００ｋＮ／ｍ２。
图４曲线表明方向控制阀在０．２ｓ时，处于正向全开状态，大约１ｓ时改变方向，１．８￣２．０ｓ间，阀关闭。对照前面的阀芯控制函数，图像和函数是一致的。图５表明整个仿真过程中缓冲力一直为０，说明液压缸活塞杆没有达到最大行程。
１．０
ｒｅｌａｔｉｖｅ＿ｐｏｓｉｔｉｏｎ
开度位置
０．０
－１．０
０．０
０．５
１．０ｔ／ｓ
图４方向控制阀开度位置曲线
１．５２．０
１．０
ｃｙｌｉｎｄｅｒ＿ｖｅｌｏｃｉｔｙ
０．５力／ｋＮ
０．０
－０．５
－１．０
０．００．５
１．０ｔ／ｓ
图５液压缸缓冲力曲线
１．５２．０
由图６可知运动中液压缸最大伸出速度０．３０ｍ／ｓ，最大收缩速度０．２５ｍ／ｓ。与图７液压缸理论速度曲线进行比较，可以看出基本满足设计要求。
０．５
ｃｙｌｉｎｄｅｒ＿ｖｅｌｏｃｉｔｙ
０．２５
ｖ／（ｍ／ｓ）
０．０
－０．２５
－０．５
０．００．５
１．０
ｔ／ｓ
图６液压缸仿真速度曲线
１．５２．０
２９２
０．３
安徽工业大学学报
ｃｙｌｉｎｄｅｒ＿ｖｅｌｏｃｉｔｙ
２００７年
０．１５
ｖ／（ｍ／ｓ）
０．０
－０．１５－０．３
０．００．５１．０
ｔ／ｓ
图７液压缸理论速度曲线
１．５２．０
图８表明仿真过程中平衡阀在０．９６￣１．９６ｓ间处于全开状态。在这期间平衡阀起作用，压力油由平衡阀回到油箱，防止液压缸由于重力而高速下落，使液压缸工作平稳。
１．５
ｒｅｌａｔｉｖｅ＿ｐｏｓｉｔｉｏｎ
１．０
开度位置
０．５０．０
－０．５
０．０
０．５
１．０
ｔ／ｓ
图８平衡阀开度位置曲线
１．５
２．０
４结论
在ＡＤＡＭＳ／Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ模块中建立液压破碎机工作过程中斗杆举升动作的液压回路，对液压破碎机中机械系统与液压系统结合起来进行仿真分析。仿真结果表明，破碎机在液压缸的驱动下，可以完成工作过程中的主要动作，工作安全可靠，斗杆收缩过程中可以防止斗杆因自重而快速下降，液压缸运行平稳，无较大冲击。
基于ＡＤＡＭＳ／Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ的液压系统虚拟样机，采用可视化液压系统建模，开放式分析环境，适用于各种不同的液压系统建模，能够较好地实现对液压系统动、静态特性的模拟仿真，在国外，已在很多行业的液压系统设计中得到广泛地应用。在我国，应用领域也在不断扩大，日益显示出强大的生命力。
参考文献：
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［４］ＭＳＣ．ＳｏｆｔｗａｒｅＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ：ＡＤＡＭＳ／ＨｙｄｒａｕｌｉｃｓＣｏｍｐｏｎｅｎｔＲｅｆｅｒｅｎｃｅ［ＢＤ／ＯＬ］．［２００６－１２－０５］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｉｍｗｅ．ｃｏｍ／ｆｏｒｕｍ／ｖｉｅｗｔｈｒｅａｄ．ｐｈｐ？ｔｉｄ＝４２８４３５＆ｅｘｔｒａ＝ｐａｇｅ％３Ｄ３％２６ｆｉｌｔｅｒ％３Ｄｔｙｐｅ％２６ｔｙｐｅｉｄ％３Ｄ６４．