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基于AMESim和MATLAB/GUI的汽车起重机起升机构可视化联合仿真与分析

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  • 发布时间:2014-10-09
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近年来 ,我国经济建设迅速发展,工程建设规模不断扩大,汽车起重机的需求量也越来越大。起升机构作为汽车起重机最基本的机构,主要完成负载的垂直升降,使其停留在空中某-位置,便于进行安装和卸装作业。起升机构是汽车起重机功能的直接执行机构,它直接影响着整台起重机的工作性能 。

汽车起重机是-个复杂的机电液-体化系统,各结构间存在着复杂的耦合关系,运用传统的机械设计方法,设计周期长且效率不高。综合利用各种仿真软件,对汽车起重机进行联合仿真和分析,能够有效提高设计效率,缩短设计周期,减少研发成本l2 J。文献[3]基于 MATLAB/Simscape对汽车起重机变幅机构进行了优化和仿真,该方法很好地分析了变幅机构的力学性能,但没有对变幅机构进行实时监控;文献[4]利用MATLAB/GUI开发了塔式起重机计算应用软件,但未设计起重机可视化界面,用户难以观测参数设置对起重机的影响;文献[5]运用 Solid Dynamics和 MATLAB/Simulink对 SCARA机器人进行了运动学建模和仿真,但未实现两种软件的联合仿真,各软件独立运行,降低了仿真和分析效率。

本文以单台汽车起重机起升机构为研究对象 ,首先利用 AMESim软件建立起升机构液压系统模型,进行液压系统分析,然后运用 MATLAB/GUI建立起升机构可视化界面,借助于编程,将汽车起重机液压系统分析和起 升过程可视化有机 的结合起来,最后利用AMESim和 MATLAB/GUI对下降工况进行 了联合仿真和分析。仿真结果表明,系统建模正确,可视化界面友好,从而使用户在运用 AMESim软件对液压系统进行分析时,可以通过 GUI界面观察参数设置对起升机构运动的影响,相比于使用单-仿真软件,联合仿真效率更高。

收稿日期:2012-12-03基金项目:国家 自然科学基金(51275515);浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室开放基金项 目(GZKF-201112)作者简介 :张龙(1988-),男,安徽淮南人,硕士研究生,研究方向为机器人自动化技术和机器人机构学。

98 液压与气动 2013年第5期1 汽车起重机虚拟建模现有的汽车起重机主要由伸缩、变幅、起升、回转机构和汽车底盘等组成。根据结构尺寸,基于 ProE的实体造型技术,首先按照 1:1建立汽车起重机各零件的模型,然后按结构关系组装成整机装配体,得到汽车起重机三维实体模型如图1所示。

图 1 汽车起重机三维实体模型汽车起重机三维实体模型是 AMESim和 MATLAB联合仿真的基矗在初始设计阶段,可根据三维实体模型建尼果,利用 AMESim和 MATLAB对系统进行联合仿真,得到仿真结果。然后根据仿真结果对所设计的零件进行修改,直到满足设计要求为止。

2 汽车起重机起升机构 AMESim模型的构建汽车起重机的起升液压系统多采用开式系统,其原理如图2所示。

41.液压泵 2.溢流闽 3.换向阀 4.平衡闽5.液压马达 6.制动油缸 7.节流阀 8.换向阀图2 起升液压系统原理图当换向阀处于左位时,液压油经过换向阀、平衡阀进人液压马达,重物起升。当换向阀处于右位时,液压油经过换向阀进入液压马达,并且作用于平衡阀,推动阀芯换向,重物在平衡阀的作用下限速下降。

根据起升机构液压系统原理,从 AMESim的元件库中选认适元件 ],搭建起升机构液压系统 AMES-im仿真模型。

1)发动机模型发动机选用变速发动机模型,通过改变输人信号控制转速,如图3所示。

图3 发动机模型2)液压泵模型液压泵采用连续信号直接加载代替电液比例操作,实现液压泵排量变化,如图4所示。

图4 液压泵模型3)手动换向阀模型从液压元件库选用三位四通阀,通过改变输入信号实现换向,如图5所示。

图 5 手动换向阀模型4)平衡阀模型平衡阀是起升机构液压系统中的重要元件。负载上升时,平衡阀仅起到单向阀的作用;负载下降时,平衡阀主阀芯工作,保证负载平稳下降 。根据平衡阀工作原理,搭建合适的平衡阀模型,如图6所示。

1.单 向阀阀芯 2.主阀芯图6 平衡阀模型5)机械结构模型起升机构机械部分主要包括减速器、滚筒、滑轮组、钢丝绳和负载重物。从 AMESim机械库中选择合适元件,搭建起升机构机械模型如图7所示。

上述主要模型搭建完成后,再从 AMEsim元件库中选取其他所需元件,然后接线,构建系统 AMESim模型如图8:所示。

◆ 2013年第5期 液压与气动1.减速器 2.旋转负荷 3.滑轮 4.钢丝绳 5.重物图7 机械机构模型④ ◎11 l21.发动机 2.液压泵 3.溢流阀 4.换向阀 5.平衡阀6.液压马达 7.减速器 8.绞盘 9.钢丝绳 10.重物11.液压流体参数 12.重力参数图8 起升机构 AMESim模型3 汽车起重机起升机构可视化界面设计汽车起重机起升机构可视化界面设计包括 GUI界面设计和回调函数编写两部分 ,在 MATLAB提供的开发环境 GUIDE中完成。

起升机构 GUI界面包括起升过程可视化、AMES-im模型运行和系统变量输出三个子界面。其中系统变量输出界面需要实时显示负载速度、高度和液压马达进出口压力变化曲线,因此共需要 5个 axes对象。

同时,针对起升机构具有起升和下降两种工况,需设置切换按钮。启动 GUIDE,从左侧的对象选择区选取需要的对象 ,拖放在布局区的合适位置,如图9所示。

GUI界面布局完成后,还需设置对象参数。图 l0为对象参数设置对话框。对象标识符Tag用于区分对象和回调函数的编写,为了程序的可读性,设置对象的Tag值如表 1所示。

回调 函数设计的核心是全局变量定义和读取AMESim数据文件。在回调函数开始,通过 global is-Pause,global isHosit,global isLower完成全局变量声明和定义;AMESim可输出数据文件,在回调函数中,通过函数 load( filename )即可完成读龋图 9 GUI编辑界面图 1O 参数设置表 1 对象 Tag值Name Tag 功能axesl animotion 显示起升过程动画axes2 model 显示 AMESim模型状态axes3 velocity 显示负载速度变化曲线axes4 height 显示负载高度变化曲线axes5 1c'ressure 显示马达进出口压力曲线pushbuttonl hoisting 起升按钮pushbutton2 falling 下降按钮pushbutton3 pause 暂停按钮回调函数流程图如图 11所示。由于起升机构具有起升和下降两种工况,因此定义了全局变量 isHosit100 液压与气动 2013年第5期和 isLower,通过程序对其赋true或 false控制两种工况的切换;若需暂停程序,可按暂停按钮,使全局变量 is-Pausetrue,跳出正在执行的程序;AMESim运行完起升(下降)工况后,导出数据文件,MATLAB/GUI回调函数通过 load( filename )读取数据,并赋给相应参数,通过编程完成起升过程可视化和输 出变量变化曲线。

否 否图 11 回调 函数流程图4 联合仿真4.1 仿真参数设置仿真参数的设置是运用 AMESim软件进行系统仿真分析的-个至关重要的环节,参数选取是否合适直接关系着仿真结果的准确性。在理论分析计算和物理试验数据的基础上,设置模型参数如表2所示。

4.2 联合仿真结果与分析选取汽车起重机基本臂、最小工作幅度、起吊最大起重量的典型工况来分析起升机构的动态性能。根据实际情况,负载处于起升工况时,平衡阀仅起到单向阀的作用,而负载处于下降工况时,平衡阀将发挥作用,保证负载能够平稳下降。因此,为了验证平衡阀和整个系统模型建模的正确性,设置信号源 UD02在 0~5 S时恒为 -40,模拟负载下降工况。设置仿真时长为5 S,采样时间间隔为 0.01 S。基于 AMESim和 MAT-LAB/GUI联合仿真的负载下降工况运行界面如图 12所示。图 13和图 14为负载下降时的速度和高度。

表2 起升机构 AMESim模型参数元件 子模型 参数发动机 PMV0O 转速:1900 r/min转速 :1900 r/min液压泵 PV002排量:250 mL/r溢流阀 RV0o 压力 :320 MPa额定电流:40 mA三位四通阀 HSV34固有频率:80 HzBAP01 弹簧预紧力 :138 N平衡阀BAPO2 t 弹簧预紧力:10 N转速:3100 r/min液压马达 M00o3排量:160 mL/r减速器 RNoo1A 减速比:65.8负载 MASoo2 质量:9018 kg图12 下降工况可视化界面鑫鍪图 13 负载下降速度0.0- I.O:;:898图 l4 负载高度2013年第5期 液压与气动 1014003500-5g时间/s图l5 液压马达进出口压力在图 12中所示的可视化界面中,系统变量输出界面实时显示负载速度、高度和液压马达进出口压力的变化曲线,同时界面中显示着下降过程中负载的实时位置以及液压系统运行状况图。

从图 l3-l5中可以看出,系统各变量均能够在 1s以内达到稳态值。负载刚开始下降时,平衡阀主阀口并未完全开启,液压马达出口流量滞后于液压马达进口流量,导致液压泵出口压力迅速升高至最大值。

负载加速下降过程中,平衡阀主阀口完全开启,液压泵供油不足导致液压马达进油口压力迅速下降,此时平衡阀主阀芯在弹簧力的作用下移动,主阀口开度减小,流量降低,消除负载加速下降的趋势。这-过程与实际过程基本相符,证明了所构建的 AMESim模型的正确性。

通过联合仿真,MATLAB/GUI直接读取 AMESim模型产生的数据文件,使起升过程可视化,同时提供了系统的直观信息,从而可以更加快速地验证 AMESim模型参数设置和建模的正确性,提高了系统仿真和分析的效率。

5 结论(1)针对单台汽车起重机,首先基于 ProE建立了汽车起重机的三维实体模型,然后分别构建了起升机构液压系统 AMESim模型和可视化界面,并通过编程实现了 AMESim与 MATLAB/GUI的联合仿真,最后对下降工况进行了仿真;(2)联合仿真结果表明,各变量均满足动态性能要求,所搭建的AMESim模型能够反映实际过程,且所设计的可视化界面友好,操作简单,能够直观有效地反映系统信息。AMESim和 MATLAB/GUI的联合仿真使用户在利用 AMESim对液压系统进行分析时,可以通过可视化界面观察整个起升机构的运动,为设计和分析提供了支持。

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