超大型液壓挖掘機閉式回轉系統慣量分析

　， ， ， (中國礦業大學 機電工程學院， 江蘇 徐州　221116)

引言

為了滿足各種大規模露天礦山的開采、煤炭和尾礦等物料的鏟裝，以及大型基礎建設的需要，超大型液壓挖掘機應用日趨廣泛[1，2]。超大型液壓挖掘機是典型的復雜機電液一體化裝備，具有大功率、超大慣量、多泵、多執行器的特點，其設計、控制及制造難度相當大。經歷了近50年的發展，國外成熟的超大型液壓挖掘機機重已超過1000 t，斗容量超過50 m3[3-6]，而國產超大型液壓挖掘機尚處于起步階段，與世界先進水平相比基本處于空白狀態。目前國產最大機型的機重不超過300 t，斗容量小于20 m3。圖1是國內企業研發的300 t超大型液壓挖掘機。

回轉是挖掘機工作過程中最頻繁的動作，對挖掘機的裝載效率、節能性和操控性產生重大的影響[7,8]。與中小型挖掘機不同， 超大型液壓挖掘機的上車重量及轉動慣量巨大，上車在運動過程中其重心及上車部分轉動慣量會發生較大變化，因此超大型挖掘機的回轉系統具有時變超大慣量特性[9-11]。與一般大慣量回轉系統不同，挖掘機的回轉系統要求能夠頻繁的快速啟動加速和快速制動減速， 以保證裝載效率。在快速起動和制動過程中，大慣量對液壓回轉系統產生如下影響[12-14]：

圖1　300 t超大型液壓挖掘機

(1) 啟動和制動階段，壓力沖擊大，危及元件及系統壽命；

(2) 壓力沖擊造成了大量的高壓溢流，系統發熱量大，系統效率低；

(3) 制動時，慣性能大且無法控制其釋放過程，常造成電機超速，危及系統安全，且該慣性能難以回收再利用。

本研究以300 t超大型液壓挖掘機為例，研究了回轉系統慣量的變化規律及對啟動和制動階段系統壓力響應的影響，該研究對提高超大型液壓挖掘機回轉系統的設計和控制水平具有重要意義。

1　300 t超大型液壓挖掘機回轉系統結構及特點

超大型液壓挖掘機的閉式回轉系統一般為多泵多馬達系統，回轉泵一般為雙向變量泵，回轉馬達為定量馬達。如圖2所示， 300 t超大型液壓挖掘機的閉式回轉系統采用2個變量泵，2個定量馬達。兩個變量泵串聯，取力于分傳動箱，兩個馬達經減速器共同驅動上車回轉。從本質上講， 該回轉系統是變量泵控定量馬達閉式容積調速系統，通過改變泵的排量，調節馬達轉速。

1.先導補油泵　2.回轉控制閥組　3.回轉變量泵 4、5.回轉馬達總成

為更清楚地表示超大型液壓挖掘機的閉式回轉系統的結構，將該多泵-多馬達系統等效成單泵-單馬達系統，如圖3所示。等效后的泵總排量和馬達總排量和實際系統中的泵及馬達總排量是對應相等的。300 t 超大型液壓挖掘機的主要技術參數見表1。

圖2　300 t超大型液壓挖掘機的閉式回轉系統原理圖

表1　300 t超大型液壓挖掘機的主要技術參數

在啟動加速和制動減速階段，馬達轉矩平衡方程為：

(1)

根據公式(1)得啟動、制動階段的系統高壓側壓力為：

(2)

(3)

挖掘機的回轉系統是一種特殊的液壓回轉系統：

(1) 回轉系統慣量巨大，且要求快速啟動和制動，因而壓力沖擊大。由公式(3)可知，回轉系統慣量越大，啟動制動階段壓力越大，同時為保證裝載效率，要求能快速啟動和制動，因而啟動制動階段壓力沖擊大。

2　300 t超大型液壓挖掘機回轉系統機電液聯合仿真模型

300 t超大型液壓挖掘機是非常復雜機電液一體化裝備，上車質量達107 t，因此制造成本高，周期長。為盡快掌握其回轉慣量變化規律及回轉慣量對回轉系統壓力特性的影響，本研究建立了300 t超大型液壓挖掘機回轉系統AMESim-ADAMS機電液聯合仿真模型[12]，如圖4所示。

圖4　300 t超大型液壓挖掘機回轉系統機電液聯合仿真模型

在ADAMS平臺上建立了工作裝置的機械模型。具體步驟是，先利用三維軟件Pro/E建立挖掘機的工作裝置(主要包括動臂、斗桿、鏟斗、轉臺、油缸等)的實體三維模型，然后導入ADAMS中，并設置模型的密度、約束條件、連接關系、傳遞參數、驅動力矩等，各部件之間的運動副采用ADAMS的STEP函數構造。在構建工作裝置時，不必完全形似，但各部件的質量、鉸接點位置、回轉半徑等參數應完全與實際挖掘機一致。

在AMESim平臺上建立了回轉系統的電液控制模型，主要包括回轉馬達模型、液壓泵模型、減速器模型、控制系統模型四部分。對各模型做如下設置：變量泵的排量為180 mL/r，數量為2個，轉速為1000 r/min，其排量由控制系統控制，可無極調節；定量馬達的排量為200 mL/r，數量為2個；沖洗閥開啟壓差為3 bar，低壓補油閥壓力為16 bar，流量為36 L/min；每個馬達的兩腔配有高壓溢流閥，溢流壓力為400 bar，該閥還集成了補油功能，防止系統吸空；減速器傳動比為480。

電液控制系統與機械系統通過接口模塊連接，接口有兩個參數:馬達力矩、轉速。通過接口模塊，電液控制系統輸出扭矩傳遞給機械系統進行加載運算，同時機械系統輸出轉速傳遞給電液控制系統。

3　300 t超大型液壓挖掘機回轉系統回轉慣量分析

3.1　回轉慣量變化規律

圖5是挖掘機工作裝置的不同位置。可見，回轉慣量的變化有兩個極限狀態，在T位置(此時斗桿和鏟斗全伸且動臂全縮)具有最大回轉慣量，在S位置(此時斗桿和鏟斗全縮且動臂全伸)具有最小回轉慣量。

圖5　挖掘機工作裝置的不同位置

圖6為300 t液壓挖掘機在一個回轉循環中轉動慣量的變化曲線，可獲得如下規律：

(1) 在一個回轉循環中，動臂、斗桿、鏟斗、物料的重心位置不斷變化，引起回轉慣量不斷變化，且呈“U”形的變化規律。具體表現為，在動臂提升+回轉的過程，慣量逐漸減小；在動臂下放+回轉的過程，慣量逐漸增大，動臂固定+回轉的過程，慣量不變，且處于最小值。

(2) 斗桿和鏟斗處于不同位置時，轉動慣量具有相同的變化規律。

經計算，最大轉動慣量(T位置)約為1×107kg·m2，最小轉動慣量(S位置)約為2.3×106kg·m2。

圖6　不同狀態下轉動慣量的變化曲線

3.2　回轉慣量對回轉壓力特性的影響

圖7是當泵控制信號具有相同斜率時，不同的轉動慣量對回轉特性的影響，三種轉動慣量分別為1×107kg·m2、9.1×106kg·m2、7.7×106kg·m2，可獲得如下規律：

(1) 不同慣量下，壓力響應具有相同的變化趨勢，具體表現為：

? 在啟動加速階段，泵為動力源，慣量為負載，泵排量逐漸增加至最大，通過馬達驅動慣量加速，此階段馬達進油腔為高壓，進油腔為低壓；

? 在制動階段，慣量為動力源，慣量驅動馬達，泵與馬達的角色互換，即馬達處于泵工況，而泵處于馬達工況，泵排量逐漸減小至零，此階段馬達進油腔為低壓，出油腔為高壓；

? 因為摩擦力矩始終為阻力，在相同的角加速度下，啟動階段的高壓側壓力大于制動階段。

(2) 無論在啟動階段還是制動階段，慣量越大，高壓側壓力越高。該結論可從公式(2)中得到解釋，在啟動階段，慣性負載是阻力，慣量越大，所需的壓力就越高；在制動階段，慣性負載變成了動力，慣量越大，所產生的壓力就越高。

1.馬達進油腔,1×107 kg·m2　2.馬達回油腔，1×107 kg·m2 3.馬達進油腔,9×106 kg·m2　4.馬達回油腔，9×106 kg·m2 5.馬達進油腔,7×106 kg·m2　6.馬達回油腔，7×106 kg·m2

4　結論

研究了300 t超大型液壓挖掘機回轉系統慣量的變化規律及對回轉系統壓力響應的影響，獲得了如下結論：

(1) 超大型液壓挖掘機回轉系統具有時變超大慣量特性。在回轉循環中，動臂、斗桿、鏟斗、物料的重心位置不斷變化，引起回轉慣量不斷變化，且呈“U”型的變化規律；

(2) 不同慣量下，回轉系統壓力響應具有相同的變化趨勢，慣量只對在啟動階段制動有影響，且慣量越大，高壓側壓力越高。

回轉系統慣量的變化規律及其回轉系統壓力特性的影響規律，為后續超大型液壓挖掘機回轉系統的設計與控制提供了理論依據。

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