排土機(jī)俯仰液壓系統(tǒng)的改進(jìn)及仿真優(yōu)化

肖艷軍，付景海，王亞旭，關(guān)玉明

(河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院，天津300130)

排土機(jī)是一種大型高效的物料運(yùn)輸設(shè)備。我國(guó)現(xiàn)在正處于工業(yè)化時(shí)期，重工業(yè)發(fā)展迅速，煤炭等固體能源和固體礦物資源的需求量在不斷擴(kuò)大，排土機(jī)作為大型物料運(yùn)輸機(jī)械受到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。排土機(jī)主要由履帶行走機(jī)構(gòu)、受料臂、配重臂、俯仰機(jī)構(gòu)、排料臂等部分組成，見(jiàn)圖1。

圖1 排土機(jī)組成

其中俯仰機(jī)構(gòu)承受排料臂的重力，并通過(guò)俯仰液壓缸的伸縮實(shí)現(xiàn)排料臂的俯仰和物料的分層堆積。故對(duì)俯仰機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析至關(guān)重要。排土機(jī)俯仰機(jī)構(gòu)分為上部鋼絲繩起吊和下部液壓缸支撐兩種形式。為了保證受力平衡，下部液壓缸支撐形式通常是用兩個(gè)液壓缸支撐，需保證兩液壓缸同步，由于液壓缸密封性差異及受力不平衡等諸多原因?qū)е乱簤焊撞煌?，?huì)造成液壓缸損害。而上部鋼絲繩起吊只有一個(gè)液壓缸，避免了不同步問(wèn)題。排土機(jī)俯仰機(jī)構(gòu)通常采用上部鋼絲繩起吊。此處要分析排土機(jī)俯仰結(jié)構(gòu)為上部鋼絲繩起吊形式。

1 排土機(jī)俯仰液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)及AMESim 仿真

1.1 排土機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

排土機(jī)俯仰部分由機(jī)械系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)組成。機(jī)械系統(tǒng)包括俯仰液壓缸、排料臂和作為連結(jié)的鋼絲繩。其動(dòng)作主要是通過(guò)俯仰液壓缸伸縮，由鋼絲繩帶動(dòng)排料臂升降。由設(shè)計(jì)要求可知，此設(shè)計(jì)中是通過(guò)液壓缸伸縮來(lái)實(shí)現(xiàn)懸臂的頻繁間歇上下運(yùn)動(dòng)，并要保證懸臂在某一位置能夠保持不動(dòng)，即不能因懸臂重力使之自由下降。因此需要考慮的基本回路有卸荷回路、保壓回路等。

排土機(jī)作業(yè)時(shí)，通過(guò)排料臂俯仰實(shí)現(xiàn)物料的分層堆積［1］。要求臂架上升、下降能快速換向以實(shí)現(xiàn)堆料效率。但如果液壓缸速度過(guò)快，一旦超過(guò)液壓泵所能提供的最大速度，工作腔中將出現(xiàn)真空，會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)液壓缸超速回縮或者拉伸的危險(xiǎn)工況。這就要求系統(tǒng)必須保證一定的供油壓力，并在液壓缸快速運(yùn)動(dòng)的同時(shí)不能有嚴(yán)重沖擊，以免造成過(guò)大的瞬時(shí)傾覆力矩，危害整機(jī)穩(wěn)定性。而負(fù)載敏感變量泵可以根據(jù)負(fù)載大小和調(diào)速要求對(duì)泵進(jìn)行控制，故選用負(fù)載敏感變量泵［2］。設(shè)計(jì)出原理圖如圖2 所示。

圖2 排土機(jī)俯仰液壓系統(tǒng)原理圖

1.2 排土機(jī)液壓系統(tǒng)改進(jìn)

排土機(jī)俯仰部分排料臂上下動(dòng)作時(shí)，重心相對(duì)于液壓缸發(fā)生左右移動(dòng)，液壓缸所受力發(fā)生變化，即液壓缸負(fù)載發(fā)生變化。由于負(fù)載決定液壓泵的流量，流量決定了液壓缸缸桿的速度，所以排土機(jī)排料臂升降速度也發(fā)生改變，這對(duì)排土機(jī)俯仰部分穩(wěn)定性極其不利。

為了解決壓力負(fù)載變化帶來(lái)的排料臂升降速度變化問(wèn)題，在液壓系統(tǒng)中加入定差減壓型壓力補(bǔ)償器［3］。如圖3 所示，定差減壓型壓力補(bǔ)償器由梭閥4和減壓閥5 組成。當(dāng)液壓缸3 缸桿受力變化時(shí)，液壓缸有、無(wú)桿腔壓力通過(guò)梭閥4 比較，當(dāng)發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)反饋給減壓閥5 調(diào)節(jié)其開(kāi)口量大小，改變減壓閥進(jìn)出油口壓力，從而達(dá)到保持液壓缸有、無(wú)桿腔的壓力恒定［4］。

圖3 改進(jìn)俯仰液壓系統(tǒng)原理圖

1.3 排土機(jī)液壓系統(tǒng)AMESim 仿真

AMESim 包含機(jī)械、信號(hào)控制、液壓、液壓元件設(shè)計(jì)等工程學(xué)科的應(yīng)用庫(kù)。對(duì)液壓系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)者可以通過(guò)AMESim 直接對(duì)其進(jìn)行物理建模，并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行仿真優(yōu)化，從而降低開(kāi)發(fā)成本和縮短開(kāi)發(fā)周期［5］。

1.3.1 俯仰液壓系統(tǒng)原理圖AMESim 建模

首先，對(duì)排土機(jī)俯仰機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)建模，依據(jù)上一節(jié)的俯仰部分液壓系統(tǒng)原理圖，建立AMESim 液壓模型。由于俯仰部分液壓缸所受力不固定，比較復(fù)雜，而作者要分析的是液壓缸桿在變力作用下是否能保持速度一致，驗(yàn)證該系統(tǒng)是否合理。為了便于分析研究，將作用在液壓缸缸桿的力分為兩個(gè)不同大小的階段。根據(jù)仿真結(jié)果，判斷系統(tǒng)是否合理。AMESim模型如圖4 所示。

圖4 AMESim 俯仰液壓模型圖

1.3.2 AMESim 液壓模型設(shè)置仿真參數(shù)

仿真成功與否，除了正確建立模型以外，參數(shù)的合理性也必不可少。各模型主要參數(shù)如表1 所示。選出正確且合適的模型元件，并對(duì)這些元件進(jìn)行參數(shù)賦值是至關(guān)重要的。

表1 俯仰液壓系統(tǒng)參數(shù)表

簡(jiǎn)化后的液壓缸缸桿受力如圖5 所示，t=0 ～4 s時(shí)，設(shè)液壓缸缸桿受力1.03 ×106N，t =4 ～8 s 時(shí)，設(shè)液壓缸缸桿所受力為0.98 ×106N。

設(shè)置仿真時(shí)間為8 s，采樣頻率為1 000 Hz，進(jìn)行仿真，得到俯仰液壓缸缸桿速度曲線，如圖6 所示。

圖5 俯仰液壓缸受力圖

圖6 液壓缸缸桿速度圖

由圖6 易知:t =0 ～4 s 時(shí)，液壓缸缸桿速度穩(wěn)定在0.035 m/s;t=4 ～8 s 時(shí)，液壓缸缸桿速度穩(wěn)定在0.024 m/s。缸桿在受力發(fā)生變化時(shí)，會(huì)出現(xiàn)較大的速度波動(dòng)。由于俯仰液壓缸在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，受力從1.03 ×106N 到0.98 ×106N，變化不是很大，不會(huì)出現(xiàn)像圖6 所呈現(xiàn)的速度波動(dòng)。從圖6 得出:液壓缸桿在不同力作用下，速度大小不同，不穩(wěn)定。

1.4 改進(jìn)排土機(jī)俯仰液壓系統(tǒng)AMESim 仿真

通過(guò)分析驗(yàn)證易知，原設(shè)計(jì)俯仰液壓系統(tǒng)不能保證速度的穩(wěn)定性，下面用AMESim 分析上一節(jié)所設(shè)計(jì)的改進(jìn)俯仰液壓系統(tǒng)是否合理。首先，建立改進(jìn)俯仰液壓系統(tǒng)AMESim 模型，由于AMESim 中沒(méi)有改進(jìn)俯仰液壓系統(tǒng)中相應(yīng)的減壓閥子模型，需要自己創(chuàng)建模型。建完的系統(tǒng)模型如圖7 所示。

圖7 AMESim 俯仰液壓系統(tǒng)改進(jìn)模型圖

1.5 AMESim 液壓模型設(shè)置仿真參數(shù)

建模成功后，接著對(duì)模型元件進(jìn)行選型、參數(shù)賦值。除了減壓閥參數(shù)外，其余參數(shù)和原液壓系統(tǒng)一致。

同樣設(shè)置系統(tǒng)的仿真時(shí)間為8 s，采樣頻率為1 000 Hz，對(duì)改進(jìn)液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真，得到俯仰液壓缸缸桿速度曲線，如圖8 所示。

圖8 改進(jìn)后俯仰液壓缸缸桿速度圖

由圖8 易知:改進(jìn)的俯仰液壓缸缸桿速度一直穩(wěn)定在0.03 m/s。速度曲線波動(dòng)較原液壓系統(tǒng)大是因?yàn)樗p壓閥模型不是理想的減壓閥，其余液壓元件均為理想元件所造成的。在t=4 s 時(shí)有較大波動(dòng)，但很快就達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。驗(yàn)證了上一節(jié)分析結(jié)果，改進(jìn)液壓系統(tǒng)維持了液壓缸桿速度穩(wěn)定。

2 總結(jié)

通過(guò)AMESim 分析，原先設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)確實(shí)存在壓力發(fā)生變化時(shí)速度跟著變化的問(wèn)題，而改進(jìn)后液壓系統(tǒng)在壓力發(fā)生變化時(shí)，液壓缸缸桿還能以固定速度運(yùn)動(dòng)。改進(jìn)液壓系統(tǒng)在排土機(jī)俯仰液壓系統(tǒng)中俯仰液壓缸需要速度穩(wěn)定的情況下，解決了這個(gè)問(wèn)題，證明了改進(jìn)液壓系統(tǒng)的可行性，驗(yàn)證了定差減壓型壓力補(bǔ)償器解決了速度不穩(wěn)定問(wèn)題的結(jié)論。

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