礦用自卸車(chē)舉升液壓系統(tǒng)建模與仿真

陳雷

（中船重工集團(tuán)公司第七一○研究所，湖北宜昌443003）

0 引言

某礦用自卸車(chē)舉升系統(tǒng)負(fù)載大，要求卸貨時(shí)間短，由此導(dǎo)致舉升系統(tǒng)流量和壓力均很大。為了更好地了解系統(tǒng)工作狀態(tài)，以便對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行必要的優(yōu)化，本文采用AMESim仿真軟件對(duì)礦用自卸車(chē)舉升液壓系統(tǒng)進(jìn)行分析、建模和仿真研究。

1 舉升液壓系統(tǒng)原理

圖1為舉升液壓系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖，該舉升系統(tǒng)采用兩級(jí)伸縮末級(jí)雙作用液壓油缸作為執(zhí)行元件，用一個(gè)兩位四通閥代替插裝閥示意系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

圖1 舉升液壓系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖

不舉升時(shí)，DT1、DT2均斷電，電液換向閥處于中位，舉升泵輸出流量通過(guò)電液換向閥返回油箱。舉升時(shí)，DT2通電，電液換向閥移右位工作，舉升泵出口接通舉升缸無(wú)桿腔，舉升缸伸長(zhǎng)，驅(qū)動(dòng)貨箱翻轉(zhuǎn)。第二級(jí)缸伸出時(shí)，舉升油缸有桿腔的油液通過(guò)平衡閥，使得貨箱翻轉(zhuǎn)過(guò)程更平穩(wěn)。當(dāng)需要貨箱保持在某一個(gè)位置時(shí)，DT1、DT2均斷電。舉升終點(diǎn)時(shí)，貨箱觸發(fā)限位開(kāi)關(guān)，停止舉升。貨箱要回落時(shí)DT1、DT3通電，舉升泵出口與舉升缸有桿腔連通，強(qiáng)制舉升缸活塞桿縮回。

2 多級(jí)液壓缸的運(yùn)動(dòng)模型

在礦用自卸車(chē)舉升液壓系統(tǒng)建模過(guò)程中，對(duì)兩級(jí)舉升液壓缸的處理主要基于液壓缸的連續(xù)性方程和液壓缸與負(fù)載力平衡方程［1］，方程式如下：

式中：V1、V2為液壓缸進(jìn)油腔、回油腔體積，cm3；Q1、Q2為液壓缸進(jìn)油腔、回油腔流量，L/min；CiC、COC為液壓缸內(nèi)外泄漏系數(shù)；P1、P2為液壓缸進(jìn)油腔、回油腔壓力，Pa；A1、A2為液壓缸無(wú)桿腔、有桿腔活塞作用面積，cm2；βe為有效體積彈性模量；F為作用在活塞上的外負(fù)載，N；m為活塞和負(fù)載的總質(zhì)量，kg；s為活塞桿位移，m。

3 AMESim仿真模型的建立

根據(jù)多級(jí)液壓缸的工作原理，可將其分解為若干個(gè)相互連通的單級(jí)液壓缸的組合［2］。如圖2所示，將兩級(jí)舉升液壓缸分解為一個(gè)柱塞缸和一個(gè)單桿活塞缸。圖2中由虛線連接的兩個(gè)部件在實(shí)際中是第二級(jí)活塞缸，當(dāng)?shù)谝患?jí)缸伸出到最大位置后，第一級(jí)缸有桿腔被封閉。第二級(jí)缸開(kāi)始動(dòng)作以后，舉升油缸有桿腔的油液經(jīng)活塞桿壁上的孔及中心管道外側(cè)到達(dá)回油口最終回到油箱，從而保證多級(jí)缸壓力回縮時(shí)的有序動(dòng)作。

圖2 兩級(jí)液壓缸分解為單級(jí)液壓缸

根據(jù)上述分析，建立兩級(jí)伸縮末級(jí)雙作用液壓油缸AMESim模型如圖3所示。該模型將碰撞考慮為“接觸→變形→恢復(fù)→脫離接觸”的變化過(guò)程，歸結(jié)為“自由運(yùn)動(dòng)→接觸變形”兩種狀態(tài)，通過(guò)建立描述碰撞過(guò)程中力與接觸變形之間的關(guān)系，計(jì)算出碰撞過(guò)程中的接觸力和接觸變形［3］。

圖3 兩級(jí)舉升液壓缸AMESIM模型

如圖4為貨箱翻轉(zhuǎn)過(guò)程。礦石卸下過(guò)程中，負(fù)載質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量逐漸變小，當(dāng)達(dá)到貨物安息角時(shí)，礦石全部卸下，貨箱翻轉(zhuǎn)達(dá)到55°時(shí)自動(dòng)停止舉升。為提高仿真速度，本文未考慮負(fù)載質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的變化。

圖4 舉升過(guò)程示意圖

在AMESim建模過(guò)程中，參數(shù)設(shè)置對(duì)于仿真的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。以下為本次仿真的部分關(guān)鍵參數(shù)。兩級(jí)缸缸徑分別為280mm、230mm，行程分別為1362mm、1331mm，油液的體積彈性模量為1.7×109Pa，礦用自卸車(chē)載重量為190 t，車(chē)廂自重 22 t。

4 舉升液壓系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真與分析

本文所描述的舉升液壓系統(tǒng)采用的是兩級(jí)伸縮末級(jí)雙作用液壓油缸，與很多采用三級(jí)舉升液壓缸的系統(tǒng)有較大區(qū)別。而研究?jī)杉?jí)舉升液壓缸的資料較少，因此有必要利用AMESim仿真軟件對(duì)其進(jìn)行仿真，以便了解舉升過(guò)程中液壓缸內(nèi)的壓力變化情況，如圖5所示。

4.1 舉升缸貨箱轉(zhuǎn)過(guò)角度隨時(shí)間的變化

圖3 舉升液壓系統(tǒng)AMESim仿真模型

圖3 貨箱翻轉(zhuǎn)角度曲線

從圖6可知，仿真時(shí)間為16.5 s時(shí)，貨箱轉(zhuǎn)過(guò)角度達(dá)到55°，此時(shí)限位開(kāi)關(guān)觸發(fā)，舉升缸不在伸長(zhǎng)，貨箱基本停止動(dòng)作。貨箱浮動(dòng)1.5 s后壓力迫降過(guò)程開(kāi)始，整個(gè)下降過(guò)程持續(xù)11.2 s。

4.2 舉升缸油壓隨時(shí)間的變化

圖7 舉升缸無(wú)桿腔油壓變化曲線

圖7 舉升缸有桿腔油壓變化曲線

圖7 和圖8分別為舉升缸無(wú)桿腔和有桿腔的壓力變化曲線。由圖7可知，系統(tǒng)開(kāi)始舉升動(dòng)作和活塞面積變化時(shí)都會(huì)引起舉升缸內(nèi)較大的壓力沖擊。

5 結(jié)論

舉升系統(tǒng)開(kāi)始動(dòng)作和活塞面積變化時(shí)都會(huì)引起較大的壓力沖擊。當(dāng)車(chē)斗重心、舉升初始位置和各個(gè)鉸支點(diǎn)的位置確定后，缸內(nèi)油壓峰值就由舉升油缸的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定，因此設(shè)計(jì)舉升油缸時(shí)，需要考慮到該壓力沖擊造成的影響，以免帶來(lái)不必要的損失。本文未考慮負(fù)載質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的變化，與實(shí)際情況有一定的偏差，下一步工作需要對(duì)車(chē)斗的卸貨過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真并與AMESim進(jìn)行機(jī)械液壓聯(lián)合仿真。

［1］ 商欽和，黃先祥.多級(jí)缸起豎系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的建模與仿真［J］．系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2005（7）：1563-1565，1568．

［2］ 楊務(wù)滋，季偉.礦用自卸車(chē)舉升液壓系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)建模與仿真［J］.現(xiàn)代制造工程，2009（3）：83-86，94.

［3］ 畢紅霞，王艾倫.基于AMESIM的220t礦山自卸車(chē)舉升系統(tǒng)多級(jí)液壓缸的建模與仿真［J］.現(xiàn)代機(jī)械，2008（4）：9-11.