排土机俯仰液压系统的改进及仿真优化.pdf

2 0 1 5年 4月 第 4 3 卷 第 8 期 机床与液压 MACH1 NE TO0L ＆ HYDRAUL I CS Ap r ． 2 0 1 5 Vo 1 ． 4 3 NO ． 8 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 0 8 ． 0 3 1 排土机俯仰液压系统的改进及仿真优化 肖艳 军 ，付景 海 ，王亚旭 ，关玉 明 河北工业大学机械学院，天津 3 0 0 1 3 0 摘要排土机俯仰机构由机械系统和液压系统组成。排土机排料臂上下动作时，其升降速度也发生改变，这对排土机 俯仰部分的稳定性极为不利。故对俯仰机构液压系统进行改进以保证其稳定性，并用 A M E S i m软件进行仿真研究，对于代 替液压系统试验十分必要。 关键词 俯仰机构 ；液 压系统 ；A ME S i m仿真优化 中图分类号 T D 4 2 2 文献标志码 A 文章 编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 5 8 - 0 9 3 3 I mp r o v e me n t a n d S i mu l a t i o n o f Ti l t Hy d r a u l i c S y s t e m i n t h e Du mp i n g Pl o u g h X I A O Y a n j u n ，F U J i n g h a i ， WA N G Y a x u ，G U A N Y u m i n g H e b e i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，T i a n j i n 3 0 0 1 3 0 ，C h i n a Ab s t r a c t P i t c h i n g p a r t o f t h e d u mp i n g p l o u g h c o n s i s t s o f me c h a n i c a l s y s t e m a n d h y d r a u l i c s y s t e m． W h e n t h e n e s t i n g a r I u mo v e s up a nd do wn， i t ’ S s pe e d c h a n g e s ．Th i s i s e x t r e me l y n e g a t i v e t o t he s t a bi l i t y o f t he p i t c h i n g pa r t ．So t he hy d r a u l i c s ys t e m o f t he p i t c h i n g p a r t w a s i mp r o v e d t o e n s u r e i t s s t a b i l i t y ． AME S i m s o f t wa r e wa s u s e d f o r s i mu l a t i o n v a l i d a t i o n ． I t i s n e c e s s a r y t o r e p l a c e t e s t b y s i m。 u l a t i o n s t u d y ． Ke ywor d s Pi t c hi ng me c ha ni s m ；Hy d r a ul i c s y s t e m；AMES i m s i mu l a t i o n a nd o pt i mi z a t i o n 排土机是一种 大型高效的物料运输设备 。我 国现 在 正处于工业化时期 ，重 工业 发展迅速 ，煤炭等 固体 能源和 固体矿物资源 的需求 量在不断扩大 ，排土机作 为大型物料运输机械受到越来越广泛的应用。排土机 主要 由履带行走 机构 、受料 臂 、配 重臂 、俯 仰 机构 、 排料臂等部分组成 ，见图 1 。 图 1排 土机 组 成 其 中俯仰机构 承受排 料臂的重力 ，并通过俯仰液 压缸 的伸缩 实现排 料臂的俯仰和物料 的分层堆积 。故 对俯 仰机构进行分 析至关 重要 。排土机俯仰机构分 为 上部钢丝绳起 吊和下部 液压缸支撑两种形式 。为 了保 证受力平衡 ．下部 液压缸支撑形式通常是用两个 液压 缸支撑 ，需保证两液压缸同步，由于液压缸密封性差 异及受力不平衡等诸多原因导致液压缸不同步，会造 成液压缸损害。而上部钢丝绳起吊只有一个液压缸， 避免 了不 同步 问题 。排土机俯仰机构通 常采用上部钢 丝绳起吊。此处要分析排土机俯仰结构为上部钢丝绳 起 吊形式 。 1 排土机俯仰液压 系统设计及 A ME S i m仿真 1 ． 1 排土机液压 系统设计 排土机俯仰部分 由机械 系统和液压系统组成。机 械系统包括俯仰液压缸、排料臂和作为连结的钢丝 绳 。其动作主要是通过俯仰 液压缸 伸缩 ，由钢丝绳带 动排料臂升降。由设计要求可知，此设计中是通过液 压缸伸缩来实现悬臂 的频 繁间歇上下运动 ，并要保证 悬臂在某一位置能够保持不 动 。即不能因悬臂重力使 之 自由下降 。因此需 要考 虑的基 本 回路 有卸 荷 回路 、 保压 回路等 排 土机作业 时 ．通过排 料臂俯 仰实现物料 的分层 堆积 1 3 。要求臂架上升、下降能快速换向以实现堆料 效率 。但如果液压缸速度过快 ，一旦 超过液压泵所能 提供 的最大速度 ，工作 腔中将出现真空 ，会导致出现 液压缸超速 回缩或者 拉伸的危险工况 。这就要求系统 必须保证一定 的供油 压力 ．并 在液压缸快速运动的 同 时不能有严重冲击．以免造成过大的瞬时倾覆力矩， 危 害整机稳定 性。而负载敏感变量泵可 以根据负载大 小和调速 要求 对 泵进 行 控制 ，故选 用 负载 敏感 变 量 泵 l 2 J 。设计 出原理图如图 2所示。 收稿 日期 2 0 1 4 0 3 2 3 作者简介 肖艳军 1 9 7 6 一 ，男 ，博士 ，副教授 ，主要研 究方向是智能控制 。E ma i l x_y a n j u n 2 0 0 9 1 6 3 ． c o rn。 9 4 机床与液压 第 4 3卷 L S负载敏感变量泵 电磁 换 向 阀 俯仰液压缸 溢流 阀 单向阀 过滤器 油箱 7 图 2 排 土机俯仰 液压 系统 原理图 1 ． 2 排 土机液 压 系统改进 排土机俯仰 部分排 料臂上 下动作 时 ，重心相对于 液压缸发生左右移动 ，液压缸所受力发生变化 。即液 压缸负载发生变化 。由于负载决定液压泵 的流量 ，流 量决定了液压缸缸杆的速度．所以排土机排料臂升降 速度也发生改变 ．这对排 土机俯仰部分稳定性极其不 利 。 为了解决压力负载变化带来的排料臂升降速度变 化问题 ，在 液 压 系统 中 加 入 定 差 减 压 型 压 力 补 偿 器 _ 3 ] 。如图 3 所示 。定差减压 型压力补偿 器 由梭 阀 4 和减压阀 5 组成。当液压缸 3 缸杆受力变化时，液压 缸有 、无杆腔压力通 过梭 阀 4比较 ，当发生 变化 时 ， 通过反馈给减压阀 5 调节其开 口量大小 ，改变减压 阀 进 出油 口压力 ，从而达到保持液压缸 有 、无杆 腔的压 力恒定 J 。 3 9 1 一变量泵 2 一 电磁换向阀 3 一俯仰液压缸 梭 阀 5 _ _ 减压 阀 6 _ _ 溢流 阍 7 一 单 向阀 8 一 过滤 器 9 _ I 油箱 图 3 改进俯仰液压系统原理图 1 ． 3 排 土机液压 系统 A ME S i m仿真 A M E S i m包含机 械 、信 号控制 、液压 、液压元 件 设计等工程学科 的应用 库。对液压 系统来说 ，设计者 可 以通过 A ME S i m直接对其进行物 理建模 ，并对该 系 统进行仿 真优 化 ，从 而 降低 开发成 本 和缩 短开 发 周 期 。 1 ． 3 ． 1 俯仰液压系统 原理 图 A ME S i m建模 首先 。对排土机俯仰机构液压系统建模 ，依 据上 一 节 的俯仰部分液压系统原理 图，建立 A M E S i m液压 模 型。由于俯仰 部 分液 压缸 所受 力不 固定 ，比较 复 杂 ．而作者要分析 的是液压缸杆在变力作用下是否能 保 持速度一致 ，验证该 系统是否合理 。为了便于分析 研究 ．将作用在液压缸缸杆 的力分为两个不 同大小的 阶段。根据仿真结果，判断系统是否合理。A M E S i m 模 型如 图 4所示 。 图4 A M E S i m俯仰液压模型图 1 ． 3 ． 2 A M E S i m液压模型设置仿真参数 仿真成功与否 ，除了正确 建立模 型以外 ，参数 的 合理性也必不可少 。各模型主要参数 如表 1 所示 。选 出正确且合适 的模型元件 ，并对这些 元件进行参数 赋 值是至关重要 的。 表 1 俯仰 液压系统参数表 原动机转速／ r mi n 泵转速／ r mi n 泵排量／ mL r 液压缸内径／ m m 液压缸缸杆直径／ m m 溢流 阀压力／ M P a 电磁换向阀输入信号 1 45 0 1 45 0 1 0 o 3 6 0 2 5 0 1 8 - 4 0 简化后的液压缸缸 杆受力如 图 5所示 ，t 0 ～ 4 S 时 ，设液压缸缸杆受力 1 ． 0 3 x 1 0 N， 4 - 8 S 时 ，设 液压缸缸 杆所受 力为 0 ． 9 8 x 1 0 N 。 第 8期 肖艳军 等 排土机俯仰液压系统的改进及仿真优化 9 5 设置仿真 时间为 8 s ，采 样频 率 为 1 0 0 0 H z ，进 行仿真 ，得 到俯 仰 液压 缸 缸 杆速 度 曲线 ，如 图 6所 示 。 1 l 童 0 0 昌 越 镧 0． 0 2． 0 4． 0 6． 0 8． 0 0． 0 2． 0 4． 0 6． 0 8． 0 时 间， s 时间， s 图 5 俯仰液压 缸受力图 图 6 液压缸 缸杆 速度图 由图 6 易 知 t 0 ～ 4 S 时 ，液压缸缸 杆速度稳 定 在 0 ． 0 3 5 m ／ s ；t 4 ～ 8 s时 ，液压缸 缸 杆速度 稳定 在 0 ． 0 2 4 m ／ s 。缸杆 在受 力发 生 变化 时 ，会 出现 较大 的 速度波 动 。由于 俯仰 液 压缸 在 较长 时 间 内，受 力 从 1 ． 0 3 x 1 0 N到 0 ． 9 8 1 0 N．变化不是很大 ，不会 出 现像 图 6 所呈 现的速度波动 。从 图 6得 出 液压 缸杆 在不 同力作用下 ．速度 大小 不同 ，不稳定。 1 ． 4 改进排土机俯仰液压系统 A M E S i m仿真 通过分析验证易 知 ．原设计俯 仰液压系统不能保 证速度 的稳定性 ．下 面用 A ME S i m分析上一节所 设计 的改进俯仰液压 系统是 否合 理 。首先 ，建立改进俯仰 液压 系统 A M E S i m模 型 ．由于 A ME S i m 中没有改 进俯 仰 液压系统 中相应 的减 压阀子模 型 ，需要 自己创建模 型。建完 的系统模 型如图 7 所示 。 图 7 A ME S i m俯仰液压 系统 改进 模型 图 1 ． 5 A ME S i m 液 压模 型设 置仿 真参 数 建模成功后 ，接着 对模 型元件进行选型 、参数赋 值。除了减压阀参数外，其余参数和原液压系统一 致 。 同样设 置 系统 的仿 真 时 间为 8 s ，采 样 频 率 为 1 0 0 0 H z ，对改进液压 系统进行 仿真 ，得 到俯仰 液压 缸缸杆速度 曲线 ．如图 8 所示 。 L r 0． 0 2． 0 4． 0 6． 0 8． 0 时 间， s 图 8 改进后俯仰液压缸缸杆速度图 由图 8易知 改进的俯仰液压缸缸杆速度一直稳 定在 0 ． 0 3 m ／ s 。速度 曲线波 动 较原 液压 系 统大 是 因 为所建减压阀模型不是理想的减压阀，其余液压元件 均为理想元件所造成 的。在 t 4 s 时有 较大波动 ，但 很快就达到稳定状态 。验证 了上一节分析结果 ，改进 液压系统维持 了液压缸杆速度稳定 。 2 总结 通过 A M E S i m分析 ，原先设计的液压系统确实存 在压力发生变化时速度 跟着变化 的问题 ，而改进后 液 压系统在压力发生变化 时 ．液 压缸缸 杆还能以固定速 度运动 。改进液压 系统在排土 机俯仰 液压系统 中俯 仰 液压缸需要速度稳定 的情况下 。解决 了这个 问题 ，证 明 了改进液压系统 的可行性 ，验证 了定差减 压型压 力 补偿器解决 了速度不稳定 问题 的结论 。 参考文献 [ 1 ]T A K AH A S H I H， H A S E G A WA M， N A K A N O E ． A n a l y s i s o n t he Re s i s t i v e F o r c e s Ac t i ng o n t h e Buc ke t o f a Lo a d Ha ul Du mp Ma c h i n e a n d a Wh e e l L o a d e r i n t h e S c o o p i n g T a s k [ J ] ． A d v a n c e d r o b o t i c s ， 1 9 9 8 ， 1 3 2 9 7 1 1 4 ． [ 2 ]MI T C H E L L J P ． L o a d S e n s i n g H y d r a u l i c C o n t r o l S y s t e m f o r V a r i a b l e D i s p l a c e me n t P u mp U S ， U S 6 2 1 6 4 5 6 [ P] ． 2 0 0 1 041 7． [ 3 ] N A K A MU R A O ． P r e s s u r e C o m p e n s a t o r fo r R o t a r y E a r t h B o ri n g T o o l U S ， U S 4 4 0 7 3 7 5 [ P ] ． 1 9 8 3 1 0 0 4 ． [ 4 ]WI L K E R A． Hy d r a u l i c C o n t r o l V a l v e S y s t e m w i t h N o n s h u t t l e P r e s s u r e C o mp e n s a t o r U S ， U S 5 8 9 0 3 6 2 [ P ] ． 1 9 9 9 一 O 40 6． [ 5 ]武小明， 韩静粉， 张晓光， 等． 排土机皮带 自动张紧系统 设计 [ J ] ． 自动化 应用 ， 2 0 1 3 7 1 7 1 9 ． 2 ∞ 2 n n 【 1 目 、 爝