液压挖掘机回转系统的仿真研究.pdf

2 0 1 2年 8月 第 加 卷 第 1 5期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAULI CS Au g ．2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ．1 5 O OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 1 5 ． 0 3 5 液压挖掘机回转系统的仿真研究 吴文海，柯坚，李培，刘桓龙 西南交通大学机械工程学院， 四川成都 6 1 0 0 3 1 摘要以2 3 t 挖掘机为研究模型，分析电力式回转系统和液压式回转系统的主要结构和工作原理。针对挖掘机回转平 台的一般工况 ，建立两种系统的仿真模型。通过仿真分析，得出两种系统的速度 、位移和能耗曲线 ，可以看出电力式回 转系统具有控制性能更优、能量利用率更高等特点。 关键词液压挖掘机 ；回转系统；仿真 中图分类号T H1 3 7 ． 7 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 l 51 2 5- 3 S i mu l a t i o n o f S l e wi n g S y s t e m o f Hy d r a u l i c Ex c a v a t o r Wu We n h a i ，K E J i a n，L I P e i ，L I U Hu a n l o n g C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， C h e n g d u S i e h u a n 6 1 0 0 3 1 ，C h i n a Ab s t r a c t T a k i n g 2 3 t e x c a v a t o r a s t h e r e s e a r c h mo d e l ，the ma i n s t r u c t u r e s a n d wo r k i n g p r i n c i p l e s o f e l e c t r i c s l e w i n g s y s t e m a n d h y d r a u l i c s l e win g s y s t e m we r e a n a l y z e d ．F o r t h e g e n e r a l c o n d i t i o n s o f e x c a v a t o r s l e win g p l a tf o r m，the s i mu l a t i o n mode l s o f the t wo s y s - t e ms we re e s t a b l i s h e d ．T h r o u g h s i mu l a t i o n ana l y s i s ，t h e s p e e d c u r v e s ，d i s p l a c e me n t c u r v e s a n d e n e r g y c o n s u mp t i o n c u rve s o f t h e two s y s t e m s w e re g o t t e n ．I t C an b e s e e n tha t the e l e c t r i c s l e w i n g s y s t e m h a s bet t e r c o n t r o l p e r f o rmanc e ， h i ghe r e n e r g y e ffic i e n c y and o the r c h a r a c t e r i s t i c s ． Ke y wo r d s Hy d r a uli c e x c a v a t o r ；S l e win g s y s t e m；S i mu l a t i o n 挖掘机作为应用最为广泛的工程机械 ，在土方施 工中一直起着重要的作用。随着近年国家经济建设的 发展 ，对其需求量越来越大。但是液压挖掘机一直存 在着能耗高、排放差的特点，所以在挖掘机技术 日益 成熟的今天，节能减排成为挖掘机发展的一个重要突 破 口。 回转系统作为挖掘机的主要组成部分，在装载、 挖掘和平地等多种工况中发挥着重要作用。据统计 回转机构 的回转时间约 占液压挖掘机 整个工作 时间的 5 0 ％ ～ 7 0 ％ ，能 量 消耗 约 占 2 5 ％ 一 4 0 ％ ，回转 液 压 油路的发 热量 约 占液 压 系统 总发 热量 的 3 0 ％ 一 4 0 ％⋯。因此 ，合理地设计回转系统，正确地选择回 转系统的控制参数，对提高生产率和功能利用率、改 善操作人员工作条件、减少系统液压冲击等具有重要 的意义 。 随着混合动力技术在挖掘机行业的推广，相关研 究人员提出了一种新的回转系统，这种系统采用 I S G 电机代替液压马达 ，但这种系统仍处在试验研究阶 段。作者分析了2 3 t 挖掘机的回转工况 ，建立了液压 式和电力式回转系统的仿真模型，对比分析了在完成 相同工作的情况下两种系统的相关性能参数。 1 回转系统的原理分析 文中以 2 3 t 液压挖掘机的回转装置为模型 ，分 析电力式和液压式两种回转系统的具体结构和工作 机 制 。 1 ． 1 液 压 式回转 系统 液压式回转系统结构如图1 所示 ，动力由变量柱 塞泵 5提供，压力油经伺服阀 3到达回转马达 1 ，回 转马达 1 在进出口压差的作用下实现转动 ，回转马达 两侧的安全压力由溢流阀 2 、6设定，柱塞泵出口的 安全压力由溢流阀4设定。 压 马达 6 -- - 溢 流 阀 服 阀 量柱塞泵 图1 液压式回转系统 液压式回转系统的转动控制是通过控制伺服阀3 实现的。操控台将控制指令输出到控制器 ，控制器将 控制指令转换为相关的电信号来控制伺服阀，通过控 收稿 日期 2 0 1 1 0 71 0 作者简介吴文海 1 9 7 9 一 ，男 ，讲师，研究方向为驱动技术与智能系统。Em a i l w w h s w j t u ． e n 。 1 2 6 机床与液压 第4 O卷 制伺服阀的动作，实现对液压马达的转动状态和转动 速度 的控制 。 1 ． 2 电力式回转系统 电力式回转系统结构如 图 1 所示 ，由电机经过变 速箱来带动转台及工作装置 的转动 ，由超级 电容提供 电机工作所需 的能量 。 [ i 一 一 一 一 一 一 燧 区亟囝 图 2电力式 回转系统 电力式 回转系统 的正反转和转速 的控制 ，都是 由 操控 台通过控制器实现的。操控 台给出转动 的指令到 控制器，控制器解码后，通过输出相应的电机控制扭 矩来实现对电机转动状态的控制，电机的转动通过变 速箱作用到转台。 2 回转 系统仿真模型建立 根据挖掘机回转系统的一般工况，采用 A ME S i m 分别建立了液压式和电力式回转系统的仿真模型。 液压式 回转 系统 中，对 柱 塞泵 采用 了负 流量控 制，由开关阀和伺服阀完成六通阀的作用 ，通过检测 回油端节流 阀的背压 ，来控制液压泵排量 的改变 ，并 采用了P I D控制方法来控制伺服阀的动作。具体模型 如 图 3所示 。 图 3 液压式回转系统仿真模型 电力式回转系统中，通过改变电机的输入扭矩来 控制转 台的转动状态和速度 ，并通过 P I D控制来保证 转角 的精确性 。其仿直模型如图 4所示 。 图4 电力式回转系统仿真模型 3回转 系统的仿真及分析 针对 2 3 t 挖掘机 的回转平 台，当挖掘机满载 回转 时 ，其转动惯量可以按照经验公 式来估算 上 J 9 6 0 m 1 式 中m为整机质量 t ； I ， 为满载 时转 台转动惯量 。 由于文中选用2 3 t 挖掘机为研究模型，所以可以 根据式 1 计算出转台转动惯量为 5 5 J9 6 0 m了9 6 02 3 亍1 7 8 5 7 3 k gm 2 对于液压式回转系统 ，为保证能带动转 台有效地 工作，选用 为 K MF 9 0 A B - 3液压马达，排 量为 8 7 ． 8 m L ／ r ，额定转速 为 2 2 6 0 r ／ m i n 。 对于电力式回转系统 ，为满足转 台转动 时的功率 需求，选择 Y 1 8 0 M- 2型电机，其额定功率为 2 2 k W， 额定转速为 2 9 4 0 r ／ m i n 。 按照上述建立 的模 型 ，在参数设置 和完善后 ，按 照旋转 9 0 。 一停止 4 s 一 回转到初始位 置 的工况 进行仿 真 ，得到了两 种 回转系 统 的相关 性 能参 数 的对 比曲 线 。 两种回转系统的角位移曲线如图5所示。可以看 出电力式回转系统的角位移曲线更接近输入的控制 角位移 曲线 ，所 以电力式 回转系统在转动过程中 比液 压式 的响应更快速 、更准确 。 两种 回转 系统 的角速度 曲线如 图6所示 。 般 l 一液压式回转系统 2 一 电力式回转系统 时间， s 图 5回转 系统 的 角位移曲线 1 一 液压 式 回转 系统 0 5 10 15 20 时 间， s 图 6回转系统 的 角速度曲线 由图 6可 以看出 两种 回转系统的角速度的大致 走向是一致的，但是电力式回转系统比液压式的加速 和减速过程更 短一些 ，说 明在 回转过程 中电力式的响 4 2 O 五 4 卜 Ⅱ I 叩 v 、 磺般螺憾毒 耄 凰 第 1 5期 吴文海 等液压挖掘机回转系统的仿真研究 1 2 7 应更快、运行更为平稳。 两种系统消耗的功率曲线如图 7所示，两种系 统的功率变化和系统的转动速度有密切关系。从 图 7可 以看 出 电力式 回转 系 统在 加 速 和减 速过 程 中 的功率最大 ，并且电机可以在减速时吸收转台制动 时的能量；液压式回转系统 由于加速过程和减速过 程时间较长 ，转台运动过程中达到峰值，并且由于 液压式回转系统的转动方向的控制是由伺服阀来实 现的，伺服阀换向过程 中，在阀口也造成 了部分功 率 的损 耗 。 从仿真模型中可以得到两种系统所 消耗 的能量 曲 线如 图 8 所示 。 蚕 褂 耀 瓣 避 谣 辩 回 25 1 0 ．5 ．2 0 0 5 1 0 l 5 2 0 0 5 1 0 l 5 2 0 时 间， s 时间， s 图7 回转系统的 图 8 回转系统消耗 功率曲线 的能量曲线 从 图 8可以看出 电力式 回转系统在工作过程 中 消耗 的能 量 明显小 于 液压 式 ，在一 个完 整 工作 过程 中 ，电力式 消耗 能量 为 6 5 ． 1 3 6 l 【 J ，而 液压 式消耗 的 能量 是 1 0 3 ． 8 3 7 k J ， 电 力 式 比 液 压 式 节 省 能 量 3 7 ． 2 7％ 。 从仿真分析中可以看出电力式回转系统相比于 液压式回转系统，具有控制性能更优、能量利用率更 高等特点，更适合应用在混合动力挖掘机上 ，以提高 挖掘机 的综合性能 。 4结论 以2 3 t 挖掘机为研究模型 ，分析了电力式回转系 统和液压式回转系统的主要结构和工作原理 ，在此基 础上建立了两种系统的仿真模型，并根据实际情况计 算了转台的转动惯量和选择了相关的元件。 通过仿真分析，可以看出电力式回转系统具有控 制性能更优、能量利用率更高等特点 ，适合在油电混 合的挖掘机领域进行推广，以提高产品的综合性能。 参考文献 【 1 】 付永领， 祁晓野． A M E S i m系统建模和仿真 从入门到精 通[ M] ． 北京 北京航空航天大学出版社， 2 0 0 6 ． 【 2 】 李元钊 ， 王述彦． WY 4 0 液压挖掘机回转机构改进方案 的研究[ J ] ． 建筑机械， 1 9 9 6 1 2 91 3 ． 【 3 】 余佑官， 龚国芳， 胡国良． A M E S i m仿真技术及其在液压 系统中的应用[ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 0 5 3 2 83 0 ． 【 4 】张树忠， 张弓， 陆军坊， 等． 挖掘机回转液压系统的仿真 研究[ J ] ． 建筑机械化， 2 0 0 8 1 1 5 7 5 9 ． 【 5 】尚刚， 权龙． 基于 A M E S i m的挖掘机回转液压系统仿真 分析[ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 0 9 5 3 4 3 8 ． 【 6 】黄宗益， 范基， 叶伟． 挖掘机 回转液压操纵 回路 一 [ J ] ． 建筑机械化， 2 0 0 4 1 5 5 5 7 ． 【 7 】黄宗益， 范基， 叶伟． 挖掘机 回转液压操纵 回路 二 [ J ] ． 建筑机械化 ， 2 0 0 4 2 6 2 6 3 ． 【 8 】肖清． 液压挖掘机混合动力系统的控制策略与参数匹配 研究[ D] ． 杭州 浙江大学， 2 0 0 8 ． 2 0 1 2年上半年机床工具行业生产运行快报 2 0 1 2年 1 6月 ，全国机床工具行业增速 同比继续出现小幅下滑的态势，工业总产值的增速为 1 2 ． 4 3 ％，同比下降了2 4 ． 7 ％；工业销售产值的增速为 1 2 ． 7 2 ％，同比下降了2 4 ． 3 2 ％；出 口交货值的增 速为 7 ． 6 0 ％ ，同 比下降了 1 5 ． 2 3 ％ 。 1 产销增速连续整体下滑。2 0 1 2年 1 6月 ，全 国机床工具行业完成工业总产值 3 6 5 4 ． 5 0亿元 ， 同比增长 1 2 ． 4 3 ％；完成销售产值 3 5 6 3 ． 3 5 亿元，同比增长 1 2 ． 7 2 ％；产销率为 9 7 ． 5 ％。销售产值连续 半年以来整体出现大幅下滑的态势。其中，切削工具制造 、铸造机械制造、机床附件制造行业的增速下 降幅度 占比较大，同比增速分别下滑了3 5 ． 6 1 ％、2 8 ． 8 2 ％和3 7 ． 2 8 ％。 2 出口交货值增速仍然普遍下滑。2 0 1 2年 1 6月，机床工具行业实现出口交货值 2 0 3 ． 5 4亿元 ， 同比增长7 ． 6 0 ％ ，与去年同期相比下降了 1 5 ． 2 3 ％。从子行业来看，除了金属切削机床制造、金属成形 机床制造、铸造机械制造行业的增速有所增长以外，其他子行业的增速均有所下降，其中，其他非金属 加工专用设备制造行业下降幅度最大 ，由9 8 ． 2 7 ％下降至 一 2 5 ． 5 6 ％ ，同比下降了 1 2 3 ． 8 3 ％；其次是木材 加工机械制造行业 ，同比下降了5 7 ． 7 7 ％。 3 主要产品产量大幅下滑。6月份，机床工具行业 7种产品中机床数控装置 、金属切削工具产品 的产量同比出现小幅增长 ，其他行业的增速均有所下滑。 内容来源中华机械网