正流量液压挖掘机动臂回路流量特性分析.pdf

第 1 期 总第 1 8 2期 2 01 4年 O 2月 机 械 工 程 与 自 动 化 MECHANI CAL ENGl NEE Rl NG AUT M ATI N No ． 1 Fe b ． 文章编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 4 0 1 0 0 4 5 0 3 正流量液压挖掘机动臂 回路流量特性分析 张永强 ，刘 建 ，仉志强。 ，钟 家怡。 1 ． 太原 重工 股 份 有 限 公 司。 山西 太 原0 3 0 0 2 4 ；2 ． 太原 科 技 大 学 机 械 工 程 学 院， 山西 太原 0 3 0 0 2 4 ；3 ． 柳工机械工程股份有 限公 司，广西 柳州 5 4 5 0 0 7 摘要 针对液压挖 掘机动臂 在下降过程中重力势能利用率低的 问题 ，对挖掘机 动臂机构和液压 系统进行 了理 论分 析．分别 建 立 了液 压 挖 掘 机 动 臂 在 下 降 过 程 中的 机 构 运 动 学 模 型 和 液 压 回 路 的 数 学 模 型。采 用 AME S i m 软件 建立 了动臂机构运动 与液 压 回路 的仿真模 型，分析 主 泵一 多路 闭一 负载 的正 流量 控制参 数。 并通过遗传 算法优化节流 阎通径 ，得 出两组节流 阀通径最优值。 关键 词正流量；液压挖掘机 ；节能 ；流量特性；动臂 中图分类号 TU6 2 1 TP 3 9 1 ． 7 文献标识码 A 0 引言 正流量液压挖掘机液压系统的流量供应能够跟随 负载所需流量进行实时变化 ， 实现系统流量的实时匹 配 。但是挖掘机动臂在下降过程 中存在着很大的重力 势能 ， 而且挖掘机在工作过程中动臂需要频繁地制动 和举升， 这部分势能如果能够 回收再利用 ， 将在很大程 度上提高挖掘机的能量利用率， 提高系统的工作效率 。 因此 ， 本文对 2 2 t 正流量液压挖掘机动臂下降过程的 机构运动与动臂液压回路进行理论分析 ， 并进行建模 仿真分析 ， 优化系统参数。 I 动 臂 下降 过程 的机构 运 动学模 型 动臂下降动作采用常用测试方法 中规定 的动作 斗杆油缸和铲斗油缸缩 回到末端 ， 保持斗杆和铲斗固 定不动， 在工装机构 自重和双动臂油缸液压力 的共 同 作用下 ， 整个工装机构 自上而下运动至水平地面 ， 完成 动臂下降动作。 动臂下降动作主要是在牵 引力矩和阻力矩的共同 作用下完成 的。牵引力矩主要是由动臂油缸有杆腔的 液 压力 和工 装机 构 自重共 同作 用 产 生 的转 动力 矩 ， 该 转动力矩不仅受到动臂油缸有杆腔液压力和工装机构 本身 自重的影响， 而且还受 到工装机构 自身几何参数 的影响 。阻力矩主要是由动臂油缸活塞与缸筒内壁产 生的摩擦力和其他摩擦力共同作用产生的。 图 1 为动臂机构 图， 根据工装机构的几何关 系和 力矩 平 衡原 理建 立如 下数 学模 型 。 I 动臂油缸的力臂 e 1 一Z mZ s i n 0 ／ Z ． 1 2 动臂油 缸 的总长 度 z 一√ 珞 一2 z 舯z 舯c o s ． 2 3 工装机构、 动臂整体运动的动态平衡方程为 Fe 1 一 J Ge 2 ． 3 其中 F为动臂缸 的作用力 ； J为工装与动臂整体的转 动惯量 ； G为工装 自重 ； 为工装机构产生的力臂。 4 工装机构产生的力臂 一 Z s i n O , ． 4 图 1动 臂 机 构 图 2 动臂 回路 液压 系统 动态模 型 图 2为挖掘机动臂液压 回路 图。它主要 由主泵 、 动臂多路 阀和动臂油缸组成 ， 采用了流量再生回路， 由 节流阀 1 、 2和单向阀等组成动臂流量再生回路 。所谓 流量再生就是在动臂下降工况下 ， 利用负载 自身重力 产生的液压力将油液从 高压腔输送到低压腔内， 使系 统所需 主泵 流量最 小 。 根据斗杆结构布置情况 ， 单 向阀阀芯通径初选 为 1 8 mm。按照功率键合 图原理， 建立动臂 回路的数学 模型 。 1 动臂油缸有杆腔的连续性方程为 Q p Q 一 A 1 警一 ． 5 u ‘ r e 其 中 Q 为进油流量 ； Q 为经过节流阀 2的液压油流 收稿 日期 2 0 1 3 - 0 7 1 5 ；修 回 日期 2 0 1 3 0 7 2 5 作者简介 ；张永强 1 9 8 4 一 ，男 ，f1 ．J 蹿介休人，助理__1 程 师，本科 ，研究方 向液压挖掘机 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 6 机 械 工 程 与自 动 化 2 0 1 4年第 l期 量 ； P 为液 压 缸 有 杆 腔 压 力 ； A 为 液 压 缸 有 杆 腔 面 积 ； 为液 压 缸位 移 ； V 为液 压 缸有 杆 腔 有效 容 积 ； 为有效体积弹性模量 。 2 图 2动 臂 液 压 回 路 图 2 动臂油缸活塞杆的运动微分方程为 P l Al P 2 A2 一 0 Ge 2 ． 6 其中 P 。 为液压缸无杆腔压力； A为液压缸无杆腔面 积 。 3 动臂油缸无杆腔的连续性方程为 A z 警 一 瓷 一 ． 7 其中 。为液压缸无杆腔有效容积； 为经过节流 阀 1的液压 油流量 。 4 节 流 阀 l的流量方 程 为 厂■一 Q 。 一C A 3 ／ 普 P 2 一P 。 ． 8 其中 C为流量系数 ， 一般取 0 ． 6 1 ； A 为节流阀 1阀芯 面积； p为液压油密度 ； P 为节流阀 1 进 口压力。 5 节 流 阀 2的流量方 程为 厂 一 Q 一C A ／ 鲁 户 一P T ． 9 其 中 A 为节流阀 2阀芯面积 ； P 为节流 阀 2进 口压 力 ； P 为 回油 压力 。 6 单 向阀的流量方程为 厂 一 Q s C A 5 ／ 鲁 5 一P 】 ． 1 0 其中 A 为单 向阀阀芯面积； P 为单向阀进 口压力。 7 动 臂 多路 阀阀芯 的进油 流量方 程 为 ■一 Q P C A ／ 鲁 P P 1 ． 1 1 其 中 A，为进 油 口阀芯 面积 ； P 为进 油压力 。 3动臂 回路 流量 仿真 与优化 针对液压挖掘机动臂下降 回路 系统 的复杂性 ， 本 文利用 AME S i m软件对挖掘机动臂下降 的机构运动 与液压系统进行建模仿真。图 3为动臂下降的机构运 动与液压回路仿真 图。表 l为动臂下降系统参数表。 图 4为动臂下降仿真结果， 其 中， d 为节流 阀 l的通 径 ， d 。 为节 流 阀 2的通 径 。 从图 4 可 以看出动臂在整个下降过程中分为 2个 阶段 0 s ～0 ． 5 S 和 0 ． 5 s ～2 ． 7 S 。 1 第 1阶段 0 s ～0 ． 5 s 通过调整操作手柄使 其摆角达到最大值 ， 进而控制动臂 多路 阀阀芯使其 阀 口开 度达到最 大值 。油 液经 动臂 多路 阀流入 动臂 油缸 的有杆腔内， 产生驱动力。在动臂油缸驱动力和工装 自重的共同作用下动臂开始加速下降。此时 由于动臂 油缸驱动力产生的加速度要远大于工装本身的重力加 速度 ， 因此从图 4 a 中曲线可以看 出有杆腔压力大于 无杆 腔压 力 ， 从 图 4 b 中曲线 可 以看 出再生 回路 内没 有 回收流 量 。 图 3 动 臂下降的机构运动与液压 回路仿真 图 表 l 动臂下 降系统参数表 参数 数 值 G t 5 ． O I A O m 2 ． 8 l c o m 4 ． 6 ￡ D m 1 ． O ， A Bm 】 ． 1 ～ 1 ．2 下降时间 s Z ． 7 单向阀通径 mm l 8 2 第 2阶段 0 ． 5 s ～2 ． 7 s 0 ． 5 S 时 ， 动 臂油 缸 有杆腔流量已经达到动臂下降设定流量的最大值 ， 而 动臂在工装 自重作用下仍然继续下降。此时主泵所提 供的流量已不能满足有杆腔所需流量 ， 从图 4 b 曲线 可以看 出从 0 ． 5 S开始无杆腔部分油液通过流量再生 回路流回有杆腔 。并且随着时间的增加， 再生 回路 的 流量也在增大， 由 3 0 L ／ mi n增大至 1 8 0 L ／ mi n 。从 图 4 a 可 以看 出此 阶段 的无 杆腔 压 力 大 于 有杆 腔 压 力 ， 2 ． 7 S 时有杆腔压力等于无杆腔压力， 动臂下降到水平 位置 。 从 能 量 回收再 利 用 最 大化 的角 度 出发 ， 可 以通 过 调整 流量再 生 回路 中节 流 阀 l 、 2的通 径 大 小 ， 来使 动 臂下降过程 中再生流量最大 。 图 5为节 流 阀对 再 生 流 量 的 影 响 。从 图 5 a 中 可 以看 出 ， 调 整 节 流 阀 2的通 径 为 1 4 mm 时 ， 随着 时 间的增加再生流量逐渐增加 ， 随着节流阀 l通径的增 大， 再生流量也逐渐增大， 并且增加的幅度非常大； 从 图 5 b 中可 以看 出， 调整节流 阀 l的通 径为 2 4 mm 时， 随着时间的增加再生流量逐渐增加， 并且随着节流 阀 2通 径 的增 大 ， 再 生流量 也逐 渐增 大 ， 但 是增 加 的幅 度较 小 。 为 了匹配 节流 阀 l 、 2通 径 的最 佳 组 合 ， 采取 遗 传 算法进行优化 ①设定节流阀 1 、 2通径范围分别为d 一 5 mm～2 5 n l Y n ， d 2 5 mm～2 5 mm； ②动臂下降回路 由一 个 主泵提 供流 量 ， 供 油 量要 稳定 ， 并 寻求 最 小值 ； 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m