液压挖掘机回转功率切除系统仿真分析.pdf

液压挖掘机回转功率切除系统仿真分析 邢树鑫， 李文新 广西柳工机械股份有限公司 摘 要 分析挖掘机液压系统中较为先进的回转功率切除技术， 并在 A M E S i m软件平台上建立液 压挖掘机回转系统模型， 通过对模型相应参数的设置， 实现机电液一体化系统的运动仿真。对比分析显 示回转功率切除系统可有效提高整机在回转启动过程中的能量利用率。 关键词 液压挖掘机 ； 回转 系统 ； 功率切除 ； A ME S i m 挖掘机 回转 动作频繁 ， 所耗能量是 整机能耗的 重要组成部分Ⅲ ， 而且 回转马达启动时 ， 由于液压泵 输出的流量大于马达所需流量而产生溢流损失 ， 这 部分能量最后几乎全部转变成热能 ， 使 系统液压油 温度升高， 引起 附加能量 的消耗。目前 ， 已有针对 回 转系统节能的相关研究[ 2 - 3 1 ， 但上述研究 大多不适合 在实际挖掘机上应用。近几年发展起来的回转功率 切除技 术 ， 较好地解决 了上述问题 ， 使整机能量利 用率大幅提高。 1 回转功率切除技术原理 如 图 1所示 ， 在 原 回转 系统 中 ， 回转 马达顺 时 针启动时 ，从主泵来 的液压油驱动回转马达转动 ， 另一方 面 ， 由于启动瞬 间压力较大 ， 而 回转马达启 2 a 原回转系统 b 回转功率切除系统 1 ． 溢流阀2 ． 压力传感器3 ． 控制器4 ． 电磁阀 图 1 回转功率切除原理图 动过程 中需要的液压油流量小 于主泵输 出的液压 油量， 液压马达中左侧溢流阀打开， 溢流部分液压 油回油箱， 造成相应 的能量损失。同时 ， 通过溢流阀 的液压油产生大量热量 ， 增加 了散热系统的负担。 采用 回转功率切除系统后 ， 回转动作 时 ， 控制 器一方面接收先导压力信号以判 断挖掘机 的动作 情况 ，另一方面接收 回转油路压力信号来综合判 断是否启动 回转功率切除功能 。即挖掘机进行单 独 回转动作且 回转油路压力高于设定值 时 ，控 制 器通过控制 电磁阀将相应压力油 引入 主泵排量控 制液压缸 ， 从 而减小 主泵 的排量 ， 以达到节能的 目 的。当回转油路压力低 于某一设定值时 ， 通过控制 器逐渐增大主泵排量 以满足回转 马达高速 时对 于 流 量 的需 求 。 从 以上介绍可知 ， 回转功率切除系统是在挖掘 机 回转启动过程 中， 在全功率控制主泵排量的基础 上进一步减小主泵的排量 ， 以达到节能 目的。回转 功率切除功能的实现应视具体工作情况而定 ， 当在 回转动作 的同时 ， 伴有动臂提升 、 斗杆收放 、 铲斗挖 卸等动作时， 应终止回转功率切除功能以保证挖掘 机动作顺畅 、 连贯 。 2 仿真建模 本 文采 用 法 国 I N M AG I N E公 司 A ME S i m 软件 [4 1 进行仿真分析。 A ME S i m是基于图形化的仿真软件 ， 带有多种工程软件包 ， 其中液压仿真软件包包含 了 作者简介 邢树鑫 1 9 8 2 一 ， 男 ， 黑龙江海林人 ， 工程师 ， 硕士 ， 研究方 向 机械设计及理论 。 一 1 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 大量的常用液压元件 、 液压源和液压管路等 。控制 软件包包括多种信号源和运算法则 ， 非常适合液压 及其控制系统的建模仿真和动态分析 。 2 ． 1 回转系统建模 首先 ， 在 A ME S i m的草 图模式 S k e t c h m o d e 下 按图 1 b 所示原理图建立仿真模型。 该系统主要由 回转 马达 、 三位六通换 向阀 、 变量泵 以及相应控制 信号等构成。回转系统 A ME S i m模型如图 2所示 。 图 2 回转系统 AME S i m模型 由于本文主要针对挖掘机单独 回转动作进行分析 ， 因此 ， 建模时忽 略了先导系统判断部分 ， 仅对三位 六通阀进行开关信号模拟。 系统采用 中位开式三位六通阀模 拟挖掘机主 阀，当主阀位于中位时主泵泵出的液压油经主阀、 节流孔流回液压油箱。将节流孔前 的压力信号引人 主泵控制单元以模拟主泵负流量控制功能。将主泵 出口压力信号引入主泵控制单元以模拟主泵全功 率控制功能 。当挖掘机进行回转动作时， 回转马达 某一腔压力升高 ， 梭阀 、 压力传感器将 回转马达该 腔压力信号引入挖掘机主控制器。主控制器综合判 断当前挖掘机工况后决定是 否启动 回转功率切除 功能 ， 如启动回转功率切除功能则向主泵控制单元 发出相应控制信号。 2 ． 2 泵控系统建模 挖掘机所使用的主泵为双泵 串联结构 ，全 功 率、 负流量控制方式。挖掘机进行单独 回转动作时 ， 仅有前泵向回转马达输出液压油 。因此 ， 本文模型 一 1 8一 建立过程中仅采用单泵向系统提供液压油。 在 A ME S i m软件平 台中， 利用液压元件库和控 制信号库建立泵控系统的模型。利用压力传感器检 测泵 出口处的压力 ， 通过主泵相应参数建立起主泵 压力信号P与主泵输 出流量 Q之间的p - Q曲线， 如 图 3所示 ， 可以得到主泵在任意反馈压力下 的输 出 流量 。 图 3 主泵 p Q曲线 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 ． 3 相关参数设置 一 般 ， 在挖掘机工作过程 中 ， 操作手为追求较 高的工作效率 ， 回转过程中会瞬间将先导手柄扳至 最大位置以便挖掘机较快转到指定位置。因此 ， 本 文将主阀开启时间设为较小值。 回转装置转 动惯量 的计算 转动惯量与工作 装置各部分质量及其质心位置有关 ，在实际挖掘 机 回转过程 中 ， 工作装 置姿态变 化较大 ， 因此 ， 实 际上转动惯量是一个变化量。本文中 ， 取工作装置 3种不 同位置 ， 在三维模型 中通过质量分析得到相 应部件的质量 、 质心坐标与绕质心转动惯量 。各部 件对 回转 中心轴 的转动惯量可按相关公式计算【 5 1 ， 取 3种不 同位置 的转动惯量值 的平均值近似代表 工作过程中的转动惯量值。 { 簧 枣 回 I n 一 ．宝 吕 一 ＼ 蚓 堪 H | 5 O 0 0 0 3 仿真分析 系统模型搭建完成后 ， 在 A ME S i m的子模型模 式 s u b mo d e l m o d e 中根据实际需要为每个元件选 择 一个数学模 型即子模型 ， 在 这里 ， 为简便 起见 ， 均选择最简子模型 ， 对挖掘机回转过程进行模拟 。 图 4所示 为原 回转 系统仿真结果 ，即未采用 回转 功率切 除功 能 的系统 在 X挡 回转 过程 中主泵 、 回 转 马达的流量及 回转马达压力 曲线图。 由图 4可 看 出对于变量泵驱动 回转平台启动 ，可分 为两个 阶段 等加速 阶段 、 恒功率变量 阶段 。在等加速阶 段 ， 由于主泵输 出流量大于 回转马达需求流量 ， 系 统产生较大溢流 ， 是能量浪费的主要 阶段 。图 4中 阴影部分 即为启动过程 中由溢流阀溢流 回油箱的 高压液压油。 _ ●_ - 、 、 ； ’ 、 ●- ’ 、j 乏 ’ ●● r ～ 、 ●● 圣 ～ ’’ { ＼ ＼ ’ ● 1 ● ／ ． 1 3 厂 ＼ ／ f ＼ ＼ -， - 、 ～一 1 、 、 ∥ f V ． 、 时 间 ／ s 图 4 原回转系统仿真结果 图 5所示为采用 回转功率切除功能 的系统 在 X挡 回转过程中主泵 、 回转马达的流量及 回转 马达 压力 曲线 图。对 比图 4 、 图 5可 以看 出， 采用 回转 功 率切除系统后挖掘机在 回转启动过程 中节能效果 显著 。经计算 ， 采用回转功率切除功能后 ， 挖掘机在 回转启动过程 中可节省约 1 1 ％的能量。 4 结束语 本文利用 A ME s i m软件分别对挖掘机原 回转系 统和具有 回转功率切 除功能 的回转系统建模并进 行了仿真分析 ， 通过对相应模型 的分析 ， 找 出了回 转启动过程中能量浪费的主要 阶段 。对 比分析显 示 ， 回转功率切除系统在挖掘机 回转启动过程中起 到了显著的节能作用。 一 1 9一 一 0 _I 一～ 回样回 ．_【 ∞ 卯 ∞ 卯 O 2 l 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m _ 2 O 0 2 5 0 、 X * { 『 l 、 、 、 、 、 1 窘2 0 0 、 1 5 0 ． ＼ ． 、 ‘ ． 、 - ’ 蓦 1 5 0 - 、 ＼ ‘ ⋯ ⋯ ～ ＼ 一 。 1j i ’ 、 1 0 0． 按 ‘ ～1 雹 ， 、 、 、 ／ 、 ， 、 ＼ 、 -， 、 100 。番 ●● ． 50‘ 5 0一 ． f I ， I J 1 f V ； 一 一3 n ‘ n． 0 ． 0 1 ．0 2 ． 0 3 ． 0 4 ， 0 5．0 6 ． O 7．0 8 ．0 时间 ， s 图 5 主泵、 回转马达流量及回转马达压力图 参考文献 【 1 ]陆军坊． 挖掘机平台有限元分析及回转液压系统仿真． 【 D 】 ． 成都 西南交通大学 ， 2 0 0 5 ． f 2 1 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 0 2 6 2 6 4 ． 【 3 ]李建启． 液压挖掘机回转节能装置的试验研究[ J ] ． 河北 建筑工程学院学报 ， 1 9 9 4 3 1 - 7 ． [ 4 】付永领，祁晓野． A ME S i m系统建模和仿真一从入门 到精通f IⅥ ] ． 北京 北京航空航天大学出版社， 2 0 0 6 ． 【 5 ]同济大学． 单斗液压挖掘机[ M 】 ． 北京 中国建筑工业 出版 社 ， 1 9 8 6 ． 通信地址 柳 州市柳江县拉堡镇双拥路柳州柳工挖掘机有 限公司挖掘机研究院 5 4 5 1 0 0 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 3 0 8 土 方 机 械 重 心 高 度 测 试 的 不 确 定 度 分 析 黄志强 厦 门市产品质量监督检验院国家场 厂 内机动车辆质量监督检验中心 摘 要 不确定度作为测试结果的重要组成部分， 对测试结果的真实性及可信度起到了决定性的作用。从 土方机械重心高度测试方法出发， 对由测试方法而导致的测试结果不确定度进行了分析。同时在分析的基础上 建立 了土方机械重心高度测试不确定度 的数学模型 ， 并将其应用到重心高度测试设备的不确定度评价 中。 关键词 土方机械 ； 重心高度 ； 不确定度 土方机械重心高度的测定在工程机械型式试 验中占有相当重要的位置 ，它对机器的诸多性能 ， 尤其是稳定性及整机的安全性有着重要影响。而测 量不确定度作为对测量结果质量的定量表征 ， 测量 结果的可用性在很大程度上取决 于其不确定度 的 大小 。由此 ， 通过对土方机械重心高度测试的不确 定度进行分析 ， 并在分析的基础上对测试结果的置 信度进行必要的评价 ， 对于土方机械结构的改进及 作者简介 黄志强 1 9 8 1 一 ， 男， 工程师， 研究方向 机械产品测试技术。 一 2 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m