滑移装载机工作装置液压系统仿真研究.pdf

信息技术 刘乐， 等 滑移装载机工作装置液压系统仿真研究 滑移装载机工作装置液压系统仿真研究 刘乐 ， 孙蓓蓓 ， 王业刚 东南大学 机械工程学院 ， 江苏 南京 2 1 1 1 8 9 摘要 分析了滑移装载机工作装置的液压系统， 重点分析了负载独立流量分配 L U D V控制 系统的流量调节 原理以及流量分配原理。利用 E A S Y 5软件对滑移装载机工作装置液压系统 进行了建模和仿真。最终 ， 评估了液压系统的模型是否合理。 关键词 E A S Y 5软件； 滑移装载机； L U D V控制系统 ； 液压仿真 中图分类号 T HI 3 7 ； T P 3 9 1 ． 9 文献标志码 B 文章编号 1 6 7 1 - 5 2 7 6 2 0 1 0 0 1 - 0 1 1 0 - 0 4 S i mu l a t i o n o f Hy d r au l i c S y s t e m o f W o r ki ng De v i c e o f Skid- s t e e r Lo a d e r L I U I Je．S UN B e i _ b e i ．W ANG Ye g a n g D e p a r t me n t o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r in g ，S o u t h e a s t U n i v e r s it y ，N a n j i n g 2 1 1 1 8 9 ，C h i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r a n a ly z e s t h e h y d r a u l ic s y s t e m o f w o r k i n g d e v ic e o f s l id s t e e r lo a d e r ， e s p e c i a l ly t h e p r in c i p l e s o f f lo w a d j u s t me n t a nd f lo w d i s t r i b u t io n in t h e L UDV c on t r ol s y s t e m ，t h e n s e t s u p a n d s i mula t es a mod e l o f t h e h y dr a uli c s y s t em o f wor k ing d e v i c e o f s l id- s t e er loa d er b a s ed o n EASY5 a n d f in all y ev a l u a t e s wh e t h er t h e mo d el o f t h e h y d r a u l ic s y s t em i s r e a s on a b l e． Ke y wor d s EASY5 s oft war e；s k i d s t e e r lo a de r ；LUDV c on t r ol s y s t e m ；h y dr a uli c s imu la t ion 滑移装载机具有小巧灵活、 作业效率高、 功能多、 一机多 用、 操作简单和保养维护方便等特点， 近十年来获得了高速 的发展和广泛的应用。液压系统是联结负载与发动机之间 的中间环节， 是将发动机输出功率最终传递给工作机构的动 力传动链， 其液压系统设计是否合理， 对装载机作业过程中 的加载大小、 速度， 以及其他控制具有十分重要的影响。多数 生产厂商为了缩短设计周期和减少物理样机的制作周期， 都 采用了基于虚拟样机的先进设计方法， 在设计完成后先对系 统做计算机仿真。为了对 X T 7 5 0滑移装载机的工作装置液 压系统进行评价和优化， 利用 M S C ． S o f t w a r e 公司的多学科控 1 工作装置 的液压系统分析 滑移装载机工作装置的液压系统原理图如图1所示。 该液压系统有三个执行元件 动臂油缸、 铲斗油缸以及外 挂负载。本滑移装载机采用德国博世力士乐公司提供的 与负载压力无关流量分配 1 o a d i n d e p e n d e n t f l o w d i s t r i b u t i o n ， L U D V 的负荷传感控制系统。多路阀是该液压系统 中的主要部分， 它是带有辅助功能的集中控制装置， 其结 构紧凑， 节省了占用空问， 同时也减少了连接管路和流阻 制仿真软件E A S Y 5对其工作过程进行仿真。 的损失， 提高了工作可靠性。 _ _ J l厂 ＼ 、 b ． 0X B A B A ]r ‘ ／ 冒 ． I ／ n I ／ n I ， n n I ， n L ， n ． A B． A B ． A P T l l l ● I I I I营 l 商 ； I 崮 f I 。n l l ⋯ 。 I I一 ．1峙 I ]一由 一 PP l I bar I ． T I I l l l I I I l ’ l 一 _ J 。 I 一 一 ’ I 一 - J 毒 o I I 亭 o I I 。 o I I 。 图 1 工作装置的液压系统原理图 基金项目 江苏省科技支撑计划 B E 2 0 0 8 0 2 8 作者简介 刘乐 1 9 8 5 一 ， 男 ， 江西吉安市人 ， 硕士研究生 ， 研究方向为结构动力分析与优化。 1 1 0 h t t p ／ ／ Z Z HD ． c h i n a j o u rna 1 ． n e t ． c n E - ma il Z Z HD c h a i n a j o u ma 1 ． n e t ． c n 机械制造与 自动化 信息技术 刘乐， 等 滑移装载机工作装置液压系统仿真研究 本装载机多路阀采用的是液控方式， 作为整个液压系 统的核心之一 ， 它由进油联和换向联部分组成， 液压泵输 出的压力油液经进油联通向换 向联再去执行元件。第一 联是进油联， 此联阀包含了装载机 L U D V所需要的主要元 件 主安全阀、 压力补偿阀、 冲洗阀、 L s阻尼孔及 L s卸荷 阀等。第二至第 四联 阀是换 向联， 其内部结构如图 2所 示， 各换向联阀和执行元件相连， 1 2 3 A 4 S B 6 1 一 二级压力辟 油阀 ；2 一 阀芯 ；3 一 阀体 ； 4 一单向阀 ；5 一压力 补偿 阀；6 一补油 阀或螺堵 图 2多路 阀内部结构 将压力能转化为机械能。在各换向联阀中， 负荷传感 控制压力补偿阀布置在操纵阀与执行器之问， 在总流量欠 饱和的情况下 ， 各执行机构也能按比例关系分配， 高负荷 与低负荷的机构能同时动作。 2 工作装置的L U D V控制 滑移装载机工作时具有多种动作复合， 液压系统既要 能保证装载机动臂、 铲斗和和外挂附件各 自的单独动作 ， 又要能使它们相互配合实现复合动作以满足装载机的工 作要求和提高工作效率。 当多个执行器动作复合 ， 若泵供油能力不能满足工作 系统所需要的液压油时， 流量将流向具有最低负载压力的 执行器 ， 而最高负荷回路上的执行元件速度会迅速降低直 至停止 ， 从而使装载机失去复合动作的协调能力。L U D V 控制是以执行器最高负载压力控制压力补偿的负载独立 流量分配系统， 当执行器所需流量大于泵的流量时， 系统 会按比例将流量分配给各执行器， 而不是流向轻负载的执 行器 。 2 ． 1 理论基 础 负荷传感 1 o a d s e n s i n g ， L S 控制阀的基本原理是依 据节流 口流量方程 QK A A P 1 式中 K流量常数； A 阀开 口面积 ； △ P 阀口前后压差； m和节流口结构有关， 薄壁结构取 0 ． 5 。 因此通过节流 口的流 量只 与阀 的开 口面积 A和节 流 口两端的压差 △ P有关。而 △ P的值和压力补偿阀有密切 关系， 通过压力补偿阀的弹簧可以补偿压力变化， 以保证 不同节流口之间的压差 △ P值的关系。 Ma c h i n e B u i l d i n g口 Au t o m a t io n ，F e b 2 0 1 0 ， 3 9 J 1 1 0～1 1 3， 1 6 8 2 ． 2 L U D V控 制原理 L U D V系统在各油路中使用了同样的比较基准压力 ， 使其各油路的控制特性变化具有相关性 ， 在系统欠流时能 够同时调整流量供应， 保持各路执行器工作稳定。如图3 所示 ， 该 L U D V控制系统将压力补偿阀设计在测量阻尼孔 之后 ， 通过梭阀将执行器的最高压力 P 1 设 P 1 P 2 的信 号传递给所有的压力补偿阀， 压力补偿法通过弹簧的给定 的压差作为调节压差 △ P作用于系统。根据压力补偿阀 阀芯 的受力平衡 方程可得 P X A P X A 2 P P P K 3 式中 P m操纵阀的阀后压力 ； P 来 自梭阀 4的最大负载压力 ； 压力补偿阀阀芯的作用面积； 压力补偿阀调定的弹簧压力 ； 弹簧调定压力。 1 一泵 ；2 一L S 阀调 节器 ；3 换 向节 流阀 4 一压力补偿 阀；5 一梭 阀；6 一执行器 图 3 L U D V控 制系统原理 图 在该液压系统中， 选用相同结构参数的压力补偿阀， 调整两补偿阀的弹簧预紧力， 使得 F K F F r ， 根据公 式 2 ， 平衡状态下则总能保持 P P 。当负载压力发 生变化时， 阀芯将偏离平衡位置 ， 压力补偿法的通流截面 积将发生变化， 继而 P 压力发生相应 的变化， 经过一个 动态过程后， 最终回到平衡方程所示状态， 这就意味着各 压力补偿阀均受较高的负载压力控制。 操纵阀 1和操纵阀2的流量大小分别为 Q l K 1 A h ／ ／ △ P l 4 Q A √△ 5 两补偿阀的弹簧预紧力相同， 即P K 。 P P 根据 式 3 P 1 P m 2 P P 6 A P l A P 2 A P 7 由于结构相同， 则有 K 。 K 8 把式 7和式 8代入式 5和式6中， 可以轻易得到 A1 A c 9 ， 一 从式9可以知道， 在 L U D V控制系统中， 泵将按阻尼孔 通流截面积 A 。 和A 的大小成正比供油。所以流量控制精 信息技术 刘乐， 等 滑移装载机工作装置液压系统仿真研究 度高， 即使在液压油供油不足的情况下， 几个执行元件仍可 了工作可靠性。 以保持同步运动或以某种速比运动， 且互不干扰。 3 基于 E A S Y 5的模型建立和仿真 3 ． 1 多路阀换向联模型的建立 在各换向联中， 本装载机液压系统采用的是这种具有 负载独立流量分配功能的液控多路阀， 是一种带有辅助功 能的集中控制装置， 减少了连接管路和流阻的损失， 提高 P T A B a 图 4 换 向阀模型示意图 图 5 换 向联模型 如图 4 a 所示 ， 是 一个三位 四通 换 向阀 ， 图 4 b 是 对其建模的模型示意图。可以设定， 换向阀阀芯位于左 位， 节流阀 1 ， 2阀口全开， 节流阀3 ， 4阀口紧闭； 阀芯位于 中位时， 节流阀 1 ， 2和节流阀3 ， 4阀口紧闭； 阀芯位于右 位时 ， 节流阀 1 ， 2阀口紧闭， 节流阀 3 ， 4阀口全开。由于 阀芯与阀体有相互运动关系， 它们之间存在问隙， 节流阀 5 ， 6 作用是模拟间隙导致的油液泄露。 图5 是在E A S Y 5中对多路阀的换向联建立模型。通过对 阀芯的质量块进行受力平衡分析和建立方程， 可以得到阀芯的 位移情况， 阀芯的位置对应着节流口通流截面积的大小。根据 阀芯位移和通流截面积的关系很方便可以建立模型。 3 ． 2 多路 阀进 油联模型 的建立 图6是在 E A S Y 5中对多路阀的进油联建立模型。进 油联联阀包含了装载机 L U D V所需要的主要元件 主安全 阀、 压力补偿阀、 冲洗阀、 L s阻尼孔及 I s卸荷阀等。进油 联有利于液压系统的节能， 主安全阀调定了 I s油路的最 1 1 2 P r e s s u r e s o u r c e o r s i n k 图6 进油联模型 I I I t 一 上 一 J ⋯一 J 高压力， 即根据设计要求确定了执行元件的最大载荷； 压 力补偿法是一个定差溢流阀， 它可以根据工作装置的压力 自动调节其开启压力 ， 有利于节能。 3 ． 3 液压 系统模 型和仿 真 根据图 1的工作装置液压系统原理图， 建立了如图 7 h t t p ／ ／ Z Z H D ． c h i n a j o u ma 1 ． n e t ． c n E - m a i l Z Z H D c h a i n a j o u ma 1 ． 1 l e t ． c n 机械制造与自 动化 ∽ 一 ． ． 困 ～ J 信息技术 刘乐， 等 滑移装 载机 工作 装置液压 系统仿真研 究 图 7 进油联模 型 所示的液压系统模型。由于滑移装载机有多种外挂负载， 根据本课题的要求， 主要是对装载机一个装载工作循环的 液压仿真分析。 1 ‘ 0 一 C 一 0 -1 4 羞 ． { 1 ∽ l 亏 0 I 6 4 2 0 2 -4 I n d e p e n d e n t Da t a Mo d e l d u o l u f a ， Ru n i d p l o t t a b l e s ， C a s e 1 3 Di s p l a y 1 ． 1 7 一 AP R一2 0 0 9 ． 1 6 1 8 1 0 图8 动臂缸的控制命令 0 2 4 6 8 1 0 I n d e p e n d e n t Da t a Mo d e l d uo l u f a ， Ru n i d p l o t _t a b l e s ， Ca s e 1 4 ， Di s p l a y 1 ． 1 7 - APR一2 0 0 9 ，1 6 1 8 1 0 图9 铲斗缸的控制命令 O 2 4 6 T I ME O 2 4 r兀ME6 8 1 O Mo d e l d u o l u f a ， Ru n i d s i mu l a t i o n ， Ca s e 1 ， Di s p l a y 3 ．1 7 一AP R一2 0 0 9 ， 1 6 3 8 3 2 图1 O 动臂缸进、 出油腔的流量 图8是对动臂液压缸进行操控的命令， 图9是对铲斗 液压缸的操控的命令， 两个控制命令一起即完成一个装载 Ma c h i n e B u i l d i n g口 A u t o m a t i o n ，F e b 2 0 1 0， 3 9 J 1 1 0～ 1 1 3 ， 1 6 8 UN TI T LE D rI 1 ME 0 2 4 rr I M E 6 8 1 0 Mo d e l du o l u f a ， Ru n i d s i mu l a t i o n， C a s e 1 ， Di s p l a y 1 ． 1 7 一 APR一2 0 09 ， 1 60 9 4 9 盈 t ／3 1 2 吾 二 一 3 蕈； l 2 言 1 。0 1 2 图l l 动臂油缸进、 出油腔的压力 UNT I TL ED Mo d e l d u o l u f a ， Ru n i d s imu l a t i o n ， Ca s e 1 Di s p l a y 3 ． 1 7 一AP R一 2 0 0 9 ， 1 6 3 8 3 2 图1 2 铲斗缸进、 出油腔的流量 I Ⅱ Mo d e h d u o l u f a ， Ru n i d s i mu l a t i o n， C a s e 1 Di s p l a y 2 ． 1 7 一 APR一2 0 09 ， 1 60 94 9 图1 3 铲斗油缸进出油腔的压力 工作循环的过程。在 0 s 到 3 ． 5 s 时间段 ， 动臂缸的无杆 腔进油 ， 动臂举升； 在 3 ． 5 S 到 6 ． 5 s 时间段， 铲斗缸的无 杆腔进油， 铲斗转动卸料； 在 7 s到9 s 时间段 ， 铲斗缸的 有杆腔进油， 铲斗收缩 ； 同时， 在 7 s 到 1 0 ． 5 S内， 动臂缸 的有杆腔进油， 动臂放下 ， 进入下一个装卸工作循环。 动臂液压缸和铲斗液压缸的各个腔的压力油流量分 别如图 1 0和图 1 2所示。从图 1 0和图 1 2可知， 动臂液压 下转第 1 6 8页 r 】 l x u n 1 宙 n rJ 、 苗 八～ 2 8 4 0 4名2 电气技术与自动化 黄瑾瑜 - 基于移相控制的高频感应加热电源的研究 位比较器， 一路形成相位相反的两信号经驱动电路送至逆 变器的对应功率开关器件。 3 仿真结果 a 移相角|B1 5 。 时逆变器输出电压电流波形如图 8 所示 。 图 8 移相角 JB1 5 。 时逆变器的输出波形 b 移相角口 4 5 。 时开关管 V 1 一V 4的驱动波形和输 出电压电流波形如图9所示。 4 结语 对2 0 k W／ l O 0 k H z大功率高频感应加热电源进行了 整体设计， 分析了 P WM移相调功原理， 提出了整机主电 路、 控制电路的设计方案， 并且对电路进行了仿真。 { ⋯ l 0⋯ L } j 图9 移相角 4 5 。 时逆变器的输出波形 参考文献 [ 1 ] 沈锦飞． 电源变换应用技术[ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 7 ． [ 2 ]沈刚． 高频感应 加热 电源频率跟 踪控制 电路的研究 [ D] ． 西 安 西安理工大学 ． [ 3 ] 沈海明， 沈锦飞． 一种新型高频感应加热用驱动、 保护电路 [ J ] ． 电源世界， 2 0 0 8 3 3 3 ． 3 4 ． [ 4 ] 吴兆麟， 等． 串联逆变式高频感应加热电源[ J ] ． 电力电子技 术 ， 1 9 9 4 1 1 8 - 2 1 ． 收稿 日期 2 0 0 81 21 2 上接第 1 1 3页 缸 和铲斗液压缸 的无杆腔 和有杆腔 的流量总能 保证 2 1 的关系， 这是由于在液压缸的设计时， 无杆腔和有杆腔的 面积比为 2 1 ， 仿真结果和实际相符。通过操纵阀的流量 减小， 两负载 的流量按 开 口面积成 比例分配， 说 明了 L U D V系统良好的控制特性 ， 其仿饱和能力强， 轻负载不 会影响重负载的速度。 动臂液压缸和铲斗液压缸的各个腔的压力油压力变 化图 1 1 和图 1 3所示。负载变化时， 工作系统的压力突变 且波动， 同时， 流量也在存在瞬时变化， 其原因在于压力补 偿阀的调节作用 ， 流量需求的瞬时变化快于压力补偿阀的 调节 4 结论 由仿真曲线分析可知， L U D V系统具有良好的控制特 性， 仿真结果和理论相符， 为滑移装载机整机液压系统的 仿真提供了依据和数据参考。 利用 E A S Y 5可以实现液压系统的仿真， 初步了解系 统运行时的特性与状态， 并且判别其设计是否合理， 有利 于缩短设计周期 ， 减少设计的盲目性， 确保试车时的安全 性和稳定性。合理选取液压元件的设计参数， 可提高系统 的动态性能， 为装载机液压系统的仿真提供了依据和数据 】 6 8 参考， 从而有利于 L U D V系统的进一步改进。 参考文献 [ 1 ]蒋道成． 小型挖掘机液压控制系统分析与仿真[ D ] ． 西安 西 安交通大学 ， 2 0 0 8 ． [ 2 ]陈欠根， 纪云锋 ， 吴万荣． 负载独立流量 分配 L U D V控制系 统 [ J ] ． 液压与汽动 ， 2 0 0 3 1 0 1 0 ． 1 1 ． [ 3 ]M S C E A S Y 5软件E A S Y 5 g u i d e [ D B ] ． [ 4 ]任剡． 负载敏感泵与比例多路 阀在大机上的应用 [ J ] ． 流体传 动与控制 ， 2 0 0 8 5 3 0 -3 1 ． [ 5 ] 蔡廷文． 液压系统现代建模方法[ M] ． 北京 中国标准出版 社 ， 2 0 0 2 5 - 1 1 ． [ 6 ]J i n g Wa n g ， G u o f a n g G o n g ， Hu a y o n g Y a n g ．C o n t r o l o f b u l k mo d u l u s o f o i l i n h y d r a u l i c s y s t e ms [ J ] ．p r o e e e d i n g s o f th e 2 0 0 8 I EE E／ AS ME， 2 0 0 8， 2 2 3 9 0- 2 3 9 5． [ 7 ]G ． S u n M K l e e b e r g e r ．D y n a m i c r e s p o n s e s o f h y d r a u l i c mo b i l e c r a n e w i th c o n s i d e r a t i o n o f t h e d ri v e s y s t e m[ M] ． Me c h Ma c h Th e o r y 3 8， 2 0 0 3 1 48 9 1 5 0 8． 收稿 日期 2 0 0 9 0 61 1 h t t p ffZ Z H D ． c h i n o u ma 1 ． n e t ． c n E - m a i l Z Z H D c h a i n a j o u r n a 1 ． n e t ． c n 机械制造与自动化 6 0 O O 8