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        正流量液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂回路流量特性分析

        2014-10-22 12:49:42張永強(qiáng)仉志強(qiáng)鐘家怡
        機(jī)械工程與自動(dòng)化 2014年1期
        關(guān)鍵詞:桿腔動(dòng)臂節(jié)流閥

        張永強(qiáng),劉 建,仉志強(qiáng),鐘家怡

        (1.太原重工股份有限公司,山西 太原 030024;2.太原科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,山西 太原030024;3.柳工機(jī)械工程股份有限公司,廣西 柳州 545007)

        0 引言

        正流量液壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的流量供應(yīng)能夠跟隨負(fù)載所需流量進(jìn)行實(shí)時(shí)變化,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)流量的實(shí)時(shí)匹配。但是挖掘機(jī)動(dòng)臂在下降過(guò)程中存在著很大的重力勢(shì)能,而且挖掘機(jī)在工作過(guò)程中動(dòng)臂需要頻繁地制動(dòng)和舉升,這部分勢(shì)能如果能夠回收再利用,將在很大程度上提高挖掘機(jī)的能量利用率,提高系統(tǒng)的工作效率。因此,本文對(duì)22 t正流量液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂下降過(guò)程的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)與動(dòng)臂液壓回路進(jìn)行理論分析,并進(jìn)行建模仿真分析,優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)。

        1 動(dòng)臂下降過(guò)程的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

        動(dòng)臂下降動(dòng)作采用常用測(cè)試方法中規(guī)定的動(dòng)作:斗桿油缸和鏟斗油缸縮回到末端,保持斗桿和鏟斗固定不動(dòng),在工裝機(jī)構(gòu)自重和雙動(dòng)臂油缸液壓力的共同作用下,整個(gè)工裝機(jī)構(gòu)自上而下運(yùn)動(dòng)至水平地面,完成動(dòng)臂下降動(dòng)作。

        動(dòng)臂下降動(dòng)作主要是在牽引力矩和阻力矩的共同作用下完成的。牽引力矩主要是由動(dòng)臂油缸有桿腔的液壓力和工裝機(jī)構(gòu)自重共同作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩,該轉(zhuǎn)動(dòng)力矩不僅受到動(dòng)臂油缸有桿腔液壓力和工裝機(jī)構(gòu)本身自重的影響,而且還受到工裝機(jī)構(gòu)自身幾何參數(shù)的影響。阻力矩主要是由動(dòng)臂油缸活塞與缸筒內(nèi)壁產(chǎn)生的摩擦力和其他摩擦力共同作用產(chǎn)生的。

        圖1為動(dòng)臂機(jī)構(gòu)圖,根據(jù)工裝機(jī)構(gòu)的幾何關(guān)系和力矩平衡原理建立如下數(shù)學(xué)模型。

        (1)動(dòng)臂油缸的力臂:

        (2)動(dòng)臂油缸的總長(zhǎng)度:

        (3)工裝機(jī)構(gòu)、動(dòng)臂整體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)平衡方程為:

        其中:F為動(dòng)臂缸的作用力;J為工裝與動(dòng)臂整體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;G為工裝自重;e2為工裝機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的力臂。

        (4)工裝機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的力臂:

        圖1 動(dòng)臂機(jī)構(gòu)圖

        2 動(dòng)臂回路液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型

        圖2為挖掘機(jī)動(dòng)臂液壓回路圖。它主要由主泵、動(dòng)臂多路閥和動(dòng)臂油缸組成,采用了流量再生回路,由節(jié)流閥1、2和單向閥等組成動(dòng)臂流量再生回路。所謂流量再生就是在動(dòng)臂下降工況下,利用負(fù)載自身重力產(chǎn)生的液壓力將油液從高壓腔輸送到低壓腔內(nèi),使系統(tǒng)所需主泵流量最小。

        根據(jù)斗桿結(jié)構(gòu)布置情況,單向閥閥芯通徑初選為18 mm。按照功率鍵合圖原理,建立動(dòng)臂回路的數(shù)學(xué)模型。

        (1)動(dòng)臂油缸有桿腔的連續(xù)性方程為:

        其中:Qp為進(jìn)油流量;Q4為經(jīng)過(guò)節(jié)流閥2的液壓油流量;p1為液壓缸有桿腔壓力;A1為液壓缸有桿腔面積;x為液壓缸位移;V1為液壓缸有桿腔有效容積;βe為有效體積彈性模量。

        圖2 動(dòng)臂液壓回路圖

        (2)動(dòng)臂油缸活塞桿的運(yùn)動(dòng)微分方程為:

        其中:p2為液壓缸無(wú)桿腔壓力;A2為液壓缸無(wú)桿腔面積。

        (3)動(dòng)臂油缸無(wú)桿腔的連續(xù)性方程為:

        其中:V2為液壓缸無(wú)桿腔有效容積;Q3為經(jīng)過(guò)節(jié)流閥1的液壓油流量。

        (4)節(jié)流閥1的流量方程為:

        其中:C為流量系數(shù),一般取0.61;A3為節(jié)流閥1閥芯面積;ρ為液壓油密度;p3為節(jié)流閥1進(jìn)口壓力。

        (5)節(jié)流閥2的流量方程為:

        其中:A4為節(jié)流閥2閥芯面積;p4為節(jié)流閥2進(jìn)口壓力;p T為回油壓力。

        (6)單向閥的流量方程為:

        其中:A5為單向閥閥芯面積;p5為單向閥進(jìn)口壓力。

        (7)動(dòng)臂多路閥閥芯的進(jìn)油流量方程為:

        其中:A P為進(jìn)油口閥芯面積;p P為進(jìn)油壓力。

        3 動(dòng)臂回路流量仿真與優(yōu)化

        針對(duì)液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂下降回路系統(tǒng)的復(fù)雜性,本文利用A MESim軟件對(duì)挖掘機(jī)動(dòng)臂下降的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)與液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真。圖3為動(dòng)臂下降的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)與液壓回路仿真圖。表1為動(dòng)臂下降系統(tǒng)參數(shù)表。圖4為動(dòng)臂下降仿真結(jié)果,其中,d1為節(jié)流閥1的通徑,d2為節(jié)流閥2的通徑。

        從圖4可以看出動(dòng)臂在整個(gè)下降過(guò)程中分為2個(gè)階段:0 s~0.5 s和0.5 s~2.7 s。

        (1)第1階段(0 s~0.5 s):通過(guò)調(diào)整操作手柄使其擺角達(dá)到最大值,進(jìn)而控制動(dòng)臂多路閥閥芯使其閥口開(kāi)度達(dá)到最大值。油液經(jīng)動(dòng)臂多路閥流入動(dòng)臂油缸的有桿腔內(nèi),產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力。在動(dòng)臂油缸驅(qū)動(dòng)力和工裝自重的共同作用下動(dòng)臂開(kāi)始加速下降。此時(shí)由于動(dòng)臂油缸驅(qū)動(dòng)力產(chǎn)生的加速度要遠(yuǎn)大于工裝本身的重力加速度,因此從圖4(a)中曲線可以看出有桿腔壓力大于無(wú)桿腔壓力,從圖4(b)中曲線可以看出再生回路內(nèi)沒(méi)有回收流量。

        圖3 動(dòng)臂下降的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)與液壓回路仿真圖

        表1 動(dòng)臂下降系統(tǒng)參數(shù)表

        (2)第2階段(0.5 s~2.7 s):0.5 s時(shí),動(dòng)臂油缸有桿腔流量已經(jīng)達(dá)到動(dòng)臂下降設(shè)定流量的最大值,而動(dòng)臂在工裝自重作用下仍然繼續(xù)下降。此時(shí)主泵所提供的流量已不能滿(mǎn)足有桿腔所需流量,從圖4(b)曲線可以看出從0.5 s開(kāi)始無(wú)桿腔部分油液通過(guò)流量再生回路流回有桿腔。并且隨著時(shí)間的增加,再生回路的流量也在增大,由30 L/min增大至180 L/min。從圖4(a)可以看出此階段的無(wú)桿腔壓力大于有桿腔壓力,2.7 s時(shí)有桿腔壓力等于無(wú)桿腔壓力,動(dòng)臂下降到水平位置。

        從能量回收再利用最大化的角度出發(fā),可以通過(guò)調(diào)整流量再生回路中節(jié)流閥1、2的通徑大小,來(lái)使動(dòng)臂下降過(guò)程中再生流量最大。

        圖5為節(jié)流閥對(duì)再生流量的影響。從圖5(a)中可以看出,調(diào)整節(jié)流閥2的通徑為14 mm時(shí),隨著時(shí)間的增加再生流量逐漸增加,隨著節(jié)流閥1通徑的增大,再生流量也逐漸增大,并且增加的幅度非常大;從圖5(b)中可以看出,調(diào)整節(jié)流閥1的通徑為24 mm時(shí),隨著時(shí)間的增加再生流量逐漸增加,并且隨著節(jié)流閥2通徑的增大,再生流量也逐漸增大,但是增加的幅度較小。

        為了匹配節(jié)流閥1、2通徑的最佳組合,采取遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化:①設(shè)定節(jié)流閥1、2通徑范圍分別為d1=5 mm~25 mm,d2=5 mm~25 mm;②動(dòng)臂下降回路由一個(gè)主泵提供流量,供油量要穩(wěn)定,并尋求最小值;③采用遺傳優(yōu)化算法,優(yōu)化算法的參數(shù)為:群體大小為10;再生率為80%;最大遺傳代數(shù)為20;變異概率為10%,變異幅度為0.2;步長(zhǎng)為1。通過(guò)上述過(guò)程產(chǎn)生了兩組節(jié)流閥通徑,分別為:d1=14.5 mm,d2=24 mm和d1=19.5 mmd2=12.5 mm 對(duì)應(yīng)的主泵最小流量為145 L/min。優(yōu)化前,主泵流量為238 L/min。所以,動(dòng)臂下降的勢(shì)能回收率為:η==39%。

        圖4 動(dòng)臂下降仿真結(jié)果

        圖5 節(jié)流閥對(duì)再生流量的影響

        4 結(jié)論

        通過(guò)對(duì)正流量液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂下降過(guò)程進(jìn)行建模與仿真分析,確定了再生回路節(jié)流閥通徑的最佳參數(shù)和主泵的最小流量,并且兼顧了快速性和節(jié)能性。

        [1]仉志強(qiáng).中型挖掘機(jī)正流量控制技術(shù)的研究[D].太原:太原科技大學(xué),2011:55-60.

        [2]官忠范.液壓傳動(dòng)系統(tǒng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

        [3]雷天覺(jué).新編液壓工程手冊(cè)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2003.

        [4]付永領(lǐng),齊海濤.L MS Imagine.Lab A MESim系統(tǒng)建模和仿真[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2011.

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