， ， ， (中國礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 江蘇 徐州　221116)

引言

為了滿足各種大規(guī)模露天礦山的開采、煤炭和尾礦等物料的鏟裝，以及大型基礎(chǔ)建設(shè)的需要，超大型液壓挖掘機(jī)應(yīng)用日趨廣泛[1，2]。超大型液壓挖掘機(jī)是典型的復(fù)雜機(jī)電液一體化裝備，具有大功率、超大慣量、多泵、多執(zhí)行器的特點(diǎn)，其設(shè)計(jì)、控制及制造難度相當(dāng)大。經(jīng)歷了近50年的發(fā)展，國外成熟的超大型液壓挖掘機(jī)機(jī)重已超過1000 t，斗容量超過50 m3[3-6]，而國產(chǎn)超大型液壓挖掘機(jī)尚處于起步階段，與世界先進(jìn)水平相比基本處于空白狀態(tài)。目前國產(chǎn)最大機(jī)型的機(jī)重不超過300 t，斗容量小于20 m3。圖1是國內(nèi)企業(yè)研發(fā)的300 t超大型液壓挖掘機(jī)。

回轉(zhuǎn)是挖掘機(jī)工作過程中最頻繁的動作，對挖掘機(jī)的裝載效率、節(jié)能性和操控性產(chǎn)生重大的影響[7,8]。與中小型挖掘機(jī)不同， 超大型液壓挖掘機(jī)的上車重量及轉(zhuǎn)動慣量巨大，上車在運(yùn)動過程中其重心及上車部分轉(zhuǎn)動慣量會發(fā)生較大變化，因此超大型挖掘機(jī)的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)具有時(shí)變超大慣量特性[9-11]。與一般大慣量回轉(zhuǎn)系統(tǒng)不同，挖掘機(jī)的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)要求能夠頻繁的快速啟動加速和快速制動減速， 以保證裝載效率。在快速起動和制動過程中，大慣量對液壓回轉(zhuǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生如下影響[12-14]：

圖1　300 t超大型液壓挖掘機(jī)

(1) 啟動和制動階段，壓力沖擊大，危及元件及系統(tǒng)壽命；

(2) 壓力沖擊造成了大量的高壓溢流，系統(tǒng)發(fā)熱量大，系統(tǒng)效率低；

(3) 制動時(shí)，慣性能大且無法控制其釋放過程，常造成電機(jī)超速，危及系統(tǒng)安全，且該慣性能難以回收再利用。

本研究以300 t超大型液壓挖掘機(jī)為例，研究了回轉(zhuǎn)系統(tǒng)慣量的變化規(guī)律及對啟動和制動階段系統(tǒng)壓力響應(yīng)的影響，該研究對提高超大型液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和控制水平具有重要意義。

1　300 t超大型液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

超大型液壓挖掘機(jī)的閉式回轉(zhuǎn)系統(tǒng)一般為多泵多馬達(dá)系統(tǒng)，回轉(zhuǎn)泵一般為雙向變量泵，回轉(zhuǎn)馬達(dá)為定量馬達(dá)。如圖2所示， 300 t超大型液壓挖掘機(jī)的閉式回轉(zhuǎn)系統(tǒng)采用2個(gè)變量泵，2個(gè)定量馬達(dá)。兩個(gè)變量泵串聯(lián)，取力于分傳動箱，兩個(gè)馬達(dá)經(jīng)減速器共同驅(qū)動上車回轉(zhuǎn)。從本質(zhì)上講， 該回轉(zhuǎn)系統(tǒng)是變量泵控定量馬達(dá)閉式容積調(diào)速系統(tǒng)，通過改變泵的排量，調(diào)節(jié)馬達(dá)轉(zhuǎn)速。

1.先導(dǎo)補(bǔ)油泵　2.回轉(zhuǎn)控制閥組　3.回轉(zhuǎn)變量泵 4、5.回轉(zhuǎn)馬達(dá)總成

為更清楚地表示超大型液壓挖掘機(jī)的閉式回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，將該多泵-多馬達(dá)系統(tǒng)等效成單泵-單馬達(dá)系統(tǒng)，如圖3所示。等效后的泵總排量和馬達(dá)總排量和實(shí)際系統(tǒng)中的泵及馬達(dá)總排量是對應(yīng)相等的。300 t 超大型液壓挖掘機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

圖2　300 t超大型液壓挖掘機(jī)的閉式回轉(zhuǎn)系統(tǒng)原理圖

表1　300 t超大型液壓挖掘機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

在啟動加速和制動減速階段，馬達(dá)轉(zhuǎn)矩平衡方程為：

(1)

根據(jù)公式(1)得啟動、制動階段的系統(tǒng)高壓側(cè)壓力為：

(2)

(3)

挖掘機(jī)的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)是一種特殊的液壓回轉(zhuǎn)系統(tǒng)：

(1) 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)慣量巨大，且要求快速啟動和制動，因而壓力沖擊大。由公式(3)可知，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)慣量越大，啟動制動階段壓力越大，同時(shí)為保證裝載效率，要求能快速啟動和制動，因而啟動制動階段壓力沖擊大。

2　300 t超大型液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)機(jī)電液聯(lián)合仿真模型

300 t超大型液壓挖掘機(jī)是非常復(fù)雜機(jī)電液一體化裝備，上車質(zhì)量達(dá)107 t，因此制造成本高，周期長。為盡快掌握其回轉(zhuǎn)慣量變化規(guī)律及回轉(zhuǎn)慣量對回轉(zhuǎn)系統(tǒng)壓力特性的影響，本研究建立了300 t超大型液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)AMESim-ADAMS機(jī)電液聯(lián)合仿真模型[12]，如圖4所示。

圖4　300 t超大型液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)機(jī)電液聯(lián)合仿真模型

在ADAMS平臺上建立了工作裝置的機(jī)械模型。具體步驟是，先利用三維軟件Pro/E建立挖掘機(jī)的工作裝置(主要包括動臂、斗桿、鏟斗、轉(zhuǎn)臺、油缸等)的實(shí)體三維模型，然后導(dǎo)入ADAMS中，并設(shè)置模型的密度、約束條件、連接關(guān)系、傳遞參數(shù)、驅(qū)動力矩等，各部件之間的運(yùn)動副采用ADAMS的STEP函數(shù)構(gòu)造。在構(gòu)建工作裝置時(shí)，不必完全形似，但各部件的質(zhì)量、鉸接點(diǎn)位置、回轉(zhuǎn)半徑等參數(shù)應(yīng)完全與實(shí)際挖掘機(jī)一致。

在AMESim平臺上建立了回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的電液控制模型，主要包括回轉(zhuǎn)馬達(dá)模型、液壓泵模型、減速器模型、控制系統(tǒng)模型四部分。對各模型做如下設(shè)置：變量泵的排量為180 mL/r，數(shù)量為2個(gè)，轉(zhuǎn)速為1000 r/min，其排量由控制系統(tǒng)控制，可無極調(diào)節(jié)；定量馬達(dá)的排量為200 mL/r，數(shù)量為2個(gè)；沖洗閥開啟壓差為3 bar，低壓補(bǔ)油閥壓力為16 bar，流量為36 L/min；每個(gè)馬達(dá)的兩腔配有高壓溢流閥，溢流壓力為400 bar，該閥還集成了補(bǔ)油功能，防止系統(tǒng)吸空；減速器傳動比為480。

電液控制系統(tǒng)與機(jī)械系統(tǒng)通過接口模塊連接，接口有兩個(gè)參數(shù):馬達(dá)力矩、轉(zhuǎn)速。通過接口模塊，電液控制系統(tǒng)輸出扭矩傳遞給機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行加載運(yùn)算，同時(shí)機(jī)械系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速傳遞給電液控制系統(tǒng)。

3　300 t超大型液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)回轉(zhuǎn)慣量分析

3.1　回轉(zhuǎn)慣量變化規(guī)律

圖5是挖掘機(jī)工作裝置的不同位置。可見，回轉(zhuǎn)慣量的變化有兩個(gè)極限狀態(tài)，在T位置(此時(shí)斗桿和鏟斗全伸且動臂全縮)具有最大回轉(zhuǎn)慣量，在S位置(此時(shí)斗桿和鏟斗全縮且動臂全伸)具有最小回轉(zhuǎn)慣量。

圖5　挖掘機(jī)工作裝置的不同位置

圖6為300 t液壓挖掘機(jī)在一個(gè)回轉(zhuǎn)循環(huán)中轉(zhuǎn)動慣量的變化曲線，可獲得如下規(guī)律：

(1) 在一個(gè)回轉(zhuǎn)循環(huán)中，動臂、斗桿、鏟斗、物料的重心位置不斷變化，引起回轉(zhuǎn)慣量不斷變化，且呈“U”形的變化規(guī)律。具體表現(xiàn)為，在動臂提升+回轉(zhuǎn)的過程，慣量逐漸減小；在動臂下放+回轉(zhuǎn)的過程，慣量逐漸增大，動臂固定+回轉(zhuǎn)的過程，慣量不變，且處于最小值。

(2) 斗桿和鏟斗處于不同位置時(shí)，轉(zhuǎn)動慣量具有相同的變化規(guī)律。

經(jīng)計(jì)算，最大轉(zhuǎn)動慣量(T位置)約為1×107kg·m2，最小轉(zhuǎn)動慣量(S位置)約為2.3×106kg·m2。

圖6　不同狀態(tài)下轉(zhuǎn)動慣量的變化曲線

3.2　回轉(zhuǎn)慣量對回轉(zhuǎn)壓力特性的影響

圖7是當(dāng)泵控制信號具有相同斜率時(shí)，不同的轉(zhuǎn)動慣量對回轉(zhuǎn)特性的影響，三種轉(zhuǎn)動慣量分別為1×107kg·m2、9.1×106kg·m2、7.7×106kg·m2，可獲得如下規(guī)律：

(1) 不同慣量下，壓力響應(yīng)具有相同的變化趨勢，具體表現(xiàn)為：

? 在啟動加速階段，泵為動力源，慣量為負(fù)載，泵排量逐漸增加至最大，通過馬達(dá)驅(qū)動慣量加速，此階段馬達(dá)進(jìn)油腔為高壓，進(jìn)油腔為低壓；

? 在制動階段，慣量為動力源，慣量驅(qū)動馬達(dá)，泵與馬達(dá)的角色互換，即馬達(dá)處于泵工況，而泵處于馬達(dá)工況，泵排量逐漸減小至零，此階段馬達(dá)進(jìn)油腔為低壓，出油腔為高壓；

? 因?yàn)槟Σ亮厥冀K為阻力，在相同的角加速度下，啟動階段的高壓側(cè)壓力大于制動階段。

(2) 無論在啟動階段還是制動階段，慣量越大，高壓側(cè)壓力越高。該結(jié)論可從公式(2)中得到解釋，在啟動階段，慣性負(fù)載是阻力，慣量越大，所需的壓力就越高；在制動階段，慣性負(fù)載變成了動力，慣量越大，所產(chǎn)生的壓力就越高。

1.馬達(dá)進(jìn)油腔,1×107 kg·m2　2.馬達(dá)回油腔，1×107 kg·m2 3.馬達(dá)進(jìn)油腔,9×106 kg·m2　4.馬達(dá)回油腔，9×106 kg·m2 5.馬達(dá)進(jìn)油腔,7×106 kg·m2　6.馬達(dá)回油腔，7×106 kg·m2

4　結(jié)論

研究了300 t超大型液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)慣量的變化規(guī)律及對回轉(zhuǎn)系統(tǒng)壓力響應(yīng)的影響，獲得了如下結(jié)論：

(1) 超大型液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)具有時(shí)變超大慣量特性。在回轉(zhuǎn)循環(huán)中，動臂、斗桿、鏟斗、物料的重心位置不斷變化，引起回轉(zhuǎn)慣量不斷變化，且呈“U”型的變化規(guī)律；

(2) 不同慣量下，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)壓力響應(yīng)具有相同的變化趨勢，慣量只對在啟動階段制動有影響，且慣量越大，高壓側(cè)壓力越高。

回轉(zhuǎn)系統(tǒng)慣量的變化規(guī)律及其回轉(zhuǎn)系統(tǒng)壓力特性的影響規(guī)律，為后續(xù)超大型液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與控制提供了理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳能誦.大型礦用液壓挖掘機(jī)：春天還有多遠(yuǎn)？[J]．建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理，2013,(4):19-32．

[2]韓葦.大型液壓挖掘機(jī)發(fā)展概況[J].礦業(yè)裝備,2013,(4):33-37．

[3]袁瑜.國外大型液壓挖掘機(jī)新動向(一)[J].礦業(yè)裝備, 2014,(2):36-41.

[4]袁瑜.國外大型液壓挖掘機(jī)新動向(二)[J].礦業(yè)裝備, 2014,(3):50-55.

[5]徐國強(qiáng).撼動世界的臂膀礦用液壓挖掘機(jī)盤點(diǎn)(一)[J].礦業(yè)裝備, 2013,(6):110-112.

[6]徐國強(qiáng).撼動世界的臂膀礦用液壓挖掘機(jī)盤點(diǎn)(二)[J].礦業(yè)裝備, 2013,(7):106-108.

[7]周宏兵,劉鋒,陳桂芳,等.液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)制動平穩(wěn)性研究[J].計(jì)算機(jī)仿真,2011,(11):379-382．

[8]顏韻琪,賀元成,孟志明,等.基于AMESim的液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)仿真研究[J].機(jī)械工程師,2013,(12):98-100．

[9]Jerman B, Podrzaj P, Kramar J. An Investigation of Slewing-crane Dynamics during Slewing Motion Development and Verification of a Mathematical Model [J]. International Journal of Mechanical Seiences, 2004,(46):729-750．

[10]王松峰,趙虎,金正府,權(quán)龍.大型挖掘機(jī)閉式回轉(zhuǎn)系統(tǒng)聯(lián)合仿真研究[J].液壓與氣動, 2013,(6):93-98．

[11]謝地.基于ADAMS和AMESim的裝載機(jī)聯(lián)合仿真[D].太原:太原理工大學(xué),2011.

[12]顧臨怡.謝英俊.王慶豐.工程機(jī)械大慣性負(fù)載起制動平穩(wěn)性的研究[J].工程機(jī)械,2012,(2)：28-31.

[13]顧臨怡,王慶豐.路甬祥.液壓驅(qū)動的大慣量負(fù)載加減速特性研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2002,38(10):46-49．

[14]王成賓,權(quán)龍.大慣量負(fù)載液壓沖擊的主動變阻尼抑制方法[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào),2014,(3):1-7．