滑移裝載機(jī)工作裝置液壓系統(tǒng)仿真研究

1、信息技術(shù)劉樂, 等滑移裝載機(jī)工作裝置液壓系統(tǒng)仿真研究 htt p:ZZHD. chinaj ournal . net . cn E 2mail:ZZHDchainaj ournal . net . cn 機(jī)械制造與自動(dòng)化基金項(xiàng)目:江蘇省科技支撐計(jì)劃(BE2008028作者簡介:劉樂(1985 , 男, 江西吉安市人, 碩士研究生, 研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)動(dòng)力分析與優(yōu)化。滑移裝載機(jī)工作裝置液壓系統(tǒng)仿真研究劉樂, 孫蓓蓓, 王業(yè)剛(東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 江蘇南京211189摘要:分析了滑移裝載機(jī)工作裝置的液壓系統(tǒng), 重點(diǎn)分析了負(fù)載獨(dú)立流量分配(LUDV 控制系統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)原理以及流量分配原理。利用E A

2、SY5軟件對滑移裝載機(jī)工作裝置液壓系統(tǒng)進(jìn)行了建模和仿真。最終, 評(píng)估了液壓系統(tǒng)的模型是否合理。關(guān)鍵詞:E ASY5軟件; 滑移裝載機(jī); LUDV 控制系統(tǒng); 液壓仿真中圖分類號(hào):TH137; TP391. 9文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào)167125276( 204S i m ul a ti on of Hydrauli c System of W i ce of oaderL IU Le, S UN (D ep a rt m en t o f M e i i e ri So u n i ve rs ity, N an ji ng 211189, C h i na Abstract:This pap

3、 e r l c wo ng de vi ce of s li d 2s tee r l o a de r, e spe c i a ll y the p ri nc i p l e s o f fl o w ad j us t m e n ta nd fl o w distri bu ti o n i n o l tem , the n se ts up a nd s i m u l a te s a m o de l of the hyd ra uli c system of wo rki ng devi ce o f s li d 2s te e r l o a de r ba se d

4、 and fi na ll y e va l ua te s w he the r the m ode l of the hyd ra uli c sys tem is rea so na b l e.Key words:EAS Y5so ft w a re; ski d 2s te e r l o a de r; LUDV co ntr o l sys tem ; hyd ra u li c si m u l a ti o n滑移裝載機(jī)具有小巧靈活、作業(yè)效率高、功能多、一機(jī)多用、操作簡單和保養(yǎng)維護(hù)方便等特點(diǎn), 近十年來獲得了高速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。液壓系統(tǒng)是聯(lián)結(jié)負(fù)載與發(fā)動(dòng)機(jī)之間的中間環(huán)節(jié),

5、是將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率最終傳遞給工作機(jī)構(gòu)的動(dòng)力傳動(dòng)鏈, 其液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否合理, 對裝載機(jī)作業(yè)過程中的加載大小、速度, 以及其他控制具有十分重要的影響。多數(shù)生產(chǎn)廠商為了縮短設(shè)計(jì)周期和減少物理樣機(jī)的制作周期, 都采用了基于虛擬樣機(jī)的先進(jìn)設(shè)計(jì)方法, 在設(shè)計(jì)完成后先對系統(tǒng)做計(jì)算機(jī)仿真。為了對XT 750滑移裝載機(jī)的工作裝置液壓系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)和優(yōu)化, 利用MS C . S oft w are 公司的多學(xué)科控制仿真軟件E ASY5對其工作過程進(jìn)行仿真。1工作裝置的液壓系統(tǒng)分析滑移裝載機(jī)工作裝置的液壓系統(tǒng)原理圖如圖1所示。該液壓系統(tǒng)有三個(gè)執(zhí)行元件:動(dòng)臂油缸、鏟斗油缸以及外掛負(fù)載。本滑移裝載機(jī)采用德國博世力士樂公

6、司提供的與負(fù)載壓力無關(guān)流量分配(l oad independent fl ow distribu 2ti on, LUDV 的負(fù)荷傳感控制系統(tǒng)。多路閥是該液壓系統(tǒng)中的主要部分, 它是帶有輔助功能的集中控制裝置, 其結(jié)構(gòu)緊湊, 節(jié)省了占用空間, 同時(shí)也減少了連接管路和流阻的損失, 提高了工作可靠性。圖1工作裝置的液壓系統(tǒng)原理圖011 信息技術(shù)劉樂, 等滑移裝載機(jī)工作裝置液壓系統(tǒng)仿真研究 M ac hine BuildingA uto mation, Feb 2010, 39(1 :110113, 168本裝載機(jī)多路閥采用的是液控方式, 作為整個(gè)液壓系統(tǒng)的核心之一, 它由進(jìn)油聯(lián)和換向聯(lián)部分組成,

7、液壓泵輸出的壓力油液經(jīng)進(jìn)油聯(lián)通向換向聯(lián)再去執(zhí)行元件。第一聯(lián)是進(jìn)油聯(lián), 此聯(lián)閥包含了裝載機(jī)LUDV 所需要的主要元件:主安全閥、壓力補(bǔ)償閥、沖洗閥、LS 阻尼孔及LS 卸荷閥等。第二至第四聯(lián)閥是換向聯(lián), 其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示, 各換向聯(lián)閥和執(zhí)行元件相連,圖2將壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。在各換向聯(lián)閥中, 負(fù)荷傳感控制壓力補(bǔ)償閥布置在操縱閥與執(zhí)行器之間, 在總流量欠飽和的情況下, 各執(zhí)行機(jī)構(gòu)也能按比例關(guān)系分配, 高負(fù)荷與低負(fù)荷的機(jī)構(gòu)能同時(shí)動(dòng)作。2工作裝置的LUDV 控制滑移裝載機(jī)工作時(shí)具有多種動(dòng)作復(fù)合, 液壓系統(tǒng)既要能保證裝載機(jī)動(dòng)臂、鏟斗和和外掛附件各自的單獨(dú)動(dòng)作, 又要能使它們相互配合實(shí)現(xiàn)復(fù)合動(dòng)作以滿足

8、裝載機(jī)的工作要求和提高工作效率。當(dāng)多個(gè)執(zhí)行器動(dòng)作復(fù)合, 若泵供油能力不能滿足工作系統(tǒng)所需要的液壓油時(shí), 流量將流向具有最低負(fù)載壓力的執(zhí)行器, 而最高負(fù)荷回路上的執(zhí)行元件速度會(huì)迅速降低直至停止, 從而使裝載機(jī)失去復(fù)合動(dòng)作的協(xié)調(diào)能力。LUDV 控制是以執(zhí)行器最高負(fù)載壓力控制壓力補(bǔ)償?shù)呢?fù)載獨(dú)立流量分配系統(tǒng), 當(dāng)執(zhí)行器所需流量大于泵的流量時(shí), 系統(tǒng)會(huì)按比例將流量分配給各執(zhí)行器, 而不是流向輕負(fù)載的執(zhí)行器。2. 1理論基礎(chǔ)負(fù)荷傳感(l oad sensing, LS 控制閥的基本原理是依據(jù)節(jié)流口流量方程:Q =K AP m (1 式中:K 流量常數(shù);A 閥開口面積; P 閥口前后壓差; m 和節(jié)流口結(jié)構(gòu)

9、有關(guān), 薄壁結(jié)構(gòu)取0. 5。因此通過節(jié)流口的流量只與閥的開口面積A 和節(jié)流口兩端的壓差P 有關(guān)。而P 的值和壓力補(bǔ)償閥有密切關(guān)系, 通過壓力補(bǔ)償閥的彈簧可以補(bǔ)償壓力變化, 以保證不同節(jié)流口之間的壓差P 值的關(guān)系。2. 2LUDV 控制原理LUDV 系統(tǒng)在各油路中使用了同樣的比較基準(zhǔn)壓力,使其各油路的控制特性變化具有相關(guān)性, 在系統(tǒng)欠流時(shí)能夠同時(shí)調(diào)整流量供應(yīng), 保持各路執(zhí)行器工作穩(wěn)定。如圖3所示, 該LUDV 控制系統(tǒng)將壓力補(bǔ)償閥設(shè)計(jì)在測量阻尼孔之后, 通過梭閥將執(zhí)行器的最高壓力P 1(設(shè)P 1>P 2 的信號(hào)傳遞給所有的壓力補(bǔ)償閥, 壓力補(bǔ)償法通過彈簧的給定的壓差作為調(diào)節(jié)壓差P 作用于系

10、統(tǒng)。根據(jù)壓力補(bǔ)償閥閥芯的受力平衡方程可得:P m ×A K =P LS ×A K +F K(2 P m =P (3 ; K ; K 壓力補(bǔ)償閥調(diào)定的彈簧壓力; P K 彈簧調(diào)定壓力。圖3L U D V 控制系統(tǒng)原理圖在該液壓系統(tǒng)中, 選用相同結(jié)構(gòu)參數(shù)的壓力補(bǔ)償閥, 調(diào)整兩補(bǔ)償閥的彈簧預(yù)緊力, 使得F K 1=F K 2=F K , 根據(jù)公式(2 , 平衡狀態(tài)下則總能保持P m 1=P m 2。當(dāng)負(fù)載壓力發(fā)生變化時(shí), 閥芯將偏離平衡位置, 壓力補(bǔ)償法的通流截面積將發(fā)生變化, 繼而P m 壓力發(fā)生相應(yīng)的變化, 經(jīng)過一個(gè)動(dòng)態(tài)過程后, 最終回到平衡方程所示狀態(tài), 這就意味著各壓力補(bǔ)

11、償閥均受較高的負(fù)載壓力控制。操縱閥1和操縱閥2的流量大小分別為:Q 1=K 1A 1P 1(4 Q 2=K 2A 2P 2(5兩補(bǔ)償閥的彈簧預(yù)緊力相同, 即P K 1=P K 2=P K 根據(jù)式3:P m 1=P m 2=P LS +P K(6P 1=P 2=P (7由于結(jié)構(gòu)相同, 則有:K 1=K 2=K(8 把式7和式8代入式5和式6中, 可以輕易得到:Q Q 2A A 2=C (9從式9可以知道, 在LUDV 控制系統(tǒng)中, 泵將按阻尼孔通流截面積A 1和A 2的大小成正比供油。所以流量控制精111 信息技術(shù)劉樂, 等滑移裝載機(jī)工作裝置液壓系統(tǒng)仿真研究 htt p:ZZHD. chinaj

12、 ournal . net . cn E 2mail:ZZHDchainaj ournal . net . cn 機(jī)械制造與自動(dòng)化度高, 即使在液壓油供油不足的情況下, 幾個(gè)執(zhí)行元件仍可以保持同步運(yùn)動(dòng)或以某種速比運(yùn)動(dòng), 且互不干擾。3基于EASY5的模型建立和仿真3. 1多路閥換向聯(lián)模型的建立在各換向聯(lián)中, 本裝載機(jī)液壓系統(tǒng)采用的是這種具有負(fù)載獨(dú)立流量分配功能的液控多路閥, 是一種帶有輔助功能的集中控制裝置, 減少了連接管路和流阻的損失, 提高了工作可靠性。圖4換向閥模型示意圖圖5換向聯(lián)模型如圖4(a 所示, 是一個(gè)三位四通換向閥, 圖4(b 是對其建模的模型示意圖?？梢栽O(shè)定, 換向閥閥芯位于

13、左位, 節(jié)流閥1, 2閥口全開, 節(jié)流閥3, 4閥口緊閉; 閥芯位于中位時(shí), 節(jié)流閥1, 2和節(jié)流閥3, 4閥口緊閉; 閥芯位于右位時(shí), 節(jié)流閥1, 2閥口緊閉, 節(jié)流閥3, 4閥口全開。由于閥芯與閥體有相互運(yùn)動(dòng)關(guān)系, 它們之間存在間隙, 節(jié)流閥5, 6作用是模擬間隙導(dǎo)致的油液泄露。圖5是在E ASY 5中對多路閥的換向聯(lián)建立模型。通過對閥芯的質(zhì)量塊進(jìn)行受力平衡分析和建立方程, 可以得到閥芯的位移情況, 閥芯的位置對應(yīng)著節(jié)流口通流截面積的大小。根據(jù)閥芯位移和通流截面積的關(guān)系很方便可以建立模型。3. 2多路閥進(jìn)油聯(lián)模型的建立圖6是在E ASY5中對多路閥的進(jìn)油聯(lián)建立模型。進(jìn)油聯(lián)聯(lián)閥包含了裝載機(jī)L

14、UDV 所需要的主要元件:主安全閥、壓力補(bǔ)償閥、沖洗閥、LS 阻尼孔及LS 卸荷閥等。進(jìn)油聯(lián)有利于液壓系統(tǒng)的節(jié)能, 主安全閥調(diào)定了LS油路的最圖6進(jìn)油聯(lián)模型高壓力, 即根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定了執(zhí)行元件的最大載荷; 壓力補(bǔ)償法是一個(gè)定差溢流閥, 它可以根據(jù)工作裝置的壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)其開啟壓力, 有利于節(jié)能。3. 3液壓系統(tǒng)模型和仿真根據(jù)圖1的工作裝置液壓系統(tǒng)原理圖, 建立了如圖7211 信息技術(shù)劉樂, 等滑移裝載機(jī)工作裝置液壓系統(tǒng)仿真研究 M ac hine BuildingA uto mation, Feb 2010, 39(1 :110113,168圖7進(jìn)油聯(lián)模型所示的液壓系統(tǒng)模型。由于滑移裝載機(jī)有多

15、種外掛負(fù)載, 根據(jù)本課題的要求, 主要是對裝載機(jī)一個(gè)裝載工作循環(huán)的液壓仿真分析。圖8動(dòng)臂缸的控制命令圖9鏟斗缸的控制命令圖10動(dòng)臂缸進(jìn)、出油腔的流量圖8是對動(dòng)臂液壓缸進(jìn)行操控的命令, 圖9是對鏟斗液壓缸的操控的命令,兩個(gè)控制命令一起即完成一個(gè)裝載圖11動(dòng)臂油缸進(jìn)、圖12鏟斗缸進(jìn)、出油腔的流量圖13鏟斗油缸進(jìn)出油腔的壓力工作循環(huán)的過程。在0s 到3. 5s 時(shí)間段, 動(dòng)臂缸的無桿腔進(jìn)油, 動(dòng)臂舉升; 在3. 5s 到6. 5s 時(shí)間段, 鏟斗缸的無桿腔進(jìn)油, 鏟斗轉(zhuǎn)動(dòng)卸料; 在7s 到9s 時(shí)間段, 鏟斗缸的有桿腔進(jìn)油, 鏟斗收縮; 同時(shí), 在7s 到10. 5s 內(nèi), 動(dòng)臂缸的有桿腔進(jìn)油, 動(dòng)

16、臂放下, 進(jìn)入下一個(gè)裝卸工作循環(huán)。動(dòng)臂液壓缸和鏟斗液壓缸的各個(gè)腔的壓力油流量分別如圖10和圖12所示。從圖10和圖12可知, 動(dòng)臂液壓(下轉(zhuǎn)第168頁 311 電氣技術(shù)與自動(dòng)化黃瑾瑜基于移相控制的高頻感應(yīng)加熱電源的研究 htt p:ZZHD. chinaj ournal . net . cn E 2mail:ZZHDchainaj ournal . net . cn 機(jī)械制造與自動(dòng)化位比較器, 一路形成相位相反的兩信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路送至逆變器的對應(yīng)功率開關(guān)器件。3仿真結(jié)果a 移相角=15°時(shí)逆變器輸出電壓電流波形如圖8所示。圖8移相角=15°b 移相角=出電壓電流波形如圖。4結(jié)

17、語對20k W /100kHz 大功率高頻感應(yīng)加熱電源進(jìn)行了整體設(shè)計(jì), 分析了P WM 移相調(diào)功原理, 提出了整機(jī)主電路、控制電路的設(shè)計(jì)方案, 并且對電路進(jìn)行了仿真。圖9移相角=45°時(shí)逆變器的輸出波形參考文獻(xiàn):1M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2007.D .西安:西安理工大學(xué).3沈海明, 沈錦飛. 一種新型高頻感應(yīng)加熱用驅(qū)動(dòng)、保護(hù)電路J .電源世界, 2008(3 :33234.4吳兆麟, 等. 串聯(lián)逆變式高頻感應(yīng)加熱電源J .電力電子技術(shù), 1994(1 :18221.收稿日期:2008212212(上接第113頁 缸和鏟斗液壓缸的無桿腔和有桿腔的流量總能保證21的關(guān)系, 這是由于

18、在液壓缸的設(shè)計(jì)時(shí), 無桿腔和有桿腔的面積比為21, 仿真結(jié)果和實(shí)際相符。通過操縱閥的流量減小, 兩負(fù)載的流量按開口面積成比例分配, 說明了LUDV 系統(tǒng)良好的控制特性, 其仿飽和能力強(qiáng), 輕負(fù)載不會(huì)影響重負(fù)載的速度。動(dòng)臂液壓缸和鏟斗液壓缸的各個(gè)腔的壓力油壓力變化圖11和圖13所示。負(fù)載變化時(shí), 工作系統(tǒng)的壓力突變且波動(dòng), 同時(shí), 流量也在存在瞬時(shí)變化, 其原因在于壓力補(bǔ)償閥的調(diào)節(jié)作用, 流量需求的瞬時(shí)變化快于壓力補(bǔ)償閥的調(diào)節(jié)。4結(jié)論由仿真曲線分析可知, LUDV 系統(tǒng)具有良好的控制特性, 仿真結(jié)果和理論相符, 為滑移裝載機(jī)整機(jī)液壓系統(tǒng)的仿真提供了依據(jù)和數(shù)據(jù)參考。利用E ASY5可以實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的仿真, 初步了解系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的特性與狀態(tài), 并且判別其設(shè)計(jì)是否合理, 有利于縮短設(shè)計(jì)周期, 減少設(shè)計(jì)的盲目性, 確保試車時(shí)的安全性和穩(wěn)定性。合理選取液壓