zly06小型礦用全液壓防爆裝載機邊插轉斗工況聯(lián)合仿真分析

zly06小型礦用全液壓防爆裝載機邊插轉斗工況聯(lián)合仿真分析

小型火炮探測車小型液壓上下過載是一種集成機械、能源和反恐技術的小型復雜機械系統(tǒng)。主要適用于狹窄的地下通道和相對較低的采礦環(huán)境，尤其是小型煤礦和小型礦山的開采。鑒于中國對礦資源的需求越來越大，考慮到小型裝載機的開發(fā)性能，適合鉆井操作，是必然的。1工作部件之間連接裝載機工作裝置由鏟斗、連桿、動臂、搖臂、車架、轉斗活塞桿、轉斗油缸缸筒、舉升活塞桿、舉升油缸缸筒等構件組成,在PRO/E中將其裝配好后導入ADAMS中,施加具體的約束。圖1為裝載機工作機構約束拓撲圖,ZLY06裝載機各工作部件之間主要采用銷軸進行連接,因此工作機構之間的連接均以低副形式存在,對該裝載機施加約束時應結合ADAMS與AMESim聯(lián)合仿真時的特殊要求,采用移動副、旋轉副、球副、圓柱副、固定副。在圖1中,A、B、C、E、F、G分別表示轉動副、球副、圓柱副、移動副、固定副、無約束狀態(tài);1、2、3、4、5、6、7分別表示了動臂、舉升油缸活塞桿、舉升油缸、轉斗油缸活塞桿、轉斗油缸、連桿、搖臂;由于該裝載機工作機構關于轉斗油缸中心平面對稱,因此在約束設置時產(chǎn)生相應的虛約束,圖中給出了無約束鉸接點的位置,通過ADAMS進行驗證,該裝載機的整機約束中無冗余約束,約束添加正確,最終在ADAMS環(huán)境下建立的ZLY06虛擬樣機模型如圖2所示。2基于分流閥和轉向系統(tǒng)的聯(lián)合仿真模型該裝載機的行走、轉向以及鏟掘動作全部依靠裝載機的液壓系統(tǒng)去實現(xiàn)。液壓圖如圖3所示。根據(jù)該裝載機的液壓圖,在AMESim草圖模式中對該液壓系統(tǒng)進行物理建模。由于文中所研究的主要內(nèi)容是裝載機的工作機構及行走機構﹑液壓系統(tǒng)與外負載之間的關系,因此分流閥和轉向系統(tǒng)不屬于仿真的主要范疇,在最終的聯(lián)合仿真模型中予以省略。按照ZLY06裝載機最初的設計意圖,利用比例分流閥將液壓泵產(chǎn)生的總流量的5%提供給裝載機的轉向系統(tǒng),以保證該裝載機能夠正常地轉向。因此在對裝載機AMESim模型中液壓泵參數(shù)進行設置時應為實際液壓泵流量的95%,其余液壓軟件的參數(shù)均保持原來不變,將裝載機的轉向部分的液壓系統(tǒng)從整體模型中分離出來,這樣便可以大大減少了仿真時模型的復雜程度,最終裝載機液壓系統(tǒng)在AMESim中的模型如圖4所示。3系統(tǒng)與仿真的接口AMESim與ADAMS的聯(lián)合仿真,實質(zhì)上是將復雜的機械系統(tǒng)的運動學、動力學模型與液壓系統(tǒng)模型通過它們之間所建立的數(shù)據(jù)接口有機地串連在一起。在仿真過程中,通過兩者的接口將仿真所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)互相交換,這樣便可以有效地實現(xiàn)對整個機械系統(tǒng)的動態(tài)過程分析,真實地模擬裝載機的實際工作情況,根據(jù)交互分析產(chǎn)生的結果來評價設備的性能,使得仿真的整個過程更加接近真實的情況。在這個過程中,AMESim為主控軟件,ADAMS向AMESim中輸入力和位移,AMESim輸出力、輪胎扭矩及輪胎加速度,邊插入邊鏟斗的聯(lián)合仿真模型如圖5所示。4基于機械作用的最大翻轉阻力的模擬裝載機邊插入邊鏟斗綜合了兩個工況,此時控制液壓馬達的換向閥與控制轉斗油缸的換向閥同時開啟完成該復合工況。裝載機主要克服路面對輪胎的阻力、物料對裝載機的插入阻力、物料對鏟斗的剪切阻力以及物料對鏟斗的翻轉力矩。當裝載機執(zhí)行插入動作時,料堆所產(chǎn)生的阻力通過鏟斗作用于裝載機的車身,在插入過程中裝載機的插入阻力隨著鏟斗插入深度的增加而增加,插入阻力作用于距離鏟斗斗齒中心處,且距離中心齒外延約100mm處。文中利用STEP函數(shù)模擬插入阻力,具體如式(1)所示:式中:DX()為ADAMS中的測量X軸的位移函數(shù);0~500mm表示鏟斗的插入料堆的距離。該式可以描述為當鏟斗斗尖的插入距離為0~125mm時插入阻力增至9500N;插入距離為125~375mm時,插入阻力穩(wěn)定在最大值;當插入距離大于375mm時,插入阻力下降。鏟起阻力通過查閱文獻得其大小為8532N,作用于距離鏟斗斗齒中心處,且距離中心齒外延約100mm。具體如式(2):轉斗過程中還受到鏟斗翻轉所產(chǎn)生的阻力矩作用,當裝載機準備執(zhí)行收斗動作,此時裝入鏟斗內(nèi)的物料的接觸面積與斗底最大,隨著收斗動作的完成,鏟斗的翻轉阻力矩也逐漸減小,最后離開料堆時候為0,最大翻轉力矩的計算公式由文獻查得,如式(3)所示:式中:Fx為轉斗動作開始時候的插入阻力;x為鏟斗的轉動軸與鏟斗斗刃的距離,mm;計算得到鏟斗的最大翻轉力矩為12000N·m,最大翻轉力矩作用于鏟斗旋轉軸,函數(shù)模擬為:5液壓系統(tǒng)仿真裝載機所采用的液壓油為46#高磨抗壓油,當溫度為40℃時,其密度為880kg/m3,油液運動黏度為50mm2/s,體積模量為1700MPa;舉升油缸活塞直徑×活塞桿直徑×行程為Φ63mm×Φ45mm×750mm;轉斗油缸活塞直徑×活塞桿直徑×行程為Φ63mm×Φ45mm×750mm;液壓泵工作排量32mL/r×95%,額定轉速為2200r/min;液壓馬達工作排量45mL/r,額定壓力10MPa,額定轉速為1800r/min;液壓系統(tǒng)溢流閥卸荷壓力為15MPa;換向閥額定流量為100L/min,壓降為1MPa;液壓油管直徑Φ18mm,厚度為2.5mm。仿真時間取1.2s,ADAMS步長取0.1,AMESim仿真步長取0.01,發(fā)動機轉速1200r/min,液壓系統(tǒng)工作裝置各參數(shù)特性曲線如圖6所示。由仿真結果可知,當裝載機在液壓馬達輸出到輪胎的扭矩作用下開始插入料堆,此時輪胎角速度逐漸增大到約為3rad/s,如圖6(b)所示,裝載機開始正常插入料堆;在插入料堆一段距離后,裝載機的鏟掘阻力以及翻轉阻力矩逐漸增大,在剛開始時,由于鏟掘阻力的作用,如圖6(d)所示,轉斗活塞速度為負表面活塞被拉出,圖6(e)表示活塞被拉出約10mm,如圖6(f)所示,力的大小約為7800N,之后裝載機轉斗活塞在插入阻力和鏟掘阻力的作用下受到的合力逐漸增加,如圖6(f)中曲線2所示,而由于轉斗油缸有桿腔與無桿腔的壓差一直穩(wěn)定在0.04MPa左右,由有桿腔和無桿腔產(chǎn)生的驅動力曲線為圖6(f)中曲線1所示,驅動力大小約為4000N,無法克服轉斗活塞所受到的外負載力,因此轉斗活塞速度一直在波動。從圖6的仿真結果可以看出:當該裝載機在執(zhí)行邊插入邊轉斗工況時由于外負