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2011产品创新数字化峰会征文:液压挖掘机液压系统优化设计与仿真

2011/12/2    来源:e-works    专家:孙江宏      
关键字:液压挖掘机  液压系统  仿真  虚拟样机  
本文分析国内液压挖掘机发展问题,针对液压挖掘机功能要求,优化设计液压系统回路。利用Simulink软件对液压系统进行仿真分析,得出仿真结果。针对优化设计后的液压系统进行可靠性分析,并与原有液压系统进行对比,比较可靠性数据的变化。并简单建立工作装置虚拟样机模型,得出工作装置位移曲线图。

前言

    液压挖掘机在工业与水力、矿山、市政工程、民用建筑、道路建设等土石方施工中均占有重要位置,是交通运输、能源开发、城镇建设以及国防施工等各项工程建设的重要施工设备。纵观当今我国国内液压挖掘机发展状况,多为斗容2.5立方米以下的小型设备,而中型、大型液压挖掘机数量较少,并且几乎都处于设计阶段,试验及仿真工作薄弱。国内液压挖掘机虽发展迅速,但与国外液压挖掘机相比,在可靠性、整机技术水平、工作装置功能上存在较大差距,生产规模、功能上无法满足庞大的国内市场的需要。

    本文针对国内行业对液压挖掘机的需求,对液压挖掘机液压系统进行设计与仿真,实现产品的优化设计。增加液压挖掘机功能及提高其可靠性,使其达到更快的速度、更好的质量,赢得市场竞争。

1 液压挖掘机液压系统设计

    1.1 液压系统优化设计方案

小松液压挖掘机液压系统(局部图)

    图1 小松液压挖掘机液压系统(局部图)

    液压挖掘机由工作装置、上部转台和行走装置三部分组成,工作装置又分为动臂、斗杆和铲斗。以上几部分液压系统的功能及可靠度,对相应机械部件会产生很大的影响。本次优化设计,以小松液压系统原理图(如图1所示)为基础进行改进,达成以下设计要求:

    (1)动臂、斗杆和铲斗要能够单独动作,也可以互相配合实现复合动作;

    (2)工作过程中要求工作装置的动作和转台的动作既能单独进行,又能复合动作,以提高作业效率;

    (3)液压挖掘机的左右行走要求分别驱动,使行走方便,转向灵活,且可以原地转弯;

    (4)为了提高作业效率,回转、动臂和斗杆具有优先动作功能;

    (5)要求工作安全可靠,各种作业油缸有可靠的过载保护,回转机构和行走装置要有可靠的制动和限速,防止动臂或斗杆因自重快速下降和整机超速溜坡。

    1.2 液压挖掘机液压系统优化设计

    (1)行走装置液压系统

    设计液压挖掘机左右行走履带能单独驱动,以实现转向和原地转弯;行走时的高低速自动切换;行走限速、行走制动;直线行走时,作业装置能够作业。

    本液压系统采取双泵供油,并分别由一个油泵为一个马达供油。当只操纵右行走马达时,可以采用前泵单独给右行走马达供油;当只操纵左行走马达时,可以采用后泵单独给左行走马达供油。单独操作双泵中的某一个泵时,挖掘机会原地转弯。当增大双泵中某一个泵的流量时,挖掘机会实现转向。为行走马达配备高压自动变量装置,使其能随着行走阻力的变化而自动变换档位。添加马达控制阀,从而满足马达的限速、制动控制等要求。

    (2)回转装置液压系统

    设计回转平台能够制动和防反转、缓冲;操作转台和斗杆时,回转马达优先供油,使转台优先动作,即所谓的回转优先功能,同时满足转台和斗杆既能独立工作,又可以同时工作。回转液压系统中设置一套防反转阀即可以达到防止转台摇晃的目的。

    设计回转优先功能,使后泵的液压油主要供给回转马达。在斗杆操纵阀的进油路上,增加一个由回转操纵先导压力控制的一个回转优先阀,即可达到回转优先的目的。

 

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    (3)斗杆装置液压系统

    本次优化设计设置斗杆合流、斗杆优先装置,使动臂、斗杆和铲斗要能够单独动作,也可以互相配合实现复合动作。

    在前泵液压油路上设置斗杆合流阀,通过斗杆先导操纵压力同时推动斗杆操纵阀和斗杆合流阀的阀芯移动,使前泵和后泵的输出流量进行合流,以提高斗杆的作业速度。进入斗杆合流阀的动力油有两条通路,一条来自前一作业装置操纵阀的中位油道,即前泵油路,另一条直接来自后泵的输出油路。前一作业装置动作时将中位油道切断,但仍可以通过后泵的输出口供油,这样设计的目的是使斗杆合流和斗杆操作不受其它作业装置的影响,即可独立操作。

    同回转装置液压系统优先功能类似,在液压油进入铲斗液压系统和动臂液压系统之前分别设置两个斗杆优先控制阀,当操纵斗杆时,在斗杆操纵压力油的作用下,斗杆优先控制阀换位至节流通道,进入动臂液压缸和铲斗液压缸的油流会形成阻力,从而增加了进入斗杆合流阀的流量,即增加了进入斗杆液压缸的流量,加快了斗杆动作速度。

    (4)动臂装置液压系统

    小松液压挖掘机的动臂液压系统与斗杆液压系统类似,同样是只能完成基本的动作。本次优化设计将设置动臂合流装置。

    动臂合流即在控制动臂操作阀使动臂举升时要求前泵和后泵合流,以加快动臂举升速度。在后泵驱动油路上设置一动臂合流阀,当操纵动臂举升时,先导压力油一起推动动臂操纵阀和动臂合流阀右移换位,后泵输出油流经单向阀和前泵输出油流在合流点会合,再经斗杆优先阀和动臂锁定阀后供给动臂缸大腔,达到前泵和后泵合流的效果。

    1.3 冗余设计

    本次优化设计共在液压系统中设置两种冗余设计。

    (1)由节流孔与单向阀以并联方式相连接

    此冗余设计设置在动臂操作阀至动臂液压缸的油路上。系统正常工作时各操纵阀的先导压力油经过φ0.8节流孔,起到限制先导压力油迅速升高的作用,从而延缓动臂操纵阀的动作速度,使得各作业装置动作平稳。另外并联的单向阀起安全保护作用,当φ0.8节流口堵塞时,可以打开单向阀,使先导压力油畅通。这样就可以在实现限制先导压力油作用的同时,避免因节流孔的堵塞而导致压力油堵塞,保持油路畅通。

    (2)由过滤器与单向阀两个元件以并联方式相连接

    为了保持系统油液清洁,在进回油路上分别设置了过滤器。这样,经过过滤器的油液流通后续液压系统时,可以避免阻塞后续油路。长时间工作,过滤器会出现堵塞现象,一旦堵塞,进回油不畅甚至堵死,造成系统不能正常工作。为了防止过滤器堵塞带来的故障,在过滤器旁并联一个单向阀就可以解决这个问题,一旦滤芯堵塞,油液可以经单向阀流通,虽然油液不能过滤,但短时系统仍能工作。

2 液压挖掘机液压系统仿真分析

    在液压系统优化设计的基础上,对其进行仿真分析,建立仿真模型,对优化设计后的功能进行验证。

    2.1 回转液压系统缓冲功能分析

    液压系统是由多个不同的液压元件组成的,其中各元件之间通过液压管道来进行能量的传递。在数学建模过程中,通常利用节点从而建立液压系统的参数模型,并选取节点建立流量方程从而表达节点压力和进出节点的流量之间的关系。节点处连接各个液压元件,建立各个液压元件的仿真模块后,即可通过仿真得知随着时间的推移,该节点处的压力曲线。节点压力与管道以及液压元件的故障息息相关。平稳的压力曲线,对整个液压系统的可靠性具有相当大的好处。

回转液压系统原理图

    图2 回转液压系统原理图

    对回转液压系统进行仿真分析,修改前后的回转液压回路原理图(局部图)如图2所示。对于小松液压挖掘机回转液压系统,分别选取进油路和回油路上一节点,对其进行仿真分析。根据前文所建立的仿真模型模块,选取节点1和节点2,建立小松液压挖掘机回转液压系统仿真模型,得出仿真结果如图3所示。

    同理,对修改后的回转液压回路进行仿真。分别在进油路和回油路选取节点3和4,对其进行仿真分析,仿真结果如图4所示。

小松液压挖掘机回转液压系统仿真图

    图3 小松液压挖掘机回转液压系统仿真图

优化设计后的回转液压系统仿真图

    图4 优化设计后的回转液压系统仿真图

    比较图3和图4的仿真结果,两个液压回路进油路的设计相同,因此节点1和3的压力曲线基本一致,而回油路上节点2和4的压力曲线相比较,节点2峰值为1.3,节点4的峰值为1.4。节点4处压力波动较大,节点2处压力波动较小,过度较为平稳。改进后的液压回路,在缓冲效果上比原小松回转回路更加突出,且压力较小,则对油路以及各元件的压力也越小,说明改进后的液压回路设计正确,达到了更好的回转缓冲效果。缓冲效果好同时对提高整体回转液压系统可靠性有利。

 

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    2.2 动臂液压系统仿真分析

    根据小松动臂液压系统原理图,利用SimHydraulics提供的液压元件模型搭建系统仿真模型,模型建立过程中,只需要按照液压系统油路起始的顺序依次连接仿真模块,避免了传递函数等数学模型的建立,即可完成整个液压系统仿真模型,直接对动臂液压系统进行仿真。两次仿真分析的仿真结果如图5所示。

液压系统仿真图形

    图5 液压系统仿真图形

    (a)图为小松动臂液压系统速度仿真曲线图,从图中得知动臂举升速度最高峰值0.1m/s,下降速度峰值为0.1m/s。(b)图为优化设计后的动臂液压系统速度仿真曲线图,动臂下降速度峰值相同,举升速度峰值为1.2m/s。本次优化设计对动臂添加了合流功能,目的是提高动臂举升速度,提高作业效率。通过仿真结果速度比较分析,验证了此次优化设计已达到目的。

3 可靠性设计

    FTA和FMEA是可靠性设计常用的两种方法,是两种独立的故障分析方法,两种方法的出发点不同。故障模式分析从故障底层出发,简而言之,即从每个基本故障原因入手,得出基础液压元件故障会引发挖掘机哪种故障;故障树分析法是从故障顶层出发,发现某种故障后,根据液压系统的层层关系,向下寻找每个基本故障原因(即基础液压元件的故障)。由此可知,两种分析方法存在一种互相证明的关系。

    首先应用故障模式分析法(FMEA)分析各主要回路。得出FMEA表格,对各液压元件进行编号,并简述其功能、故障模式、故障原因以及最终影响。对各个元件进行了严酷度分析。重点与故障树分析进行结合,这样大大节省了故障排查的效率,且本身两种方法也达到一种互补互相验证的效果。并通过观察FMEA表格,得出各回路的基本元件数和故障总数。

    其次应用加权分配法及FMEA分析的结果对系统进行可靠性分配。应用故障树分析法(FTA)对液压系统各主要回路进行故障分析。通过建立故障树,能直观的对故障原因进行排查,节省实际工况中排除故障的效率,并对各支路进行故障数学分析,找出可靠度最薄弱的环节。在实际工况中,对可靠度较低的支路做定期故障排查与保养。

    通过对回转液压系统进行故障树分析得出故障树如图6所示。

回转装置液压系统故障树

    图6 回转装置液压系统故障树

    同理对其他装置液压系统进行故障分析,计算可靠度,最终分析得出:

 

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4 运动仿真

    液压挖掘机的工作装置是整个液压挖掘机。设计过程中,为得到最大挖掘工作装置的运行数据,利用实体样机试验会耗费巨大的人力、物力,并消耗很大的成本。利用Adams软件,建立液压挖掘机工作装置虚拟样机模型,对工作装置进行简单运动仿真,可以得出各液压缸、铲斗齿尖的运动速度图以及铲斗齿尖的工作范围图。

    建立简单的三维模型即工作装置的三维简图,如图7所示。其中O为原点,X、Y轴正方向如图所示,A、B、C分别为动臂与回转平台、斗杆与动臂、铲斗与斗杆的铰接点。

    在实际工况中,动臂固定在回转平台上,因此在动臂A点添加固定副约束。在铲斗油缸、斗杆油缸和动臂油缸上分别添加一个移动副,在其余铰点位置添加转动副,最后为三个移动副添加滑移驱动。对动臂液压缸、斗杆液压缸、铲斗液压缸驱动设定不同的运动参数,分别建立不同的Step函数来调节油缸的伸缩行程,以获得挖掘机铲斗工作点的工作范围、运动曲线。设置选取铲斗齿尖处为运动仿真点,设置仿真时间为15S,步长为50,进行运动仿真,得到仿真图形如图8所示。

工作装置三维模型

    图7 工作装置三维模型

仿真结果曲线

    图8 仿真结果曲线

5 结论

    (1)完成对液压挖掘机液压系统优化设计,使液压挖掘机满足复杂的工况要求。

    (2)通过Simulink对优化设计后的液压系统进行仿真分析,通过仿真结果图形,得知回转液压系统达到缓冲要求,动臂液压系统合流功能设置正确。

    (3)对优化设计后的液压系统进行可靠性分析,与优化设计前的数据进行比较,基本满足可靠性要求。

    (4)最后对工作装置进行运动仿真,引出虚拟样机仿真方法,将在日后的工作中进一步完善虚拟样机。

责任编辑:程玥
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