嚴(yán)世榕，王 巍

（福州大學(xué) 機(jī)械工程及自動化學(xué)院，福建 福州 350108）

輪式裝載機(jī)是機(jī)液耦合的一體化產(chǎn)品，是一種重要的工程機(jī)械，可以用來鏟裝、卸載、搬運(yùn)、平整散裝物料，也可對硬土、巖石等進(jìn)行輕度的鏟掘工作［1－2］，其作業(yè)環(huán)境異常復(fù)雜.在不同的作業(yè)物料下，產(chǎn)生的作業(yè)阻力差別很大；在插入、轉(zhuǎn)斗、舉升、卸載和動臂下放不同工況下，裝載機(jī)受力也差別大.這會引起工作系統(tǒng)頻繁的振動與沖擊，對液壓元件壽命和裝載機(jī)的可靠性有很大的影響；同時司機(jī)憑借經(jīng)驗(yàn)不停地踩踏油門和更換換向閥方向，燃油消耗大，司機(jī)也易于疲勞［1－3］.所以分析裝載機(jī)工作系統(tǒng)動態(tài)特性，找出問題的關(guān)鍵，對提高整機(jī)性能具有非常重大的意義.

目前，關(guān)于裝載機(jī)的動態(tài)特性研究主要集中在兩方面：工作裝置的動態(tài)特性分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)和液壓系統(tǒng)動態(tài)特性分析與改進(jìn)［2－4］.第一種沒有考慮液壓系統(tǒng)的影響，通過對工作裝置的動態(tài)特性進(jìn)行研究，來優(yōu)化工作裝置的結(jié)構(gòu)，達(dá)到力學(xué)性能最優(yōu).第二種沒有考慮實(shí)時作業(yè)時機(jī)液耦合的影響，單獨(dú)分離出液壓系統(tǒng)進(jìn)行液壓動力學(xué)特性研究，來改進(jìn)液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu).從能量轉(zhuǎn)化角度考慮，裝載機(jī)是機(jī)、液耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，以統(tǒng)一的方式建立多領(lǐng)域并存的耦合系統(tǒng)的動力學(xué)模型才能更準(zhǔn)確地反映裝載機(jī)的動態(tài)特性［3－6］.雖然有些文獻(xiàn)，如文獻(xiàn)［3］，進(jìn)行了聯(lián)合仿真研究，但沒有考慮發(fā)動機(jī)的影響，僅對工作裝置和液壓系統(tǒng)進(jìn)行了簡單的分析；且研究工況單一，對工作系統(tǒng)研究不夠全面.本文針對福建某廠生產(chǎn)的ZL10型輪式裝載機(jī)，利用在動力學(xué)仿真方面有較強(qiáng)優(yōu)勢的機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)分析軟件ADAMS和在液壓系統(tǒng)仿真方面有較強(qiáng)優(yōu)勢的多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模與仿真平臺軟件AMESim，建立裝載機(jī)機(jī)械模型和液壓系統(tǒng)模型，并考慮了發(fā)動機(jī)的影響，建立了發(fā)動機(jī)模型.針對幾種典型的物料工況，對裝載機(jī)工作系統(tǒng)進(jìn)行了機(jī)液耦合動力學(xué)聯(lián)合仿真分析，得出了在插入、轉(zhuǎn)斗、舉升、卸載和動臂下放工況下的工作系統(tǒng)壓力、流量、油門開度和功率等參數(shù)的動態(tài)特征，并總結(jié)出液壓沖擊和能耗損失嚴(yán)重的環(huán)節(jié)，為改進(jìn)裝載機(jī)發(fā)動機(jī)功率損失大，液壓系統(tǒng)高壓溢流頻繁以及振動沖擊嚴(yán)重等問題提供一定的指導(dǎo)和幫助.

1 建立機(jī)械動力學(xué)模型

利用Pro／E軟件強(qiáng)大的建模功能，建立ZL10型輪式裝載機(jī)的三維數(shù)字化模型.在Pro／E機(jī)構(gòu)分析功能中，檢驗(yàn)該模型的基本性能，使之卸載角、卸載高度、卸載距離和鏟斗的自動放平性滿足要求.然后，把圖形文件保存為Parasolid（＊x－t）格式，并導(dǎo)入ADAMS中.在ADAMS中定義材料屬性以及各部件間的約束和力特征，完成模型的建立［3］.

2 建立機(jī)液耦合工作系統(tǒng)模型

2.1 液壓系統(tǒng)原理分析

ZL10型輪式裝載機(jī)的液壓系統(tǒng)采用工作裝置液壓系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)單泵并聯(lián)油路.通過優(yōu)先閥和負(fù)荷傳感轉(zhuǎn)向器，在任何情況下，均能保證轉(zhuǎn)向器回路流量優(yōu)先，在保證轉(zhuǎn)向器正常工作的情況下，剩余流量供給工作系統(tǒng).

在液壓系統(tǒng)中，液壓油在液壓缸中以彈簧基本相同的方式進(jìn)行運(yùn)動，動力學(xué)方程為［3］：

式中：P為外力；Keq為等效彈簧剛度；h為壓縮位移量；E為液壓油體積彈性模量；A為活塞作用面積；V為液壓油體積.

2.2 機(jī)液耦合工作系統(tǒng)模型的建立

根據(jù)液壓系統(tǒng)原理圖，利用AMESim中的液壓元件設(shè)計(jì)庫HCD建立優(yōu)先閥模型；根據(jù)負(fù)荷傳感轉(zhuǎn)向器的工作原理，建立相似數(shù)學(xué)模型的仿真模型；最后在標(biāo)準(zhǔn)液壓庫中建立轉(zhuǎn)斗缸、舉升缸、轉(zhuǎn)向缸、換向閥、安全閥、泵和油液等其他液壓元件模型，從而完成液壓系統(tǒng)部分?jǐn)?shù)學(xué)模型的建立［3－6］.

裝載機(jī)發(fā)動機(jī)采用柴油機(jī)，把發(fā)動機(jī)看作一個二自由度系統(tǒng)，數(shù)學(xué)模型為［6］

式中：Te為發(fā)動機(jī)扭矩；ne為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速；α為油門開度；ki為常數(shù)（i＝1，2，3，…）.

根據(jù)如上的數(shù)學(xué)模型，利用AMESim的IFP Drive庫建立裝載機(jī)柴油機(jī)仿真模型.設(shè)置柴油機(jī)油門開度在0～100%范圍，轉(zhuǎn)速在1 000～2 400r·min－1范圍.

本文聯(lián)合仿真以AMESim為仿真主界面，因此必須先在ADAMS中定義輸入輸出狀態(tài)變量.輸入變量分別為車輪轉(zhuǎn)矩和4個油缸作用力，輸出變量分別為車輪角位移、角速度和3個油缸的油缸活塞相對于缸筒的位移和速度，然后保存接口文件，該文件中包含了機(jī)械模型的所有信息.最后在AMESim中導(dǎo)入生成的接口模塊，完成機(jī)液耦合工作系統(tǒng)模型的建立［3］.

3 工作系統(tǒng)動態(tài)特性分析

根據(jù)該型號裝載機(jī)的主要技術(shù)性能參數(shù)，在模型中設(shè)置各元件的基本參數(shù).

3.1 插入工況工作系統(tǒng)動態(tài)特性分析

插入工況下，多路換向閥1和2處于中位，動臂油缸和轉(zhuǎn)斗油缸成閉鎖狀態(tài).插入阻力與物料重量隨插入深度的增加而增加.本文選用煤、沙礫石、鐵礦石這三種典型物料為研究對象.根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式［3，5］，分別計(jì)算其插入阻力和物料重力.

ADAMS模型中，在裝載機(jī)鏟斗中間鏟齒處，水平方向上施加插入阻力；在鏟斗質(zhì)心處，豎直方向上施加物料重力.其中插入阻力和物料重力是插入深度的函數(shù).插入時車體以1擋進(jìn)行作業(yè)，動態(tài)特性如圖1.

圖1 插入工況工作系統(tǒng)動態(tài)特性Fig.1 Dynamic characteristics of working system in inserting conditions

圖1a是控制發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為2 200r·min－1，車體插入不同物料工況下，油門開度的變化情況.其中曲線5是車體插入沙礫石物料時遇到硬物阻力的情況.圖1b是沙礫石和鐵礦石工況下，勻速插入時，舉升缸和轉(zhuǎn)斗缸大、小腔壓力的變化情況.圖1c是沙礫石工況下，車體勻加速插入時油泵隨轉(zhuǎn)速的變化情況.圖1d是三種物料工況下，勻速插入時發(fā)動機(jī)功率的變化情況.

由圖1a知，插入阻力隨著插入深度的增大而不斷增大，為穩(wěn)定發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，油門開度也逐漸增大.同一種物料工況下，發(fā)動機(jī)油門開度有一定的變化范圍，如煤工況下油門開度變化范圍在10%～25%；不同物料工況下，最大油門開度差別很大，如鐵礦石最大為100%，而煤為25%.由圖1d知，煤和鐵礦石工況下，所需最大功率分別是10kW和40kW左右，不同物料導(dǎo)致對發(fā)動機(jī)功率的需求差別大.而發(fā)動機(jī)最大功率在40kW左右，由發(fā)動機(jī)的特性知，長期作業(yè)在煤物料工況下，沒有充分利用發(fā)動機(jī)功率，后備功率大，燃油損失嚴(yán)重.若對發(fā)動機(jī)功率模式進(jìn)行控制，根據(jù)不同物料工況對功率的需求，相應(yīng)的選擇能充分利用發(fā)動機(jī)功率的模式，能減小后備功率，降低燃油消耗.圖1b中，舉升缸和轉(zhuǎn)斗缸大腔壓力隨著插入阻力的增大而增加，過大的插入阻力，會造成油缸壓力超過額定壓力；且工作中若遇到硬物，阻力突然增加，油缸也造成了一定的沖擊.由圖1c可知，插入時定量油泵處于不工作狀態(tài)，而扭矩隨轉(zhuǎn)速增加而增加，造成能源浪費(fèi).可以將定量泵改用變量泵，來改善這一狀況.

3.2 轉(zhuǎn)斗工況工作系統(tǒng)動態(tài)特性分析

轉(zhuǎn)斗工況下，開啟轉(zhuǎn)斗液壓缸，關(guān)閉動臂液壓缸，使鏟斗翻轉(zhuǎn)裝載物料.此時料堆對鏟斗的反作用力產(chǎn)生轉(zhuǎn)斗阻力矩.根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式［6］，分別計(jì)算其開始時的最大轉(zhuǎn)斗阻力矩.

ADAMS模型中，在鏟斗質(zhì)心處施加轉(zhuǎn)斗阻力矩.轉(zhuǎn)斗阻力矩隨翻轉(zhuǎn)角的增大而減少，此時可用step函數(shù)進(jìn)行模擬轉(zhuǎn)斗阻力矩的變化情況.AMESim模型中多路換向閥的開口模擬值范圍為－40—40，轉(zhuǎn)斗時閥開口變化為0—－40.設(shè)置不同開啟時間來模擬不同的開啟速度，時間越小，開啟速度越快.如圖2，取開啟時間為0.5，0.1，0.01s，發(fā)動機(jī)控制轉(zhuǎn)速為2 200r·min－1，分離離合器，轉(zhuǎn)斗動態(tài)特性如圖2a，b.設(shè)置開啟時間為0.5s，轉(zhuǎn)速為2 200r·min－1，三種不同物料工況下，轉(zhuǎn)斗動態(tài)特性如圖2c，d.

由圖2a，b可知，開啟時間越短，開啟速度越快，液壓缸振動越大，對液壓缸損害越大.由圖2c可知，轉(zhuǎn)斗時，不同物料工況下所需的油門開度變化范圍很大，作業(yè)物料的不確定性，會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)功率不能充分利用，浪費(fèi)能源.由圖2d可知，裝載機(jī)轉(zhuǎn)斗到極限位置時，撞擊限位塊，液壓系統(tǒng)產(chǎn)生高壓溢流，功率損失嚴(yán)重，對油缸也造成了一定的沖擊.

圖2 轉(zhuǎn)斗工況工作系統(tǒng)動態(tài)特性Fig.2 Dynamic characteristics of working system in rotating bucket conditions

3.3 舉升工況工作系統(tǒng)動態(tài)特性分析

舉升工況下，鎖緊轉(zhuǎn)斗液壓缸，開啟動臂液壓缸，將鏟斗舉升到一定高度.此時鏟斗只承受物料重力［3］，取最大載重10kN，在ADAMS模型中鏟斗質(zhì)心處施加物料重力.舉升動態(tài)特性如圖3.

圖3 舉升工況工作系統(tǒng)動態(tài)特性Fig.3 Dynamic characteristics of working system in lifting conditions

AMESim模型中，取開啟時間分別為5，3，1s，關(guān)閉時間為1s，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為2 200r·min－1，得舉升缸和轉(zhuǎn)斗缸大腔壓力變化如圖3a，b.取開啟時間為1s，關(guān)閉時間分別為5，3，1s，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為2 200r·min－1，得舉升缸和轉(zhuǎn)斗缸大腔壓力變化如圖3c，d.取開啟時間和關(guān)閉時間均為1s，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為2 200r·min－1，得發(fā)動機(jī)油門和發(fā)動機(jī)功率變化如圖3e，f.

由圖4知，閥門開啟速度越快，舉升缸和轉(zhuǎn)斗缸大腔壓力振動越嚴(yán)重，相比而言，轉(zhuǎn)斗缸壓力的振動幅度更大；閥門關(guān)閉速度對舉升缸壓力振動影響較大，對轉(zhuǎn)斗缸壓力振動影響較小.舉升過程中油門變化范圍大，功率消耗也大.

3.4 卸載工況工作系統(tǒng)動態(tài)特性分析

卸載工況下，鎖緊動臂液壓缸，開啟轉(zhuǎn)斗液壓缸，使鏟斗翻轉(zhuǎn)卸載物料.此時鏟斗受物料重力作用且隨翻轉(zhuǎn)角的增大而逐漸減小.在ADAMS模型中，用step函數(shù)模擬物料重力.AMESim模型中取發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500r·min－1，卸載動態(tài)特性如圖4.

圖4 卸載工況工作系統(tǒng)動態(tài)特性Fig.4 Dynamic characteristics of working system in unloading conditions

由圖4b知，開始翻轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)斗缸小腔壓力隨著物料的卸載而逐漸減小，之后鏟斗依靠重力卸載，小腔壓力為零.卸載完后，鏟斗撞擊限位塊，導(dǎo)致高壓溢流，產(chǎn)生能量損失，功率變化如圖4d；由圖4c知，卸載初始速度恒定，之后依靠重力卸載速度快，突然撞擊限位塊，沖擊大，嚴(yán)重影響鏟斗使用壽命.

3.5 動臂下放工況工作系統(tǒng)動態(tài)特性分析

動臂下放工況下，鎖緊轉(zhuǎn)斗液壓缸，開啟動臂液壓缸，依靠鏟斗的重力使動臂下放到水平插入狀態(tài).此時只有鏟斗的自重，發(fā)動機(jī)處于怠速狀態(tài).動臂下放動態(tài)特性如圖5.

圖5 動臂下放工作系統(tǒng)動態(tài)特性Fig.5 Dynamic characteristics of working system in lowering boom conditions

由圖5知，動臂依靠自重下降，液壓缸采用差動連接，動臂缸大、小腔壓力較小，活塞桿速度迅速上升到一個較快值后保持穩(wěn)定，在下放到地面瞬間，關(guān)閉閥門，產(chǎn)生了較大的沖擊，甚至超過了額定壓力，對整個系統(tǒng)造成了嚴(yán)重的沖擊損害.由圖5c知，此時油液流向舉升缸大腔的流量等于流向小腔和油箱之和.

4 結(jié)論

裝載機(jī)整機(jī)系統(tǒng)比較復(fù)雜，本文在ADAMS和AMESim平臺上建立了ZL10型輪式裝載機(jī)機(jī)械模型、發(fā)動機(jī)模型、液壓系統(tǒng)模型以及其他傳動部分模型，進(jìn)行了機(jī)液耦合工作系統(tǒng)動態(tài)特性分析研究.基于典型工況，研究了裝載機(jī)在一個工作周期內(nèi)，液壓系統(tǒng)動態(tài)特性情況、對應(yīng)的發(fā)動機(jī)油門大小變化情況和功率損耗情況.研究結(jié)果顯示：

（1）插入階段遇到硬物、轉(zhuǎn)斗到極限位置、舉升停止瞬間、卸載到極限位置、下放動臂完畢瞬間、閥門開啟關(guān)閉速度過快均會對系統(tǒng)產(chǎn)生較大的振動與沖擊.

（2）作業(yè)物料的不同，對發(fā)動機(jī)功率需求差別大，燃油損失嚴(yán)重.

（3）撞擊限位塊，產(chǎn)生高壓溢流，燃油損失嚴(yán)重.

后續(xù)工作可以從發(fā)動機(jī)和液壓系統(tǒng)的控制策略方面進(jìn)行研究，以改善系統(tǒng)性能，從而對實(shí)際的裝載機(jī)設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo).

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