劉鋒，周宏兵

（1.韶關(guān)學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院，廣東韶關(guān)512005；2.中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410100）

液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)啟動(dòng)性能的仿真研究

劉鋒1，周宏兵2

（1.韶關(guān)學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院，廣東韶關(guān)512005；2.中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410100）

液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)啟動(dòng)過程中存在嚴(yán)重溢流損失，提高啟動(dòng)速度和減小溢流損失很難同時(shí)實(shí)現(xiàn),尤其是對(duì)于中大型液壓挖掘機(jī).利用AMESim和ADAMS仿真軟件，建立挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的機(jī)——液聯(lián)合仿真模型，分析相關(guān)參數(shù)對(duì)回轉(zhuǎn)啟動(dòng)性能的影響，通過優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)，減小啟動(dòng)溢流損失的同時(shí)提高了啟動(dòng)速度.

液壓挖掘機(jī)；回轉(zhuǎn)系統(tǒng)；啟動(dòng)性能；聯(lián)合仿真；優(yōu)化

回轉(zhuǎn)系統(tǒng)作為液壓挖掘機(jī)的主要組成部分，其工作時(shí)間約占整個(gè)工作循環(huán)的50%～70%，能量消耗占25%～40%，發(fā)熱量占液壓系統(tǒng)總發(fā)熱量的30%～40%［1］.由于挖掘機(jī)工作時(shí)回轉(zhuǎn)角度一般為90°左右，即回轉(zhuǎn)平臺(tái)未加速到最大轉(zhuǎn)速時(shí)就已開始制動(dòng)，因此，回轉(zhuǎn)工作過程基本由啟動(dòng)過程和制動(dòng)過程組成.回轉(zhuǎn)系統(tǒng)啟動(dòng)性能對(duì)挖掘機(jī)整機(jī)性能起重要作用，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的啟動(dòng)過程主要要求啟動(dòng)過程迅速且溢流損失小.

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)性能的研究主要集中在對(duì)制動(dòng)能量的回收［2-3］，如提出了次級(jí)調(diào)節(jié)節(jié)能原理［4］、開式回轉(zhuǎn)油路中加蓄能器的方案［5］和混合動(dòng)力技術(shù)［6］，而對(duì)啟動(dòng)性能的研究甚少.筆者提出建立回轉(zhuǎn)系統(tǒng)AMESim-ADAMS聯(lián)合仿真模型的方法，對(duì)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的啟動(dòng)性能進(jìn)行分析研究和優(yōu)化.

圖1 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)基本組成

1 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)基本組成及其工作原理

液壓挖掘機(jī)的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)包括回轉(zhuǎn)裝置和回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)，如圖1所示.回轉(zhuǎn)裝置主要由回轉(zhuǎn)平臺(tái)和回轉(zhuǎn)支承組成，回轉(zhuǎn)過程中，挖掘機(jī)的操縱室、工作裝置總成和油箱等部件隨回轉(zhuǎn)平臺(tái)一起轉(zhuǎn)動(dòng)；回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)主要由液壓泵、回轉(zhuǎn)馬達(dá)、回轉(zhuǎn)換向閥組成，一般是閥控回轉(zhuǎn)馬達(dá)系統(tǒng)［7］，圖2為某公司23 t挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖.

根據(jù)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)基本組成與液壓原理簡(jiǎn)圖，建立回轉(zhuǎn)系統(tǒng)啟動(dòng)過程的數(shù)學(xué)模型［8］.

上式中，ε—回轉(zhuǎn)平臺(tái)角加速度；T—回轉(zhuǎn)平臺(tái)驅(qū)動(dòng)力矩；Mz—阻力矩（含摩擦阻力矩和風(fēng)阻力矩）；Mi—慣性阻力矩；Ji—回轉(zhuǎn)平臺(tái)上各零部件對(duì)回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量.

圖2 回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)原理圖

上式中，ω—平臺(tái)回轉(zhuǎn)角速度.

上式中，i—減速比；PA—回轉(zhuǎn)馬達(dá)A口壓力；PB—回轉(zhuǎn)馬達(dá)B口壓力；q—回轉(zhuǎn)馬達(dá)排量.

操縱控制手柄使回轉(zhuǎn)換向閥工作在右位時(shí)，回轉(zhuǎn)馬達(dá)A口進(jìn)油，B口回油，回轉(zhuǎn)馬達(dá)通過其內(nèi)部的齒輪減速機(jī)構(gòu)將轉(zhuǎn)速和扭矩傳遞給回轉(zhuǎn)支撐，克服回轉(zhuǎn)阻力矩使回轉(zhuǎn)平臺(tái)加速；操縱控制手柄使回轉(zhuǎn)換向閥工作在左位時(shí)，回轉(zhuǎn)馬達(dá)B口進(jìn)油，A口回油，回轉(zhuǎn)平臺(tái)向相反方向加速；操縱控制手柄使回轉(zhuǎn)換向閥工作在中位時(shí)，回轉(zhuǎn)馬達(dá)制動(dòng)腔產(chǎn)生高壓使回轉(zhuǎn)馬達(dá)減速.由式（1）、式（2）和式（3）可知，回轉(zhuǎn)加速時(shí)，若回轉(zhuǎn)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和慣性阻力矩增大，則角加速度減小，回轉(zhuǎn)平臺(tái)加速過程減慢；同時(shí)，泵的輸出流量大于回轉(zhuǎn)馬達(dá)所需流量，溢流損失增大.因此，對(duì)于中大型液壓挖掘機(jī)，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)啟動(dòng)緩慢且存在嚴(yán)重溢流損失.

2 AMESim-ADAMS聯(lián)合仿真方法

根據(jù)液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的基本組成及其工作原理，建立上述數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，其分析結(jié)果不具有直觀性和具體性.考慮到數(shù)學(xué)方法的抽象性、挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的復(fù)雜性和工況的不確定性，筆者利用動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS和液壓分析軟件AMESim建立回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)的AMESim-ADAMS聯(lián)合仿真模型，即機(jī)—液聯(lián)合仿真模型，對(duì)其進(jìn)行定量分析和優(yōu)化.

主要過程包括：采用AMESim軟件建立挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的液壓仿真模型，采用ADAMS軟件建立挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，通過聯(lián)合接口實(shí)現(xiàn)兩者的聯(lián)合仿真；對(duì)回轉(zhuǎn)動(dòng)作過程進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試和仿真分析；將仿真所得數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證聯(lián)合仿真模型是否正確，并完善模型；利用仿真模型分析和優(yōu)化回轉(zhuǎn)系統(tǒng)啟動(dòng)性能.

3 仿真模型的建立

3.1 Adams動(dòng)力結(jié)構(gòu)模型

在Pro/E或Inventor等三維建模軟件中，建立挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)平臺(tái)以上部分的裝配三維模型，將其導(dǎo)入Adams軟件中.此時(shí)，Adams中導(dǎo)入的模型保存了原三維模型結(jié)構(gòu)、尺寸、位置、質(zhì)量等信息，但是需對(duì)其零部件添加約束關(guān)系，對(duì)其裝配關(guān)系進(jìn)行重新定義.

3.2 AMESim液壓系統(tǒng)模型

在AMESim軟件中選取相應(yīng)的變量泵、定量馬達(dá)模型，并根據(jù)挖掘機(jī)中液壓泵和回轉(zhuǎn)馬達(dá)的相關(guān)參數(shù)設(shè)置相應(yīng)參數(shù)；在AMESIM中構(gòu)建防反轉(zhuǎn)閥塊、緩沖溢流閥和泵控模塊并分別對(duì)其進(jìn)行封裝［9］；采用AMESim中HCD庫(kù)的元件構(gòu)建換向閥模型，并設(shè)置相關(guān)參數(shù).

3.3 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)Adams-AMESim聯(lián)合仿真模型

在ADAMS中將回轉(zhuǎn)平臺(tái)的轉(zhuǎn)速和角位移設(shè)置為聯(lián)合接口模塊的輸入狀態(tài)變量，將回轉(zhuǎn)馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)扭矩設(shè)置為聯(lián)合接口模塊的輸出狀態(tài)變量.將已定義好的輸入狀態(tài)變量、輸出狀態(tài)變量集成在聯(lián)合接口模塊內(nèi)，并將聯(lián)合接口模塊導(dǎo)入AMESim軟件中的液壓系統(tǒng)模型.至此，建立AMESim-ADAMS聯(lián)合仿真模型如圖3所示.

圖3 液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)AMESim-ADAMS聯(lián)合仿真模型

3.4模型正確性的驗(yàn)證

通過對(duì)液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，得到回轉(zhuǎn)系統(tǒng)空載動(dòng)作時(shí)手柄的輸入信號(hào)及相關(guān)壓力流量數(shù)據(jù).將采集的輸入信號(hào)作為仿真模型的輸入信號(hào)，仿真得到相應(yīng)的壓力流量數(shù)據(jù).將回轉(zhuǎn)仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)壓力流量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證模型的正確性.

4 仿真分析及優(yōu)化

采集挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)試驗(yàn)的輸入信號(hào)，將此信號(hào)作為仿真模型的輸入信號(hào)，對(duì)回轉(zhuǎn)動(dòng)作進(jìn)行仿真.挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)啟動(dòng)加速過程包括定量加速階段和變量加速階段，在定量加速階段，B口壓力迅速升高開啟溢流閥，回轉(zhuǎn)馬達(dá)輸出較穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)力矩，使回轉(zhuǎn)平臺(tái)做近勻加速運(yùn)動(dòng)；當(dāng)回轉(zhuǎn)馬達(dá)轉(zhuǎn)速增加到一定值時(shí)，液壓泵工作在恒功率變量階段，此時(shí)，液壓泵的排量增大、回轉(zhuǎn)系統(tǒng)壓力減小，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)工作在變量加速階段.

回轉(zhuǎn)過程中的溢流損失主要出現(xiàn)在定量加速階段，在此階段，回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)的溢流量達(dá)到4.35 L,泵輸出流量的利用率只有51.4%.

4.1 回轉(zhuǎn)馬達(dá)排量大小的影響

分別設(shè)定回轉(zhuǎn)馬達(dá)的排量為128.5、148.5、168.5和188.5 ml/r，利用采集的輸入信號(hào)驅(qū)動(dòng)仿真模型空載回轉(zhuǎn)90°，得到回轉(zhuǎn)馬達(dá)口的壓力特性仿真曲線如圖4所示，液壓泵與回轉(zhuǎn)馬達(dá)流量特性仿真曲線如圖5所示，回轉(zhuǎn)平臺(tái)的角位移仿真曲線和角速度仿真曲線如圖6所示.

圖4 回轉(zhuǎn)馬達(dá)口壓力仿真曲線

圖5 泵與回轉(zhuǎn)馬達(dá)流量仿真曲線

圖6 回轉(zhuǎn)平臺(tái)的角位移仿真曲線和角速度仿真曲線

對(duì)圖4、圖5和圖6分析處理可得表1.結(jié)果表明，在某特定范圍內(nèi)增大回轉(zhuǎn)馬達(dá)的排量，可提高回轉(zhuǎn)的快速性的同時(shí)減小回轉(zhuǎn)啟動(dòng)溢流損失.如當(dāng)回轉(zhuǎn)馬達(dá)的排量由148.5 ml/r增加到168.5 ml/r時(shí)，回轉(zhuǎn)平臺(tái)的最大轉(zhuǎn)速和角位移略有增大，但啟動(dòng)溢流損失減小了23.58%.

表1 馬達(dá)排量對(duì)啟動(dòng)性能的影響

4.2 回轉(zhuǎn)減速比的影響

分別設(shè)定回轉(zhuǎn)系統(tǒng)減速比為18.5，20.5，22.5，24.5做回轉(zhuǎn)動(dòng)作仿真，對(duì)其主要數(shù)據(jù)處理分析得到表2.結(jié)果表明，增大減速比，能同時(shí)減小溢流損失、提高回轉(zhuǎn)馬達(dá)啟動(dòng)速度.

表2 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)減速比對(duì)啟動(dòng)性能的影響

4.3 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的影響

分別設(shè)定回轉(zhuǎn)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為74 480、110 800、147 120、183 440 kg·m2作仿真分析，對(duì)其主要數(shù)據(jù)處理分析得到表3.結(jié)果表明，回轉(zhuǎn)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小，回轉(zhuǎn)平臺(tái)轉(zhuǎn)過的角位移增大，溢流量減小.因此，在挖掘機(jī)工作裝置或操縱室等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)盡量減小各零部件對(duì)回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量.

表3 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)啟動(dòng)性能的影響

4.4 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的優(yōu)化

根據(jù)上述相關(guān)參數(shù)對(duì)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)啟動(dòng)性能的影響規(guī)律，利用仿真模型對(duì)回轉(zhuǎn)啟動(dòng)性能進(jìn)行優(yōu)化.考慮到回轉(zhuǎn)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量主要由上車結(jié)構(gòu)和工作裝置等的結(jié)構(gòu)尺寸決定，涉及到整機(jī)的平穩(wěn)性和挖掘范圍等，宜在設(shè)計(jì)初期優(yōu)化.因此，僅對(duì)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)減速比和回轉(zhuǎn)馬達(dá)的排量進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果如表4所示.優(yōu)化后回轉(zhuǎn)系統(tǒng)啟動(dòng)溢流量減少了28.7%，回轉(zhuǎn)90°的時(shí)間減少了7.56%.

表4 啟動(dòng)性能的優(yōu)化結(jié)果

5 總結(jié)與展望

筆者建立回轉(zhuǎn)系統(tǒng)AMESim-ADAMS聯(lián)合仿真模型，對(duì)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的啟動(dòng)快速性和溢流特性進(jìn)行分析研究和優(yōu)化，得出相關(guān)參數(shù)對(duì)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)啟動(dòng)性能的影響規(guī)律.通過對(duì)減速比和回轉(zhuǎn)馬達(dá)的排量的優(yōu)化，提高了回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的啟動(dòng)速度、減少了啟動(dòng)溢流損失.

回轉(zhuǎn)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大、泵輸出流量與回轉(zhuǎn)馬達(dá)所需流量不匹配是導(dǎo)致回轉(zhuǎn)啟動(dòng)溢流損失大的主要原因.因此，還可從功率匹配的角度對(duì)回轉(zhuǎn)啟動(dòng)性能的優(yōu)化作進(jìn)一步研究.

［1］同濟(jì)大學(xué).單斗液壓挖掘機(jī)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1986.

［2］Shapkness E,Heyne D,Lech R J.Hydraulic swing damping system［P］.United states patent,US6886278,Dec 18,2003.

［3］Macleod,Ian J.C.Closed circuit swing control system［P］.United states patent,US6520731,February 18,2003.

［4］范基,王志蘭.次級(jí)調(diào)節(jié)的節(jié)能液壓系統(tǒng)研制［J］.液壓與啟動(dòng),1991,(2):16-17.

［5］李建啟.液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)節(jié)能裝置的試驗(yàn)研究［J］.河北建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),1994(3):1-7.

［6］Hiroaki I.Introduction of PC200-8 hybrid hydraulic excavators［M］.Tokyo:KOMATSU TECHNIC,2007.

［7］黃宗益,葉偉,李興華.液壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)概述［J］.建筑機(jī)械化,2003(9):12-16.

［8］周宏兵,劉鋒,陳桂芳,危丹鋒.液壓挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)系統(tǒng)制動(dòng)平穩(wěn)性研究［J］.計(jì)算機(jī)仿真,2011(28):379-382.

［9］Saad A K,Yasser H A.Modeling and simulation of hydro mechanically constant power controlled swash plate pumps［J］.Fluid Power Systems and Technology,2006(10):22-37.

Simulation research on start-up performance of hydraulic excavator's slewing system

LIU Feng1,ZHOU Hong-bin2
（1.Institute of Physics and Mechanical&Electrical Engineering,Shaoguan University, Shaoguan 512005,Guangdong,China；2.Central South University,Changsha 410100,Hunan,China）

Overflow losses seriously exist in the start-up process of hydraulic excavator's slewing system,while improving the start-up speed and reducing overflow losses is difficult to be simultaneously achieved,especially for medium and large hydraulic excavators.This article established the AMESim-ADAMS co-simulation model of excavator's slewing system,analyzed the influence of the rotary system's main parameters,optimized the main parameters,and reduced overflow losses as improving the startup speeds.

Hydraulic excavators；rotary system；start-up performance；co-simulation；optimization

TH248

：A

：1007-5348（2014）10-0034-05

（責(zé)任編輯：李婉）

2014-05-15

國(guó)家863項(xiàng)目（2003AA430200）.

劉鋒(1986-)，女，湖南郴州人，韶關(guān)學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院教師，碩士，主要從事工程機(jī)械機(jī)電液一體化技術(shù)方面的研究.