礦用小型全液壓裝載機復(fù)合工況特性分析

李明，張翼飛

(西安科技大學機械工程學院，陜西西安710054)

小型礦用全液壓防爆裝載機是集成了機械、液壓和防爆技術(shù)的小型復(fù)雜機械系統(tǒng)［1］，主要適用于狹窄的井下通道以及相對低矮的采掘環(huán)境，尤其適用于中小型煤礦、小型礦山的開采，在我國對煤礦資源需求愈發(fā)旺盛的背景下，開發(fā)性能穩(wěn)定適用于井下工作的小型裝載機已經(jīng)成為迫切需要。

1 在PRO/E中建立裝載機的三維實體模型后導入ADAMS中施加約束

裝載機工作裝置由鏟斗、連桿、動臂、搖臂、車架、轉(zhuǎn)斗活塞桿、轉(zhuǎn)斗油缸缸筒、舉升活塞桿、舉升油缸缸筒等構(gòu)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(gòu)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(gòu)之間的連接均以低副形式存在，對該裝載機施加約束時應(yīng)結(jié)合ADAMS與AMESim聯(lián)合仿真時的特殊要求，采用移動副、旋轉(zhuǎn)副、球副、圓柱副、固定副。

圖1 裝載機整機約束拓撲圖

在圖1中，A、B、C、E、F、G分別表示轉(zhuǎn)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(zhuǎn)斗油缸活塞桿、轉(zhuǎn)斗油缸、連桿、搖臂;由于該裝載機工作機構(gòu)關(guān)于轉(zhuǎn)斗油缸中心平面對稱，因此在約束設(shè)置時產(chǎn)生相應(yīng)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。

圖2 裝載機在ADAMS中的虛擬樣機模型

2 ZLY06裝載機液壓系統(tǒng)介紹

該裝載機的行走、轉(zhuǎn)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。

圖3 LY06裝載機液壓系統(tǒng)原理圖

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(gòu)及行走機構(gòu)﹑液壓系統(tǒng)與外負載之間的關(guān)系，因此分流閥和轉(zhuǎn)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(shè)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(zhuǎn)向系統(tǒng)，以保證該裝載機能夠正常地轉(zhuǎn)向。因此在對裝載機AMESim模型中液壓泵參數(shù)進行設(shè)置時應(yīng)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(zhuǎn)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(fù)雜程度，最終裝載機液壓系統(tǒng)在AMESim中的模型如圖4所示。

圖4 ZLY06裝載機行走機構(gòu)以及工作機構(gòu)模型

3 ZLY06裝載機聯(lián)合仿真模型的建立

AMESim與ADAMS的聯(lián)合仿真，實質(zhì)上是將復(fù)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(jié)果來評價設(shè)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。

圖5 ZLY06裝載機行走機構(gòu)以及工作機構(gòu)聯(lián)合仿真模型

4 邊插入邊轉(zhuǎn)斗工況特性分析

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(zhuǎn)斗油缸的換向閥同時開啟完成該復(fù)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(zhuǎn)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100 mm處［2］。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);

MAKER_105表示插入阻力作用于鏟斗斗尖處的作用點;

0～500 mm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0～125 mm時插入阻力增至9 500 N;插入距離為125～375 mm時，插入阻力穩(wěn)定在最大值;當插入距離大于375 mm時，插入阻力下降。

鏟起阻力通過查閱文獻 ［2］得其大小為8 532 N，作用于距離鏟斗斗齒中心處，且距離中心齒外延約100 mm。具體如式 (2):

轉(zhuǎn)斗過程中還受到鏟斗翻轉(zhuǎn)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(zhuǎn)阻力矩也逐漸減小，最后離開料堆時候為0［3］，最大翻轉(zhuǎn)力矩的計算公式由文獻 ［4］查得，如式 (3)所示:

式中:Fx為轉(zhuǎn)斗動作開始時候的插入阻力;

x為鏟斗的轉(zhuǎn)動軸與鏟斗斗刃的距離，mm;

lp為鏟斗的鏟掘深度。

計算得到鏟斗的最大翻轉(zhuǎn)力矩為12 000 N·m，最大翻轉(zhuǎn)力矩作用于鏟斗旋轉(zhuǎn)軸，函數(shù)模擬為:

5 結(jié)論

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880 kg/m3，油液運動黏度為50 mm2/s，體積模量為1 700 MPa;舉升油缸活塞直徑×活塞桿直徑 ×行程為 φ63 mm×φ45 mm×750 mm;轉(zhuǎn)斗油缸活塞直徑×活塞桿直徑×行程為 φ63 mm×φ45 mm×750 mm;液壓泵工作排量32 mL/r×95%，額定轉(zhuǎn)速為2 200 r/min;液壓馬達工作排量45 mL/r，額定壓力10 MPa，額定轉(zhuǎn)速為1 800 r/min;液壓系統(tǒng)溢流閥卸荷壓力為15 MPa;換向閥額定流量為100 L/min，壓降為1 MPa;液壓油管直徑φ18 mm，厚度為2.5 mm。

仿真時間取1.2 s，ADAMS步長取0.1，AMESim仿真步長取0.01，發(fā)動機轉(zhuǎn)速1 200 r/min，液壓系統(tǒng)工作裝置各參數(shù)特性曲線如圖6所示。

圖6 液壓系統(tǒng)工作裝置各參數(shù)特性曲線

由仿真結(jié)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3 rad/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(zhuǎn)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(zhuǎn)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10 mm，如圖6(f)所示，力的大小約為7 800 N，之后裝載機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)斗油缸有桿腔與無桿腔的壓差一直穩(wěn)定在0.04 MPa左右，由有桿腔和無桿腔產(chǎn)生的驅(qū)動力曲線為圖6(f)中曲線1所示，驅(qū)動力大小約為4 000 N，無法克服轉(zhuǎn)斗活塞所受到的外負載力，因此轉(zhuǎn)斗活塞速度一直在波動。從圖6的仿真結(jié)果可以看出:當該裝載機在執(zhí)行邊插入邊轉(zhuǎn)斗工況時由于外負載力一直在增大，而油缸有桿腔和無桿腔的壓力卻維持在恒定值，因此該裝載機發(fā)動機在1 200 r/min時，駕駛員必須將外負載力控制在6 000 N以下，而執(zhí)行此工況時該裝載機表現(xiàn)為驅(qū)動力不足，與實際情況相符。

【1】田滿洲．礦用小型防爆全液壓裝載機工作特性研究［D］．西安:西安科技大學，2007．

【2】柴光遠，李明，趙真，等．基于ADAMS對稱載荷工況下礦用全液壓裝載機的動力學分析［J］．煤礦機械，2013，34(3):103－105．

【3】王凱．50型輪式裝載機液壓系統(tǒng)工作特性與能耗分析［D］．吉林:吉林大學，2011．

【4】楊國平．現(xiàn)代工程機械技術(shù)［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2003．