基于Automation Studio鏟運(yùn)機(jī)轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉成武

(1.福建工程學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建福州350118;2.福建省汽車電子與電驅(qū)動(dòng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建福州 350118)

0 前言

地下鏟運(yùn)機(jī) (LHD)屬于礦山開采運(yùn)輸設(shè)備，同時(shí)也是鋼鐵、黃金、煤礦等部門地下采礦的主要無軌設(shè)備，具有效率高、機(jī)動(dòng)性好、靈活等特點(diǎn)［1］。該車工作在井下狹窄、潮濕、悶熱、多塵的巷道［2］。液壓系統(tǒng)是地下鏟運(yùn)機(jī)中重要的組成部分，車輛的動(dòng)臂升降、鏟斗轉(zhuǎn)動(dòng)、整機(jī)轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、變速箱操縱及電動(dòng)鏟運(yùn)機(jī)的電纜纏放等動(dòng)作，都需要液壓系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。液壓系統(tǒng)應(yīng)滿足體積小、操作方便、高效和質(zhì)量輕體積小的要求［3］。液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅對設(shè)備尺寸的大小有直接關(guān)系，還會(huì)影響到設(shè)備壽命的長短，工作效率的高低及設(shè)備的散熱情況。鏟運(yùn)機(jī)性能的好壞，主要取決于液壓系統(tǒng)性能的好壞。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是地下鏟運(yùn)機(jī)最為重要的系統(tǒng)之一，其功用是操縱鏟運(yùn)機(jī)的行駛方向，既要能保持車輛直線行駛穩(wěn)定性，又要能保持車輛的轉(zhuǎn)向靈活性［4］。

目前的設(shè)計(jì)中，地下鏟運(yùn)機(jī)較多的采用鉸接式液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，此種形式系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向半徑比其他形式較小，整車的路面附著性能較好，整車設(shè)計(jì)省略轉(zhuǎn)向橋，車輛的前橋和后橋可以通用，此種設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了零件的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化［5］。對于采用鉸接轉(zhuǎn)向的地下鏟運(yùn)機(jī)，若斗容大于2 m3，則一般采用雙缸轉(zhuǎn)向，小型的一般采用單缸轉(zhuǎn)向。設(shè)計(jì)該液壓系統(tǒng)時(shí)，以整車的轉(zhuǎn)向阻力矩為參考數(shù)值，結(jié)合轉(zhuǎn)向力臂來設(shè)計(jì)計(jì)算系統(tǒng)其他相關(guān)參數(shù)［6］。

文中以ACY－6型地下鏟運(yùn)機(jī)轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，該系統(tǒng)為雙缸轉(zhuǎn)向，主要組成零部件包括轉(zhuǎn)向泵、轉(zhuǎn)向器、流量放大器、轉(zhuǎn)向油缸及液壓管路等。以系統(tǒng)工作原理為基礎(chǔ)，分析轉(zhuǎn)向裝置的動(dòng)作和受力情況，對轉(zhuǎn)向缸、液壓泵等的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，采用Automation Studio搭建液壓系統(tǒng)的仿真模型，選取原地極限轉(zhuǎn)向工況，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)計(jì)算的可靠性，為實(shí)際設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理

ACY－6型地下鏟運(yùn)機(jī)的轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)采用雙泵合流技術(shù)，與整車的工作液壓系統(tǒng)合流設(shè)計(jì)，兩個(gè)系統(tǒng)各自擁有自己的油泵，當(dāng)其中一個(gè)液壓系統(tǒng)的油泵不需要工作時(shí)，兩個(gè)油泵同時(shí)對另外一系統(tǒng)進(jìn)行供油。對于ACY－6型地下鏟運(yùn)機(jī)而言，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與工作系統(tǒng)的額定工作壓力基本相同，而且二者不同時(shí)工作，此種形式的系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以大大提高液壓系統(tǒng)的能量利用率。

轉(zhuǎn)向與工作液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，采用雙聯(lián)泵供油，其中的工作泵為工作系統(tǒng)供油，液壓油經(jīng)多路換向閥、舉升油缸或傾翻油缸等后流回油箱，而圖中的轉(zhuǎn)向泵為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)供油，液壓油經(jīng)轉(zhuǎn)向器、流量放大器、轉(zhuǎn)向油缸等后流回油箱，當(dāng)其不工作時(shí)，兩泵合流一起向工作液壓系統(tǒng)供油，如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)向與工作液壓系統(tǒng)

ACY－6型地下鏟運(yùn)機(jī)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用中間鉸接折腰式轉(zhuǎn)向，整車需要轉(zhuǎn)向時(shí)，車體的兩個(gè)轉(zhuǎn)向液壓油缸同時(shí)實(shí)現(xiàn)推拉運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)前后兩車體的相對運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)整車轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中安裝有優(yōu)先閥，可以保證轉(zhuǎn)向時(shí)系統(tǒng)的流量需求，該閥安裝在流量放大器閥塊中，其使得轉(zhuǎn)向時(shí)系統(tǒng)流量優(yōu)先供應(yīng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，而且通過系統(tǒng)的LS油口與轉(zhuǎn)向器連接，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)感應(yīng)轉(zhuǎn)向負(fù)載，當(dāng)系統(tǒng)不工作時(shí)，優(yōu)先閥內(nèi)的閥芯換位，使兩泵合流一起為工作系統(tǒng)供油，此種系統(tǒng)能夠按照轉(zhuǎn)向液壓油路的工作需求，優(yōu)先向轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分配，剩余部分再全部供給工作油路，此種方式可以提高系統(tǒng)工作效率，使得整車轉(zhuǎn)向更加平穩(wěn)。

ACY－6型地下鏟運(yùn)機(jī)采用流量放大器的全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，該系統(tǒng)含有負(fù)載感應(yīng)轉(zhuǎn)向器 (如圖2所示)和一個(gè)流量放大器(如圖3所示)。

圖2 轉(zhuǎn)向器原理圖

圖3 流量放大器原理圖

這種全液壓轉(zhuǎn)向器與流量放大器的轉(zhuǎn)向組合配置能夠保證轉(zhuǎn)向泵排出的流量優(yōu)先供給轉(zhuǎn)向需要，而且能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)流量以滿足轉(zhuǎn)向?qū)嶋H需要。

2 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)動(dòng)作及負(fù)載分析

ACY－6型地下鏟運(yùn)機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)同時(shí)也是鉸接式液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，整車的前后車架采用上下鉸銷連接，這種形式可以實(shí)現(xiàn)水平與垂直面的相對運(yùn)動(dòng)。前者實(shí)現(xiàn)整機(jī)轉(zhuǎn)向，后者保證車輪與地面良好接觸。鉸接轉(zhuǎn)向系統(tǒng)突出的優(yōu)點(diǎn)是比偏轉(zhuǎn)車輪式轉(zhuǎn)彎半徑小，使機(jī)器有較好的機(jī)動(dòng)性，其次是結(jié)構(gòu)簡單。該種結(jié)構(gòu)的劣勢是車架整體剛性差，路面沖擊載荷對車輛直線行駛影響較大。

ACY－6型地下鏟運(yùn)機(jī)采用雙液壓缸轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，雙缸轉(zhuǎn)向由于轉(zhuǎn)向角不大，一般為36°～43°，因此油缸兩端直接與前后車架相連，而且兩油缸布置在下鉸點(diǎn)附近，對稱于縱向軸線。

地下鏟運(yùn)機(jī)在轉(zhuǎn)向時(shí)，要求轉(zhuǎn)向油缸產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向力矩必須大于轉(zhuǎn)向阻力矩。轉(zhuǎn)向阻力矩是鏟運(yùn)機(jī)轉(zhuǎn)向過程中地面對車輪的外部阻力矩。轉(zhuǎn)向力矩由轉(zhuǎn)向油缸中油壓推動(dòng)活塞桿產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向力和相對應(yīng)的作用力臂乘積來確定。

地下鏟運(yùn)機(jī)由輪胎支承在地面上，若不考慮車輪繞自身軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)，則在原地轉(zhuǎn)向時(shí)，前、后車體的運(yùn)動(dòng)都可分解為沿車輪軸線方向 (橫向)、垂直該軸線方向 (縱向)的運(yùn)動(dòng)和繞垂直地面的軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖4和圖5所示。當(dāng)作用在某一車體上的轉(zhuǎn)矩，由小逐漸增加到某一數(shù)值，車體將開始產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，并且是沿著這一車體阻力已被克服的最小阻力方向運(yùn)動(dòng)，車輛運(yùn)動(dòng)中，車輪受到來自路面的滾動(dòng)方向阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于橫向的滑動(dòng)阻力，因此，車輪總是首先沿滾動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)，忽略輪胎在軸向彈性變形的影響，假定車體在接地點(diǎn)不產(chǎn)生橫向運(yùn)動(dòng)。

圖4 地下鏟運(yùn)機(jī)原地轉(zhuǎn)向原理圖

圖5 地下鏟運(yùn)機(jī)原地轉(zhuǎn)向示意圖

2.1 轉(zhuǎn)向半徑

圖6所示為ACY－6型地下鏟運(yùn)機(jī)平穩(wěn)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)簡圖，在轉(zhuǎn)向時(shí)通過前后車架繞其鉸銷相對轉(zhuǎn)過一角度，使前后橋也相對轉(zhuǎn)過同一角度，而前輪相對于前車架，后輪相對于后車架沒有發(fā)生偏轉(zhuǎn)，每一橋上兩側(cè)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)平面始終是保持平行。過前后軸線作垂直地面的平面，此兩平面的交線即為轉(zhuǎn)動(dòng)軸線 (其在水平面上的投影為一點(diǎn)O)，則鉸接式地下鏟運(yùn)機(jī)各輪繞此軸線作無側(cè)滑地滾動(dòng)。

圖6 鉸接式地下鏟運(yùn)機(jī)轉(zhuǎn)向半徑計(jì)算示意圖

由圖6可知前外側(cè)車輪轉(zhuǎn)向半徑為:

由圖6可知后側(cè)車輪轉(zhuǎn)向半徑:

式中:B為輪距;L為軸距;α為轉(zhuǎn)向角;k為鉸接點(diǎn)距前軸距離與軸距的比值。

由上述公式可知，鉸接車輛的轉(zhuǎn)向半徑不但與軸距、輪距、轉(zhuǎn)向角度有關(guān)，而且還與鉸點(diǎn)的位置有關(guān)，是鉸銷位置k的函數(shù)，使得k從0增加到1，當(dāng)k取值小于0.5時(shí)，則鉸銷位置更靠近整車前橋，車輛轉(zhuǎn)向時(shí)前輪的轉(zhuǎn)向半徑比后輪的大，當(dāng)k取值大于0.5時(shí)，即鉸銷位置靠近整車后橋，則與前種情況相反;當(dāng)k取0.5時(shí)，即鉸銷在中央，車輛轉(zhuǎn)向時(shí)前后輪半徑相等［7］。ACY-6型地下鏟運(yùn)機(jī)的k=0.5，其轉(zhuǎn)向外半徑為6.868 m。

2.2 轉(zhuǎn)向阻力矩的計(jì)算

在進(jìn)行鉸接式車輛轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)，選取整車最大轉(zhuǎn)向阻力矩作為設(shè)計(jì)計(jì)算的參考依據(jù)，以此設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向油缸的布置形式，設(shè)計(jì)求解轉(zhuǎn)向油缸的壓力，最后確定整車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)布置方案［8］，在行駛中，車輛需要轉(zhuǎn)向時(shí)，車輪的運(yùn)動(dòng)軌跡可以分解為兩種形式:直線運(yùn)動(dòng)與原地轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)向時(shí)由于離心力的作用，車輛會(huì)產(chǎn)生附加的側(cè)向阻力。理論和實(shí)踐都表明，這種側(cè)向力是有助于轉(zhuǎn)向的。鉸接式車輛在轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)向阻力矩的最大值發(fā)生在原地靜態(tài)轉(zhuǎn)向時(shí)，動(dòng)態(tài)時(shí)僅為該值的1/3～1/2，因此，設(shè)計(jì)時(shí)選取原地轉(zhuǎn)向工況為研究對象，滿足極限工況下的轉(zhuǎn)向要求，其他工況也可以滿足要求［9］。

借助圖解法對轉(zhuǎn)向缸的轉(zhuǎn)向力臂計(jì)算分析，可以求得轉(zhuǎn)向過程中轉(zhuǎn)向油缸相對于鉸接點(diǎn)的力臂變化，如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)向油缸相對于鉸接點(diǎn)的力臂變化(對其中伸出油缸進(jìn)行分析)

根據(jù)重載時(shí)的前橋載荷計(jì)算公式:

式中:FL為前橋重載載荷，kN;FE為前橋空載載荷，kN;QH為鏟斗額定載荷，kN;A為軸距，mm;B為鏟運(yùn)機(jī)額定載荷重心到前橋的距離，mm。

按照橋荷合理分配的原則，空載時(shí)后橋載荷要大于前橋載荷，由空載時(shí)鏟運(yùn)機(jī)質(zhì)心位置公式可以求得空載時(shí)前、后橋載荷分別為253.2 kN和84.4 kN。由式 (9)可得重載時(shí)前橋載荷約為290 700 N。

轉(zhuǎn)向阻力矩的計(jì)算:

式中:f為驅(qū)動(dòng)輪上的滾動(dòng)阻力系數(shù)，取松軟路面上的f值，取為0.07;η為效率，一般取0.9;W為滿載時(shí)前橋載荷，對于ACY-6型地下鏟運(yùn)機(jī)，W=291 kN;L0為車輛的軸距，對于ACY-6型地下鏟運(yùn)機(jī)，L0=3.86 m;α為轉(zhuǎn)向偏轉(zhuǎn)角，rad。

計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 轉(zhuǎn)向阻力矩計(jì)算結(jié)果

已知ACY-6型地下鏟運(yùn)機(jī)最大轉(zhuǎn)向角度為42°。當(dāng)鏟運(yùn)機(jī)從－42°轉(zhuǎn)到42°原地過程中，兩油缸的受力分析如下:

根據(jù)轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)的壓力要求，選定速比φ=1.33的轉(zhuǎn)向油缸。轉(zhuǎn)向過程中，根據(jù)轉(zhuǎn)向油缸速比φ=1.33，即:

式中:F1為伸長油缸的無桿腔所受液壓推力;為轉(zhuǎn)向過程中伸長油缸所受的轉(zhuǎn)向阻力 (外力);F2為縮進(jìn)油缸的有桿腔所受液壓推力;為轉(zhuǎn)向過程中縮進(jìn)油缸所受的轉(zhuǎn)向阻力 (外力)。

根據(jù)公式:

其中r1，r2已求出，可得轉(zhuǎn)向過程中兩油缸所受外力情況如表3所示。

表3 轉(zhuǎn)向過程中兩油缸所受外力情況

3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真

圖7 工作與轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)仿真模型

基于Automation Studio搭建ACY－6型地下鏟運(yùn)機(jī)轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)仿真模型如圖7所示［10］，當(dāng)工作液壓系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)都不工作系統(tǒng)空載運(yùn)行時(shí)，工作泵 (44.3 mL/r)的出口壓力為 1.7 MPa，轉(zhuǎn)向泵(88.5 mL/r)的出口壓力為2 MPa。對于工作液壓系統(tǒng)，系統(tǒng)空載時(shí)其回油口壓力為0.18 MPa;對于轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)，系統(tǒng)空載時(shí)其回油口壓力為0.16 MPa。

鉸接式車輛在發(fā)生轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)向阻力矩的最大值往往發(fā)生在原地靜態(tài)轉(zhuǎn)向時(shí)，動(dòng)態(tài)時(shí)該值僅為靜態(tài)時(shí)的1/3～1/2，因此該模型仿真選取原地靜態(tài)轉(zhuǎn)向作為仿真設(shè)計(jì)工況，當(dāng)?shù)叵络P運(yùn)機(jī)原地轉(zhuǎn)向時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作在低速高扭矩區(qū)域，其轉(zhuǎn)速約為1 000 r/min左右，故文中應(yīng)用Automation Studio仿真分析時(shí)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)向泵工作的發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速按1 000 r/min進(jìn)行設(shè)置。

如圖8和圖9所示，地下鏟運(yùn)機(jī)原地轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向角從0°轉(zhuǎn)到最大角度42°或－42°時(shí)，轉(zhuǎn)向缸活塞桿伸縮速度大小相等，都維持在6.5 cm/s左右，隨之轉(zhuǎn)向角度的增大，由于轉(zhuǎn)向缸所受轉(zhuǎn)向阻力的增大，轉(zhuǎn)向缸進(jìn)油口壓力相應(yīng)增大，有0°轉(zhuǎn)向角時(shí)的8 MPa增大到42°(－42°)轉(zhuǎn)向角時(shí)的 10.6 MPa，而回油口壓力在1.6 MPa到1.7 MPa之間小幅波動(dòng)。

圖8 原地轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向角由0°轉(zhuǎn)到42°時(shí)轉(zhuǎn)向缸進(jìn)回油壓力－位移變化曲線

圖9 原地轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向角由0°轉(zhuǎn)到－42°時(shí)轉(zhuǎn)向缸進(jìn)回油壓力－位移變化曲線

如圖10所示，地下鏟運(yùn)機(jī)原地轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向角從0°轉(zhuǎn)到最大角度42°時(shí)，轉(zhuǎn)向泵出油口壓力變化與轉(zhuǎn)向缸進(jìn)油口壓力變化趨勢一樣，但轉(zhuǎn)向泵出油口壓力比轉(zhuǎn)向缸進(jìn)油口壓力大6 MPa左右，這是由于整個(gè)液壓系統(tǒng)工作時(shí)轉(zhuǎn)向泵給轉(zhuǎn)向系統(tǒng)供油時(shí)還有給先導(dǎo)供油閥供油來滿足液壓液控操作裝置用油，同時(shí)轉(zhuǎn)向器和流量放大器也有很大的壓力損失。

圖10 原地轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向角由0°轉(zhuǎn)到42°時(shí)轉(zhuǎn)向泵進(jìn)出口壓力－位移變化曲線

圖11為地下鏟運(yùn)機(jī)原地轉(zhuǎn)向時(shí)，鏟運(yùn)機(jī)從極左位置 (－42°)轉(zhuǎn)到極右位置 (42°)過程中轉(zhuǎn)向缸進(jìn)回油口壓力隨轉(zhuǎn)向缸活塞桿位移變化曲線。當(dāng)轉(zhuǎn)向角從極左位置到0°變化的過程中，由于轉(zhuǎn)向缸所受的外載荷逐漸減小，轉(zhuǎn)向缸進(jìn)油口的壓力也呈現(xiàn)逐漸減小，極左位置時(shí)，轉(zhuǎn)向缸進(jìn)油口壓力為12.5 MPa，到轉(zhuǎn)向角 0°時(shí)，進(jìn)油口壓力變?yōu)?7.96 MPa;轉(zhuǎn)向角從0°到極右位置過程中，由于轉(zhuǎn)向缸所受外載有逐漸增大，轉(zhuǎn)向缸進(jìn)油口壓力亦逐漸增大，到極右位置時(shí)，進(jìn)油口壓力變?yōu)?2.6 MPa。整個(gè)過程中轉(zhuǎn)向缸回油口壓力維持在1.7～1.9 MPa之間，活塞桿速度沒有大的波動(dòng)，維持在6.8 cm/s左右。

圖11 原地轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向角由－42°轉(zhuǎn)到42°時(shí)轉(zhuǎn)向缸進(jìn)回油壓力－位移變化曲線

4 結(jié)論

分析了ACY－6型地下鏟運(yùn)機(jī)轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)工作原理，并對動(dòng)作機(jī)構(gòu)及所受載荷進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上建立了轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)仿真模型，通過仿真，得到了轉(zhuǎn)向缸在鏟運(yùn)機(jī)從極左 (極右)位置到極右 (極左)過程和轉(zhuǎn)向缸在鏟運(yùn)機(jī)從正常行駛的中間位置到極左和極右位置過程中性能曲線和參數(shù)，鏟運(yùn)機(jī)原地轉(zhuǎn)向從極左位置 (－42°)轉(zhuǎn)到極右位置 (42°)總共需要7.6 s。仿真分析檢驗(yàn)了設(shè)計(jì)過程的可靠性與準(zhǔn)確性，可以作為實(shí)際設(shè)計(jì)的參考。

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