基于Fluid SIM的裝載機(jī)液壓系統(tǒng)建模與仿真

李　明，王　雷，蔡勁草，劉銀丁

(安徽工程大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 蕪湖　241000)

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基于Fluid SIM的裝載機(jī)液壓系統(tǒng)建模與仿真

李明，王雷，蔡勁草，劉銀丁

(安徽工程大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 蕪湖241000)

以ZL50輪式裝載機(jī)為研究對(duì)象，首先對(duì)輪式裝載機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行分析與改進(jìn)設(shè)計(jì)，完成液壓系統(tǒng)原理圖的擬定，最后在Fluid SIM仿真軟件中實(shí)現(xiàn)液壓動(dòng)作的仿真和回路控制，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。

輪式裝載機(jī)；液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)；Fluid SIM仿真

裝載機(jī)是一種廣泛用于公路、鐵路、建筑、水電、港口、礦山等建設(shè)工程的土石方施工機(jī)械。由于裝載機(jī)具有效率高、作業(yè)速度快、機(jī)動(dòng)性好、操作輕便等優(yōu)點(diǎn)，因此對(duì)裝載機(jī)液壓系統(tǒng)等方面的研究[1-7]具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。已有文獻(xiàn)大都圍繞液壓系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)分析、液壓節(jié)能分析等方面開展研究，如：文獻(xiàn)[1]以滑移式裝載機(jī)為研究對(duì)象，通過大量的工況分析、理論計(jì)算及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出符合滑移式裝載機(jī)整機(jī)性能要求的行走、轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)和工作液壓系統(tǒng)；文獻(xiàn)[3]對(duì)輪式裝載機(jī)工作裝置液壓系統(tǒng)進(jìn)行了一定程度的改進(jìn)設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)[5]對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了可靠性分析。但是很少有關(guān)基于Fluid SIM的裝載機(jī)液壓系統(tǒng)建模與仿真方面的研究，故本文借鑒前人經(jīng)驗(yàn)及研究成果，針對(duì)輪式裝載機(jī)的工作裝置，對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)和擬定，并在Fluid SIM仿真軟件中實(shí)現(xiàn)液壓動(dòng)作的仿真和回路控制，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，為國內(nèi)裝載機(jī)的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一定的理論依據(jù)。

1　輪式裝載機(jī)總體結(jié)構(gòu)及工作原理

輪式裝載機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，一般由發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)械及液壓傳動(dòng)系統(tǒng)、行走裝置、工作裝置等組成。工作原理如圖2所示。

1.發(fā)動(dòng)機(jī)；2.變矩器；3.變速箱；4.前、后驅(qū)動(dòng)橋；5.車架鉸鏈；6.動(dòng)臂提升油缸；7.轉(zhuǎn)斗油缸；8.鏟斗；9.駕駛室。

圖2　基本工作原理

2　輪式裝載機(jī)液壓系統(tǒng)原理

由裝載機(jī)的工作原理可知：利用液壓控制實(shí)現(xiàn)鏟斗的舉升和搖臂運(yùn)動(dòng)。工作裝置液壓系統(tǒng)換向回路采用并聯(lián)式，同一時(shí)間可向2個(gè)機(jī)構(gòu)供油。液壓回路中裝有單向閥，可以防止在換向過程中由于搖臂液壓缸和動(dòng)臂液壓缸在工作裝置自重作用下油液倒流，避免出現(xiàn)鏟斗上下“點(diǎn)頭”的情況[3]。系統(tǒng)控制中采用安全閥的目的是對(duì)搖臂液壓缸活塞有桿腔起快速補(bǔ)油和對(duì)卸載起雙重保護(hù)作用?；谝陨戏治?，本文在參考已有文獻(xiàn)[8]的基礎(chǔ)上對(duì)裝載機(jī)液壓系統(tǒng)基本原理進(jìn)行改進(jìn)，如圖3所示。

3　Fluid SIM仿真分析

Fluid SIM軟件是專門用于液壓與氣壓傳動(dòng)仿真的軟件[9]。利用Fluid SIM軟件進(jìn)行液壓系統(tǒng)仿真時(shí)，能顯示回路動(dòng)作過程，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)是否合理。

1) 鏟斗舉升時(shí)液壓系統(tǒng)仿真過程

當(dāng)操縱動(dòng)臂“O”型4位4通換向閥位于左位時(shí)，液壓泵輸出的液壓油運(yùn)行過程如圖4所示。在正常工作狀態(tài)下，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，液壓油只從工作液壓泵中輸出，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為中高速時(shí)，液壓油從工作液壓泵和輔助液壓泵中輸出，通過動(dòng)臂換向閥流入動(dòng)臂液壓缸活塞腔，推動(dòng)活塞向右運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)鏟斗舉升運(yùn)動(dòng)。

此時(shí)，搖臂“O”型3位4通換向閥處于中位，鏟斗不發(fā)生翻轉(zhuǎn)，鏟斗無復(fù)合運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)向閥也處于中位，不論發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速如何，此時(shí)由于轉(zhuǎn)向泵和輔助泵與油箱直接連通，從液壓泵輸出的液壓油通過轉(zhuǎn)向閥直接回油到油箱。鎖止閥右端是低壓，鎖止閥在彈簧力的作用下處于左位，封閉了轉(zhuǎn)向液壓回路，轉(zhuǎn)向液壓缸不動(dòng)作。

1.轉(zhuǎn)向液壓泵；2.輔助液壓泵；3.工作液壓泵；4.穩(wěn)流閥；5.轉(zhuǎn)向閥；6.鎖止閥；7.轉(zhuǎn)向液壓缸；8.搖臂液壓缸；9.安全閥；

圖4　鏟斗舉升時(shí)液壓系統(tǒng)狀態(tài)

2) 鏟斗下降時(shí)液壓系統(tǒng)仿真過程

按照本文的分析原理，得到鏟斗下降時(shí)液壓系統(tǒng)仿真過程，如圖5所示。

圖5　鏟斗下降時(shí)液壓系統(tǒng)狀態(tài)圖

3) 鏟斗懸浮時(shí)液壓系統(tǒng)仿真過程

鏟斗懸浮時(shí)液壓系統(tǒng)仿真過程如圖6所示。

圖6　鏟斗懸浮時(shí)液壓系統(tǒng)狀態(tài)圖

4) 鏟斗上翻時(shí)液壓系統(tǒng)仿真過程

鏟斗上翻時(shí)液壓系統(tǒng)仿真過程如圖7所示。

圖7　鏟斗上翻時(shí)液壓系統(tǒng)狀態(tài)圖

5) 鏟斗下翻時(shí)液壓系統(tǒng)仿真過程

鏟斗下翻時(shí)液壓系統(tǒng)仿真過程如圖8所示。

圖8　鏟斗下翻時(shí)液壓系統(tǒng)狀態(tài)圖

6) 鏟斗舉升和上翻復(fù)合運(yùn)動(dòng)時(shí)液壓系統(tǒng)仿真過程

鏟斗舉升和上翻復(fù)合運(yùn)動(dòng)時(shí)液壓系統(tǒng)仿真過程如圖9所示。

圖9　鏟斗舉升和上翻復(fù)合運(yùn)動(dòng)液壓系統(tǒng)狀態(tài)圖

7) 鏟斗舉升和下翻復(fù)合運(yùn)動(dòng)時(shí)液壓系統(tǒng)仿真過程

鏟斗舉升和下翻復(fù)合運(yùn)動(dòng)時(shí)液壓系統(tǒng)仿真過程如圖10所示。

8) 鏟斗下降和上翻復(fù)合運(yùn)動(dòng)時(shí)液壓系統(tǒng)仿真過程

鏟斗下降和上翻復(fù)合運(yùn)動(dòng)時(shí)液壓系統(tǒng)仿真過程如圖11所示。

9) 鏟斗下降和下翻復(fù)合運(yùn)動(dòng)時(shí)液壓系統(tǒng)仿真過程

鏟斗下降和下翻復(fù)合運(yùn)動(dòng)時(shí)液壓系統(tǒng)仿真過程如圖12所示。

圖12　鏟斗下降和下翻復(fù)合運(yùn)動(dòng)液壓系統(tǒng)狀態(tài)圖

10) 左轉(zhuǎn)向時(shí)液壓系統(tǒng)仿真過程

左轉(zhuǎn)向時(shí)液壓系統(tǒng)仿真過程如圖13所示。

圖13　左轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)狀態(tài)圖

11) 右轉(zhuǎn)向時(shí)液壓系統(tǒng)仿真過程

右轉(zhuǎn)向時(shí)液壓系統(tǒng)仿真過程如圖14所示。

圖14　右轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)狀態(tài)圖

從以上對(duì)挖掘機(jī)不同工況下的液壓系統(tǒng)仿真結(jié)果可以看出：本文所改進(jìn)設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)控制回路是有效和合理的，為挖掘機(jī)裝置實(shí)際工作的調(diào)試、排障等提供一定的依據(jù)。

4　結(jié)束語

以ZL50輪式裝載機(jī)為研究對(duì)象，在參考已有文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上完成對(duì)其液壓系統(tǒng)原理圖的改進(jìn)設(shè)計(jì)。

在Fluid SIM仿真軟件中實(shí)現(xiàn)液壓動(dòng)作的仿真和回路控制，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，為國內(nèi)裝載機(jī)的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一定的理論依據(jù)。

[1]胡昌云.滑移裝載機(jī)液壓系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)[D].上海:上海交通大學(xué),2011.

[2]袁華山.滑移裝載機(jī)工作裝置液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D].長春:吉林大學(xué),2012.

[3]嚴(yán)桃平.輪式裝載機(jī)工作裝置液壓系統(tǒng)分析與改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].液壓與氣動(dòng),2010(8):67-68.

[4]HUI X H,XIAN L C.Analysis of the Wheel Loader Hydraulic Hybrid System Based on Braking Energy Recovery[J].Applied Mechanics and Materials,2014,687:171-174.

[5]XIAO G L,WEI H W,WEI F Z,et al.Reliability Analysis on the Chassis Hydraulic System in Hydraulic Loader[J].Applied Mechanics and Materials,2013,299:35-37.

[6]YANG Y,CHEN Q L.Modeling and Analysis of Full Hydraulic Pressure Drive System of the Wheel Loader Based on AMEsim[J].Applied Mechanics and Materials,2013,397:261-265.

[7]ZHANG W W,ZHOU J,ZHANG Y L,et al.Energy-saving analysis in the hydraulic system of loader working device[J].International Journal of Computer Applications in Technology,2012,45(2):106-114.

[8]楊占敏.輪式裝載機(jī)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006.

[9]羅紅旗,莊燕華.基于Fluid SIM箱體折彎機(jī)液壓系統(tǒng)分析[J].軟件,2014,35(4):80-82.

(責(zé)任編輯陳艷)

Modeling and Simulation of Hydraulic System for Loader Based on Fluid SIM

LI Ming, WANG Lei, CAI Jin-cao, LIU Yin-ding

(School of Mechanical and Automotive Engineering,Anhui Polytechnic University, Wuhu 241000, China)

The ZL50 wheel loader is our research object in this paper. Firstly, the hydraulic system of wheel loader was analyzed and designed, and the schematic diagram of hydraulic system was given. Then, the simulation analysis was carried out by using Fluid SIM software to realize the display and control circuit in order to test the validity of the design.

wheel loader; hydraulic system design; Fluid SIM simulation

2016-03-22

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51305001)；安徽省高校優(yōu)秀青年人才支持計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(gxyqZD2016125)

李明(1986—)，男，碩士研究生，主要從事機(jī)器人路徑規(guī)劃研究；通訊作者 王雷(1982—)，男，安徽亳州人，博士，副教授，主要從事數(shù)字化設(shè)計(jì)與智能制造方面的研究,E-mail:wangdalei2000@126.com。

format：LI Ming, WANG Lei, CAI Jin-cao, et al.Modeling and Simulation of Hydraulic System for Loader Based on Fluid SIM[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(8):36-44.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.08.006

TH137

A

1674-8425(2016)08-0036-09

引用格式：李明，王雷，蔡勁草，等.基于Fluid SIM的裝載機(jī)液壓系統(tǒng)建模與仿真[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2016(8):36-44.