基于Fluid SIM的裝載機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)及分析

劉銀丁，戚鵬偉，王　雷

（廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧530004）

0　引言

由于我國(guó)裝載機(jī)行業(yè)起步較晚在，各生產(chǎn)廠家既沒(méi)有自己的拳頭產(chǎn)品，也沒(méi)有自身的關(guān)鍵技術(shù)及強(qiáng)有力的技術(shù)創(chuàng)新隊(duì)伍，主導(dǎo)產(chǎn)品檔次低，企業(yè)負(fù)擔(dān)重，生產(chǎn)成本高，而液壓系統(tǒng)與傳統(tǒng)機(jī)械操作相比，生成效率高，可控制性強(qiáng)，是目前工程機(jī)械發(fā)展主流趨勢(shì)，目前，現(xiàn)有液壓系統(tǒng)難以適應(yīng)復(fù)雜多變的情況，無(wú)法在極端情況下保持穩(wěn)定的工況，并且先進(jìn)的仿真技術(shù)較少應(yīng)用于液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，因此，本文針對(duì)已有的缺陷及問(wèn)題，進(jìn)行裝載機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并進(jìn)行仿真分析，改善液壓系統(tǒng)工作性能，對(duì)提高我國(guó)機(jī)械競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義。

1　液壓系統(tǒng)概述

ZL50輪式裝載機(jī)多采用反轉(zhuǎn)六連桿機(jī)構(gòu)作為其工作裝置[1]。裝載機(jī)的工作裝置和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)都是液壓傳動(dòng)，一般現(xiàn)行輪式裝載機(jī)由工作裝置液壓系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)和動(dòng)力換擋變速箱液壓系統(tǒng)三部分組成。工作裝置液壓系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)所消耗的功率占整個(gè)液壓系統(tǒng)的大部分，所以本文主要對(duì)這兩個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。

2　液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1　系統(tǒng)壓力的選擇

系統(tǒng)壓力是系統(tǒng)在正常工作時(shí)的最高壓力，由于所選擇的液壓泵的額定壓力決定，并由安全閥限制。當(dāng)壓力較低時(shí)，傳遞相同的功率，必須增加流量，這會(huì)引起液壓元件尺寸的增大；當(dāng)壓力較高時(shí)，可以減少流量，從而減小液壓元件尺寸，但對(duì)工藝、材質(zhì)和密封等方面有較高的要求。因此，必須選擇適當(dāng)?shù)膲毫χ?，保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作。

本文設(shè)計(jì)的裝載機(jī)采用齒輪泵，其壓力為中高等級(jí)，目前我國(guó)裝載機(jī)采用的壓力范圍為10~16 MPa，本次設(shè)計(jì)選用 16 MPa[2]。

2.2　液壓缸流量的確定

液壓缸無(wú)桿腔面積為：

其中，F(xiàn)max為液壓缸所需克服的最大作用力229 kN；θ為液壓缸速比；p為液壓缸的工作壓力，初選時(shí)可取為系統(tǒng)壓力；ηM=0.85~0.99，取平均值0.95.經(jīng)計(jì)算：D=138 mm，根據(jù)液壓缸內(nèi)徑與活塞桿外徑系列國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，選取D=140 mm；d=100 mm.

搖臂工作時(shí)間和搖臂液壓缸行程可確定搖臂液壓缸活塞移動(dòng)速度，由下式可確定所需流量：

式中：L搖為搖臂液壓缸行程，根據(jù)活塞行程系列（GB2349-80）中的系列尺寸選取標(biāo)準(zhǔn)值，最后取L搖=1 800 mm；t為搖臂工作時(shí)間，t=5.5 s；S 為搖臂液壓缸活塞面積，S=15 393.8 mm2；ηv為液壓缸容積效率，取η=92%.

經(jīng)計(jì)算搖臂液壓缸的流量Q搖=54.8 L/min.

動(dòng)臂液壓缸的計(jì)算方式和搖臂液壓缸相同，經(jīng)計(jì)算Q動(dòng)=50.8 L/min.

2.3　液壓泵基本參數(shù)的確定

1）液壓泵工作壓力

液壓泵的工作壓力由液壓缸工作壓力與系統(tǒng)壓力損失兩部分組成，即：

式中：pG為液壓缸工作壓力，取為系統(tǒng)壓力16 MPa；∑p為系統(tǒng)壓力損失，包括管道沿程損失和各元件的局部損失，參考同類型裝載機(jī)，取∑p=1 MPa.因此，液壓泵工作壓力pp＝17 MPa.

2）液壓泵額定流量

裝載機(jī)作業(yè)時(shí)，搖臂和動(dòng)臂并不同步工作，所以可選取兩者的最大值為額定流量，同時(shí)考慮到系統(tǒng)的損失，最終液壓泵的額定流量為：

式中：Qmax為液壓缸最大流量；K為考慮油流滲透的系數(shù)，一般K=1.1-1.3，取平均值1.2.經(jīng)計(jì)算：Qp=65.76 L/min.

3）液壓泵功率

根據(jù)液壓泵的工作壓力pp和額定流量Qp，可以計(jì)算液壓泵功率：

式中：pp為液壓泵工作壓力，pp=17 MPa；Qp為液壓泵額定流量，Qp＝65.76 L/min；η為液壓泵總效率，一般 η=0.75~0.85，取 η=0.8.經(jīng)計(jì)算，P=3 169 W.

2.4　液壓系統(tǒng)原理圖的擬定

一般裝載機(jī)工作液壓系統(tǒng)都采用順序換向回路，但順序回路不能實(shí)現(xiàn)舉升和轉(zhuǎn)斗的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，在Fluid SIM軟件中也不易仿真，故本文設(shè)計(jì)成并聯(lián)換向回路。液壓回路中裝有單向閥，可以防止在換向過(guò)程中油液倒流，出現(xiàn)鏟斗上下“點(diǎn)頭”的現(xiàn)象。

安全閥9對(duì)搖臂液壓缸活塞桿腔起到快速補(bǔ)油和卸載保護(hù)作用。當(dāng)鏟斗翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在鏟斗內(nèi)載荷和慣性力作用下，搖臂液壓缸活塞桿可能會(huì)受到非液壓力的作用而快速移動(dòng)，出現(xiàn)吸空現(xiàn)象，此時(shí)安全閥9可以快速補(bǔ)油，避免吸空；當(dāng)搖臂換向控制閥處于中位時(shí)，搖臂液壓缸活塞腔和活塞桿腔均被封死，動(dòng)臂液壓缸推動(dòng)活塞使動(dòng)臂運(yùn)動(dòng)，由于連桿機(jī)構(gòu)的牽制，搖臂液壓缸活塞桿腔受壓，從而使動(dòng)臂運(yùn)動(dòng)受到約束，這時(shí)安全閥9將搖臂液壓缸活塞桿腔的油液釋放，從而解除了對(duì)動(dòng)臂的約束。

在工程實(shí)踐中，當(dāng)裝載機(jī)動(dòng)臂舉升或推土作業(yè)時(shí)，搖臂液壓缸活塞腔容易過(guò)載，并且當(dāng)活塞桿腔快速溢流時(shí)，活塞桿腔需快速補(bǔ)油防止吸空。搖臂液壓缸活塞腔過(guò)載將導(dǎo)致液壓管破裂、油封損壞、活塞桿彎曲等故障。因此，在搖臂液壓缸活塞回路中設(shè)置安全閥，起快速補(bǔ)油和過(guò)載保護(hù)作用，防止液壓缸被破壞。

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)要求在工作過(guò)程中具有穩(wěn)定的轉(zhuǎn)向速度，因此，在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，將轉(zhuǎn)向回路和工作裝置回路利用輔助液壓泵連接在一起，從而保證轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)中的流量不隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化。

如圖1所示為液壓系統(tǒng)基本原理圖。

圖1　液壓系統(tǒng)原理圖

3　Fluid SIM仿真分析

通過(guò)Fluid SIM系統(tǒng)仿真，可以在設(shè)計(jì)完回路后，演示回路動(dòng)作過(guò)程，從而驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性[3-4]。

圖2（a）、（b）為鏟斗舉升和下降過(guò)程的液壓系統(tǒng)狀態(tài)圖，此過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，液壓油僅從工作液壓泵中輸出，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，液壓油開(kāi)始從輔助液壓泵中輸出并通過(guò)動(dòng)臂換向閥流入動(dòng)臂液壓缸活塞腔，推動(dòng)活塞左右運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)鏟斗下降和舉升過(guò)程。圖2（c）為鏟斗懸浮時(shí)液壓系統(tǒng)狀態(tài)圖，此時(shí)液壓油被截止，通過(guò)溢流閥回油到油箱，鏟斗懸浮在下降過(guò)程中的某一位置，可實(shí)現(xiàn)鏟斗在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中停止在所需要的位置。圖2（d）、（e）為鏟斗上翻和下翻過(guò)程液壓系統(tǒng)狀態(tài)圖，液壓油從工作液壓泵和輔助液壓泵中輸出，通過(guò)搖臂換向閥流入搖臂液壓缸活塞腔，推動(dòng)活塞向左右運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)鏟斗下翻上翻動(dòng)作。圖 2（f）、（g）、（h）、（i）為復(fù)合運(yùn)動(dòng)，其工作原理就是單一運(yùn)動(dòng)的相互疊加。圖2（j）為鏟斗左轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)狀態(tài)圖，當(dāng)通過(guò)轉(zhuǎn)向盤使轉(zhuǎn)向閥移至左位時(shí)，液壓泵輸出的液壓油不能直接回油到油箱，從液壓泵輸出的液壓油使鎖止閥克服彈簧力向左移動(dòng)達(dá)到閥體右位，液壓泵的液壓油通過(guò)轉(zhuǎn)向閥和鎖止閥向上邊轉(zhuǎn)向液壓缸的活塞桿腔和下邊轉(zhuǎn)向液壓缸的活塞腔供油，上邊轉(zhuǎn)向液壓缸的活塞腔和下邊轉(zhuǎn)向液壓缸的活塞桿腔流回油箱，達(dá)到左轉(zhuǎn)向的目的。

（續(xù)下圖）

（接上圖）

（續(xù)下圖）

（接上圖）

（續(xù)下圖）

（接上圖）

圖2　液壓系統(tǒng)仿真過(guò)程

由圖2液壓系統(tǒng)仿真過(guò)程和圖3主要液壓元件工況可以看出，本文所設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)鏟斗的各種運(yùn)動(dòng)并且工況穩(wěn)定，證明本文的設(shè)計(jì)方法是合理的。

圖3　主要液壓元件工況圖

4　結(jié)論

本文主要針對(duì)輪式裝載機(jī)的工作裝置及其液壓系統(tǒng)，在前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行輪式裝載機(jī)的分析計(jì)算，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的液壓原理圖，并通過(guò)Fluid SIM軟件進(jìn)行仿真，實(shí)現(xiàn)顯示和控制回路的動(dòng)作，及時(shí)發(fā)現(xiàn)液壓系統(tǒng)中存在的問(wèn)題，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性，為國(guó)內(nèi)式裝載機(jī)的設(shè)計(jì)提供了一定的理論依據(jù)。