礦用自卸車舉升液壓系統(tǒng)的計(jì)算與仿真分析

□ 陳 雷

中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七一○研究所 湖北宜昌 443003

礦用自卸車舉升液壓系統(tǒng)負(fù)載大,卸貨時(shí)間短,流量和壓力均較大。為更好地了解礦用自卸車舉升液壓系統(tǒng)的工作狀態(tài),實(shí)現(xiàn)對(duì)礦用自卸車舉升液壓系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化,筆者進(jìn)行了計(jì)算和仿真分析。

1 原理

礦用自卸車舉升液壓系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖如圖1所示。這一系統(tǒng)采用兩級(jí)舉升液壓缸作為執(zhí)行元件,由一個(gè)電液換向閥代替插裝閥表征系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

舉升時(shí),DT2通電,電液換向閥移至右位工作,液壓泵出口與舉升液壓缸無(wú)桿腔連通,液壓缸伸長(zhǎng),驅(qū)動(dòng)貨箱翻轉(zhuǎn)。第二級(jí)舉升液壓缸伸出時(shí),舉升液壓缸有桿腔的油液通過(guò)平衡閥,使貨箱翻轉(zhuǎn)過(guò)程更平穩(wěn)。當(dāng)需要將貨箱保持在某一個(gè)位置時(shí),DT1、DT2均斷電。舉升到終點(diǎn)時(shí),貨箱觸發(fā)限位開關(guān),停止舉升。貨箱要回落時(shí),DT1、DT3通電,液壓泵出口與舉升液壓缸有桿腔連通,強(qiáng)制舉升液壓缸活塞桿縮回。

2 計(jì)算

2.1 舉升液壓缸性能參數(shù)

該礦用自卸車載質(zhì)量為190 t,車廂質(zhì)量為22 t,布置有兩個(gè)舉升液壓缸。根據(jù)兩級(jí)舉升液壓缸在車架與貨箱之間的安裝位置,由力矩平衡方程得:

圖1 舉升液壓系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖

(1)

式中:F1為舉升液壓缸最大舉升力;F2為舉升阻力;L1為動(dòng)力臂長(zhǎng);L2為阻力臂長(zhǎng);K為超載因數(shù)。

第一級(jí)舉升液壓缸缸徑D1為:

(2)

式中:P為舉升液壓缸進(jìn)油腔壓力;ηcm為系統(tǒng)效率。

貨箱舉升過(guò)程如圖2所示。貨物卸下過(guò)程中,貨箱負(fù)載質(zhì)量逐漸減小,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也隨之減小。當(dāng)達(dá)到貨物安息角時(shí),貨物全部卸下。貨箱翻轉(zhuǎn)角度達(dá)到55°時(shí),舉升動(dòng)作停止。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)值、安裝結(jié)構(gòu)及第一級(jí)舉升液壓缸缸徑D1,可以獲得第二級(jí)舉升液壓缸缸徑D2及各級(jí)舉升液壓缸行程。

圖2 貨箱舉升過(guò)程

舉升液壓缸活塞桿直徑d為:

(3)

舉升液壓缸為末級(jí)雙作用,速比φ為2。

舉升液壓缸性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 舉升液壓缸性能參數(shù) mm

2.2 容積

舉升液壓缸無(wú)桿腔容積Vj為:

(4)

式中:hj為舉升液壓缸行程。

兩級(jí)舉升液壓缸的最大工作容積Vmax為:

Vmax=2(V1+V2)

(5)

2.3 舉升時(shí)間

礦用自卸車舉升液壓系統(tǒng)管道最大流量qz為:

qz=Vz/t

(6)

式中:Vz為兩級(jí)舉升液壓缸總?cè)莘e;t為舉升時(shí)間。

舉升液壓系統(tǒng)需要的排量Vp為:

Vp=qz/n

(7)

式中:n為電機(jī)轉(zhuǎn)速。

執(zhí)行舉升動(dòng)作時(shí),通過(guò)雙泵合流方案,借用礦用自卸車轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)的液壓泵,共同為舉升液壓系統(tǒng)供油,以此來(lái)減小舉升液壓系統(tǒng)液壓泵的排量。礦用自卸車轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)液壓泵的排量為180 mL/r,根據(jù)液壓泵相關(guān)樣本,選取舉升液壓系統(tǒng)液壓泵的排量為275.8 mL/r,反推計(jì)算得到舉升時(shí)間為17.5 s。

3 仿真建模

根據(jù)多級(jí)舉升液壓缸的工作原理,將兩級(jí)舉升液壓缸分解為兩個(gè)相互連通的單級(jí)液壓缸,如圖3所示。兩個(gè)單級(jí)舉升液壓缸中,一個(gè)是柱塞缸,另一個(gè)是單桿活塞缸。當(dāng)?shù)谝患?jí)舉升液壓缸伸出到最大位置后,舉升液壓缸有桿腔被封閉。第二級(jí)舉升液壓缸開始動(dòng)作后,舉升液壓缸有桿腔的油液經(jīng)活塞桿壁上的孔及中心管道外側(cè)到達(dá)回油口,最終回到油箱,從而保證兩級(jí)舉升液壓缸壓力回縮時(shí)有序動(dòng)作。

根據(jù)上述分析,建立兩級(jí)舉升液壓缸AMESim軟件模型,如圖4所示。為提高仿真速度,筆者未考慮負(fù)載質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的變化。

圖3 兩級(jí)舉升液壓缸分解

4 仿真分析

筆者分析的礦用自卸車舉升液壓系統(tǒng)采用兩級(jí)舉升液壓缸,與采用三級(jí)舉升液壓缸的舉升液壓系統(tǒng)有較大區(qū)別,且已有研究較少。建立礦用自卸車舉升液壓系統(tǒng)AMESim軟件模型,如圖5所示。

圖4 兩級(jí)舉升液壓缸AMESim軟件模型

圖5 舉升液壓系統(tǒng)AMESim軟件模型

貨箱翻轉(zhuǎn)角度隨時(shí)間變化曲線如圖6所示。由圖6可知,17.4 s時(shí)貨箱翻轉(zhuǎn)角度達(dá)到55°,此時(shí)限位開關(guān)觸發(fā),舉升液壓缸不再伸長(zhǎng),貨箱基本停止動(dòng)作。貨箱浮動(dòng)1.5 s后壓力迫降過(guò)程開始,整個(gè)下降過(guò)程持續(xù)11.5 s。

圖6 貨箱翻轉(zhuǎn)角度隨時(shí)間變化曲線

舉升液壓缸無(wú)桿腔和有桿腔壓力隨時(shí)間變化曲線分別如圖7、圖8所示。由圖7、圖8可知,開始舉升動(dòng)作和舉升液壓缸缸徑變化時(shí),都會(huì)引起舉升液壓缸內(nèi)較大的壓力沖擊。

圖7 舉升液壓缸無(wú)桿腔壓力隨時(shí)間變化曲線

圖8 舉升液壓缸有桿腔壓力隨時(shí)間變化曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

礦用自卸車舉升液壓系統(tǒng)中,較大壓力沖擊通常發(fā)生在舉升動(dòng)作時(shí)和舉升液壓缸缸徑變化時(shí)。當(dāng)車斗質(zhì)心、舉升初始位置、舉升液壓缸安裝位置確定后,舉升液壓缸內(nèi)最大壓力由自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定。因此,在設(shè)計(jì)舉升液壓缸時(shí),需要考慮壓力沖擊造成的影響,減少不必要的損失。筆者在仿真分析中未考慮負(fù)載質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的變化,與實(shí)際情況有一定偏差,后續(xù)將對(duì)車斗卸貨過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真,并基于AMESim軟件進(jìn)行機(jī)械液壓聯(lián)合仿真。