同步頂升液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)及動(dòng)態(tài)特性分析

沈立師

（江西銅業(yè)集團(tuán)有限公司 德興銅礦，江西 德興334224）

1 引言

國(guó)內(nèi)運(yùn)用同步頂升技術(shù)起步較晚，早期液壓同步頂升系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在公路橋梁的移設(shè)、加固和改造中，該系統(tǒng)結(jié)合了液動(dòng)力技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助算法和機(jī)械先進(jìn)制造理論［1-2］。在2002年，美國(guó)利用同步頂升和電控技術(shù)，對(duì)坐落在四級(jí)震區(qū)的美國(guó)金門大橋進(jìn)行穩(wěn)定和加固，即同步技術(shù)在橋梁建設(shè)領(lǐng)域也發(fā)揮了至關(guān)重要的作用［3］。2004年，美國(guó)實(shí)用動(dòng)力集團(tuán)駐歐洲工程中心將液壓同步頂升技術(shù)應(yīng)用到法國(guó)米勞大橋的建設(shè)中［4］。該公司為解決在米約大橋建設(shè)中遇到的在兩個(gè)橋墩之間直接架設(shè)橋面的技術(shù)難題，開發(fā)出一套運(yùn)用倒裝法施工的液壓同步頂升控制系統(tǒng)［5］。美國(guó)衣阿華大學(xué)通過(guò)現(xiàn)代整體平移技術(shù)成功地將20m高的科技館平穩(wěn)頂升而起，并平移繞過(guò)另一棟樓到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)［6］。T.C.Chiu和HongSunGeorge等把電液伺服技術(shù)應(yīng)用在雙液壓缸頂升系統(tǒng)中，以解決液壓缸頂升時(shí)存在的精度差和不穩(wěn)定問(wèn)題，該電液伺服控制是閉環(huán)控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)中應(yīng)用了魯棒控制算法，解決了之前控制魯棒性不好和因?yàn)槠d產(chǎn)生了波動(dòng)的問(wèn)題，并且實(shí)現(xiàn)了對(duì)液壓缸位置和壓力的雙重控制［7］。張承譜，肖聚亮等運(yùn)用液壓同步頂升技術(shù)實(shí)現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)橋梁安裝的完整施工，并在此基礎(chǔ)上深度開發(fā)出一種大型橋梁的PLC控制系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)的多點(diǎn)聯(lián)控，為后續(xù)液壓同步頂升系統(tǒng)在多領(lǐng)域的工業(yè)應(yīng)用提供有力指導(dǎo)［8］。

本文以江西銅業(yè)集團(tuán)有限公司德興銅礦實(shí)際大修現(xiàn)場(chǎng)為背景，通過(guò)對(duì)WK-35電動(dòng)挖掘機(jī)上盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得出在不均勻大質(zhì)量上盤實(shí)施同步頂升的技術(shù)要求，并提出采用四點(diǎn)不均勻承載的液壓同步頂升方式，結(jié)合適合非線性、時(shí)變性的復(fù)雜系統(tǒng)控制的模糊PID控制方法實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)上下盤分離的同步頂升。通過(guò)AMESim軟件對(duì)液壓同步頂升系統(tǒng)模擬仿真，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)特性、滿足設(shè)計(jì)要求，為后續(xù)現(xiàn)場(chǎng)施工提供參考。

2 WK-35電動(dòng)挖掘機(jī)上盤結(jié)構(gòu)及頂升系統(tǒng)技術(shù)要求分析

2.1 WK-35電動(dòng)挖掘機(jī)上盤結(jié)構(gòu)分析

為研制出安全可靠、實(shí)用高效的同步頂升系統(tǒng)，解決不均勻大質(zhì)量上下盤高精度同步分離的工程問(wèn)題，本節(jié)對(duì)WK-35電動(dòng)挖掘機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，獲得其上下盤分離所需同步頂升系統(tǒng)的技術(shù)要求，確定總體設(shè)計(jì)目標(biāo)；針對(duì)上盤質(zhì)量分布不均的特點(diǎn)，對(duì)上盤質(zhì)量分布特點(diǎn)及重心位置進(jìn)行分析，初步確定同步頂升位置及頂升點(diǎn)數(shù)量；在此基礎(chǔ)上，提出同步頂升系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。WK-35電動(dòng)挖掘機(jī)總體結(jié)構(gòu)主要由四部分構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 WK-35電動(dòng)挖掘機(jī)工作裝置示意圖

提升機(jī)構(gòu)由兩臺(tái)交流變頻異步電動(dòng)機(jī)通過(guò)撓性齒輪聯(lián)軸節(jié)驅(qū)動(dòng)，在挖掘過(guò)程中通過(guò)卷筒帶動(dòng)提升鋼繩實(shí)現(xiàn)鏟斗向上提升挖掘，為挖掘機(jī)主要的采礦動(dòng)作?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)上盤在0～180°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，以完成大范圍的挖掘與裝載，承載整個(gè)挖掘機(jī)的上盤質(zhì)量及挖掘工作過(guò)程中的傾覆力矩。推壓機(jī)構(gòu)安裝在起重臂上，可繞銷轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)皮帶的張緊程度，以實(shí)現(xiàn)對(duì)礦石采掘工作面的推壓，挖掘深度、鏟斗提升與推壓是實(shí)現(xiàn)礦石裝斗及決定鏟斗裝滿率的關(guān)鍵。行走機(jī)構(gòu)則分別驅(qū)動(dòng)左右履帶裝置，實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)前進(jìn)或者后退，WK-35電動(dòng)挖掘機(jī)的最大爬坡角度為13°。

上述WK-35電動(dòng)挖掘機(jī)的主要工作裝置中，提升機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、推壓機(jī)構(gòu)等均屬于挖掘機(jī)上盤，此外還包括主回轉(zhuǎn)平臺(tái)、左右副平臺(tái)、左右走臺(tái)、機(jī)棚、司機(jī)室、潤(rùn)滑室、配重箱、通風(fēng)除塵裝置以及安裝在機(jī)棚中的所有機(jī)構(gòu)。上盤前端安裝著起重臂、斗桿和鏟斗等，上盤后端裝有配重箱。頂升過(guò)程中需將上盤前端部件，如起重臂、斗桿、鏟斗等拆除，拆除后上盤質(zhì)量大約551t，上盤結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 WK-35電動(dòng)挖掘機(jī)上盤結(jié)構(gòu)

綜合圖1、圖2可知，WK-35電動(dòng)挖掘機(jī)的上盤分布著各種功能機(jī)構(gòu)，即使將起重臂、桿、鏟斗等產(chǎn)生較大傾覆力矩的部件拆除，上盤質(zhì)量分布也極不均勻。這種不均勻分布的大質(zhì)量裝備給采礦區(qū)臨時(shí)場(chǎng)地的同步頂升帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

2.2 同步頂升系統(tǒng)技術(shù)要求分析

根據(jù)上節(jié)對(duì)挖掘機(jī)上盤結(jié)構(gòu)的分析，在上下盤頂升分離時(shí)，為防止懸臂、斗桿、鏟斗等活動(dòng)部件因搖晃而產(chǎn)生傾覆，在分離施工前對(duì)其進(jìn)行拆除，拆除后挖掘機(jī)上盤質(zhì)量約為551t。上下盤頂升分離總體技術(shù)要求如下：

（1）滿足對(duì)重量分布不均勻、重量在600t左右的挖掘機(jī)上盤進(jìn)行頂升。

（2）為給檢修提供足夠的實(shí)施空間，要求將上盤相對(duì)下盤頂升1700mm的距離，即配重箱底面離地高度4430mm，且一次頂升到位。

（3）針對(duì)上盤載荷大且分布不均勻，前輕后重的特點(diǎn)，允許多點(diǎn)同步頂升。

（4）上、下盤之間通過(guò)下盤的中央樞軸與上盤的中央樞軸孔間隙配合，最大間隙0.5mm，配合深度1400mm，設(shè)計(jì)頂升系統(tǒng)的同步精度為±1mm，中央樞軸與頂升平面幾何關(guān)系示意圖如圖3所示。

圖3 中央樞軸與頂升平面幾何關(guān)系示意圖

由圖3可得，頂升點(diǎn)之間的距離為L(zhǎng)，中央樞軸配合深度為S，最佳理論同步頂升狀態(tài)下，中央樞軸與水平的頂升平面垂直，上盤上與中央樞軸配合的孔的軸線與中央樞軸平行，假定配合為最大為0.5mm；當(dāng)出現(xiàn)頂升點(diǎn)不同步時(shí)，頂升平面傾斜，上盤上的孔與中央樞軸形成如圖2.3所示的α角度，則軸與孔之間的最大間距Δsmax=1mm。常用同步誤差表示同步精度，其表達(dá)式為：

式中， δ為理論同步誤差率；Q1為計(jì)算的理論流量；Q2為輸入執(zhí)行器的實(shí)際流量。

根據(jù)式1可定義同步精度δ=Δh，其中，Δh為頂升點(diǎn)之間的頂升高度差。當(dāng)因頂升點(diǎn)頂升高低不同步而導(dǎo)致頂升平面傾斜時(shí)，α=β，因此Δh=tanβ·L=tanα·L，在WK-35電動(dòng)挖掘機(jī)上盤同步頂升過(guò)程中L=13693mm，因此，可得為了避免不同步頂升時(shí)中央樞軸不與孔干涉，最大頂升-下降同步精度 為：

因此，±1mm的設(shè)計(jì)精度要求滿足從幾何關(guān)系角度所得出的同步精度要求。

3 WK-35電動(dòng)挖掘機(jī)上盤頂升過(guò)程質(zhì)量分布研究

準(zhǔn)確獲得WK-35電動(dòng)挖掘機(jī)上盤質(zhì)量分布規(guī)律是設(shè)計(jì)液壓油缸數(shù)量及位置分布、分配油缸載荷的重要依據(jù)。針對(duì)挖掘機(jī)上盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量大，難以獲得質(zhì)量分布及重心點(diǎn)位置的問(wèn)題，本節(jié)根據(jù)上盤結(jié)構(gòu)，通過(guò)三維幾何建模的方法，獲得準(zhǔn)確的挖掘機(jī)上盤質(zhì)量分布及求解獲得重心位置，以此為液壓油缸數(shù)量、位置的分布及載荷分配提供依據(jù)。根據(jù)以上對(duì)WK-35電動(dòng)挖掘機(jī)上盤的結(jié)構(gòu)分析及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪，通過(guò)三維幾何建模的方法，獲得上盤的主要部件模型，如圖4所示。

圖4 WK-35電動(dòng)挖掘機(jī)三維模型

在三維幾何模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)材料參數(shù)的設(shè)置，利用計(jì)算機(jī)三維建模平臺(tái)獲得如表1所示主要部件質(zhì)量，結(jié)合圖及表可知，WK-35電動(dòng)挖掘機(jī)上盤質(zhì)量分布分散，求解確定上盤總體重心位置如圖5所示。重心中心線與上盤中央樞軸孔中心線距離4300mm，兩線所成平面與主回轉(zhuǎn)平臺(tái)側(cè)邊平行。

表1 上盤主要部件參考重量

圖5 上盤重心示意圖

WK-35型電動(dòng)挖掘機(jī)上盤投影面積為13055×13130mm2，要保證頂升精度，則必須讓每個(gè)頂升點(diǎn)的位置布置合理，且受力均勻。理論上三個(gè)頂升點(diǎn)即可形成一個(gè)完整的頂升面，但在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工中，頂升位置為一個(gè)較小的接觸面，此時(shí)并不能簡(jiǎn)單地將其簡(jiǎn)化為點(diǎn)，頂升過(guò)程中難以保證此三個(gè)平面均處于同一平面內(nèi)；且對(duì)于需要承載不均勻大質(zhì)量的頂升點(diǎn)來(lái)說(shuō)，需要精確確定三個(gè)頂升點(diǎn)的位置，使上盤的重心位置在頂升過(guò)程中始終處于三個(gè)頂升點(diǎn)形成的三角形幾何中心處，這一點(diǎn)在實(shí)施過(guò)程難以保證。因此，在需要支撐的工程實(shí)踐中，通常采用至少四點(diǎn)支撐的方式，這就能保證當(dāng)一個(gè)或幾個(gè)支撐點(diǎn)出現(xiàn)“虛腿”現(xiàn)象時(shí)，任意頂升位置點(diǎn)都具備確定平面功能。但是頂升點(diǎn)也不可過(guò)多，不然會(huì)出現(xiàn)受力不均的現(xiàn)象，嚴(yán)重的話還可能出現(xiàn)超負(fù)荷現(xiàn)象。

通過(guò)對(duì)挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)及上盤質(zhì)量分布分析，確定采用前、后各2個(gè)頂點(diǎn)共4頂點(diǎn)頂升。由于上盤后部配重箱重量集中，且其為箱式焊接結(jié)構(gòu)，決定將后部2個(gè)頂點(diǎn)布置于箱體內(nèi)部隔板交叉點(diǎn)處。前部2個(gè)頂點(diǎn)布置于挖掘機(jī)起重臂根銷處，但由于下盤履帶架裝置干涉造成頂升空間不足，需要設(shè)計(jì)延伸支撐臂，如圖6所示。

圖6 前頂升點(diǎn)支撐臂

經(jīng)過(guò)計(jì)算和測(cè)量，各頂點(diǎn)重量及位置分布如圖7所示，后部液壓缸單缸承重201.1t，前部液壓缸單缸承重74.25t。

圖7 各頂升點(diǎn)重量及位置分布圖

4 同步頂升液壓系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

基于對(duì)WK-35電動(dòng)挖掘機(jī)上盤結(jié)構(gòu)的研究分析，WK-35電動(dòng)挖掘機(jī)上下盤分離的液壓同步頂升系統(tǒng)由四大部分組成：液壓油缸及配套裝置部分、液壓油泵站集成部分、同步頂升PLC控制部分、數(shù)據(jù)采集及顯示部分，如圖8所示。

圖8 同步頂升系統(tǒng)組成

通過(guò)上文對(duì)挖掘機(jī)上盤頂升過(guò)程質(zhì)量分布的分析，確定采用四點(diǎn)液壓同步頂升技術(shù)對(duì)WK-35電動(dòng)挖掘機(jī)上盤部分進(jìn)行頂升。實(shí)現(xiàn)四個(gè)頂升點(diǎn)的同步頂升的關(guān)鍵是控制進(jìn)入四個(gè)液壓缸的流量，WK-35電動(dòng)挖掘機(jī)上盤質(zhì)量分布不均，按所提出的四點(diǎn)液壓同步頂升方案，液壓缸承載不一致，后部液壓缸單缸承重201.1t，前部液壓缸單缸承重74.25t。

目前，同步液壓系統(tǒng)通常采用的有泵控與閥控，泵控主要是對(duì)各液壓泵配備單獨(dú)的液壓泵，通過(guò)改變液壓泵的供油量，以實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓缸頂升速度及位移的控制，由于泵控的系統(tǒng)響應(yīng)速度不高，通常用于控制精度不高、大容量及頻響相對(duì)較低的場(chǎng)合。閥控是通過(guò)比例閥或電磁閥控制供給液壓缸的流量，實(shí)現(xiàn)多液壓缸的同步頂升，具有精度較高，響應(yīng)快的特點(diǎn)。

根據(jù)礦山的特點(diǎn)及要求，選擇采用同一液壓泵站供油，通過(guò)每一液壓缸配備一個(gè)電磁球閥控制液壓回路的油液量的閥控方式，以實(shí)現(xiàn)不同承載液壓缸的同步頂升，同步頂升液壓系統(tǒng)總方案基本思路如圖9所示。

圖9 同步液壓系統(tǒng)總方案原理圖

4.1 控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的總控制采用可編程邏輯控制器PLC進(jìn)行控制，針對(duì)同步頂升液壓系統(tǒng)具有非線性、時(shí)變性的特點(diǎn)，采用模糊PID控制算法，控制輸出端按采用PWM脈沖控制技術(shù)?？刂破鹘邮諒陌惭b在油缸旁邊的與重物相連的傳感器發(fā)出的信號(hào)，然后處理這些信息并經(jīng)過(guò)運(yùn)算后，發(fā)送控制信號(hào)到各液壓油缸控制閥，打開和/或關(guān)閉這些高速控制閥來(lái)控制每個(gè)點(diǎn)的油缸動(dòng)作，最終實(shí)現(xiàn)WK-35挖掘機(jī)上盤整體的穩(wěn)步頂升和下降。升降過(guò)程的同步誤差和到位后的誤差均保持在操作者設(shè)定的范圍。

隨著液壓技術(shù)，特別是同步液壓技術(shù)的快速發(fā)展以及相關(guān)工程技術(shù)領(lǐng)域?qū)σ簤和巾斏纫蟮奶岣撸壳捌毡椴捎秒娨和巾斏夹g(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜、非線性同步頂升系統(tǒng)的高精度控制[ ]。而液壓系統(tǒng)同步控制通常采用系統(tǒng)自適應(yīng)控制、PID控制、模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、人工智能等，對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)的高精度控制往往會(huì)將以上控制方法復(fù)合使用［10］。

PID控制是最常用、技術(shù)最成熟的控制方法，WK-35挖掘機(jī)上下盤分離液壓同步頂升系統(tǒng)具有非線性、時(shí)變性特點(diǎn)，而傳統(tǒng)的PID控制通常僅適用于系統(tǒng)處于線形狀或基本線性狀態(tài)，且動(dòng)態(tài)特性不隨時(shí)間變化，因此單獨(dú)的PID控制難以實(shí)現(xiàn)這一復(fù)雜系統(tǒng)的高精度同步頂升。

模糊PID控制即為模糊控制與PID控制相結(jié)合的復(fù)合控制方法，通過(guò)模糊控制算法使PID控制過(guò)程中的三個(gè)參數(shù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化以適用非線性、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的高精度控制［11］。根據(jù)模糊PID控制的這一特點(diǎn)，本文用以對(duì)WK-35挖掘機(jī)上下盤分離液壓同步頂升系統(tǒng)的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同承載液壓缸的同步頂升控制，同步頂升控制總方案基本思路如圖10所示。

圖10 同步頂升控制總方案原理圖

綜上所述，確定采用電液控制的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)WK-35挖掘機(jī)上下盤分離液壓同步頂升。采用以液壓缸頂桿位移及載荷作為模糊PID控制的輸入，對(duì)電磁球閥進(jìn)行控制，通過(guò)對(duì)各液壓缸流量的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同載荷液壓缸的同步頂升。

5 同步頂升液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性模擬研究

5.1 AMESim的液壓系統(tǒng)仿真模型構(gòu)建

AMESim是集成了機(jī)械、液壓、氣動(dòng)、熱、電和磁等領(lǐng)域的綜合性液壓系統(tǒng)仿真軟件，為液壓系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模擬仿真提供了強(qiáng)大的支持［12-13］。AMESim已經(jīng)成功應(yīng)用于航空航天、車輛、船舶、工程機(jī)械等多學(xué)科領(lǐng)域，成為包括流體、機(jī)械、熱分析、電氣、電磁以及控制等復(fù)雜系統(tǒng)建模和仿真的優(yōu)選平臺(tái)［14］。

AMEsim軟件中擁有各種液壓庫(kù)元件、信號(hào)庫(kù)元件以及機(jī)械庫(kù)元件，本系統(tǒng)用的最多的液壓庫(kù)如圖11(a)所示，在建模過(guò)程中只需將需要的液壓元件從液壓庫(kù)中拖出來(lái)連接即可。若液壓庫(kù)中沒(méi)有液壓系統(tǒng)用到的液壓元件，則可采用AMEsimd的HCD庫(kù)對(duì)所需的液壓元件進(jìn)行二次開發(fā)，從而創(chuàng)建出符合液壓系統(tǒng)的液壓元件模型，HCD液壓元件設(shè)計(jì)庫(kù)如圖11(b)所示。在同步頂升液壓系統(tǒng)中，通過(guò)三位四通電磁換向閥來(lái)控制液壓回路流向；通過(guò)高頻通斷的兩位兩通電磁球閥組控制液壓回路的通斷，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的同步頂升調(diào)節(jié)。

圖11 AMEsim建模子庫(kù)

在AMESim軟件中，由于缺少多通道的液壓控制閥和液壓控制泵等模型，所以在模型構(gòu)建過(guò)程中，使用電信號(hào)單元來(lái)代替液壓信號(hào)，部分液壓元件的控制由電信號(hào)進(jìn)行控制。所構(gòu)建的WK-35電動(dòng)挖掘機(jī)上下盤分離同步頂升液壓系統(tǒng)AMESim仿真模型如圖12所示。

該AMEsim仿真模型基本與原液壓系統(tǒng)原理圖保持一致，對(duì)于建模較為困難的兩位兩通電磁球閥，在總體建模時(shí)該模型采用兩位兩通電磁閥代替。對(duì)于重復(fù)多余的少許液壓元件，在模型中進(jìn)行了舍去處理，在保證完整性的同時(shí)簡(jiǎn)化了系統(tǒng)模型，提高了仿真效率。

5.2 AMESim的液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析

（1）頂升液壓缸性能模擬。

以WK-35電動(dòng)挖掘機(jī)四點(diǎn)同步頂升油缸上升工作時(shí)的動(dòng)態(tài)過(guò)程為研究對(duì)象，按照?qǐng)D12中AMEsim仿真模型進(jìn)行數(shù)值模擬。液壓系統(tǒng)采用雙液壓油泵提供動(dòng)力，通過(guò)初步設(shè)計(jì)采用單泵5L/min的供油速度，負(fù)重為600t時(shí)，液壓缸的頂升速度歷程曲線如圖13所示。

圖12 同步頂升AMESim仿真模型

圖13 液壓缸的頂升速度歷程曲線

由圖13可知，液壓缸的頂升速度歷程曲線呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中，活塞桿速度在0～5s內(nèi)迅速提升到0.26mm/s后穩(wěn)定，平均速度為0.263mm/s。在5s后液壓缸頂升速度不在增加，說(shuō)明該頂升系統(tǒng)在較短時(shí)間內(nèi)可達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)，且頂升速度穩(wěn)定。

為更好模擬和研究現(xiàn)場(chǎng)不同環(huán)境下工作時(shí)挖掘機(jī)的運(yùn)行動(dòng)態(tài)特性，驗(yàn)證建立仿真模型的準(zhǔn)確性，以WK-35大型挖掘機(jī)的液壓缸工為研究對(duì)象，分析單缸活塞和油液的變化速度。借助AMEsim模擬仿真負(fù)重500t、550t、600t時(shí)油缸活塞速度和油液流速的響應(yīng)曲線，單缸活塞和油液速度隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律如圖14所示。

圖14 不同負(fù)重下液壓缸動(dòng)態(tài)特性

由圖14（a）可知，液壓?jiǎn)胃谆钊\(yùn)動(dòng)速度在較短時(shí)間內(nèi)快速達(dá)到峰值，且在保持峰值不變的狀態(tài)下，隨著時(shí)間的增加，速度保持穩(wěn)定趨勢(shì)，并未出現(xiàn)顯著差異。負(fù)載的改變僅對(duì)不同狀態(tài)下活塞的運(yùn)動(dòng)速度峰值產(chǎn)生干涉，對(duì)單缸活塞的整體工作狀態(tài)并未起到影響，對(duì)于不同載荷下活塞缸達(dá)到不同速度對(duì)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的響應(yīng)時(shí)間基本一致。圖14（b）為液壓缸油液流速隨時(shí)間變化曲線，通過(guò)觀察圖14（b）發(fā)現(xiàn)，油液整體速度變化趨勢(shì)與活塞桿伸出速度變化基本一致，三種情況均在不到5s時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，負(fù)重較小時(shí)，液壓缸穩(wěn)定的速度相對(duì)更大，穩(wěn)定速度為0.315mm/s；流入液壓缸的流速也在0～5s內(nèi)迅速達(dá)到穩(wěn)定，與液壓缸速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律一致，說(shuō)明該系統(tǒng)與WK-35挖掘機(jī)實(shí)際作業(yè)時(shí)液壓缸的運(yùn)動(dòng)規(guī)律相符，進(jìn)一步驗(yàn)證了建立的WK-35電動(dòng)挖掘機(jī)同步頂升液壓系統(tǒng)仿真模型是可靠的。

（2）兩位兩通電磁球閥模擬。

通過(guò)對(duì)兩位兩通電磁球閥進(jìn)行高頻通斷控制，實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的同步頂升控制。為掌握高頻通斷過(guò)程中兩位兩通電磁球閥對(duì)流量的控制性能，在AMESim軟件中對(duì)兩位兩通電磁球閥進(jìn)行建模，為了跟前面系統(tǒng)模型一致，在AMEsim中同樣以兩位兩通電磁球閥如圖15所示。

圖15 二位二通電磁球閥仿真模型

模擬過(guò)程中通過(guò)電信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁球閥組的高頻通斷控制，根據(jù)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求設(shè)定通斷頻率為25Hz，如圖16所示為模擬閥組前兩周期流量控制歷程曲線。

圖16 兩位兩通電磁球閥流量歷程曲線

由圖16可知，通過(guò)高頻通斷可有效實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)流量的高效控制，在一個(gè)周期，即0.04min后即達(dá)到了流量的平穩(wěn)控制。

（3）平衡控制閥動(dòng)態(tài)特性模擬。

平衡控制閥在液壓系統(tǒng)中起著重要的作用，對(duì)其動(dòng)態(tài)特性的模擬研究成了必不可少的環(huán)節(jié)。參照實(shí)際工作液壓系統(tǒng)中使用的平衡控制閥塊，利用AMEsim對(duì)其進(jìn)行仿真模擬。為了使其最真實(shí)地反映本系統(tǒng)所使用閥的動(dòng)態(tài)性能，使用AMEsim軟件中的HCD液壓系統(tǒng)開發(fā)庫(kù)對(duì)其進(jìn)行模型的建立，如圖17所示。設(shè)置參數(shù)并研究平衡控制閥對(duì)整個(gè)液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響。

圖17 平衡控制閥模型

在圖17所示平衡控制閥的動(dòng)態(tài)仿真模型當(dāng)中，在液壓缸處增加了質(zhì)量塊子模型、管路中增加了泄露子模型以及可壓縮容積子模型，以便建立的仿真模型更加符合現(xiàn)場(chǎng)工作情況，并保證不發(fā)生倒流的情形，仿真結(jié)果如圖18所示。

圖18 平衡控制閥閥芯動(dòng)態(tài)特性

由圖18主閥腔流量、主閥腔入口壓力、主閥芯位移的動(dòng)態(tài)特性圖可知，平衡控制閥主閥芯可以在0～1s內(nèi)迅速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，響應(yīng)時(shí)間較短，從而可以得出平衡控制閥有助于液壓系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，減小液壓系統(tǒng)工作時(shí)出現(xiàn)的噪聲與振動(dòng)。

（4）節(jié)流調(diào)速閥動(dòng)態(tài)特性模擬。

為使整個(gè)液壓系統(tǒng)獲得穩(wěn)定的調(diào)速性能，本文在系統(tǒng)中加入節(jié)流調(diào)速閥。為掌握節(jié)流閥在系統(tǒng)中的性能，必須對(duì)節(jié)流調(diào)速閥的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究。通過(guò)AMEsim建立簡(jiǎn)單的節(jié)流調(diào)速閥動(dòng)態(tài)仿真模型，如圖19所示。

圖19 節(jié)流調(diào)速閥動(dòng)態(tài)特性

由圖19可知，節(jié)流調(diào)速回路在0～1s內(nèi)迅速到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，壓力波動(dòng)較小。不同節(jié)流孔開度對(duì)整個(gè)回路系統(tǒng)有一定影響，開度較大時(shí)，到達(dá)穩(wěn)態(tài)的響應(yīng)時(shí)間越小，系統(tǒng)可獲得更好的響應(yīng)性能。

6 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)WK-35型電動(dòng)挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)分析，提出上下盤分離同步頂升的技術(shù)需求，并針對(duì)上盤不均勻大質(zhì)量的特點(diǎn)，采用3D模型構(gòu)建的方法，求解了上盤重心位置，設(shè)計(jì)了由前后兩組、每組2缸的頂升點(diǎn)位置分布方案，依據(jù)質(zhì)量分布求解，確定后部油缸單缸承重201.1t，前部油缸單缸承重74.25t。采用三位四通閥對(duì)各頂升油缸的升降進(jìn)行集中控制，并采用高頻電磁閥單獨(dú)對(duì)各液壓缸的升降速度及頂桿位移進(jìn)行控制，很好地實(shí)現(xiàn)了載荷不同的液壓油缸的同步頂升，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用AMESim軟件構(gòu)建了液壓系統(tǒng)的仿真模型，并對(duì)本系統(tǒng)的液壓動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，結(jié)果表明液壓油缸頂升速度及電磁球閥的流量控制符合設(shè)計(jì)要求。