液壓挖掘機回轉系統啟動性能的仿真研究

劉鋒，周宏兵

（1.韶關學院物理與機電工程學院，廣東韶關512005；2.中南大學機電工程學院，湖南長沙410100）

液壓挖掘機回轉系統啟動性能的仿真研究

劉鋒1，周宏兵2

（1.韶關學院物理與機電工程學院，廣東韶關512005；2.中南大學機電工程學院，湖南長沙410100）

液壓挖掘機回轉系統啟動過程中存在嚴重溢流損失，提高啟動速度和減小溢流損失很難同時實現,尤其是對于中大型液壓挖掘機.利用AMESim和ADAMS仿真軟件，建立挖掘機回轉系統的機——液聯合仿真模型，分析相關參數對回轉啟動性能的影響，通過優化系統參數，減小啟動溢流損失的同時提高了啟動速度.

液壓挖掘機；回轉系統；啟動性能；聯合仿真；優化

回轉系統作為液壓挖掘機的主要組成部分，其工作時間約占整個工作循環的50%～70%，能量消耗占25%～40%，發熱量占液壓系統總發熱量的30%～40%［1］.由于挖掘機工作時回轉角度一般為90°左右，即回轉平臺未加速到最大轉速時就已開始制動，因此，回轉工作過程基本由啟動過程和制動過程組成.回轉系統啟動性能對挖掘機整機性能起重要作用，回轉系統的啟動過程主要要求啟動過程迅速且溢流損失小.

目前，國內外學者對回轉系統性能的研究主要集中在對制動能量的回收［2-3］，如提出了次級調節節能原理［4］、開式回轉油路中加蓄能器的方案［5］和混合動力技術［6］，而對啟動性能的研究甚少.筆者提出建立回轉系統AMESim-ADAMS聯合仿真模型的方法，對回轉系統的啟動性能進行分析研究和優化.

圖1 回轉系統基本組成

1 回轉系統基本組成及其工作原理

液壓挖掘機的回轉系統包括回轉裝置和回轉液壓系統，如圖1所示.回轉裝置主要由回轉平臺和回轉支承組成，回轉過程中，挖掘機的操縱室、工作裝置總成和油箱等部件隨回轉平臺一起轉動；回轉液壓系統主要由液壓泵、回轉馬達、回轉換向閥組成，一般是閥控回轉馬達系統［7］，圖2為某公司23 t挖掘機回轉液壓系統原理簡圖.

根據回轉系統基本組成與液壓原理簡圖，建立回轉系統啟動過程的數學模型［8］.

上式中，ε—回轉平臺角加速度；T—回轉平臺驅動力矩；Mz—阻力矩（含摩擦阻力矩和風阻力矩）；Mi—慣性阻力矩；Ji—回轉平臺上各零部件對回轉中心的轉動慣量.

圖2 回轉液壓系統原理圖

上式中，ω—平臺回轉角速度.

上式中，i—減速比；PA—回轉馬達A口壓力；PB—回轉馬達B口壓力；q—回轉馬達排量.

操縱控制手柄使回轉換向閥工作在右位時，回轉馬達A口進油，B口回油，回轉馬達通過其內部的齒輪減速機構將轉速和扭矩傳遞給回轉支撐，克服回轉阻力矩使回轉平臺加速；操縱控制手柄使回轉換向閥工作在左位時，回轉馬達B口進油，A口回油，回轉平臺向相反方向加速；操縱控制手柄使回轉換向閥工作在中位時，回轉馬達制動腔產生高壓使回轉馬達減速.由式（1）、式（2）和式（3）可知，回轉加速時，若回轉平臺轉動慣量和慣性阻力矩增大，則角加速度減小，回轉平臺加速過程減慢；同時，泵的輸出流量大于回轉馬達所需流量，溢流損失增大.因此，對于中大型液壓挖掘機，回轉系統啟動緩慢且存在嚴重溢流損失.

2 AMESim-ADAMS聯合仿真方法

根據液壓挖掘機回轉系統的基本組成及其工作原理，建立上述數學模型進行分析，其分析結果不具有直觀性和具體性.考慮到數學方法的抽象性、挖掘機回轉系統的復雜性和工況的不確定性，筆者利用動力學分析軟件ADAMS和液壓分析軟件AMESim建立回轉液壓系統的AMESim-ADAMS聯合仿真模型，即機—液聯合仿真模型，對其進行定量分析和優化.

主要過程包括：采用AMESim軟件建立挖掘機回轉系統的液壓仿真模型，采用ADAMS軟件建立挖掘機結構動力學模型，通過聯合接口實現兩者的聯合仿真；對回轉動作過程進行試驗測試和仿真分析；將仿真所得數據與實驗所測數據進行對比，驗證聯合仿真模型是否正確，并完善模型；利用仿真模型分析和優化回轉系統啟動性能.

3 仿真模型的建立

3.1 Adams動力結構模型

在Pro/E或Inventor等三維建模軟件中，建立挖掘機回轉平臺以上部分的裝配三維模型，將其導入Adams軟件中.此時，Adams中導入的模型保存了原三維模型結構、尺寸、位置、質量等信息，但是需對其零部件添加約束關系，對其裝配關系進行重新定義.

3.2 AMESim液壓系統模型

在AMESim軟件中選取相應的變量泵、定量馬達模型，并根據挖掘機中液壓泵和回轉馬達的相關參數設置相應參數；在AMESIM中構建防反轉閥塊、緩沖溢流閥和泵控模塊并分別對其進行封裝［9］；采用AMESim中HCD庫的元件構建換向閥模型，并設置相關參數.

3.3 回轉系統Adams-AMESim聯合仿真模型

在ADAMS中將回轉平臺的轉速和角位移設置為聯合接口模塊的輸入狀態變量，將回轉馬達的驅動扭矩設置為聯合接口模塊的輸出狀態變量.將已定義好的輸入狀態變量、輸出狀態變量集成在聯合接口模塊內，并將聯合接口模塊導入AMESim軟件中的液壓系統模型.至此，建立AMESim-ADAMS聯合仿真模型如圖3所示.

圖3 液壓挖掘機回轉系統AMESim-ADAMS聯合仿真模型

3.4模型正確性的驗證

通過對液壓挖掘機回轉系統進行測試，得到回轉系統空載動作時手柄的輸入信號及相關壓力流量數據.將采集的輸入信號作為仿真模型的輸入信號，仿真得到相應的壓力流量數據.將回轉仿真數據與實驗壓力流量數據進行對比分析，驗證模型的正確性.

4 仿真分析及優化

采集挖掘機回轉試驗的輸入信號，將此信號作為仿真模型的輸入信號，對回轉動作進行仿真.挖掘機回轉啟動加速過程包括定量加速階段和變量加速階段，在定量加速階段，B口壓力迅速升高開啟溢流閥，回轉馬達輸出較穩定的驅動力矩，使回轉平臺做近勻加速運動；當回轉馬達轉速增加到一定值時，液壓泵工作在恒功率變量階段，此時，液壓泵的排量增大、回轉系統壓力減小，回轉系統工作在變量加速階段.

回轉過程中的溢流損失主要出現在定量加速階段，在此階段，回轉液壓系統的溢流量達到4.35 L,泵輸出流量的利用率只有51.4%.

4.1 回轉馬達排量大小的影響

分別設定回轉馬達的排量為128.5、148.5、168.5和188.5 ml/r，利用采集的輸入信號驅動仿真模型空載回轉90°，得到回轉馬達口的壓力特性仿真曲線如圖4所示，液壓泵與回轉馬達流量特性仿真曲線如圖5所示，回轉平臺的角位移仿真曲線和角速度仿真曲線如圖6所示.

圖4 回轉馬達口壓力仿真曲線

圖5 泵與回轉馬達流量仿真曲線

圖6 回轉平臺的角位移仿真曲線和角速度仿真曲線

對圖4、圖5和圖6分析處理可得表1.結果表明，在某特定范圍內增大回轉馬達的排量，可提高回轉的快速性的同時減小回轉啟動溢流損失.如當回轉馬達的排量由148.5 ml/r增加到168.5 ml/r時，回轉平臺的最大轉速和角位移略有增大，但啟動溢流損失減小了23.58%.

表1 馬達排量對啟動性能的影響

4.2 回轉減速比的影響

分別設定回轉系統減速比為18.5，20.5，22.5，24.5做回轉動作仿真，對其主要數據處理分析得到表2.結果表明，增大減速比，能同時減小溢流損失、提高回轉馬達啟動速度.

表2 回轉系統減速比對啟動性能的影響

4.3 轉動慣量的影響

分別設定回轉平臺的轉動慣量為74 480、110 800、147 120、183 440 kg·m2作仿真分析，對其主要數據處理分析得到表3.結果表明，回轉平臺的轉動慣量減小，回轉平臺轉過的角位移增大，溢流量減小.因此，在挖掘機工作裝置或操縱室等結構設計過程中，應盡量減小各零部件對回轉中心的轉動慣量.

表3 轉動慣量對啟動性能的影響

4.4 回轉系統的優化

根據上述相關參數對回轉系統啟動性能的影響規律，利用仿真模型對回轉啟動性能進行優化.考慮到回轉平臺轉動慣量主要由上車結構和工作裝置等的結構尺寸決定，涉及到整機的平穩性和挖掘范圍等，宜在設計初期優化.因此，僅對回轉系統減速比和回轉馬達的排量進行優化，優化結果如表4所示.優化后回轉系統啟動溢流量減少了28.7%，回轉90°的時間減少了7.56%.

表4 啟動性能的優化結果

5 總結與展望

筆者建立回轉系統AMESim-ADAMS聯合仿真模型，對回轉系統的啟動快速性和溢流特性進行分析研究和優化，得出相關參數對回轉系統啟動性能的影響規律.通過對減速比和回轉馬達的排量的優化，提高了回轉系統的啟動速度、減少了啟動溢流損失.

回轉平臺轉動慣量大、泵輸出流量與回轉馬達所需流量不匹配是導致回轉啟動溢流損失大的主要原因.因此，還可從功率匹配的角度對回轉啟動性能的優化作進一步研究.

［1］同濟大學.單斗液壓挖掘機［M］.北京:中國建筑工業出版社,1986.

［2］Shapkness E,Heyne D,Lech R J.Hydraulic swing damping system［P］.United states patent,US6886278,Dec 18,2003.

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［4］范基,王志蘭.次級調節的節能液壓系統研制［J］.液壓與啟動,1991,(2):16-17.

［5］李建啟.液壓挖掘機回轉節能裝置的試驗研究［J］.河北建筑工程學院學報,1994(3):1-7.

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［7］黃宗益,葉偉,李興華.液壓挖掘機液壓系統概述［J］.建筑機械化,2003(9):12-16.

［8］周宏兵,劉鋒,陳桂芳,危丹鋒.液壓挖掘機回轉系統制動平穩性研究［J］.計算機仿真,2011(28):379-382.

［9］Saad A K,Yasser H A.Modeling and simulation of hydro mechanically constant power controlled swash plate pumps［J］.Fluid Power Systems and Technology,2006(10):22-37.

Simulation research on start-up performance of hydraulic excavator's slewing system

LIU Feng1,ZHOU Hong-bin2
（1.Institute of Physics and Mechanical&Electrical Engineering,Shaoguan University, Shaoguan 512005,Guangdong,China；2.Central South University,Changsha 410100,Hunan,China）

Overflow losses seriously exist in the start-up process of hydraulic excavator's slewing system,while improving the start-up speed and reducing overflow losses is difficult to be simultaneously achieved,especially for medium and large hydraulic excavators.This article established the AMESim-ADAMS co-simulation model of excavator's slewing system,analyzed the influence of the rotary system's main parameters,optimized the main parameters,and reduced overflow losses as improving the startup speeds.

Hydraulic excavators；rotary system；start-up performance；co-simulation；optimization

TH248

：A

：1007-5348（2014）10-0034-05

（責任編輯：李婉）

2014-05-15

國家863項目（2003AA430200）.

劉鋒(1986-)，女，湖南郴州人，韶關學院物理與機電工程學院教師，碩士，主要從事工程機械機電液一體化技術方面的研究.