基于AMESim的排土機(jī)司機(jī)室自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

肖艷軍，韓靜粉，石亞茹，關(guān)玉明

(河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院，天津300130)

排土機(jī)是露天煤礦連續(xù)或半連續(xù)開(kāi)采成套設(shè)備的一部分，用于露天礦排土場(chǎng)和料場(chǎng)疏松物料的排棄和堆集用。隨著露天礦開(kāi)采工藝成套設(shè)備的推廣應(yīng)用，排土機(jī)自動(dòng)化程度日益發(fā)達(dá)，但其司機(jī)室調(diào)平液壓系統(tǒng)仍是手動(dòng)控制，控制精度差。因此，改進(jìn)司機(jī)室調(diào)平液壓系統(tǒng)使其實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

司機(jī)室自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)連續(xù)、平穩(wěn)以及高精度控制，是排土機(jī)司機(jī)室調(diào)平系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。考慮到其設(shè)計(jì)理念的完善性，需要對(duì)其進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)的分析。因此根據(jù)司機(jī)室調(diào)平機(jī)制對(duì)原液壓系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)，用仿真軟件AMESim 進(jìn)行建模分析研究，代替液壓系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)十分必要。

1 司機(jī)室調(diào)平原理及分析

排土機(jī)在上仰12°到下俯8°的區(qū)間進(jìn)行俯仰動(dòng)作時(shí)，司機(jī)室反向在下俯12°到上仰8°區(qū)間運(yùn)動(dòng)。傳統(tǒng)排土機(jī)司機(jī)室液壓系統(tǒng)利用這個(gè)原理人工進(jìn)行司機(jī)室調(diào)平。司機(jī)室調(diào)平結(jié)構(gòu)如圖1所示，通過(guò)控制調(diào)平油缸伸縮，帶動(dòng)平臺(tái)一實(shí)現(xiàn)角度調(diào)整。現(xiàn)有某排土機(jī)司機(jī)室液壓系統(tǒng)圖如圖2所示，其換向閥采用的是O型三位四通電磁換向閥。當(dāng)排土機(jī)上仰或下俯某個(gè)角度時(shí)，電磁換向閥相應(yīng)切換到左位或右位，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)平油缸的收縮及伸長(zhǎng)。司機(jī)室相應(yīng)地下俯及上仰，實(shí)現(xiàn)調(diào)平。

圖1 機(jī)構(gòu)圖

圖2 原液壓系統(tǒng)圖

2 司機(jī)室調(diào)平液壓系統(tǒng)改進(jìn)

原司機(jī)室調(diào)平液壓系統(tǒng)采用O型三位四通電磁換向閥的換向來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)平油缸相應(yīng)伸縮，完成司機(jī)室調(diào)平。但由于O 型三位四通換向閥在中位時(shí)，P、T、A、B 4 個(gè)進(jìn)出油口是全封閉的，由左右位換到中位時(shí)油液通路的突然截止會(huì)給整個(gè)系統(tǒng)帶來(lái)較大沖擊，對(duì)電磁閥和調(diào)平油缸不利。且O 型三位四通電液換向閥的閥芯為滑閥，密封性較差，調(diào)平油缸在司機(jī)室重力作用下會(huì)緩慢下降，對(duì)司機(jī)室調(diào)平不利。

Y 型三位四通電磁換向閥在中位時(shí)，T、A、B 3個(gè)進(jìn)出油口相通，由左右工作位換到中位時(shí)，P 口突然截止，整個(gè)回路中多余的油液依然會(huì)回到油箱，不會(huì)對(duì)調(diào)平油缸造成太大的沖擊。而雙向液壓鎖是由2個(gè)液控單向閥組成，單向閥的閥芯為球芯，密封性較滑閥要好。故Y 型三位四通電磁換向閥和雙向液壓鎖配合使用代替O 型三位四通電磁換向閥對(duì)于原司機(jī)室調(diào)平液壓系統(tǒng)的缺陷有較大改善。對(duì)原系統(tǒng)進(jìn)行的改進(jìn)如圖3所示。

圖3 液壓圖(改進(jìn))

3 自動(dòng)調(diào)平司機(jī)室液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

排土機(jī)經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，自動(dòng)化程度日益成熟，而排土機(jī)司機(jī)室調(diào)平系統(tǒng)自動(dòng)化程度低，依然是手動(dòng)控制，控制精度差。因此提高司機(jī)室調(diào)平系統(tǒng)自動(dòng)化程度及控制精度具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。故在改進(jìn)的司機(jī)室調(diào)平系統(tǒng)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出一種司機(jī)室自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)。

在司機(jī)室平臺(tái)適當(dāng)位置安裝角度傳感器，工作時(shí)將平臺(tái)和水平面間產(chǎn)生的角度傳給轉(zhuǎn)換器，經(jīng)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換處理為電磁信號(hào)后輸送給驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路再將信號(hào)傳送給電磁換向閥，使換向閥閥芯產(chǎn)生相應(yīng)位移，繼而調(diào)平油缸伸縮直到司機(jī)室平臺(tái)產(chǎn)生與原傾斜方向相反大小相同的角度轉(zhuǎn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)司機(jī)室的調(diào)平。簡(jiǎn)化圖如圖4所示。

圖4 自動(dòng)調(diào)平液壓控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化圖

為了便于對(duì)自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)進(jìn)行深入分析，首先需要建立該系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，具體如下所示。

3.1 調(diào)平機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)建模

其中L1為平臺(tái)一與鉸鏈之間的長(zhǎng)度，為定值，L1=1 870 mm;L2為調(diào)平油缸長(zhǎng)度，為變量值，且在水平狀態(tài)下L2=1 668 mm;L3為調(diào)平油缸支座的長(zhǎng)度;L4為斜撐的長(zhǎng)度;由于L3和L4是固定的，故可等效為基架L5。由圖5 得:

圖5 調(diào)平機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化圖

設(shè)平臺(tái)一與水平面所成角度為α:

代入數(shù)據(jù)，得:

公式(1)即為調(diào)平油缸長(zhǎng)度L3和司機(jī)室平臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度α 的關(guān)系式。它提供了司機(jī)室平臺(tái)轉(zhuǎn)角與調(diào)平油缸伸縮量關(guān)系的理論基礎(chǔ)。

3.2 調(diào)平液壓系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模

由于調(diào)平油缸為單活塞桿不對(duì)稱缸，閥為對(duì)稱的四通閥。如圖6所示，由于活塞兩腔面積不等，故流量是不連續(xù)的。流量方程與活塞運(yùn)動(dòng)的方向有關(guān)，此處只分析活塞向右運(yùn)動(dòng)的情況(即Xv＞0)。

圖6 非對(duì)稱缸物理模型

閥的流量方程為

缸的流量連續(xù)性方程為

活塞運(yùn)動(dòng)方程為

其中:A1，A2為無(wú)桿腔、有桿腔工作面積(m2);V1，V2為無(wú)桿腔、有桿腔容積(m3);p1，p2為無(wú)桿腔、有桿腔工作壓力(MPa);F1為總負(fù)載(N);Q1～Q4為通過(guò)閥口1 ～4 的流量(m3/s);Cd為控制窗口處的流量系數(shù);ρ 為油液密度(kg/m3);W 為滑閥的面積梯度(開(kāi)口周邊總長(zhǎng))(m);FL為外負(fù)載力(N);FC為摩擦力(N);βe 為有效體積彈性模量(N/m2)。

以上閥的流量方程、缸的流量連續(xù)性方程、活塞運(yùn)動(dòng)方程為司機(jī)室調(diào)平液壓系統(tǒng)提供了理論基礎(chǔ)。

4 司機(jī)室手動(dòng)調(diào)平控制液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真分析

AMESim 是IMAGINE 公司推出的基于功率鍵合圖的機(jī)電液仿真分析軟件，以其強(qiáng)大的仿真和分析能力在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，尤其在液壓基本元件建模方面表現(xiàn)出色。它是一個(gè)方便、高效、直觀的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真分析工具，用其進(jìn)行仿真分析避免了繁瑣的公式推導(dǎo)。

4.1 司機(jī)室手動(dòng)調(diào)平液壓系統(tǒng)AMESim 建模及參數(shù)設(shè)定

根據(jù)圖2 的原系統(tǒng)液壓圖及圖3 的改進(jìn)系統(tǒng)液壓圖，分別在AMESim 中建立仿真模型。

圖7 原液壓系統(tǒng)模型

圖8 液壓系統(tǒng)改進(jìn)模型

根據(jù)排土機(jī)實(shí)際參數(shù)對(duì)模型參數(shù)賦值。模型主要參數(shù)設(shè)定值如表1所示。

表1 模型主要參數(shù)

由圖1，易知司機(jī)室調(diào)平油缸在0°時(shí)受力最大為1 000 N，在此處為方便研究把油缸受力設(shè)為恒定值1 000 N。由于比較的是這兩種模型換向時(shí)對(duì)油缸沖擊及泄漏量大小，故換向閥給定信號(hào)如圖9所示。

4.2 司機(jī)室手動(dòng)調(diào)平液壓系統(tǒng)仿真分析

根據(jù)初始參數(shù)，對(duì)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，設(shè)定仿真時(shí)間為5 s，步長(zhǎng)為0.001 s。分別得到兩種模型調(diào)平油缸的無(wú)桿腔受力曲線和泄漏量曲線。

由圖10(a)可得從初始時(shí)刻到達(dá)穩(wěn)定值歷時(shí)約0.3 s，在t=3 s 換向閥換向時(shí)，到t=4.2 s 才趨于穩(wěn)定值，且波動(dòng)較大。由圖11 易知改進(jìn)液壓系統(tǒng)經(jīng)過(guò)不到0.2 s 便趨于穩(wěn)定值，換向閥換向時(shí)，在t=3.6 s趨于穩(wěn)定，波動(dòng)較小。比較圖10(b)和圖11(b)可知:原液壓系統(tǒng)泄漏量及波動(dòng)較大，且經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間才能趨于穩(wěn)定。利用AMESim 驗(yàn)證了單向閥和Y型換向閥配合使用比O 型換向閥要穩(wěn)定，調(diào)平油缸受到的沖擊較小，泄漏量較小。

圖9 換向閥輸出信號(hào)

圖10 原液壓系統(tǒng)仿真圖

圖11 改進(jìn)液壓系統(tǒng)仿真圖

5 司機(jī)室自動(dòng)調(diào)平控制液壓系統(tǒng)仿真

5.1 司機(jī)室自動(dòng)調(diào)平液壓系統(tǒng)AMESim 建模及參數(shù)設(shè)定

由于調(diào)平油缸偏轉(zhuǎn)角α 范圍為［－ 12°，8°］，任意選取α 為5°進(jìn)行分析。將其代入式(1)，得L2=1 830 mm。故油缸伸長(zhǎng)量ΔL =1 830－1 668 =162 mm。故設(shè)置參數(shù)除了換向閥控制信號(hào)及放大器K之外，別的都與液壓系統(tǒng)改進(jìn)參數(shù)一致。將換向閥控制信號(hào)設(shè)定為－0.162，K 設(shè)定為100。

圖12 自動(dòng)調(diào)平液壓系統(tǒng)模型圖

5.2 司機(jī)室自動(dòng)調(diào)平液壓系統(tǒng)仿真分析

設(shè)置總仿真時(shí)間為10 s，仿真步長(zhǎng)為0.001 s。仿真結(jié)果如圖13所示。

圖13 自動(dòng)調(diào)平液壓系統(tǒng)仿真圖

由圖13 可知:調(diào)平油缸伸出量基本上接近預(yù)定位移0.162 m，在自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程中雖有波動(dòng)，但經(jīng)過(guò)一定時(shí)間調(diào)節(jié)后基本穩(wěn)定，證明了建立的自動(dòng)調(diào)平液壓系統(tǒng)模型圖正確性及該系統(tǒng)的可行性。

6 總結(jié)

通過(guò)分析排土機(jī)司機(jī)室調(diào)平機(jī)構(gòu)調(diào)平機(jī)制，分析了原司機(jī)室調(diào)平液壓系統(tǒng)缺陷，并提出改進(jìn);在改進(jìn)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，提出了司機(jī)室自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)，并運(yùn)用AMESim 對(duì)3 個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了分析驗(yàn)證。通過(guò)文中分析，得到結(jié)論:

(1)通過(guò)AMESim 軟件驗(yàn)證了改進(jìn)司機(jī)室調(diào)平液壓系統(tǒng)Y 型電磁換向閥和雙向液壓鎖比原系統(tǒng)O型電磁換向閥優(yōu)異，改進(jìn)系統(tǒng)較穩(wěn)定，泄漏量較小。

(2)在改進(jìn)系統(tǒng)基礎(chǔ)上提出了司機(jī)室自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)，提高了精度，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。通過(guò)AMESim 軟件仿真分析得出仿真結(jié)果圖，驗(yàn)證該自動(dòng)調(diào)平液壓系統(tǒng)正確性。

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