排土機(jī)俯仰液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真

張玉姝

（太原重工技術(shù)中心，山西 太原 030024）

排土機(jī)是大型露天礦半連續(xù)開采成套設(shè)備的一個(gè)重要組成部分，用來滿足大型露天礦剝離系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力的要求。排土機(jī)主要由帶履帶的下部行走機(jī)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、帶式輸送機(jī)、可變幅卸料臂和受料臂、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)等組成。其中，俯仰液壓系統(tǒng)主要是依靠安裝在卸料臂柱桿和塔架之間的俯仰液壓缸的動(dòng)作，完成卸料臂的下落、舉升以及行程范圍內(nèi)的位置保持功能。

1 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)俯仰液壓系統(tǒng)的功能要求，需要依靠俯仰液壓缸的拉力完成舉升功能、推力完成下落功能、Y型中位機(jī)能四通換向閥和液控單向閥聯(lián)合控制完成位置保持功能，同時(shí)采用單向節(jié)流閥控制卸料臂的速度。根據(jù)以上分析，加入電機(jī)、柱塞泵、安全閥、壓力表、加熱器、油溫傳感器、液位傳感器和回油堵塞報(bào)警等基本元件，擬訂的排土機(jī)俯仰液壓系統(tǒng)原理圖見圖1。

1.1 卸料臂舉升功能

卸料臂舉升時(shí)電液換向閥14換向至左位，高壓油由電動(dòng)泵從油箱中抽取出來后，通過液控單向閥13、單向節(jié)流閥12、液控單向閥9流入俯仰液壓缸有桿腔，液壓缸無(wú)桿腔通過回油過濾器回油，活塞桿在高壓油作用下縮回，帶動(dòng)卸料臂舉升。單向節(jié)流閥12用于調(diào)節(jié)液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度，電磁溢流閥17用于調(diào)定泵出口壓力，安全閥11用于過載保護(hù)。油溫傳感器1和液位傳感器5監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的油溫和液位，超出正常范圍后報(bào)警。壓力開關(guān)16和壓力表15用于監(jiān)測(cè)泵出口壓力。

圖1 排土機(jī)俯仰液壓系統(tǒng)原理圖

1.2 卸料臂位置保持功能

當(dāng)需要卸料臂停在行程范圍內(nèi)其他位置時(shí)，電液換向閥14換向至中位，切斷俯仰液壓缸的進(jìn)油和出油通道，液控單向閥在低壓油的作用下關(guān)閉，使兩腔油液無(wú)法回流，避免閥的泄漏造成液壓缸的位置竄動(dòng)，使卸料臂可以長(zhǎng)期保持在一個(gè)空間位置上[1]。

1.3 卸料臂下落功能

卸料臂下落時(shí)電液換向閥14換向至右位，高壓油流入液壓缸無(wú)桿腔，有桿腔回油，活塞桿伸出，使卸料臂下落。單向節(jié)流閥12用于調(diào)節(jié)液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度。

2 仿真和結(jié)果分析

為了檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)俯仰系統(tǒng)的控制效果，使用ITISimulationX軟件對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真分析。SimulationX是多學(xué)科領(lǐng)域建模、仿真和分析的通用CAE工具[2]，原理圖圖1中大部分元件可以在SimulationX的庫(kù)中直接調(diào)用，需要自行建模的只有Y型中位機(jī)能三位四通電液換向閥。根據(jù)SimulationX軟件幫助對(duì)O型中位機(jī)能四通換向閥建模的介紹，分析Y型中位機(jī)能與O型中位機(jī)能的聯(lián)系與差別，建立Y型中位機(jī)能四通換向閥模型見圖2。圖2中C1、 C2代表信號(hào)單元，其輸出為電液換向閥兩側(cè)液壓控制信號(hào)。V1、 V2、 VA、 VB、 VP、 VT代表各個(gè)閥口處可壓縮油液的容積，A1、 A2代表?yè)Q向閥閥芯兩側(cè)的油腔，m代表?yè)Q向閥閥芯質(zhì)量，s1、 s2代表?yè)Q向閥閥芯兩側(cè)彈簧，R1、 R2代 表閥殼體兩側(cè)。FAT、 FPA等代表二通比例閥邊，當(dāng)C1有控制壓力時(shí)，P與B、T與A之間相通，P與A、T與B之間不相通，C2有控制壓力時(shí)，P與A、T與B之間相通，P與B、T與A之間不相通。與O型中位機(jī)能相比，模型中添加FmTA、 FmPA、 FmTB、 FmPB4個(gè)閥邊，閥邊的控制條件為abs（（C1，y）-（C2，y）），用于表達(dá)Y型中位機(jī)能換向閥中位時(shí)P封閉，A、B、T互通的狀態(tài)。

圖2 Y型四通換向閥SimulationX模型

圖3 Y型四通換向閥封裝模型

使用軟件的TypeDesigner功能對(duì)建立的Y型中位機(jī)能四通換向閥進(jìn)行封裝，選擇容積VP、 VT和 信號(hào)C1、C2的端口作為模型的輸入口，容積VA、 VB的端口作為模型的輸出口。封裝后的模型見圖3。利用封裝的Y型四通換向閥模型和SimulationX的液壓和控制庫(kù)，建立俯仰液壓系統(tǒng)的仿真模型見圖4。其中，為了減少仿真的計(jì)算量，對(duì)模型進(jìn)行了部分簡(jiǎn)化。根據(jù)液壓缸的需求拉力計(jì)算系統(tǒng)的流量和元件的通徑等參數(shù)，設(shè)定模型中各個(gè)元件的參數(shù)，給定電液換向閥兩側(cè)控制信號(hào)，仿真結(jié)束后得到液壓缸活塞桿位移曲線和兩腔壓力曲線見下頁(yè)圖5～圖8。從圖5~圖8可以看到，當(dāng)電液換向閥左側(cè)給定信號(hào)時(shí)，活塞桿縮回，右側(cè)給定信號(hào)時(shí)，活塞桿伸出，在動(dòng)作過程中停止給定時(shí)，活塞桿維持在當(dāng)前位置始終不變，高壓側(cè)壓力逐漸下降至與低壓側(cè)相同，即完成了位置保持功能。

圖4 俯仰液壓系統(tǒng)仿真模型

3 結(jié)語(yǔ)

通過建模仿真分析，所設(shè)計(jì)的排土機(jī)俯仰液壓系統(tǒng)，可以很好地完成卸料臂舉升、位置保持和下降的功能。各動(dòng)作能夠在要求時(shí)間內(nèi)平穩(wěn)完成，驗(yàn)證了參數(shù)的合理性。建立的ITI-SimulationX系統(tǒng)仿真模型，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的主要功能仿真，為系統(tǒng)的參數(shù)選擇、運(yùn)行調(diào)試等提供了理論支持，降低了設(shè)計(jì)的差錯(cuò)率。

圖5 卸料臂舉升時(shí)信號(hào)及活塞桿位移

圖6 卸料臂位置保持時(shí)信號(hào)及活塞桿位移

圖7 卸料臂位置保持時(shí)兩腔壓力

圖8 卸料臂下落時(shí)信號(hào)及活塞桿位移

[1] 許福玲，陳堯明.液壓與氣壓傳動(dòng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[2] 劉艷芳.Simulation X精解與實(shí)例[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.