礦用小型全液壓裝載機復合工況特性分析

李明，張翼飛

(西安科技大學機械工程學院，陜西西安710054)

小型礦用全液壓防爆裝載機是集成了機械、液壓和防爆技術的小型復雜機械系統［1］，主要適用于狹窄的井下通道以及相對低矮的采掘環境，尤其適用于中小型煤礦、小型礦山的開采，在我國對煤礦資源需求愈發旺盛的背景下，開發性能穩定適用于井下工作的小型裝載機已經成為迫切需要。

1 在PRO/E中建立裝載機的三維實體模型后導入ADAMS中施加約束

裝載機工作裝置由鏟斗、連桿、動臂、搖臂、車架、轉斗活塞桿、轉斗油缸缸筒、舉升活塞桿、舉升油缸缸筒等構件組成，在PRO/E中將其裝配好后導入ADAMS中，施加具體的約束。圖1為裝載機工作機構約束拓撲圖，ZLY06裝載機各工作部件之間主要采用銷軸進行連接，因此工作機構之間的連接均以低副形式存在，對該裝載機施加約束時應結合ADAMS與AMESim聯合仿真時的特殊要求，采用移動副、旋轉副、球副、圓柱副、固定副。

圖1 裝載機整機約束拓撲圖

在圖1中，A、B、C、E、F、G分別表示轉動副、球副、圓柱副、移動副、固定副、無約束狀態;1、2、3、4、5、6、7分別表示了動臂、舉升油缸活塞桿、舉升油缸、轉斗油缸活塞桿、轉斗油缸、連桿、搖臂;由于該裝載機工作機構關于轉斗油缸中心平面對稱，因此在約束設置時產生相應的虛約束，圖中給出了無約束鉸接點的位置，通過ADAMS進行驗證，該裝載機的整機約束中無冗余約束，約束添加正確，最終在ADAMS環境下建立的ZLY06虛擬樣機模型如圖2所示。

圖2 裝載機在ADAMS中的虛擬樣機模型

2 ZLY06裝載機液壓系統介紹

該裝載機的行走、轉向以及鏟掘動作全部依靠裝載機的液壓系統去實現。液壓圖如圖3所示。

圖3 LY06裝載機液壓系統原理圖

根據該裝載機的液壓圖，在AMESim草圖模式中對該液壓系統進行物理建模。由于文中所研究的主要內容是裝載機的工作機構及行走機構﹑液壓系統與外負載之間的關系，因此分流閥和轉向系統不屬于仿真的主要范疇，在最終的聯合仿真模型中予以省略。按照ZLY06裝載機最初的設計意圖，利用比例分流閥將液壓泵產生的總流量的5%提供給裝載機的轉向系統，以保證該裝載機能夠正常地轉向。因此在對裝載機AMESim模型中液壓泵參數進行設置時應為實際液壓泵流量的95%，其余液壓軟件的參數均保持原來不變，將裝載機的轉向部分的液壓系統從整體模型中分離出來，這樣便可以大大減少了仿真時模型的復雜程度，最終裝載機液壓系統在AMESim中的模型如圖4所示。

圖4 ZLY06裝載機行走機構以及工作機構模型

3 ZLY06裝載機聯合仿真模型的建立

AMESim與ADAMS的聯合仿真，實質上是將復雜的機械系統的運動學、動力學模型與液壓系統模型通過它們之間所建立的數據接口有機地串連在一起。在仿真過程中，通過兩者的接口將仿真所產生的數據互相交換，這樣便可以有效地實現對整個機械系統的動態過程分析，真實地模擬裝載機的實際工作情況，根據交互分析產生的結果來評價設備的性能，使得仿真的整個過程更加接近真實的情況。在這個過程中，AMESim為主控軟件，ADAMS向AMESim中輸入力和位移，AMESim輸出力、輪胎扭矩及輪胎加速度，邊插入邊鏟斗的聯合仿真模型如圖5所示。

圖5 ZLY06裝載機行走機構以及工作機構聯合仿真模型

4 邊插入邊轉斗工況特性分析

裝載機邊插入邊鏟斗綜合了兩個工況，此時控制液壓馬達的換向閥與控制轉斗油缸的換向閥同時開啟完成該復合工況。裝載機主要克服路面對輪胎的阻力、物料對裝載機的插入阻力、物料對鏟斗的剪切阻力以及物料對鏟斗的翻轉力矩。

當裝載機執行插入動作時，料堆所產生的阻力通過鏟斗作用于裝載機的車身，在插入過程中裝載機的插入阻力隨著鏟斗插入深度的增加而增加，插入阻力作用于距離鏟斗斗齒中心處，且距離中心齒外延約100 mm處［2］。文中利用STEP函數模擬插入阻力，具體如式 (1)所示:

式中:DX()為ADAMS中的測量X軸的位移函數;

MAKER_105表示插入阻力作用于鏟斗斗尖處的作用點;

0～500 mm表示鏟斗的插入料堆的距離。

該式可以描述為當鏟斗斗尖的插入距離為0～125 mm時插入阻力增至9 500 N;插入距離為125～375 mm時，插入阻力穩定在最大值;當插入距離大于375 mm時，插入阻力下降。

鏟起阻力通過查閱文獻 ［2］得其大小為8 532 N，作用于距離鏟斗斗齒中心處，且距離中心齒外延約100 mm。具體如式 (2):

轉斗過程中還受到鏟斗翻轉所產生的阻力矩作用，當裝載機準備執行收斗動作，此時裝入鏟斗內的物料的接觸面積與斗底最大，隨著收斗動作的完成，鏟斗的翻轉阻力矩也逐漸減小，最后離開料堆時候為0［3］，最大翻轉力矩的計算公式由文獻 ［4］查得，如式 (3)所示:

式中:Fx為轉斗動作開始時候的插入阻力;

x為鏟斗的轉動軸與鏟斗斗刃的距離，mm;

lp為鏟斗的鏟掘深度。

計算得到鏟斗的最大翻轉力矩為12 000 N·m，最大翻轉力矩作用于鏟斗旋轉軸，函數模擬為:

5 結論

裝載機所采用的液壓油為46#高磨抗壓油，當溫度為40℃時，其密度為880 kg/m3，油液運動黏度為50 mm2/s，體積模量為1 700 MPa;舉升油缸活塞直徑×活塞桿直徑 ×行程為 φ63 mm×φ45 mm×750 mm;轉斗油缸活塞直徑×活塞桿直徑×行程為 φ63 mm×φ45 mm×750 mm;液壓泵工作排量32 mL/r×95%，額定轉速為2 200 r/min;液壓馬達工作排量45 mL/r，額定壓力10 MPa，額定轉速為1 800 r/min;液壓系統溢流閥卸荷壓力為15 MPa;換向閥額定流量為100 L/min，壓降為1 MPa;液壓油管直徑φ18 mm，厚度為2.5 mm。

仿真時間取1.2 s，ADAMS步長取0.1，AMESim仿真步長取0.01，發動機轉速1 200 r/min，液壓系統工作裝置各參數特性曲線如圖6所示。

圖6 液壓系統工作裝置各參數特性曲線

由仿真結果可知，當裝載機在液壓馬達輸出到輪胎的扭矩作用下開始插入料堆，此時輪胎角速度逐漸增大到約為3 rad/s，如圖6(b)所示，裝載機開始正常插入料堆;在插入料堆一段距離后，裝載機的鏟掘阻力以及翻轉阻力矩逐漸增大，在剛開始時，由于鏟掘阻力的作用，如圖6(d)所示，轉斗活塞速度為負表面活塞被拉出，圖6(e)表示活塞被拉出約10 mm，如圖6(f)所示，力的大小約為7 800 N，之后裝載機轉斗活塞在插入阻力和鏟掘阻力的作用下受到的合力逐漸增加，如圖6(f)中曲線2所示，而由于轉斗油缸有桿腔與無桿腔的壓差一直穩定在0.04 MPa左右，由有桿腔和無桿腔產生的驅動力曲線為圖6(f)中曲線1所示，驅動力大小約為4 000 N，無法克服轉斗活塞所受到的外負載力，因此轉斗活塞速度一直在波動。從圖6的仿真結果可以看出:當該裝載機在執行邊插入邊轉斗工況時由于外負載力一直在增大，而油缸有桿腔和無桿腔的壓力卻維持在恒定值，因此該裝載機發動機在1 200 r/min時，駕駛員必須將外負載力控制在6 000 N以下，而執行此工況時該裝載機表現為驅動力不足，與實際情況相符。

【1】田滿洲．礦用小型防爆全液壓裝載機工作特性研究［D］．西安:西安科技大學，2007．

【2】柴光遠，李明，趙真，等．基于ADAMS對稱載荷工況下礦用全液壓裝載機的動力學分析［J］．煤礦機械，2013，34(3):103－105．

【3】王凱．50型輪式裝載機液壓系統工作特性與能耗分析［D］．吉林:吉林大學，2011．

【4】楊國平．現代工程機械技術［M］．北京:機械工業出版社，2003．