基于虛擬樣機(jī)的6m3地下鏟運(yùn)機(jī)工況研究

苑 昆，柳言序，崔 金，任樂(lè)超(.北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，北京 0008；2.北京安期生技術(shù)有限公司，北京 0008；.安徽開(kāi)發(fā)礦業(yè)有限公司，安徽 霍邱 27462)

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基于虛擬樣機(jī)的6m3地下鏟運(yùn)機(jī)工況研究

苑 昆1，2，柳言序1，崔 金3，任樂(lè)超3
(1.北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，北京 100083；2.北京安期生技術(shù)有限公司，北京 100083；3.安徽開(kāi)發(fā)礦業(yè)有限公司，安徽 霍邱 237462)

工況分析是車(chē)輛總體設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，運(yùn)用ADAMS和 Automation studio軟件建立鏟運(yùn)機(jī)虛擬樣機(jī)模型并進(jìn)行仿真，得到了以功率為特征變量的鏟運(yùn)機(jī)循環(huán)工況。通過(guò)分析可知，6m3地下鏟運(yùn)機(jī)峰值功率248.6kW，占總時(shí)間的13.7%，循環(huán)工況的平均功率僅為峰值功率33%。研究結(jié)果為動(dòng)力系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

虛擬樣機(jī)；循環(huán)工況；地下鏟運(yùn)機(jī)；仿真

工況分析在整車(chē)設(shè)計(jì)中是部件選型、參數(shù)匹配、控制策略設(shè)計(jì)的重要依據(jù)[1-3]。循環(huán)工況分析指被分析設(shè)備工作在一個(gè)循環(huán)往復(fù)狀態(tài)中，對(duì)一個(gè)工作循環(huán)的分析可以代表設(shè)備絕大部分的工作運(yùn)行狀態(tài)。虛擬樣機(jī)是用來(lái)代替物理產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)數(shù)字模型，運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)可在物理樣機(jī)實(shí)現(xiàn)之前，通過(guò)仿真，對(duì)產(chǎn)品功能、性能、等進(jìn)行預(yù)測(cè)、評(píng)估和優(yōu)化[4-5]。

整車(chē)循環(huán)工況主要用于新車(chē)型的技術(shù)開(kāi)發(fā)和評(píng)估。行駛循環(huán)工況對(duì)于汽車(chē)表示為車(chē)速隨時(shí)間的變化規(guī)律，通常可通過(guò)隨車(chē)采集、代表工況統(tǒng)計(jì)、特征參數(shù)生成等方法得到，且很多國(guó)家以標(biāo)準(zhǔn)形式提出了不同車(chē)型在不同條件下的標(biāo)準(zhǔn)工況。但對(duì)于全新的6m3級(jí)地下鏟運(yùn)機(jī)，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)初期設(shè)計(jì)階段，無(wú)法獲得實(shí)車(chē)采集數(shù)據(jù)、也缺乏相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)用以建立定量化的循環(huán)工況。根據(jù)總體設(shè)計(jì)及動(dòng)力系統(tǒng)匹配需要，本文提出了一種基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的鏟運(yùn)機(jī)循環(huán)工況構(gòu)建方法。

1 鏟運(yùn)機(jī)典型行駛工況

鏟運(yùn)機(jī)在井下巷道內(nèi)往返行駛，通過(guò)鏟裝、運(yùn)輸、卸載等過(guò)程完成礦石的搬運(yùn)的工作。根據(jù)運(yùn)行特點(diǎn)，將其典型工作過(guò)程劃分為以下幾特征階段：①空載轉(zhuǎn)向，前進(jìn)放斗；②插入料堆及聯(lián)合鏟裝；③后退轉(zhuǎn)向；④滿載運(yùn)輸，前行舉臂，卸料，收斗；⑤后退落臂，空載返回。

整個(gè)過(guò)程中車(chē)輛行駛主要是由傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)控制的，變量為轉(zhuǎn)速和扭矩；鏟斗工作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)及轉(zhuǎn)向功能是由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)控制的，變量為流量和壓力。這兩個(gè)系統(tǒng)工作時(shí)相對(duì)獨(dú)立，但又同時(shí)從動(dòng)力源提取能量，需要相互協(xié)調(diào)。因此從實(shí)現(xiàn)兩個(gè)系統(tǒng)特征變量統(tǒng)一的角度出發(fā)，將功率作為變量表述系統(tǒng)的工作特征。

鏟運(yùn)機(jī)在井下工作時(shí)，最高運(yùn)輸車(chē)速通常為5～8km/h，鏟裝時(shí)車(chē)速不會(huì)超過(guò)1km/h。以運(yùn)輸車(chē)速6km/h，鏟裝時(shí)平均車(chē)速0.5km/h為設(shè)計(jì)目標(biāo)。

6m3鏟運(yùn)機(jī)自重35t，載重14t。在考慮各車(chē)輛滾動(dòng)阻力、加速阻力、鏟裝阻力后，可將速度特征進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成功率特征，進(jìn)而建立運(yùn)距為100m的鏟運(yùn)機(jī)行駛循環(huán)工況，見(jiàn)圖1。

行駛時(shí)在各段加速過(guò)程中，傳動(dòng)系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)153kW的最大功率需求，這是由于鏟運(yùn)機(jī)起步加速阻力與車(chē)速提高后的共同結(jié)果，進(jìn)入高速勻速行駛后車(chē)輛僅需克服地面滾動(dòng)阻力，所需功率較小。

2 液壓系統(tǒng)工況仿真

2.1 工作機(jī)構(gòu)建模及動(dòng)力學(xué)仿真

地下鏟運(yùn)機(jī)的工作機(jī)構(gòu)是由鏟斗、大臂、連桿、搖臂、舉升油缸、傾翻油缸、車(chē)架等部件構(gòu)成的多連桿系統(tǒng)。將6m3鏟運(yùn)機(jī)樣機(jī)三維模型導(dǎo)入多體動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS中，獲得工作裝置、車(chē)架多體系統(tǒng)模型。

圖1 鏟運(yùn)機(jī)行駛動(dòng)力需求

根據(jù)工作機(jī)構(gòu)中各部件之間的連接關(guān)系，對(duì)所有鉸接點(diǎn)添加旋轉(zhuǎn)約束，油缸和活塞添加平移滑動(dòng)約束，機(jī)架為固定約束。鏟運(yùn)機(jī)在鏟斗插入料堆，鏟取物料和舉升鏟斗的過(guò)程中，要克服鏟斗切削物料的阻力、物料和鏟斗之間的摩擦力、物料自身的重力、以及裝置結(jié)構(gòu)部件自身的重力。在ADAMS

動(dòng)力學(xué)分析中將其簡(jiǎn)化成三種外力集中載荷來(lái)施加[6，7]，這里不考慮偏載工況，因此把作用點(diǎn)選在鏟斗中心對(duì)稱(chēng)面上，見(jiàn)圖2。

圖2 工作機(jī)構(gòu)受力

1)作用于鏟刃上的水平阻力Fin，kN，其最大值受限于地面附著力Rmax，kN，見(jiàn)式(1)。

Fin=[0，Rmax];Rmax=(Z1+Z2)·φ

(1)

式中：Z1，Z2—分別為整車(chē)空載重力和物料重力，kN；φ—地面附著系數(shù)。

2)作用于鏟刃后面的垂直掘起阻力Fsh，kN，見(jiàn)式(2)。

Fsh=M0/X

(2)

式中：M0為鏟斗開(kāi)始鏟取時(shí)的靜阻力矩計(jì)算見(jiàn)式(3)；X為作用點(diǎn)與鏟斗回轉(zhuǎn)中心的水平距離。

(3)

式中：Fin0為開(kāi)始轉(zhuǎn)斗時(shí)的插入阻力；Y為地面與鏟斗回轉(zhuǎn)中心的垂直距離；Lc為鏟斗的插入深度。

3)作用于鏟斗重心位置的物料重力Fg，kN。

鏟運(yùn)機(jī)在工作過(guò)程中，其機(jī)構(gòu)動(dòng)作是依靠油缸驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，可由式(4)計(jì)算所需時(shí)間。

(4)

式中：A為油缸進(jìn)油腔面積，cm2；L為油缸行程，cm；n為油缸數(shù)量；ηV為油缸容積效率；Q為油泵流量，L/min。

通過(guò)對(duì)ADAMS中的虛擬樣機(jī)施加載荷及運(yùn)動(dòng)條件，并進(jìn)行作業(yè)過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)仿真，可得到循環(huán)工況下油缸動(dòng)作所需液壓力變化特性。見(jiàn)表1，其中圖3為仿真得到的工作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)各階段油缸動(dòng)作行程與油缸受力之間的關(guān)系。

表1 工作過(guò)程中各油缸受力

圖3 各工況下油缸活塞受液壓力

2.2 液壓系統(tǒng)仿真及功率需求

在6m3地下鏟運(yùn)機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，采用Automation studio軟件進(jìn)行建模及仿真分析工作，液壓系統(tǒng)模型見(jiàn)圖4。

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)向器、流量放大器、轉(zhuǎn)向油缸等，由轉(zhuǎn)向泵供油。工作系統(tǒng)包括多路換向閥、舉升油缸、傾翻油缸等，當(dāng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作時(shí)由工作泵供油；當(dāng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不工作時(shí)兩系統(tǒng)合流，轉(zhuǎn)向泵和工作泵一起向工作系統(tǒng)供油。

將各油缸的受力情況導(dǎo)入虛擬樣機(jī)液壓系統(tǒng)模型[8]，并通過(guò)仿真得到工作時(shí)液壓系統(tǒng)的功率需求。其中，工作和傾翻缸活塞受力可參見(jiàn)上節(jié)，轉(zhuǎn)向油缸活塞受力情況可由轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)力與阻力矩平衡原理，通過(guò)機(jī)構(gòu)幾何關(guān)系由圖解法得到。根據(jù)鏟運(yùn)機(jī)轉(zhuǎn)向工況設(shè)計(jì)，全轉(zhuǎn)向時(shí)間從右轉(zhuǎn)向左不超過(guò)6s，前機(jī)架開(kāi)始轉(zhuǎn)入巷道的時(shí)間為3s，后機(jī)架回正的時(shí)間為3s。

在整個(gè)循環(huán)工況中，液壓系統(tǒng)動(dòng)作是階段進(jìn)行的，通過(guò)仿真得到循環(huán)工況下工作和轉(zhuǎn)向泵的功率需求，處理時(shí)采用分特征段進(jìn)行仿真，再將結(jié)果統(tǒng)一到循環(huán)的時(shí)間軸上的方法得到液壓系統(tǒng)的功率需求，見(jiàn)圖5。

圖4 虛擬樣機(jī)工作與轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)模型

圖5 液壓系統(tǒng)功率需求

在0～6s，36.5～42.5s，鏟運(yùn)機(jī)行駛的同時(shí)伴有轉(zhuǎn)向動(dòng)作，轉(zhuǎn)向阻力作用于動(dòng)力系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向油泵從動(dòng)力源分得的功率增加，此時(shí)液壓系統(tǒng)功率需求達(dá)到44.6kW。在6～31.5s，進(jìn)入聯(lián)合鏟裝階段，鏟刃切削料堆產(chǎn)生阻力，轉(zhuǎn)向泵與工作泵合流工作，系統(tǒng)最大功率需求達(dá)到169.6kW。在90～97s，鏟斗滿載舉升，液壓系統(tǒng)克服工作機(jī)構(gòu)及物料重量做做功，系統(tǒng)最大功率需求達(dá)到110.5kW。

3 鏟運(yùn)機(jī)循環(huán)工況分析

將得到的液壓與行駛功率需求疊加，就可得到圖6所示的以功率特性表示的6m3鏟運(yùn)機(jī)的循環(huán)工況。

圖6 鏟運(yùn)機(jī)循環(huán)工況

一個(gè)完整的循環(huán)周期為144s，其中有6個(gè)較為明顯的峰值功率需求。在聯(lián)合鏟裝時(shí)，由于驅(qū)動(dòng)鏟裝的液壓系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)行駛的傳動(dòng)系統(tǒng)同時(shí)有較高的功率需求，為滿足整車(chē)正常工作，此時(shí)動(dòng)力源需要提供峰值為248.6kW的功率輸出，這一階段占循環(huán)周期時(shí)間的13.7%。在加速時(shí)傳動(dòng)系統(tǒng)有較大功率需求，卸料時(shí)液壓系統(tǒng)有較大功率需求，但在時(shí)間上是依次出現(xiàn)的，基本沒(méi)有疊加，從圖中表現(xiàn)為5個(gè)尖峰載荷。在其余78%的時(shí)間內(nèi)整車(chē)的功率需求較小，動(dòng)力源處于低負(fù)荷輸出狀態(tài)。整個(gè)循環(huán)工況的平均功率僅為峰值功率33%，約為81.1kW。

由此可知鏟運(yùn)機(jī)在工作時(shí)具有高頻率循環(huán)、短時(shí)大功率輸出的特點(diǎn)，在動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)既要滿足瞬時(shí)峰值功率輸出的動(dòng)力性要求，又要考慮整體功率輸出時(shí)的經(jīng)濟(jì)性需求。

4 結(jié) 論

針對(duì)地下鏟運(yùn)機(jī)多系統(tǒng)、多種能量傳遞的特點(diǎn)，提出以功率為變量表述系統(tǒng)工作特性。于設(shè)計(jì)階段通過(guò)理論計(jì)算得到鏟運(yùn)機(jī)行駛功率需求，運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)建立工作機(jī)構(gòu)及液壓系統(tǒng)模型，通過(guò)仿真得到液壓功率需求，進(jìn)而構(gòu)建了6m3鏟運(yùn)機(jī)循環(huán)工況。研究結(jié)果為整車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)選擇及主要部件的性能匹配設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。

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Research into duty cycle of 6m3LHD based on virtual prototype

YUAN Kun1，2，LIU Yan-xu1，CUI-Jin3，REN Le-chao3

( 1.School of Mechanical Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China；2.Anchises Technologies Co.，Ltd.，Beijing 100083，China；3.Anhui Development Mining Co.，Ltd.，Huoqiu 237462，China)

Duty cycle analysis is important for the overall design of the vehicle.The software ADAMS and Automation studio were applied to build model of LHD on virtual prototype.A duty cycle of 6m3LHD in power variable description is generated by simulation.Analysis result show that，6m3LHD peak power is 248.6kW accounting for 13.7% of the total time，and average power is only 33% of the peak power.The results of the study provide the basis for the subsequent design of power train system.

virtual prototype;duty cycle;LHD;simulation

2015-02-05

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目資助(編號(hào)：2013BAB02B07)；北京市科技計(jì)劃項(xiàng)目資助(編號(hào)：Z121100003012016)

苑昆(1984-)，男，博士生，研究方向?yàn)檐?chē)輛總體設(shè)計(jì)及動(dòng)力傳動(dòng)技術(shù)。E-mail:yuankun1984luck@163.com。

TD422.4

A

1004-4051(2015)11-0170-04