排土機俯仰液壓系統的改進及仿真優化

肖艷軍，付景海，王亞旭，關玉明

(河北工業大學機械學院，天津300130)

排土機是一種大型高效的物料運輸設備。我國現在正處于工業化時期，重工業發展迅速，煤炭等固體能源和固體礦物資源的需求量在不斷擴大，排土機作為大型物料運輸機械受到越來越廣泛的應用。排土機主要由履帶行走機構、受料臂、配重臂、俯仰機構、排料臂等部分組成，見圖1。

圖1 排土機組成

其中俯仰機構承受排料臂的重力，并通過俯仰液壓缸的伸縮實現排料臂的俯仰和物料的分層堆積。故對俯仰機構進行分析至關重要。排土機俯仰機構分為上部鋼絲繩起吊和下部液壓缸支撐兩種形式。為了保證受力平衡，下部液壓缸支撐形式通常是用兩個液壓缸支撐，需保證兩液壓缸同步，由于液壓缸密封性差異及受力不平衡等諸多原因導致液壓缸不同步，會造成液壓缸損害。而上部鋼絲繩起吊只有一個液壓缸，避免了不同步問題。排土機俯仰機構通常采用上部鋼絲繩起吊。此處要分析排土機俯仰結構為上部鋼絲繩起吊形式。

1 排土機俯仰液壓系統設計及AMESim 仿真

1.1 排土機液壓系統設計

排土機俯仰部分由機械系統和液壓系統組成。機械系統包括俯仰液壓缸、排料臂和作為連結的鋼絲繩。其動作主要是通過俯仰液壓缸伸縮，由鋼絲繩帶動排料臂升降。由設計要求可知，此設計中是通過液壓缸伸縮來實現懸臂的頻繁間歇上下運動，并要保證懸臂在某一位置能夠保持不動，即不能因懸臂重力使之自由下降。因此需要考慮的基本回路有卸荷回路、保壓回路等。

排土機作業時，通過排料臂俯仰實現物料的分層堆積［1］。要求臂架上升、下降能快速換向以實現堆料效率。但如果液壓缸速度過快，一旦超過液壓泵所能提供的最大速度，工作腔中將出現真空，會導致出現液壓缸超速回縮或者拉伸的危險工況。這就要求系統必須保證一定的供油壓力，并在液壓缸快速運動的同時不能有嚴重沖擊，以免造成過大的瞬時傾覆力矩，危害整機穩定性。而負載敏感變量泵可以根據負載大小和調速要求對泵進行控制，故選用負載敏感變量泵［2］。設計出原理圖如圖2 所示。

圖2 排土機俯仰液壓系統原理圖

1.2 排土機液壓系統改進

排土機俯仰部分排料臂上下動作時，重心相對于液壓缸發生左右移動，液壓缸所受力發生變化，即液壓缸負載發生變化。由于負載決定液壓泵的流量，流量決定了液壓缸缸桿的速度，所以排土機排料臂升降速度也發生改變，這對排土機俯仰部分穩定性極其不利。

為了解決壓力負載變化帶來的排料臂升降速度變化問題，在液壓系統中加入定差減壓型壓力補償器［3］。如圖3 所示，定差減壓型壓力補償器由梭閥4和減壓閥5 組成。當液壓缸3 缸桿受力變化時，液壓缸有、無桿腔壓力通過梭閥4 比較，當發生變化時，通過反饋給減壓閥5 調節其開口量大小，改變減壓閥進出油口壓力，從而達到保持液壓缸有、無桿腔的壓力恒定［4］。

圖3 改進俯仰液壓系統原理圖

1.3 排土機液壓系統AMESim 仿真

AMESim 包含機械、信號控制、液壓、液壓元件設計等工程學科的應用庫。對液壓系統來說，設計者可以通過AMESim 直接對其進行物理建模，并對該系統進行仿真優化，從而降低開發成本和縮短開發周期［5］。

1.3.1 俯仰液壓系統原理圖AMESim 建模

首先，對排土機俯仰機構液壓系統建模，依據上一節的俯仰部分液壓系統原理圖，建立AMESim 液壓模型。由于俯仰部分液壓缸所受力不固定，比較復雜，而作者要分析的是液壓缸桿在變力作用下是否能保持速度一致，驗證該系統是否合理。為了便于分析研究，將作用在液壓缸缸桿的力分為兩個不同大小的階段。根據仿真結果，判斷系統是否合理。AMESim模型如圖4 所示。

圖4 AMESim 俯仰液壓模型圖

1.3.2 AMESim 液壓模型設置仿真參數

仿真成功與否，除了正確建立模型以外，參數的合理性也必不可少。各模型主要參數如表1 所示。選出正確且合適的模型元件，并對這些元件進行參數賦值是至關重要的。

表1 俯仰液壓系統參數表

簡化后的液壓缸缸桿受力如圖5 所示，t=0 ～4 s時，設液壓缸缸桿受力1.03 ×106N，t =4 ～8 s 時，設液壓缸缸桿所受力為0.98 ×106N。

設置仿真時間為8 s，采樣頻率為1 000 Hz，進行仿真，得到俯仰液壓缸缸桿速度曲線，如圖6 所示。

圖5 俯仰液壓缸受力圖

圖6 液壓缸缸桿速度圖

由圖6 易知:t =0 ～4 s 時，液壓缸缸桿速度穩定在0.035 m/s;t=4 ～8 s 時，液壓缸缸桿速度穩定在0.024 m/s。缸桿在受力發生變化時，會出現較大的速度波動。由于俯仰液壓缸在較長時間內，受力從1.03 ×106N 到0.98 ×106N，變化不是很大，不會出現像圖6 所呈現的速度波動。從圖6 得出:液壓缸桿在不同力作用下，速度大小不同，不穩定。

1.4 改進排土機俯仰液壓系統AMESim 仿真

通過分析驗證易知，原設計俯仰液壓系統不能保證速度的穩定性，下面用AMESim 分析上一節所設計的改進俯仰液壓系統是否合理。首先，建立改進俯仰液壓系統AMESim 模型，由于AMESim 中沒有改進俯仰液壓系統中相應的減壓閥子模型，需要自己創建模型。建完的系統模型如圖7 所示。

圖7 AMESim 俯仰液壓系統改進模型圖

1.5 AMESim 液壓模型設置仿真參數

建模成功后，接著對模型元件進行選型、參數賦值。除了減壓閥參數外，其余參數和原液壓系統一致。

同樣設置系統的仿真時間為8 s，采樣頻率為1 000 Hz，對改進液壓系統進行仿真，得到俯仰液壓缸缸桿速度曲線，如圖8 所示。

圖8 改進后俯仰液壓缸缸桿速度圖

由圖8 易知:改進的俯仰液壓缸缸桿速度一直穩定在0.03 m/s。速度曲線波動較原液壓系統大是因為所建減壓閥模型不是理想的減壓閥，其余液壓元件均為理想元件所造成的。在t=4 s 時有較大波動，但很快就達到穩定狀態。驗證了上一節分析結果，改進液壓系統維持了液壓缸桿速度穩定。

2 總結

通過AMESim 分析，原先設計的液壓系統確實存在壓力發生變化時速度跟著變化的問題，而改進后液壓系統在壓力發生變化時，液壓缸缸桿還能以固定速度運動。改進液壓系統在排土機俯仰液壓系統中俯仰液壓缸需要速度穩定的情況下，解決了這個問題，證明了改進液壓系統的可行性，驗證了定差減壓型壓力補償器解決了速度不穩定問題的結論。

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［3］NAKAMURA O．Pressure Compensator for Rotary Earth Boring Tool:US，US4407375［P］．1983－10－04．

［4］WILKE R A．Hydraulic Control Valve System with Nonshuttle Pressure Compensator:US，US5890362［P］．1999－04－06．

［5］武小明，韓靜粉，張曉光，等．排土機皮帶自動張緊系統設計［J］．自動化應用，2013(7):17－19．