礦用自卸車舉升液壓系統建模與仿真

陳雷

（中船重工集團公司第七一○研究所，湖北宜昌443003）

0 引言

某礦用自卸車舉升系統負載大，要求卸貨時間短，由此導致舉升系統流量和壓力均很大。為了更好地了解系統工作狀態，以便對系統參數進行必要的優化，本文采用AMESim仿真軟件對礦用自卸車舉升液壓系統進行分析、建模和仿真研究。

1 舉升液壓系統原理

圖1為舉升液壓系統原理簡圖，該舉升系統采用兩級伸縮末級雙作用液壓油缸作為執行元件，用一個兩位四通閥代替插裝閥示意系統的工作狀態。

圖1 舉升液壓系統原理簡圖

不舉升時，DT1、DT2均斷電，電液換向閥處于中位，舉升泵輸出流量通過電液換向閥返回油箱。舉升時，DT2通電，電液換向閥移右位工作，舉升泵出口接通舉升缸無桿腔，舉升缸伸長，驅動貨箱翻轉。第二級缸伸出時，舉升油缸有桿腔的油液通過平衡閥，使得貨箱翻轉過程更平穩。當需要貨箱保持在某一個位置時，DT1、DT2均斷電。舉升終點時，貨箱觸發限位開關，停止舉升。貨箱要回落時DT1、DT3通電，舉升泵出口與舉升缸有桿腔連通，強制舉升缸活塞桿縮回。

2 多級液壓缸的運動模型

在礦用自卸車舉升液壓系統建模過程中，對兩級舉升液壓缸的處理主要基于液壓缸的連續性方程和液壓缸與負載力平衡方程［1］，方程式如下：

式中：V1、V2為液壓缸進油腔、回油腔體積，cm3；Q1、Q2為液壓缸進油腔、回油腔流量，L/min；CiC、COC為液壓缸內外泄漏系數；P1、P2為液壓缸進油腔、回油腔壓力，Pa；A1、A2為液壓缸無桿腔、有桿腔活塞作用面積，cm2；βe為有效體積彈性模量；F為作用在活塞上的外負載，N；m為活塞和負載的總質量，kg；s為活塞桿位移，m。

3 AMESim仿真模型的建立

根據多級液壓缸的工作原理，可將其分解為若干個相互連通的單級液壓缸的組合［2］。如圖2所示，將兩級舉升液壓缸分解為一個柱塞缸和一個單桿活塞缸。圖2中由虛線連接的兩個部件在實際中是第二級活塞缸，當第一級缸伸出到最大位置后，第一級缸有桿腔被封閉。第二級缸開始動作以后，舉升油缸有桿腔的油液經活塞桿壁上的孔及中心管道外側到達回油口最終回到油箱，從而保證多級缸壓力回縮時的有序動作。

圖2 兩級液壓缸分解為單級液壓缸

根據上述分析，建立兩級伸縮末級雙作用液壓油缸AMESim模型如圖3所示。該模型將碰撞考慮為“接觸→變形→恢復→脫離接觸”的變化過程，歸結為“自由運動→接觸變形”兩種狀態，通過建立描述碰撞過程中力與接觸變形之間的關系，計算出碰撞過程中的接觸力和接觸變形［3］。

圖3 兩級舉升液壓缸AMESIM模型

如圖4為貨箱翻轉過程。礦石卸下過程中，負載質量和轉動慣量逐漸變小，當達到貨物安息角時，礦石全部卸下，貨箱翻轉達到55°時自動停止舉升。為提高仿真速度，本文未考慮負載質量和轉動慣量的變化。

圖4 舉升過程示意圖

在AMESim建模過程中，參數設置對于仿真的準確性至關重要。以下為本次仿真的部分關鍵參數。兩級缸缸徑分別為280mm、230mm，行程分別為1362mm、1331mm，油液的體積彈性模量為1.7×109Pa，礦用自卸車載重量為190 t，車廂自重 22 t。

4 舉升液壓系統的動力學仿真與分析

本文所描述的舉升液壓系統采用的是兩級伸縮末級雙作用液壓油缸，與很多采用三級舉升液壓缸的系統有較大區別。而研究兩級舉升液壓缸的資料較少，因此有必要利用AMESim仿真軟件對其進行仿真，以便了解舉升過程中液壓缸內的壓力變化情況，如圖5所示。

4.1 舉升缸貨箱轉過角度隨時間的變化

圖3 舉升液壓系統AMESim仿真模型

圖3 貨箱翻轉角度曲線

從圖6可知，仿真時間為16.5 s時，貨箱轉過角度達到55°，此時限位開關觸發，舉升缸不在伸長，貨箱基本停止動作。貨箱浮動1.5 s后壓力迫降過程開始，整個下降過程持續11.2 s。

4.2 舉升缸油壓隨時間的變化

圖7 舉升缸無桿腔油壓變化曲線

圖7 舉升缸有桿腔油壓變化曲線

圖7 和圖8分別為舉升缸無桿腔和有桿腔的壓力變化曲線。由圖7可知，系統開始舉升動作和活塞面積變化時都會引起舉升缸內較大的壓力沖擊。

5 結論

舉升系統開始動作和活塞面積變化時都會引起較大的壓力沖擊。當車斗重心、舉升初始位置和各個鉸支點的位置確定后，缸內油壓峰值就由舉升油缸的內部結構決定，因此設計舉升油缸時，需要考慮到該壓力沖擊造成的影響，以免帶來不必要的損失。本文未考慮負載質量和轉動慣量的變化，與實際情況有一定的偏差，下一步工作需要對車斗的卸貨過程進行動態仿真并與AMESim進行機械液壓聯合仿真。

［1］ 商欽和，黃先祥.多級缸起豎系統運動過程的建模與仿真［J］．系統仿真學報，2005（7）：1563-1565，1568．

［2］ 楊務滋，季偉.礦用自卸車舉升液壓系統的動力學建模與仿真［J］.現代制造工程，2009（3）：83-86，94.

［3］ 畢紅霞，王艾倫.基于AMESIM的220t礦山自卸車舉升系統多級液壓缸的建模與仿真［J］.現代機械，2008（4）：9-11.