基于Fluid SIM的裝載機液壓系統建模與仿真

李　明，王　雷，蔡勁草，劉銀丁

(安徽工程大學 機械與汽車工程學院，安徽 蕪湖　241000)

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基于Fluid SIM的裝載機液壓系統建模與仿真

李明，王雷，蔡勁草，劉銀丁

(安徽工程大學 機械與汽車工程學院，安徽 蕪湖241000)

以ZL50輪式裝載機為研究對象，首先對輪式裝載機液壓系統進行分析與改進設計，完成液壓系統原理圖的擬定，最后在Fluid SIM仿真軟件中實現液壓動作的仿真和回路控制，驗證了設計的正確性。

輪式裝載機；液壓系統設計；Fluid SIM仿真

裝載機是一種廣泛用于公路、鐵路、建筑、水電、港口、礦山等建設工程的土石方施工機械。由于裝載機具有效率高、作業速度快、機動性好、操作輕便等優點，因此對裝載機液壓系統等方面的研究[1-7]具有重要的現實意義。已有文獻大都圍繞液壓系統改進設計、系統分析、液壓節能分析等方面開展研究，如：文獻[1]以滑移式裝載機為研究對象，通過大量的工況分析、理論計算及實踐經驗，設計出符合滑移式裝載機整機性能要求的行走、轉向液壓系統和工作液壓系統；文獻[3]對輪式裝載機工作裝置液壓系統進行了一定程度的改進設計；文獻[5]對液壓系統進行了可靠性分析。但是很少有關基于Fluid SIM的裝載機液壓系統建模與仿真方面的研究，故本文借鑒前人經驗及研究成果，針對輪式裝載機的工作裝置，對液壓系統進行改進和擬定，并在Fluid SIM仿真軟件中實現液壓動作的仿真和回路控制，驗證設計的正確性，為國內裝載機的液壓系統設計提供一定的理論依據。

1　輪式裝載機總體結構及工作原理

輪式裝載機總體結構如圖1所示，一般由發動機、機械及液壓傳動系統、行走裝置、工作裝置等組成。工作原理如圖2所示。

1.發動機；2.變矩器；3.變速箱；4.前、后驅動橋；5.車架鉸鏈；6.動臂提升油缸；7.轉斗油缸；8.鏟斗；9.駕駛室。

圖2　基本工作原理

2　輪式裝載機液壓系統原理

由裝載機的工作原理可知：利用液壓控制實現鏟斗的舉升和搖臂運動。工作裝置液壓系統換向回路采用并聯式，同一時間可向2個機構供油。液壓回路中裝有單向閥，可以防止在換向過程中由于搖臂液壓缸和動臂液壓缸在工作裝置自重作用下油液倒流，避免出現鏟斗上下“點頭”的情況[3]。系統控制中采用安全閥的目的是對搖臂液壓缸活塞有桿腔起快速補油和對卸載起雙重保護作用。基于以上分析，本文在參考已有文獻[8]的基礎上對裝載機液壓系統基本原理進行改進，如圖3所示。

3　Fluid SIM仿真分析

Fluid SIM軟件是專門用于液壓與氣壓傳動仿真的軟件[9]。利用Fluid SIM軟件進行液壓系統仿真時，能顯示回路動作過程，驗證設計的液壓系統是否合理。

1) 鏟斗舉升時液壓系統仿真過程

當操縱動臂“O”型4位4通換向閥位于左位時，液壓泵輸出的液壓油運行過程如圖4所示。在正常工作狀態下，當發動機轉速較低時，液壓油只從工作液壓泵中輸出，當發動機轉速為中高速時，液壓油從工作液壓泵和輔助液壓泵中輸出，通過動臂換向閥流入動臂液壓缸活塞腔，推動活塞向右運動，從而實現鏟斗舉升運動。

此時，搖臂“O”型3位4通換向閥處于中位，鏟斗不發生翻轉，鏟斗無復合運動。轉向閥也處于中位，不論發動機轉速如何，此時由于轉向泵和輔助泵與油箱直接連通，從液壓泵輸出的液壓油通過轉向閥直接回油到油箱。鎖止閥右端是低壓，鎖止閥在彈簧力的作用下處于左位，封閉了轉向液壓回路，轉向液壓缸不動作。

1.轉向液壓泵；2.輔助液壓泵；3.工作液壓泵；4.穩流閥；5.轉向閥；6.鎖止閥；7.轉向液壓缸；8.搖臂液壓缸；9.安全閥；

圖4　鏟斗舉升時液壓系統狀態

2) 鏟斗下降時液壓系統仿真過程

按照本文的分析原理，得到鏟斗下降時液壓系統仿真過程，如圖5所示。

圖5　鏟斗下降時液壓系統狀態圖

3) 鏟斗懸浮時液壓系統仿真過程

鏟斗懸浮時液壓系統仿真過程如圖6所示。

圖6　鏟斗懸浮時液壓系統狀態圖

4) 鏟斗上翻時液壓系統仿真過程

鏟斗上翻時液壓系統仿真過程如圖7所示。

圖7　鏟斗上翻時液壓系統狀態圖

5) 鏟斗下翻時液壓系統仿真過程

鏟斗下翻時液壓系統仿真過程如圖8所示。

圖8　鏟斗下翻時液壓系統狀態圖

6) 鏟斗舉升和上翻復合運動時液壓系統仿真過程

鏟斗舉升和上翻復合運動時液壓系統仿真過程如圖9所示。

圖9　鏟斗舉升和上翻復合運動液壓系統狀態圖

7) 鏟斗舉升和下翻復合運動時液壓系統仿真過程

鏟斗舉升和下翻復合運動時液壓系統仿真過程如圖10所示。

8) 鏟斗下降和上翻復合運動時液壓系統仿真過程

鏟斗下降和上翻復合運動時液壓系統仿真過程如圖11所示。

9) 鏟斗下降和下翻復合運動時液壓系統仿真過程

鏟斗下降和下翻復合運動時液壓系統仿真過程如圖12所示。

圖12　鏟斗下降和下翻復合運動液壓系統狀態圖

10) 左轉向時液壓系統仿真過程

左轉向時液壓系統仿真過程如圖13所示。

圖13　左轉向液壓系統狀態圖

11) 右轉向時液壓系統仿真過程

右轉向時液壓系統仿真過程如圖14所示。

圖14　右轉向液壓系統狀態圖

從以上對挖掘機不同工況下的液壓系統仿真結果可以看出：本文所改進設計的液壓系統控制回路是有效和合理的，為挖掘機裝置實際工作的調試、排障等提供一定的依據。

4　結束語

以ZL50輪式裝載機為研究對象，在參考已有文獻的基礎上完成對其液壓系統原理圖的改進設計。

在Fluid SIM仿真軟件中實現液壓動作的仿真和回路控制，驗證設計的正確性，為國內裝載機的液壓系統設計提供一定的理論依據。

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(責任編輯陳艷)

Modeling and Simulation of Hydraulic System for Loader Based on Fluid SIM

LI Ming, WANG Lei, CAI Jin-cao, LIU Yin-ding

(School of Mechanical and Automotive Engineering,Anhui Polytechnic University, Wuhu 241000, China)

The ZL50 wheel loader is our research object in this paper. Firstly, the hydraulic system of wheel loader was analyzed and designed, and the schematic diagram of hydraulic system was given. Then, the simulation analysis was carried out by using Fluid SIM software to realize the display and control circuit in order to test the validity of the design.

wheel loader; hydraulic system design; Fluid SIM simulation

2016-03-22

國家自然科學基金資助項目(51305001)；安徽省高校優秀青年人才支持計劃重點項目(gxyqZD2016125)

李明(1986—)，男，碩士研究生，主要從事機器人路徑規劃研究；通訊作者 王雷(1982—)，男，安徽亳州人，博士，副教授，主要從事數字化設計與智能制造方面的研究,E-mail:wangdalei2000@126.com。

format：LI Ming, WANG Lei, CAI Jin-cao, et al.Modeling and Simulation of Hydraulic System for Loader Based on Fluid SIM[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(8):36-44.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.08.006

TH137

A

1674-8425(2016)08-0036-09

引用格式：李明，王雷，蔡勁草，等.基于Fluid SIM的裝載機液壓系統建模與仿真[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2016(8):36-44.