基于Fluid SIM的裝載機液壓系統設計及分析

劉銀丁，戚鵬偉，王　雷

（廣西大學機械工程學院，廣西 南寧530004）

0　引言

由于我國裝載機行業起步較晚在，各生產廠家既沒有自己的拳頭產品，也沒有自身的關鍵技術及強有力的技術創新隊伍，主導產品檔次低，企業負擔重，生產成本高，而液壓系統與傳統機械操作相比，生成效率高，可控制性強，是目前工程機械發展主流趨勢，目前，現有液壓系統難以適應復雜多變的情況，無法在極端情況下保持穩定的工況，并且先進的仿真技術較少應用于液壓系統的設計，因此，本文針對已有的缺陷及問題，進行裝載機液壓系統的設計并進行仿真分析，改善液壓系統工作性能，對提高我國機械競爭力具有重要意義。

1　液壓系統概述

ZL50輪式裝載機多采用反轉六連桿機構作為其工作裝置[1]。裝載機的工作裝置和轉向機構都是液壓傳動，一般現行輪式裝載機由工作裝置液壓系統、轉向液壓系統和動力換擋變速箱液壓系統三部分組成。工作裝置液壓系統和轉向液壓系統所消耗的功率占整個液壓系統的大部分，所以本文主要對這兩個系統進行設計分析。

2　液壓系統設計

2.1　系統壓力的選擇

系統壓力是系統在正常工作時的最高壓力，由于所選擇的液壓泵的額定壓力決定，并由安全閥限制。當壓力較低時，傳遞相同的功率，必須增加流量，這會引起液壓元件尺寸的增大；當壓力較高時，可以減少流量，從而減小液壓元件尺寸，但對工藝、材質和密封等方面有較高的要求。因此，必須選擇適當的壓力值，保證系統穩定工作。

本文設計的裝載機采用齒輪泵，其壓力為中高等級，目前我國裝載機采用的壓力范圍為10~16 MPa，本次設計選用 16 MPa[2]。

2.2　液壓缸流量的確定

液壓缸無桿腔面積為：

其中，Fmax為液壓缸所需克服的最大作用力229 kN；θ為液壓缸速比；p為液壓缸的工作壓力，初選時可取為系統壓力；ηM=0.85~0.99，取平均值0.95.經計算：D=138 mm，根據液壓缸內徑與活塞桿外徑系列國家標準，選取D=140 mm；d=100 mm.

搖臂工作時間和搖臂液壓缸行程可確定搖臂液壓缸活塞移動速度，由下式可確定所需流量：

式中：L搖為搖臂液壓缸行程，根據活塞行程系列（GB2349-80）中的系列尺寸選取標準值，最后取L搖=1 800 mm；t為搖臂工作時間，t=5.5 s；S 為搖臂液壓缸活塞面積，S=15 393.8 mm2；ηv為液壓缸容積效率，取η=92%.

經計算搖臂液壓缸的流量Q搖=54.8 L/min.

動臂液壓缸的計算方式和搖臂液壓缸相同，經計算Q動=50.8 L/min.

2.3　液壓泵基本參數的確定

1）液壓泵工作壓力

液壓泵的工作壓力由液壓缸工作壓力與系統壓力損失兩部分組成，即：

式中：pG為液壓缸工作壓力，取為系統壓力16 MPa；∑p為系統壓力損失，包括管道沿程損失和各元件的局部損失，參考同類型裝載機，取∑p=1 MPa.因此，液壓泵工作壓力pp＝17 MPa.

2）液壓泵額定流量

裝載機作業時，搖臂和動臂并不同步工作，所以可選取兩者的最大值為額定流量，同時考慮到系統的損失，最終液壓泵的額定流量為：

式中：Qmax為液壓缸最大流量；K為考慮油流滲透的系數，一般K=1.1-1.3，取平均值1.2.經計算：Qp=65.76 L/min.

3）液壓泵功率

根據液壓泵的工作壓力pp和額定流量Qp，可以計算液壓泵功率：

式中：pp為液壓泵工作壓力，pp=17 MPa；Qp為液壓泵額定流量，Qp＝65.76 L/min；η為液壓泵總效率，一般 η=0.75~0.85，取 η=0.8.經計算，P=3 169 W.

2.4　液壓系統原理圖的擬定

一般裝載機工作液壓系統都采用順序換向回路，但順序回路不能實現舉升和轉斗的復合運動，在Fluid SIM軟件中也不易仿真，故本文設計成并聯換向回路。液壓回路中裝有單向閥，可以防止在換向過程中油液倒流，出現鏟斗上下“點頭”的現象。

安全閥9對搖臂液壓缸活塞桿腔起到快速補油和卸載保護作用。當鏟斗翻轉運動時，在鏟斗內載荷和慣性力作用下，搖臂液壓缸活塞桿可能會受到非液壓力的作用而快速移動，出現吸空現象，此時安全閥9可以快速補油，避免吸空；當搖臂換向控制閥處于中位時，搖臂液壓缸活塞腔和活塞桿腔均被封死，動臂液壓缸推動活塞使動臂運動，由于連桿機構的牽制，搖臂液壓缸活塞桿腔受壓，從而使動臂運動受到約束，這時安全閥9將搖臂液壓缸活塞桿腔的油液釋放，從而解除了對動臂的約束。

在工程實踐中，當裝載機動臂舉升或推土作業時，搖臂液壓缸活塞腔容易過載，并且當活塞桿腔快速溢流時，活塞桿腔需快速補油防止吸空。搖臂液壓缸活塞腔過載將導致液壓管破裂、油封損壞、活塞桿彎曲等故障。因此，在搖臂液壓缸活塞回路中設置安全閥，起快速補油和過載保護作用，防止液壓缸被破壞。

轉向系統要求在工作過程中具有穩定的轉向速度，因此，在液壓系統設計中，將轉向回路和工作裝置回路利用輔助液壓泵連接在一起，從而保證轉向液壓系統中的流量不隨發動機轉速變化。

如圖1所示為液壓系統基本原理圖。

圖1　液壓系統原理圖

3　Fluid SIM仿真分析

通過Fluid SIM系統仿真，可以在設計完回路后，演示回路動作過程，從而驗證設計的正確性[3-4]。

圖2（a）、（b）為鏟斗舉升和下降過程的液壓系統狀態圖，此過程中發動機轉速較低時，液壓油僅從工作液壓泵中輸出，隨著發動機轉速的升高，液壓油開始從輔助液壓泵中輸出并通過動臂換向閥流入動臂液壓缸活塞腔，推動活塞左右運動，從而實現鏟斗下降和舉升過程。圖2（c）為鏟斗懸浮時液壓系統狀態圖，此時液壓油被截止，通過溢流閥回油到油箱，鏟斗懸浮在下降過程中的某一位置，可實現鏟斗在運動過程中停止在所需要的位置。圖2（d）、（e）為鏟斗上翻和下翻過程液壓系統狀態圖，液壓油從工作液壓泵和輔助液壓泵中輸出，通過搖臂換向閥流入搖臂液壓缸活塞腔，推動活塞向左右運動，從而實現鏟斗下翻上翻動作。圖 2（f）、（g）、（h）、（i）為復合運動，其工作原理就是單一運動的相互疊加。圖2（j）為鏟斗左轉向液壓系統狀態圖，當通過轉向盤使轉向閥移至左位時，液壓泵輸出的液壓油不能直接回油到油箱，從液壓泵輸出的液壓油使鎖止閥克服彈簧力向左移動達到閥體右位，液壓泵的液壓油通過轉向閥和鎖止閥向上邊轉向液壓缸的活塞桿腔和下邊轉向液壓缸的活塞腔供油，上邊轉向液壓缸的活塞腔和下邊轉向液壓缸的活塞桿腔流回油箱，達到左轉向的目的。

（續下圖）

（接上圖）

（續下圖）

（接上圖）

（續下圖）

（接上圖）

圖2　液壓系統仿真過程

由圖2液壓系統仿真過程和圖3主要液壓元件工況可以看出，本文所設計的液壓系統可以實現鏟斗的各種運動并且工況穩定，證明本文的設計方法是合理的。

圖3　主要液壓元件工況圖

4　結論

本文主要針對輪式裝載機的工作裝置及其液壓系統，在前人經驗的基礎上，進行輪式裝載機的分析計算，設計出相應的液壓原理圖，并通過Fluid SIM軟件進行仿真，實現顯示和控制回路的動作，及時發現液壓系統中存在的問題，驗證了設計的正確性，為國內式裝載機的設計提供了一定的理論依據。