礦用液壓挖掘機開閉式回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)比較及仿真分析

馬生鵬

(太原重工股份有限公司，山西 太原 030024)

0 引言

礦用液壓挖掘機在大型露天礦中有著廣泛的應(yīng)用[1]，回轉(zhuǎn)機構(gòu)是液壓挖掘機的重要部件，用于驅(qū)動礦用液壓挖掘機上車部分進行回轉(zhuǎn)運動。回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)用于控制礦用液壓挖掘機回轉(zhuǎn)機構(gòu)啟動、停止和換向回轉(zhuǎn)。由于礦用液壓挖掘機上車轉(zhuǎn)動慣量很大，在啟動、制動和突然換向時會在液壓系統(tǒng)中引起很大的沖擊，這種沖擊會使液壓系統(tǒng)和液壓元件產(chǎn)生振動和噪聲，甚至導(dǎo)致液壓元件的損壞[2-4]。為此，本文分析比較了開、閉式回轉(zhuǎn)液壓回路系統(tǒng)，并對兩種回路進行了建模仿真分析。

1 回轉(zhuǎn)液壓回路系統(tǒng)設(shè)計

回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)是將回轉(zhuǎn)泵的壓力油提供給回轉(zhuǎn)馬達，驅(qū)動回轉(zhuǎn)平臺有效快速地回轉(zhuǎn)。礦用液壓挖掘機在挖掘過程中，回轉(zhuǎn)占大部分工作循環(huán)時間。通過分析某大型礦用液壓挖掘機回轉(zhuǎn)機構(gòu)工況，根據(jù)式(1)～式(5)進行計算，選定開、閉式回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)的泵、馬達、主控制閥等主要元器件，擬定的開式回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)原理圖如圖1所示，閉式回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

(1)

(2)

(3)

α=f(Re).

(4)

(5)

其中：Qv為泵/馬達流量，L/min；Vg為泵/馬達排量，mL/r；n為泵/馬達轉(zhuǎn)速，r/min；ηv為泵/馬達容積效率；P為泵/馬達功率，kW；Q為節(jié)流口流量，m3/s；Δp為泵/馬達進出口壓差，MPa；ηt為泵/馬達機械效率；Re為雷諾數(shù)；A為節(jié)流口過流面積，m2；dh為水力直徑，m；υ為運動黏度，m2/s；α為湍流范圍內(nèi)流量系數(shù)，其值取決于節(jié)流口形狀，取值范圍為0.6～0.9；Δp1為節(jié)流口壓差，Pa；ρ為油液密度，kg/m3[5]。

1-回轉(zhuǎn)換向閥；2-回轉(zhuǎn)馬達左腔緩沖閥；3-回轉(zhuǎn)馬達；4-回轉(zhuǎn)馬達右腔緩沖閥；5-安全閥；6-油箱；7-開式回轉(zhuǎn)泵

開式回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)采用節(jié)流調(diào)速回路，主要由回轉(zhuǎn)換向閥1、回轉(zhuǎn)馬達左腔緩沖閥2、回轉(zhuǎn)馬達3、回轉(zhuǎn)馬達右腔緩沖閥4、安全閥5、油箱6和開式回轉(zhuǎn)泵7等組成。其控制原理是：回轉(zhuǎn)換向閥1左端電磁鐵得電，換向到左位，回轉(zhuǎn)泵P口壓力油經(jīng)回轉(zhuǎn)換向閥1通過管路進入回轉(zhuǎn)馬達3左腔，回轉(zhuǎn)馬達3右腔液壓油經(jīng)回轉(zhuǎn)換向閥1回油，回轉(zhuǎn)馬達3轉(zhuǎn)動，從而帶動整個回轉(zhuǎn)機構(gòu)啟動；當制動和突然換向時，回轉(zhuǎn)電磁換向閥突然回中位或反向，高壓油路的高壓油經(jīng)緩沖閥回油箱，從而消除整機重量慣性帶來的液壓沖擊；同時，當回轉(zhuǎn)換向閥1回中位時，回轉(zhuǎn)回路的緩沖閥限定壓力，起制動作用，回轉(zhuǎn)液壓馬達即被制動住。

8-閉式回轉(zhuǎn)泵；9，10-高壓緩沖閥；11-安全閥；12-油箱；13-沖洗壓力閥；14-沖洗閥；15-回轉(zhuǎn)馬達

閉式回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)采用容積式泵控調(diào)速回路，主要由閉式回轉(zhuǎn)泵8、高壓緩沖閥9/10、沖洗閥14和回轉(zhuǎn)馬達15等組成。具體工作原理為：閉式回轉(zhuǎn)泵上集成了電比例控制閥組，操作手柄可以直接控制回轉(zhuǎn)泵，通過控制回轉(zhuǎn)泵的斜盤角進而對回轉(zhuǎn)系統(tǒng)進行啟動、加速、減速、制動；在制動過程中，通過先導(dǎo)油控制泵的斜盤緩慢回零，從而使馬達一側(cè)產(chǎn)生高壓，對回轉(zhuǎn)馬達裝置產(chǎn)生制動力矩，對整個回轉(zhuǎn)機構(gòu)制動。

通過分析比較開、閉式回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)可以得出：開式回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)利用緩沖閥等使液壓回路中的壓力油達到一定值時溢流回油箱，且由于采用閥控馬達換向，存在節(jié)流和溢流能量損失，同時，對液壓挖掘機回轉(zhuǎn)啟動和制動時的沖擊能量未能加以利用，增加了司機的操作強度，影響了挖掘效率；閉式回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)采用容積式泵控系統(tǒng)，高壓緩沖閥只起到安全保護的作用，在正常工作過程中是不打開的，無溢流、節(jié)流損失，同時，由于整機滿斗回轉(zhuǎn)時的慣性非常大，在回轉(zhuǎn)機構(gòu)頻繁的減速過程中，液壓泵會處于馬達的工作狀態(tài)，從而減少了原動機對回轉(zhuǎn)泵的輸出扭矩。

2 仿真分析及比較

2.1 建模

為了分析對比所建開、閉式回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)，對所設(shè)計的開、閉式回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)進行了建模和仿真計算。ITI-SimulationX是德國ITI有限公司開發(fā)的一款高級建模和多學科仿真軟件平臺，該軟件可分析評價技術(shù)系統(tǒng)內(nèi)各個部分的工作，可以完成很多復(fù)雜系統(tǒng)的綜合設(shè)計、分析與優(yōu)化任務(wù)，并在許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用和驗證。基于以上原因，本文采用了ITI-SimulationX對所設(shè)計的開、閉式回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)進行建模和仿真計算[6-7]。

利用ITI-SimulationX軟件搭建了開、閉式回轉(zhuǎn)泵、沖洗閥等模型，而后利用ITI-SimulationX軟件的二次開發(fā)平臺TypeDesigner對開、閉式回轉(zhuǎn)泵、沖洗閥等液壓元件進行封裝，從元件基本單元逐級封裝，依據(jù)開、閉式回轉(zhuǎn)泵、沖洗閥等產(chǎn)品樣本數(shù)據(jù)，通過建立驗證回路，驗證了元件功能和特性，最后搭建了開、閉式回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)的仿真模型，如圖3、圖4所示。

2.2 仿真結(jié)果及分析

通過ITI-SimulationX仿真軟件搭建開式回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)和閉式回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)模型，按照圖5對回轉(zhuǎn)系統(tǒng)加載進行仿真，開式回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)泵和馬達功率圖譜如圖6所示，閉式回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)泵和馬達功率圖譜如圖7所示。由圖6可知：開式回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)馬達輸出功率為149.4 kW，泵輸出功率為165.7 kW，存在溢流和節(jié)流功率損失，其總效率為90.16 %。由圖7可知：閉式回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)馬達輸出功率為146.7 kW，泵輸出功率為152.2 kW，其總效率為96.38%；相較于開式回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)節(jié)能約19 kW，效率提高約6.22%。

圖3 開式回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)仿真模型

圖4 閉式回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)仿真模型

圖5 負載加載圖譜

3 結(jié)論

通過分析大型礦用液壓挖掘機回轉(zhuǎn)機構(gòu)工況，擬定了開、閉式回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)原理圖。本文分析比較了開、閉式回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)工作機理，并通過ITI-SimulationX仿真軟件對開閉式回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)進行建模仿真分析，結(jié)果表明：開式回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)采用回轉(zhuǎn)換向閥組、緩沖閥等閥控節(jié)流模式，存在著節(jié)流損失和溢流損失，損失的功率大多轉(zhuǎn)化為熱量，引起液壓系統(tǒng)發(fā)熱；而閉式回轉(zhuǎn)系統(tǒng)采用泵控容積模式，消除了采用閥控原理存在的節(jié)流損失和溢流損失，減少了系統(tǒng)發(fā)熱，提高了液壓系統(tǒng)的效率。

圖6 開式回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)泵與馬達功率圖譜

圖7 閉式回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)泵與馬達功率圖譜