礦用液壓挖掘機開閉式回轉液壓系統比較及仿真分析

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用[1]，回轉機構是液壓挖掘機的重要部件，用于驅動礦用液壓挖掘機上車部分進行回轉運動。回轉液壓系統用于控制礦用液壓挖掘機回轉機構啟動、停止和換向回轉。由于礦用液壓挖掘機上車轉動慣量很大，在啟動、制動和突然換向時會在液壓系統中引起很大的沖擊，這種沖擊會使液壓系統和液壓元件產生振動和噪聲，甚至導致液壓元件的損壞[2-4]。為此，本文分析比較了開、閉式回轉液壓回路系統，并對兩種回路進行了建模仿真分析。

1 回轉液壓回路系統設計

回轉液壓系統是將回轉泵的壓力油提供給回轉馬達，驅動回轉平臺有效快速地回轉。礦用液壓挖掘機在挖掘過程中，回轉占大部分工作循環時間。通過分析某大型礦用液壓挖掘機回轉機構工況，根據式(1)～式(5)進行計算，選定開、閉式回轉液壓系統的泵、馬達、主控制閥等主要元器件，擬定的開式回轉液壓系統原理圖如圖1所示，閉式回轉液壓系統原理圖如圖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/馬達轉速，r/min；ηv為泵/馬達容積效率；P為泵/馬達功率，kW；Q為節流口流量，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；A為節流口過流面積，m2；dh為水力直徑，m；υ為運動黏度，m2/s；α為湍流范圍內流量系數，其值取決于節流口形狀，取值范圍為0.6～0.9；Δp1為節流口壓差，Pa；ρ為油液密度，kg/m3[5]。

1-回轉換向閥；2-回轉馬達左腔緩沖閥；3-回轉馬達；4-回轉馬達右腔緩沖閥；5-安全閥；6-油箱；7-開式回轉泵

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

8-閉式回轉泵；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-回轉馬達

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

通過分析比較開、閉式回轉液壓系統可以得出：開式回轉液壓系統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，存在節流和溢流能量損失，同時，對液壓挖掘機回轉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；閉式回轉液壓系統采用容積式泵控系統，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、節流損失，同時，由于整機滿斗回轉時的慣性非常大，在回轉機構頻繁的減速過程中，液壓泵會處于馬達的工作狀態，從而減少了原動機對回轉泵的輸出扭矩。

2 仿真分析及比較

2.1 建模

為了分析對比所建開、閉式回轉液壓系統，對所設計的開、閉式回轉液壓系統進行了建模和仿真計算。ITI-SimulationX是德國ITI有限公司開發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系統內各個部分的工作，可以完成很多復雜系統的綜合設計、分析與優化任務，并在許多領域得到了廣泛應用和驗證。基于以上原因，本文采用了ITI-SimulationX對所設計的開、閉式回轉液壓系統進行建模和仿真計算[6-7]。

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

2.2 仿真結果及分析

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

圖3 開式回轉液壓系統仿真模型

圖4 閉式回轉液壓系統仿真模型

圖5 負載加載圖譜

3 結論

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

圖6 開式回轉液壓系統泵與馬達功率圖譜

圖7 閉式回轉液壓系統泵與馬達功率圖譜