基于Automation Studio工程車輛鏟斗舉升機(jī)構(gòu)特性分析

劉義付，孫瑞霞

（黃河交通學(xué)院汽車工程學(xué)院，河南 焦作 454000）

1 引言

鏟運(yùn)機(jī)作為重要的工程車輛，其車體中部由鉸接點(diǎn)連接，整車具有良好的轉(zhuǎn)向特性，被廣泛應(yīng)用于礦山開采運(yùn)輸中。舉升作業(yè)工況包括鏟裝和卸載過(guò)程，是實(shí)現(xiàn)整車運(yùn)輸?shù)闹匾ＷC。而鏟斗的整個(gè)作業(yè)過(guò)程中，由于貨物的裝卸，使得整個(gè)工作機(jī)構(gòu)受力情況復(fù)雜，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要重點(diǎn)考慮，尤其是舉升缸和傾翻缸的參數(shù)設(shè)計(jì)［1］。因此，對(duì)整個(gè)舉升機(jī)構(gòu)工作過(guò)程進(jìn)行系統(tǒng)分析，對(duì)主要液壓缸的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鏟運(yùn)機(jī)的舉升機(jī)構(gòu)進(jìn)行了一定研究：文獻(xiàn)［2］采用液壓軟件建模方法，對(duì)舉升系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)特性進(jìn)行分析，對(duì)各類閥體進(jìn)行選型設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)［3］采用模擬試驗(yàn)的方法，對(duì)不同尺寸液壓缸與舉升機(jī)構(gòu)進(jìn)行匹配試驗(yàn)，選擇合適流量的缸體參數(shù)；文獻(xiàn)［4］基于有限元分析，搭建舉升機(jī)構(gòu)的模型，對(duì)舉升機(jī)構(gòu)的工作半徑進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到最優(yōu)尺寸設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)［5］采用試驗(yàn)方法，對(duì)整車的液壓系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，獲取不同缸體的工作行程和時(shí)間，并對(duì)部分缸體的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以獲取最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

針對(duì)鏟運(yùn)機(jī)的舉升工作機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，基于鏟斗舉升機(jī)構(gòu)的受力分析，獲取整個(gè)過(guò)程中主要缸體和結(jié)構(gòu)的載荷和工作行程變化特點(diǎn)；在理論分析的基礎(chǔ)上，基于Automation Studio 對(duì)舉升機(jī)構(gòu)進(jìn)行液壓系統(tǒng)建模，對(duì)舉升缸和傾翻缸的主要參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，分析滿載工況，兩個(gè)缸體的位移和壓力變化；采用5060液壓測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)某實(shí)車舉升機(jī)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試，獲取主要缸體的行程、動(dòng)作時(shí)間及最大載荷，與仿真分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

2 舉升缸受力分析

2.1 鏟運(yùn)機(jī)結(jié)構(gòu)

鏟運(yùn)機(jī)基本結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 鏟運(yùn)機(jī)基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic Structure of Scraper

鏟運(yùn)機(jī)為鉸接式車體，前部為工作車體，后部提供動(dòng)力，整個(gè)車輛通過(guò)工作裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)貨物的裝載運(yùn)輸［6］，主要包括鏟斗、舉升臂、連桿、搖臂及相關(guān)軸銷等，使車輛實(shí)現(xiàn)鏟、裝、卸物料。

2.2 鏟斗受力分析

當(dāng)鏟斗裝滿物料收斗完畢后，傾翻油缸鎖止，接下來(lái)兩舉升油缸開始動(dòng)作，使大臂舉升。地下鏟運(yùn)機(jī)工作過(guò)程中，大臂舉升有兩種工礦，第一種是大臂舉升到最高位置后進(jìn)行卸料，第二種是大臂舉升到最高位置的一半高度后便進(jìn)行卸料。在舉升過(guò)程中傾翻油缸處于鎖止?fàn)顟B(tài)，轉(zhuǎn)向泵和工作泵進(jìn)行合流共同為舉升缸供油使其活塞桿伸長(zhǎng)，活塞桿伸長(zhǎng)過(guò)程中主要克服鏟斗和鏟斗內(nèi)的物料重力及舉升臂的自重［7］，如圖2所示。

圖2 舉升臂舉升過(guò)程示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Lifting Process

由于在整個(gè)舉升過(guò)程中整個(gè)工作裝置（鏟斗，大臂，舉升缸等）繞固定點(diǎn)O（舉升臂與前機(jī)架鉸接點(diǎn)）旋轉(zhuǎn)，所以可由力矩平衡原理就出舉升缸的受力情況。

對(duì)舉升臂和舉升油缸進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，在舉升過(guò)程中，大臂從最低位置開始舉升到最大舉升位置繞點(diǎn)O總共旋轉(zhuǎn)75°，由于舉升缸與大臂鉸接點(diǎn)B和鏟斗與大臂鉸接點(diǎn)E在大臂上的位置時(shí)固定不變的，可知鉸接點(diǎn)B和鉸接點(diǎn)E這兩個(gè)鉸接點(diǎn)也繞點(diǎn)O旋轉(zhuǎn)了75°。所以可求得隨著大臂舉升角度的變化舉升缸伸長(zhǎng)長(zhǎng)度的變化［8］。同理，亦可求出鏟斗（及鏟斗內(nèi)重物）和舉升臂質(zhì)心到固定點(diǎn)O（舉升臂與前機(jī)架鉸接點(diǎn)）的力臂的變化，數(shù)據(jù)如表1所示。由運(yùn)動(dòng)學(xué)分析可得，當(dāng)大臂處于最低位置時(shí)，舉升缸伸長(zhǎng)最短且為1309.9mm；當(dāng)大臂舉升到最高位置時(shí)，舉升缸伸長(zhǎng)最長(zhǎng)且為2147.4mm，由此可求得整個(gè)舉升過(guò)程中舉升缸最大行程為2147.4-1309.9=837.5mm。

表1 各力臂的變化Tab.1 Analysis of the Arms

當(dāng)滿載時(shí)取鏟斗與物料最大質(zhì)量為17762kg，舉升臂質(zhì)量為2945.6kg由對(duì)大臂與前機(jī)架鉸接點(diǎn)的力矩平衡原理及兩舉升缸剛性聯(lián)接，舉升過(guò)程中受力相等的原則，可得大臂舉升過(guò)程中兩個(gè)舉升缸的受力情況，如表2所示。

表2 舉升缸受力Tab.2 Forces of the Lift Cylinder during the Boom Raising Process

大臂下落過(guò)程中鏟斗空載，同理，可由力矩平衡求出大臂下落過(guò)程中兩個(gè)舉升缸每個(gè)缸的受力，如表3所示。此時(shí)，舉升缸受力方向與其活塞桿運(yùn)動(dòng)方向相同。

表3 大臂下落過(guò)程中舉升缸受力Tab.3 Force of the Lift Cylinder during the Falling of the Boom

結(jié)合圖3 對(duì)鏟斗放斗—插入物料—撬動(dòng)—滿載收斗—卸料—空載收斗過(guò)程運(yùn)動(dòng)學(xué)分析可求得傾翻油缸在鏟斗放斗—插入—滿載收斗過(guò)程中行程為826mm，在鏟斗卸料—空載收斗過(guò)程中行程855mm。由于在一次完整工作過(guò)程中鏟斗要進(jìn)行放斗—插入—滿載收斗和卸料—空載收斗過(guò)程，整個(gè)過(guò)程中傾翻油缸要伸縮兩次。

在地下鏟運(yùn)機(jī)插入物料前，傾翻油缸首先動(dòng)作（活塞桿伸出）進(jìn)行空載放斗，使鏟斗鏟刃幾乎與水平地面向平（此時(shí)鏟刃插入地面，鏟斗與地面成4°角）［9］。在鏟斗空載放斗過(guò)程中，傾翻油缸活塞桿伸長(zhǎng)來(lái)推動(dòng)連桿和搖臂繞鉸接點(diǎn)B（B′）轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使鏟斗繞其與大臂鉸接點(diǎn)O進(jìn)行順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖3（a）所示。到鏟斗完全放平時(shí)，連桿從DB位置運(yùn)動(dòng)到D′B′位置，搖臂從CB位置運(yùn)動(dòng)到CB′位置，鏟斗繞鏟斗與大臂鉸接點(diǎn)O轉(zhuǎn)動(dòng)，并且鏟斗總共轉(zhuǎn)動(dòng)了63°。

接著開始前進(jìn)使鏟斗的鏟刃首先插入料堆，鏟刃前方受到物料給其的水平作用阻力（圖3（a）中Fx），隨著鏟刃插入料堆深度的增加，F(xiàn)x也隨之增加，直到當(dāng)鏟斗所受的插入阻力等于鏟運(yùn)機(jī)所受地面最大附著力時(shí)，車輪便打滑不在前行。

當(dāng)舉升臂舉升到最高位置后，舉升油缸被鎖止，液壓泵又開始給傾翻油缸供油使其活塞桿伸出，來(lái)帶動(dòng)連桿和搖臂轉(zhuǎn)動(dòng)使鏟斗翻轉(zhuǎn)進(jìn)行卸料，如圖3（b）所示。當(dāng)卸料完全結(jié)束時(shí)，如圖3（c）所示。接著傾翻油缸活塞桿縮進(jìn)來(lái)使鏟斗翻轉(zhuǎn)進(jìn)行空載收斗，當(dāng)完全收斗后，如圖3（a）所示。

圖3 鏟斗作業(yè)過(guò)程示意圖Fig.3 Schematic Diagram of the Bucket Operation Process

在鏟斗空載放斗過(guò)程中，傾翻油缸活塞桿伸出使空載的鏟斗翻轉(zhuǎn)以使其與鏟掘地面相平［10］。根據(jù)力矩平衡原理對(duì)傾翻油缸進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析可得傾翻油缸在此過(guò)程中所受外載從24.8kN變化到30kN，且變化趨于線性變化。

由以上分析可得在鏟斗插入物料到車輪打滑鏟斗而不能再進(jìn)一步插入物料過(guò)程中，傾翻油缸活塞桿受到的外力從30kN急劇增大到201kN。

在鏟斗滿載卸料過(guò)程中，傾翻油缸活塞桿再次伸出使?jié)M載的鏟斗翻轉(zhuǎn)繞點(diǎn)E以使物料卸出。而且當(dāng)物料重心偏出鏟斗與舉升臂鉸接點(diǎn)時(shí)，物料便可依靠其自重來(lái)使鏟斗卸料。由力矩平衡可得傾翻油缸所受外載從112kN變化到52kN，且變化趨于線性變化。此后鏟斗依靠物料自重來(lái)進(jìn)行卸料，傾翻缸幾乎不再受外力。

在上述兩個(gè)過(guò)程中，傾翻油缸所受最大載荷為410.51kN，發(fā)生在鏟斗開始撬動(dòng)時(shí)。

2.3 工作液壓系統(tǒng)模型

工作與轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)采用雙泵合流技術(shù)，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)向與工作液壓系統(tǒng)Fig.4 Steering and Working Hydraulic System

2.3.1 舉升缸參數(shù)

開始時(shí)，所受外力為372.169kN，工作液壓系統(tǒng)壓力暫取P=21MPa，速比1.46。由：

得：D=150.216mm，d=84.318mm，根據(jù)GB/T 2348-1993，標(biāo)準(zhǔn)化得：D=160mm，d=90mm，L=830mm。

由于兩只舉升油缸是相對(duì)于鏟斗豎直中心面是對(duì)稱安置的，在地下鏟運(yùn)機(jī)實(shí)際工作中由于鏟斗鏟裝及舉升物料時(shí)鏟斗內(nèi)的物料未必均與分布及物料一般是混合物密度也不一，所以兩舉升油缸受力有時(shí)會(huì)有一定的差別。但為了工作液壓系統(tǒng)操作的穩(wěn)定性，一般要盡可能使兩只舉升油缸受力趨于相等，所以在Automation Studio仿真中采用剛性聯(lián)接的舉升油缸。

2.3.2 傾翻缸參數(shù)

所受最大載荷為410.51kN，發(fā)生在鏟斗撬動(dòng)開始收斗時(shí)。工作液壓系統(tǒng)額定壓力暫取為P=21MPa，傾翻油缸速比取為1.33。由：

得：D=178.942mm，d=77.628mm?？紤]傾翻缸在整個(gè)工況兩次伸出回縮的最大行程和根據(jù)GB/T 2348-1993，對(duì)傾翻油缸標(biāo)準(zhǔn)化得：D=180mm，d=90mm，L=860mm。

2.3.3 工作泵

由舉升油缸和傾翻油缸參數(shù)可知，舉升油缸體積比傾翻油缸體積大且工作時(shí)所需液壓流量大，又因?yàn)殓P運(yùn)機(jī)工作時(shí)，舉升油缸與傾翻油缸只交替工作而不同時(shí)工作，所以綜合上述兩點(diǎn)，以舉升油缸參數(shù)作為確定工作泵的依據(jù)。最大變化體積V=33.37626L，根據(jù)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB／T 5500-2004的規(guī)定，工作裝置動(dòng)作時(shí)間≤25s。設(shè)計(jì)舉升時(shí)間t=8s，行程L=830mm。所選用的康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速n=2100r/min，則油缸流量Q=60V/t=250.32195 L/min，工作裝置所需排量：

式中：i—變矩器驅(qū)動(dòng)泵的速比；η—泵的總效率。

工作泵的排量q=36.348ml/r，由齒輪泵選型數(shù)據(jù)，選擇理論排量為q=44.2ml/r 的齒輪泵，齒輪寬度19.1mm，最大工作壓力275bar，最大連續(xù)工作壓力245bar。

基于Automation Studio搭建鏟運(yùn)機(jī)舉升工作系統(tǒng)模型，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)模型Fig.5 System Model

3 工作過(guò)程受力分析

3.1 舉升缸

選取滿載工況進(jìn)行分析，舉升缸的速度、壓力隨位移變化曲線，如圖6所示。

圖6 滿載舉升時(shí)舉升缸參數(shù)變化Fig.6 Change in Lift Cylinder Parameters when Fully Loaded

由圖可知，整個(gè)過(guò)程中，速度基本無(wú)較大變化，波動(dòng)比較小，整個(gè)過(guò)程持續(xù)時(shí)間為8.5s，初始速度在7.16cm/s，2s之后，速度提升到11cm/s。從壓力變化曲線可以看出，進(jìn)油腔壓力瞬間提升，從7bar提升到187bar，隨著外載荷的變化，壓力逐漸減小，最終為163bar。

3.2 傾翻油缸

傾翻油缸操縱鏟斗工作，整個(gè)裝卸過(guò)程運(yùn)動(dòng)工況復(fù)雜。鏟斗滿載收斗工況受載情況最為復(fù)雜，分析結(jié)果，如圖7所示。

圖7 鏟斗滿載收斗工況分析結(jié)果Fig.7 Bucket Full Load Bucket Analysis Results

由圖可知，整個(gè)過(guò)程共計(jì)用時(shí)4s，整個(gè)過(guò)程分為兩個(gè)階段，撬動(dòng)過(guò)程和翻轉(zhuǎn)過(guò)程，前一過(guò)程活塞桿速度在15cm/s左右，后一過(guò)程僅需克服各部分的重力作用，速度波動(dòng)較小，在25cm/s附件波動(dòng)。前一個(gè)過(guò)程中，傾翻油缸所承受的外載荷比較大，有桿腔的壓力從218bar減小到151bar，而后一過(guò)程，外載荷繼續(xù)減小，壓力繼續(xù)減小到87bar。

4 實(shí)車測(cè)試分析

采用5060液壓測(cè)試儀，對(duì)實(shí)車的舉升機(jī)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試系統(tǒng)原理和傳感器安裝，如圖8所示。

圖8 試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)Fig.8 Test System

操縱鏟斗進(jìn)行挖掘裝載和卸載，整個(gè)過(guò)程中，性能曲線，如圖9所示。由圖可知，整個(gè)過(guò)程持續(xù)9s，行程702mm，鏟斗油缸伸出過(guò)程動(dòng)作平穩(wěn)，達(dá)到最大位移時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重液壓沖擊，但斗桿聯(lián)具有安全閥，設(shè)置安全保護(hù)壓力280bar，與實(shí)測(cè)壓力曲線尖峰值吻合。鏟斗卸荷動(dòng)作歷時(shí)2.34s，油缸卸荷壓力為61.03bar。

圖9 測(cè)試結(jié)果Fig.9 Test Results

對(duì)各液壓缸試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)，得出各試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果并與理論計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如表4所示。

表4 測(cè)試結(jié)果對(duì)比Tab.4 Comparison of Test Results

由表中分析結(jié)果可知，油缸的實(shí)際工作行程均小于仿真分析值，表明實(shí)際中油缸達(dá)到最大位置時(shí)，仍有一定的富余量，保證各油缸的活塞不發(fā)生觸底現(xiàn)象；同時(shí)油缸的仿真分析時(shí)間和實(shí)際測(cè)試時(shí)間基本一致，誤差控制在3%以內(nèi)，表明分析的可靠性。

5 結(jié)論

（1）當(dāng)大臂處于最低位置時(shí)，舉升缸伸長(zhǎng)最短且為1309.9mm；當(dāng)大臂舉升到最高位置時(shí)，舉升缸伸長(zhǎng)最長(zhǎng)且為2147.4mm，由此可求得整個(gè)舉升過(guò)程中舉升缸最大行程為837.5mm；傾翻油缸所受最大載荷為410.51kN，發(fā)生在鏟斗開始撬動(dòng)時(shí)；

（2）鏟斗滿載時(shí)舉升臂從最低位置舉升到最高位置時(shí)間為8.5s，傾翻缸動(dòng)作的時(shí)間為14.7s左右，鏟斗空載收斗時(shí)間為3.7s，整個(gè)過(guò)程滿足實(shí)際工作時(shí)間的操作要求；

（3）實(shí)車測(cè)試與仿真分析之間的誤差小于3%，表明分析結(jié)果是可靠的，油缸的實(shí)際工作行程均小于仿真分析值，表明實(shí)際中油缸達(dá)到最大位置時(shí)，仍有一定的富余量，保證各油缸的活塞不發(fā)生觸底現(xiàn)象。