基于AMESim的新型成孔機(jī)動(dòng)臂動(dòng)態(tài)性能研究

陳超，王剛，王力，朱德泉，楊雄

(1.蘭州倚能電力(集團(tuán))有限公司，甘肅 蘭州 730070；2.西安卓力科技發(fā)展有限公司，陜西 西安 710038)

0 引言

新型成孔機(jī)是一種針對(duì)山地濕陷性黃土的成孔設(shè)備，基于某型挖掘機(jī)改裝而成。成孔作業(yè)時(shí)，需要其臂架裝置能夠長(zhǎng)時(shí)間保持初始位置不變，然而因挖掘機(jī)主閥密封性能較差，動(dòng)臂液壓缸、斗桿液壓缸和鏟斗液壓缸不能完全鎖死，不能滿足設(shè)計(jì)要求。因此需要對(duì)挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行改造，在液壓缸油路加裝平衡閥或液壓鎖，使臂架能長(zhǎng)時(shí)間保持初始位置。液壓系統(tǒng)加裝平衡閥或者液壓鎖后，會(huì)影響動(dòng)臂[1]或斗桿的動(dòng)態(tài)性能，因此需要對(duì)新型成孔機(jī)臂架裝置的動(dòng)態(tài)性能展開研究。本文主要對(duì)動(dòng)臂下降運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行研究。

針對(duì)臂架系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。陳晉市等[2]針對(duì)起重機(jī)起升系統(tǒng)模型仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果表明，合理匹配平衡閥控制端阻尼并采用硬管過渡連接,改善起升系統(tǒng)的性能及避免抖動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生。王子坡等[3]分析了起重機(jī)臂架抖動(dòng)的原因，并通過模型仿真分析得出回油路節(jié)流閥、平衡閥控制油路阻尼孔等因素對(duì)變幅油缸運(yùn)動(dòng)的影響,對(duì)解決臂架變幅下降時(shí)的抖動(dòng)現(xiàn)象具有指導(dǎo)意義。齊敦建[4]針對(duì)動(dòng)臂和斗桿液壓再生回路進(jìn)行介紹及故障診斷。張金陽(yáng)[5]針對(duì)挖掘機(jī)在裝車作業(yè)時(shí)出現(xiàn)動(dòng)臂下降卡頓現(xiàn)象，分析動(dòng)臂下降油路原理并排除故障。王永進(jìn)等[6]針對(duì)液壓挖掘機(jī)的動(dòng)臂液壓控制系統(tǒng)，提出動(dòng)臂下降時(shí)采用比例再生閥，并驗(yàn)證了挖掘機(jī)液壓控制方案的正確性。劉成強(qiáng)等[7]以正流量挖掘機(jī)動(dòng)臂液壓系統(tǒng)為研究對(duì)象，建立了動(dòng)臂液壓系統(tǒng)的仿真模型，并表明正流量控制挖掘機(jī)的動(dòng)臂缸控制特性，很好地體現(xiàn)了駕駛意圖。劉釗等[8]針對(duì)裝載機(jī)動(dòng)臂起降振動(dòng)問題,提出液壓變流量緩沖控制方案，并采用電液比例閥流量控制方法，調(diào)節(jié)后期進(jìn)油流量，降低動(dòng)臂慣性沖擊。巫將等[9]針對(duì)雙平衡閥控雙缸變幅機(jī)構(gòu)在負(fù)載下降時(shí)，因雙平衡閥結(jié)構(gòu)參數(shù)的差異導(dǎo)致雙缸不同步現(xiàn)象，仿真與試驗(yàn)證明了左右平衡閥控制阻尼孔的差異會(huì)導(dǎo)致變幅雙缸在負(fù)載下降過程中出現(xiàn)不同步，而導(dǎo)壓比、調(diào)壓彈簧預(yù)緊力的差異會(huì)導(dǎo)致雙缸開啟不同步，提出了雙缸無(wú)杠腔連通加防爆閥的解決方案。李曉鵬等[10]運(yùn)用逆解分析了調(diào)角油缸的振動(dòng)隨鉆桿振動(dòng)的變化情況,分析表明變幅機(jī)構(gòu)對(duì)鉆桿振動(dòng)起到了分散振動(dòng)能量的作用。

目前的研究都集中于傳統(tǒng)挖掘機(jī)或起重機(jī)臂架系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的提升，新型成孔機(jī)是基于挖掘機(jī)的一種新設(shè)備，其臂架系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的研究還是空白。本文將對(duì)比分析平衡閥和液壓鎖對(duì)新型成孔機(jī)動(dòng)臂下降動(dòng)態(tài)性能的影響。

1 動(dòng)臂下降運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型

新型成孔機(jī)主要包括手柄支架、洛陽(yáng)鏟、防擺裝置、卷?yè)P(yáng)機(jī)、快速連接裝置、斗桿、動(dòng)臂等，如圖1所示。

1—手柄支架；2—洛陽(yáng)鏟；3—防擺裝置；4—卷?yè)P(yáng)機(jī)；5—快速連接裝置；6—斗桿；7—?jiǎng)颖邸?/p>

首先調(diào)整動(dòng)臂、斗桿到達(dá)最優(yōu)位置，調(diào)整防擺裝置等處于豎直位置。然后運(yùn)用控制手柄控制主閥和電磁換向閥，使洛陽(yáng)鏟自由下降鏟土，完成鏟土作業(yè)后利用卷?yè)P(yáng)機(jī)提起洛陽(yáng)鏟，卷?yè)P(yáng)到位后防擺裝置頂住洛陽(yáng)鏟，防止回轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)擺動(dòng)現(xiàn)象，回轉(zhuǎn)到位后快速抖動(dòng)卸土，卸土作業(yè)完成后，利用GPS定位系統(tǒng)回轉(zhuǎn)到預(yù)定工作位置。通過循環(huán)作業(yè)，完成預(yù)定深度的成孔施工。臂架裝置在調(diào)整好位置后，在整個(gè)成孔作業(yè)過程中需要保持初始位置不變，因此需在原有液壓系統(tǒng)中加裝閉鎖元件。本文將對(duì)常用的閉鎖元件，即平衡閥和液壓鎖對(duì)臂架裝置下降動(dòng)態(tài)性能的影響進(jìn)行理論和仿真研究，確定最佳的閉鎖方案。

新型成孔機(jī)采用負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)，負(fù)載敏感系統(tǒng)中主閥的壓力差為定值。由流量計(jì)算公式，可得通過的流量為

(1)

式中：Cd為流量系數(shù)；AT為主閥閥口過流面積，mm2；ΔP1為主閥閥口壓力差，MPa。

動(dòng)臂液壓缸有桿腔流量公式為

Q2=Q1

(2)

式中Q2為有桿腔流量，L/min。

平衡閥芯的受力平衡方程為

(3)

式中：m1為平衡閥芯質(zhì)量，kg；p為有桿腔壓力，MPa；Ac為平衡閥控制腔作用面積，mm2；k為彈簧剛度系數(shù)，N/mm；x0為彈簧預(yù)壓縮量，mm；x1為平衡閥主閥芯位移，mm；c為黏性系數(shù)。

平衡閥流量、無(wú)桿腔流量方程為：

(4)

Q4=Q3

(5)

式中：A0為平衡閥開口面積，mm2；ρ為油液密度，kg/m3；ΔP2為平衡閥進(jìn)出口壓力差，MPa；Q3為平衡閥流量，L/min；Q4為動(dòng)臂液壓缸無(wú)桿腔流量，L/min。

根據(jù)液壓缸無(wú)桿腔流量，可推導(dǎo)出有桿腔理論流量Q′2，公式如下：

(6)

式中：A1為動(dòng)臂液壓缸無(wú)桿腔面積，mm2；A2為動(dòng)臂液壓缸有桿腔面積，mm2。

通過數(shù)據(jù)計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，理論上動(dòng)臂液壓缸有桿腔所需的流量Q′2大于實(shí)際上泵供給的流量Q2，因此需要再生單向閥向動(dòng)臂有桿腔進(jìn)行補(bǔ)油。這也是挖掘機(jī)采用的能量再生系統(tǒng)，但會(huì)造成平衡閥的控制壓力過低，且容易造成動(dòng)臂下降頓挫。

2 動(dòng)臂液壓系統(tǒng)仿真模型

利用AMESim軟件建立仿真模型，如圖2所示，包括臂架裝置模塊1、斗桿液壓系統(tǒng)模塊2、鏟斗液壓系統(tǒng)模塊3、平衡閥模塊4、主閥模塊5、負(fù)載敏感泵模塊6。由于主要研究動(dòng)臂下降時(shí)的動(dòng)態(tài)性能，故對(duì)斗桿和鏟斗液壓系統(tǒng)模塊進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理。

圖2 采用平衡閥方案的動(dòng)臂液壓系統(tǒng)模型

將圖2中的平衡閥部分換成液壓鎖，液壓鎖面積梯度較大，是開關(guān)閥而非連續(xù)閥。平衡閥和液壓鎖都有負(fù)載保持功能，控制壓力由先導(dǎo)油路提供。其他參數(shù)不變，建立的液壓系統(tǒng)模型如圖3所示。

圖3 采用液壓鎖方案的動(dòng)臂液壓系統(tǒng)模型

液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)如表1所示。

表1 液壓系統(tǒng)參數(shù)

3 動(dòng)臂下降動(dòng)態(tài)性能分析

設(shè)置仿真參數(shù)，在standard option中選定hold inputs constant，進(jìn)行運(yùn)行；然后選中g(shù)eneral中use old final values，進(jìn)行仿真。仿真時(shí)間為15 s，從2 s開始進(jìn)行下降動(dòng)作。分別分析平衡閥和液壓鎖對(duì)動(dòng)臂下降過程動(dòng)態(tài)性能的影響。

3.1 平衡閥方案

圖4-圖7分別為平衡閥閥芯位移量曲線、動(dòng)臂液壓缸活塞位移曲線、動(dòng)臂液壓缸壓力曲線和動(dòng)臂液壓缸流量曲線。0 s～2 s設(shè)置主閥控制壓力為0。2 s～15 s動(dòng)臂液壓缸有桿腔壓力控制平衡閥閥芯位移大小，有桿腔壓力較大時(shí)，平衡閥位移較大；有桿腔壓力較小時(shí)，平衡閥位移較小。由仿真曲線可知，動(dòng)臂液壓缸有桿腔壓力變化頻率很快，導(dǎo)致平衡閥芯位移高速變化。平衡閥的流量與動(dòng)臂液壓缸無(wú)桿腔的流量相等，平衡閥閥芯位移的大小影響著平衡閥的流量，從而影響動(dòng)臂液壓缸無(wú)桿腔的流量和壓力。通過力平衡計(jì)算無(wú)桿腔壓力會(huì)影響有桿腔的壓力，進(jìn)而影響平衡閥閥芯開度。經(jīng)分析可知，動(dòng)臂下降速度與平衡閥閥芯開度相互耦合影響，從而使液壓缸活塞位移變化幅度較大，導(dǎo)致動(dòng)臂下降頓挫，嚴(yán)重影響新型成孔機(jī)臂架動(dòng)態(tài)性能，理論分析結(jié)果與仿真結(jié)果一致。

圖4 平衡閥閥芯位移

圖5 平衡閥方案動(dòng)臂液壓缸活塞位移

圖6 平衡閥方案動(dòng)臂液壓缸壓力

圖7 平衡閥方案動(dòng)臂液壓缸流量

3.2 液壓鎖方案

仿真參數(shù)設(shè)置同上，圖8-圖11分別為液控單向閥流量曲線、動(dòng)臂液壓缸活塞位移曲線、動(dòng)臂液壓缸壓力曲線和動(dòng)臂液壓缸流量曲線。0 s～2 s設(shè)置主閥控制壓力為0。2 s～8 s動(dòng)臂剛開始做下降動(dòng)作時(shí)，因存在慣性，流量、壓力存在瞬時(shí)突變，然后平穩(wěn)。動(dòng)臂下降過程中，動(dòng)臂液壓缸流量、壓力波動(dòng)幅度比較平穩(wěn)，動(dòng)臂液壓缸活塞平穩(wěn)移動(dòng)，從而動(dòng)臂能平穩(wěn)下降。8 s～15 s內(nèi)，動(dòng)臂下降到最低點(diǎn)，開始溢流，動(dòng)臂液壓缸活塞位移較為平穩(wěn)。

圖8 液控單向閥流量

圖9 液壓鎖方案動(dòng)臂液壓缸活塞位移

圖10 液壓鎖方案動(dòng)臂液壓缸壓力

圖11 液壓鎖方案動(dòng)臂液壓缸流量

3.3 對(duì)比分析

圖12、圖13為動(dòng)臂液壓缸速度對(duì)比曲線、動(dòng)臂液壓缸活塞位移對(duì)比曲線。從圖12和圖13可知，采用液壓鎖方案的動(dòng)臂在下降過程中速度較為平穩(wěn)，液壓缸活塞位移平穩(wěn)變小，而采用平衡閥方案的動(dòng)臂在下降過程中速度波動(dòng)非常劇烈，液壓缸活塞位移存在波動(dòng)，動(dòng)臂下降過程會(huì)出現(xiàn)頓挫現(xiàn)象。此外，采用液壓鎖方案的動(dòng)臂在6 s左右就能完成下降，而采用平衡閥方案的動(dòng)臂總體下降速度較慢，需要很長(zhǎng)的時(shí)間才能完成下降。通過對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，液壓鎖方案要明顯優(yōu)于平衡閥方案。

圖12 動(dòng)臂液壓缸速度對(duì)比

圖13 動(dòng)臂液壓缸活塞位移對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)某型挖掘機(jī)改裝的新型成孔機(jī)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行研究。建立了新型成孔機(jī)動(dòng)臂下降運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型。建立了采用平衡閥、液壓鎖兩種方案的動(dòng)臂液壓系統(tǒng)仿真模型，并分析平衡閥和液壓鎖對(duì)新型成孔機(jī)動(dòng)臂下降動(dòng)態(tài)性能的影響。仿真結(jié)果表明：采用液壓鎖方案的動(dòng)臂下降過程平穩(wěn)，且下降速度快；采用平衡閥方案的動(dòng)臂下降過程中會(huì)出現(xiàn)頓挫現(xiàn)象，下降速度較慢。平衡閥方案出現(xiàn)頓挫現(xiàn)象主要是因?yàn)橛袟U腔壓力波動(dòng)影響平衡閥閥芯開度變化，導(dǎo)致動(dòng)臂液壓缸活塞位移波動(dòng)，從而影響動(dòng)臂下降的穩(wěn)定性，造成頓挫現(xiàn)象。研究結(jié)果表明，采用液壓鎖方案的動(dòng)臂動(dòng)態(tài)性能明顯優(yōu)于平衡閥方案。