基于ITI-SimulationX的矿用液压挖掘机再生阀建模与仿真.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／ 20 1 6． r- 3 r ；0 7期 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ． 2 0 1 6 ． 0 7 ． 0 0 2 基于 I T I - S i mu l a t i o n X的矿用液压挖掘机 再生 阀建模与仿真 吕晓林 ， 郭世英 太原重工股份有限公 司， 山西 太原0 3 0 0 2 4 摘要 该文根据某大型矿用液压挖掘机动臂油缸液压控制系统用再生阀工作机能， 搭建了再生阀I T I S i mu l a t i o n X基础模型 ， 并利用 I T I S i mu l a t i o n X软件二次开发平台T y p e D e s i g n e r 对再生阀基础模型进行了封装。在此基础上， 建立了动臂油缸再生控制系统模型并 仿真 ， 获取了再生阀各阀边动态曲线 ， 直观的了解再生阀在工作过程中各阀边的状态变量 ， 从而指导设计 ； 同时 ， 通过仿真模拟现场实 际工况 ， 指导了现场再生阀参数调试。 关键 词 矿用 液压挖掘机 ； 动臂油 缸 ； 再 生阀 ； I T I S i m u l a t i o n X 中图分 类号 T H1 3 7 文 献标 志码 A 文章编 号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 6 0 7 0 0 0 4 0 3 M od e l i n g a nd Si mu l a t i o n o f Re g e ne r a t e Va l ve f o r M i n i n g Hy d r a u l i c Exc a va t o r Ba s e d o n I TI Si mul a t i o n X LVXi a o l i n ， GUO S h i - y i n g T a i y u a n He a v y I n d u s t r y L i mi t e d C o mp a n y , T a i y u a n 0 3 0 0 2 4 ， C h i n a Abs t r a c t Ac c or d i ng t o t he c h a r a c t e r i s t i c o f r e g e ne r a t e v al ve whi c h i s us e d i n boo m c y l i nde r h yd r a u l i c c ont r ol s ys t e m ， t he pa pe r bu i l d u p I TI Si mu l a t i o n X b a s i c e l e me n t s ， a n d p a c k a g e d t h e b a s i c e l e me n t s u s i n g s e c o n d a r y d e v e l o p me n t p l a t f o r m T y pe De s i g n e r o f I TI - S i mu l a - t i o n X ． Ab o v e t h i s ， t h e p a p e r c a r r i e d o u t t h a t mo d e l i n g a n d s i mu l a t i o n o f b o o m c y l i n d e r r e g e n e r a t i n g c o n tro l s y s t e m ， g o t the d y n a mi c c u r v e o ft h e r e g e n e r a t e v a l v e e d g e s ， c a n c l e a r l y u n d e r s t a n d t h e v a r i a b l e o ft h e r e g e n e r a t e v a l v e e d g e s S O t o g i v e g u i d a n c e f o r d e s i g n e r ； At t h e s a me t i me ， s i mu l a t i o n b a s e d o n th e wo r k i n g s t a t i o n g a v e gu i d a n c e for t h e t e s t i n g o f th e r e g e n e r a t e v a l v e ． Ke y wo r d s mi n i n g h y d r a u l i c e x c a v a t o r ； b o o m c y l i n d e r ；r e g e n e r a t e v a l v e； I T I - S i mu l a t i o n X 1 概述 再生阀是大型矿用液压挖掘机动臂油缸液压控制 系统关键元件 。动臂油缸液压控制 系统用于抬升和下 放工作装 置 ， 为了充 分利用抬升后工作 装置 自重产生 的势能 ， 同时实时控制工作装置下放速度 ， 特在动臂油 缸无杆 腔与有杆腔问设置一再 生控制 阀 ， 对工作装置 势能进行 能量再 生利用 ， 减少原动机能量输 出[ 1 - 3 1 。本 文 以某大型矿用液压挖掘机为例 ， 应用 I T I S i mu l a t i o n X 软件二次开发平 台 T y p e De s i g n e r _4 对再 生 阀进行建模 及仿真， 查看再生阀工作状态 ， 为大型矿用液压挖掘机 设计及应用提供参考。 2 再生阀工作原理 在某 大型矿用液压挖掘机 动臂油缸液压控制系统 中， 动臂油缸无杆腔与有杆腔间设置有再生阀， 其机能 符号如图1 所示， 即端 口A与动臂油缸无杆腔相连， 端 收稿 日期 2 0 1 6 0 2 2 3 基金项目 山西省煤基重点科技攻关项目 M J 2 0 1 4 一 O 1 作者简 介 吕晓林 1 9 8 2 一 ， 男 ， 山西静 乐人 ， 工程 师 ， 硕 士 ， 主要 从事 流 体 传动与控制技 术的设计工作 。 4 口B与动臂油缸有杆腔相连 ， 端 口T与液压油箱相通 ， 泄油端 口L与油箱相通 ， 端 口P s t 为再 生 阀的液控端 。 液控端 P s t 口处先导油液无压力 时 ， 再生阀在复位 弹簧 的作用下 ， 工作于右位 ， 即 动臂油缸 的无杆 腔与有杆 腔不通 。随着 液控端 P s t 口处先 导油液压 力增 大 ， P s t 口处的先导压力克服弹簧力 ， 再生阀阀芯移动， 工作于 右位 。 T A L P S 图 1再 生阀机能 符号 图 根据某大型矿用液压挖掘机工况要求， 其动臂油 缸液压控制系统所选再生阀控制曲线见图2 所示。当 P s t 口处的先导压力小于7 b a r 时 ， 再生阀复位弹簧的作 用下工作于右位， 端 口A、 B 、 T 各不相通； 当P s t 口处的 先导压力达到7 b a r 时， 端口B 与端口T 想通； 当P s t 口处 的先导 压力达 到 9 b a r 时 ， 端 口A经节流 与端 口B、 T相 通 ； 当 P s t 口处 的先导压力达到 2 4 b a r 时 ， 再生 阀阀芯移 Hy d r a u l i c s P n e u m a t i c s S e a l s ／ No ．0 7 ． 2 01 6 动到极限位置， 阀芯全部打开。同时， 通过调节再生阀 限位螺钉 ， 可调节 阀芯行程 由 1 0 ． 5 ～2 0 mm问变化 ， 从 而控制 阀芯开 口面积于 0～5 3 0 m m 间变化。 图 2 再 生 阀 特 性 曲线 为了实现大型矿用液压挖掘机工作装置 的平稳快 速下放 ， 可通 过调节再生 阀的行程 限位螺钉 限制 阀芯 的最大开口度， 从而限制工作装置的最大下放速度 ， 实 现工作装置快速安全可靠下放 ， 同时且可通过调节液 控端 P s t 口先导油源压力 ， 适时连续调节再生阀阀芯开 口度， 实现工装装置按照要求速度适时下降。 3 建模 按照再生控制阀各位机能， 调用了I T I S i m u l a t i o n X 软件液压库的比例阀边B T 、 A B T 、 信号处理模块P T 1 、 P T 2 、 函数 模块 s e t P r e s s u r e l 、 s e t P r e s s u r e 2 、 s e t P r e s s u r e 3 、 s e t P r e s s u r e 4 以及信号转换模块等， 并分别在端 口A、 B 、 T 连接了辅助容腔 ， 建立再生控制阀展开模型 ， 如图4 所示 。 根据再生阀特性曲线 ， 在函数 s e t P r e s s u r e I 和 s e t ． P r e s s u r e 2 中分别设置了比例阀边 B T 及A B T的控制信 号函数， 即 控制压力达到7 b a r 时， 比例阀边B T 开口度 为4 mm， 压力达到 2 4 b a r 时 ， 比例 阀边 B T开 口度为行程 弹簧限制值 函数 S e t 的设定值 ； 控制压力达到9 b a r 时 ， 比例 阀边 A B T开 口度为 6 mm， 压力达到 2 4 b a r 时 ， 比 例阀边A B T 开口度为行程弹簧限制值 函数S e t 的设定 值 ； 根据再生阀特性曲线给出主阀芯位移与各节流口 过流面积关系， 定义了比例阀边 B T 及A B T 的主阀芯位 移等变量。图3 为各阀边阀芯位移一 过流面积关系曲 线。由图可知 ， 比例阀边B T 及A B T 最大过流面积为 5 3 0 m m ， 其节流口流量与过流面积满足下列关系式 A R e 1 2 Q 、 ／2 卸／ p 3 式中Q节流 口流量 ； 4节流 口过流面积 ； d 水力直径 ； 运动粘度 ； 雷诺数； 湍流范围内流量系数 ， 其值取决于节流 口 形状 ， 取值范围在 0 ． 6～0 ． 9 之 间； △ p 节流 口压差 ； P油液密度 。 g 60 、40 曩2 0 捌 I 谊 堰 捌 行 娶／mm 图3各阀边阀芯位移一 过流面积关系曲线 框选模 型全部 内容 ， 利用 I T I S i m u l a t i o n X软件 T y p e D e s i g n e r 平台对模型进行封装， 如图4 所示。 4 仿真及分析 根据某大型矿用液压挖掘机工况 ， 建立了动臂油 缸液压再生控制系统仿真模型， 如图5 所示。 以某大型矿用液压液压挖掘机动臂油缸参数为基 础 ， 根据再生阀工作曲线， 行程限位螺钉设置为 2 0 m m 时， 对动臂油缸再生控制系统模型进行了仿真。通过 仿真查看到了再生阀在工作过程中各阀边的动态过 程 ， 仿真结果见图6 动臂油缸再生控制系统曲线2 。具 体仿真结果为 液控 口先导压力为 6 ． 9 b a r 时 ， 端 口B与 T相通 ； 液控 口先导压力为 8 ． 9 b a r 时 ， 端 口A、 B、 T相通 ； 液控 口先导压力为 2 4 b a r 时 ， 再生阀全开 ， 比例阀边 B T 及 AB T最大过流面积为 5 3 0 mm ； 动臂完全下放耗 时 2． 5s 。 为了适应现场作业工况要求 ， 保证工作装置快速 平稳下放 ， 当行程 限位螺钉设置为 2 0 mm， 先导油液压 力为 2 4 b a r 时 ， 工作装置下放过快 ； 特重新调节行程 限 位螺钉设 置和先导油液压力 ， 对动臂油缸再生控制系 统模型进行模拟仿真。当行程限位螺钉设置为 1 5 m m 5 液匿 气 动 与 密 J i d “ ／20 1 6年 第 0 7期 图4再生控制阀封装模型 ． - ．_ - v o ． we 2 A f l 。 w- B 1 p 平_ A n o w A B T 图 6 动臂油 缸再 生控制 系统 曲线 2 时 ， 先导油液压力 为 2 0 b a r 时 ， 动臂下放耗 时4 ． 5 s ， 工作 装置下放平稳 ， 满足现场工艺要求 ， 具体见图7 动臂油 缸再生控制系统 曲线 2 。 5 结论 利用 I T I S i m u l a t i o n X软件的二次开发平台， 对某 大型矿用液压挖掘机动臂油缸液压控制系统用再生阀 进行 了建模 与仿真 ， 得到 了再生 阀各 阀边先 导压力一 过 流面积等状态变量 曲线 ， 以及动臂油缸快速下放 曲 线。结果表明， 通过搭建再生阀仿真模型， 可以更直观 地了解再生阀在工作过程中各阀边的状态变量 ， 从而 指导设计 ； 同时， 通过仿真模拟现场实际工况 ， 可以指 6 1 1 j 1 0J J 图5动臂油缸再生控制系统模型 ． _ ● 一Y q l v e 2 f I 盯 - f w 盯 图7动臂油缸再生控制系统 曲线2 导现场调试过程中各参数的设置 ， 从而保证设备平稳 运行 。 参考文献 【 1 ] 张玉川， 蔡禺． 进 iZ l 液压挖掘机 国产化改造[ M ] ． 成都 西南交 通大学出版社． 2 0 0 7 ． 【 2 】 孔德文， 赵克利， 徐宁生． 液压挖掘机【 M】 ． 北京 化学工业出 版社， 2 0 0 7 ． 【 3 】 朱齐平． 进口挖掘机维修手册【 M ] ． 沈阳 辽宁科学技术出版 社 ， 2 0 0 4 ． 【 4 ] 刘艳芳． S i m u l a t i n X精解与实例【 M 】 ． 北京 机械工业出版社， 2 0 1 0 ． 【 5 】 周全， 李光， 吕晓林 ， 等．基于多学科仿真的大型正铲液压挖 掘机工作装置动态强度研究[ J ] ． 机电工程， 2 0 1 5 ， 3 ． 雹昌＼ 旧盛欺 卜 ∞ ]。