一种矿用液压挖掘机能量再生控制系统设计及仿真分析.pdf

Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 1 1 ． 2 0 1 4 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ． 2 0 1 4 ． 1 1 ． 0 2 3 一 种矿用液压挖掘机能量再生控制 系统设计及仿真分析 吕晓林， 张永明， 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 该文综述了一种矿用液压挖掘机能量再生控制系统。工作装置是液压挖掘机的重要部件。在矿用液压挖掘机挖掘过程中， 动臂油缸缩回， 可控制整个工作装置下放， 同时， 工作装置 自重会对动臂油缸产生冲击能量； 通过分析以上工况 ， 为了充分利用工作装 置下放时 自重产生的能量 ， 进行能量再生利用， 减少原动机能量输出， 特计算和选择 了再生阀， 设计了一种矿用液压挖掘机能量再生 控制系统。而后通过I T I S i mu l a t i o n X软件建模仿真分析 ， 对该系统进行了验证。 关键词 矿用液压挖掘机 ； 工作装置 ； 动臂油缸； 再生阀； 能量再生； I T I S i mu l a t i o n X 中图分 类号 T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 l 4 1 卜0 0 7 3 0 3 Th e De s i g n a n d Ana l ys i s of a En e r g y Re u s e Co n t r o l S y s t e m f o r M i n i n g Hy d r a ul i c Ex c a v a t o r LVXi a o l i n， Z HA NG Y o n g - mi n g， GUOS 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 Ab s t r a c t Th e p a p e r r e v i e we d a e n e r g y r e u s e s y s t e m o f mi n i n g h y d r a u l i c e x c a v a t o r ． At t a c h me n t i s t h e i mp o r t a n t p a r t o f the h y dra u l i c e x c a - v a t o r ． W h e n the mi n i n g h y dra u l i c e x c a v a t o r i s wo r k i n g ， b o o m c y l i n d e r r e t r a c t wh i c h c a n c o n tr o l the a t t a c hm e n t d o wn ． S i mu l t a n e o u s l y , the we i g h t o f t h e a t t a c hm e n t wi l l s t ri k e the b o o m c y l i n d e r．Th r o u g h a n a l y z i n g the c a s e ， a u tho r c a l c u l a t e d a n d s e c l u d e d t h e r e g e n e r a t i n g v a l u e ， d e s i g n e d a e n e r gy r e u s e s y s t e m o f mi n i n g h y dra u l i c e x c a v a t o r ． I t s p u r p o s e i s f u l l y u s e o f the e n e r gy b e c a u s e o f the a t t a c hm e n t ’ S w e i ght wh e n th e a t t a c hme n t i sl l ing ， an d wi l l d e c r e a s e th e o u t p u t o f the e n g i n e ． At the s a me t i m e ， t h r o u g h the I TI - S i mu l a t i o n X s o ft wa r e mo d e l ing an d s i mu l a t i o n an a l ys i s ， the s y s t e m c a l l f u l l y r e u s e o f the e n e r gy ． Ke y wo r d s mi n i n gh y dr a u l i c e x c a v a t o r ；a t t a c h m e n t ； b o o m c y l i n d e r ； r e g e n e r a t ev a l v e ； e n e r gy r e u s e； I TI S i mu l a t i o n X 1 概述 矿 用液 压挖掘机 在大 型露天矿 中有着 广泛 的应 用 ， 工作装置是液压挖掘机 的重要部件 ， 动臂油缸 负责 工作装置 的抬升和 下放 。司机操作工作装置 包括动 臂 、 斗杆和铲斗 下放 时， 由于工作装置 自重会引起动 臂油缸无杆腔 油液快速 回油 ， 从而使工作装置快速下 降； 在矿用液压挖掘机挖掘过程中， 工作装置过快 的下 降不仅会损坏动臂， 而且会引起砸车等事故。因此， 为 了实现工作装置的下放速度可控， 同时充分利用工作 装置下放 时产生 的冲击 能量 ， 特设计 了一种矿 用液压 挖掘机能量再生控制系统 。 2 矿用液压挖掘机动臂下放能量再生 系统设计 所设计的一种矿用液压挖掘机 能量再生控制系统 由左侧动臂缸 1 、 右侧动 臂油缸 2 、 左 动臂油缸再 生阀 收稿 日期 2 0 1 4 0 6 0 3 作者简介 吕晓林 1 9 8 2 一 ， 男 ， 山西静乐人， 助理工程师， 硕士， 主要从事 流体传动与控制技术的设计工作。 3 、 右动臂油缸再生阀4 、 左动臂油缸单向阀5 、 右动臂油 缸单 向阀6 、 油箱 7以及液压管路组成 见图 1 ， 具体设 计计算如下 动臂 油缸 行程 S 2 1 5 0 mm， 缸径 D 3 0 0 mm， 杆 径 d 2 0 0 mm， 按 照挖掘工艺需在 t 4 ． 5 s内工作装置须下 放到位； 动臂油缸无杆腔回油流量Q无 为 3 ． 1 4 D i 2 - d 一2 S2 0 5 0 L ／ mi n 1 Q N ---- 4 0 5 0L ／ mi n 2 肫 3 e 4 Q a A／ 2 A p ／ p 5 式中Q节流 口流量； A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 73 液 压 气 动 与 密 封 ／2 O 1 4专_- j 1 1 期 形状 ， 取值 范围在 0 ． 6 ～0 ． 9 之 间， △ p为节流 口压差 ， P 为油液密度 。 图 1 能量再 生控 制系统 根据公式 3 、 4 、 5 计算得 ， 选定动臂油缸再生 阀为力士乐MI O阀。 工作原理 为 工作装置下放时 ， 先导 液压油 P s t 能 够通过管路系统作用于左右动臂油缸再生阀3 、 4 的控 制腔 ， 推动左右动臂油缸再生阀 3 、 4阀芯右移 ； 左动臂 油缸再生 阀 3 和右动臂油缸再生 阀4 在 阀芯设置了 内 置节 流阀芯 ， 用于限制工作装 置下放速度 。这样 由于 工作装置 自重下放时产生的能量冲击 ， 推动左动臂油 缸 1 和右动臂油缸 2 无杆腔压力油 ， 进入左动臂油缸再 生 阀3 和右动臂油缸再生 阀4 。后经左动臂油缸再生 阀 3 和右动臂油缸再生阀4 节流控制后 ， 一部分压力油 进入到动臂油缸有杆腔 ， 多余液压油经单向阀回到了 油箱 ； 从 而充分利用 了工作装置下放时 自重产生 的能 量， 减少了原动机的输出， 实现了工作装置安全有效的 下放 。 3 仿真分析及应用情况 3 ． 1建模 为了检验所建系统的控制效果， 在制造之前， 对所 设计的能量再生控制系统进行了建模和仿真计算 。 I T I S i mu l a t i o n X是德国I T I 有 限公司开发的一款分析评 价技术系统内各个部分相互工作的权威软件 ， 是多学 科领域建模、 仿真和分析的通用C A E 工具。它在所有 工业行业中的传动及控制技术， 如流体传动、 机电传动 和电磁驱动等， 有超过二十年的建模和仿真经验。基 于以上原 因 ， 采用 了I T I S i mu l a t i o n X对所设计 的能量 再生控制系统进行了建模和仿真计算。 利用I T I S i m u l a t i o n X软件搭建 了再生阀模型， 而 后利用 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 对再生阀液压元件进行封装 ， 从元件基本单元逐级 封装 ， 依据再生阀产品样本数据 ， 包括结构尺寸、 特性 曲线等进行模型参数输入， 通过建立测试回路 ， 验证元 件功能和特性 ， 最后搭建了动臂再生控制系统的简化 7 4 模 型， 如图2 所示 。 图2 动臂再生下放控制系统建模模型 3 ． 2 仿真结果及分析 在能量再生控制系统模 型中 ， 设置动臂再生 阀行 程为 2 0 mm， 油缸行程 为 2 1 5 0 m m， 缸径为 3 0 0 m m， 杆 径为 2 0 0 m m， 通 过对能量再生 控制系统仿真 ， 所得 的 仿真结果 见图3 所示 为 在无外部动力源供油 的情况 下 ， 在4 ．0 3 5 s 内， 动臂油缸平稳可靠的全部缩回， 行程 由2 1 5 0 m m变为O m m， 能够满足矿用液压挖掘机工作循 环时问； 同时， 由图4 3 2 作装置 自重对油缸做功图谱知， 工作装置自重对动臂油缸做功约8 k W， 充分利用工作 装置下放 时工作装置 自重产生的能量 ， 再生利用了该 部分能量 ， 实现 了动臂 的下放 ， 而不需要发动机向液压 系统输出功率。 曩 越 4 0 薰 23 。0 褥 l O 雷0 ．1 0 图4 动臂 自重对油缸做功 图谱 3 ． 3 应用情况 目前 ， 大型矿用液压挖掘机在国外 已经得 到了很 广泛的应用。国内也已开始使用大型矿用液压挖掘 机， 主要生产商有 日 本的日立公司， 德国的利勃海尔 ， 日 本的小松 ， 美国的卡特彼勒、 特雷克斯等。太原重工 股份有限公司于2 0 1 0 年 自主生产了某型大型矿业液压 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 1 1 。 2 0 1 4 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ ] ． i s s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ． 2 0 1 4 ． 1 1 ． 0 2 4 柔性设计在挖掘机液压 系统 中的体现 吕晓杰 青岛滨海学院， 山东 青岛2 6 6 5 5 5 摘 要 工程机械一般要求多执行机构协同动作 ， 多执行机构协同动作时的可操作性、 协调性体现了整机的柔性。该文分析了挖掘机 液压系统中提高系统柔性的常见技术。 关键词 工程机械； 液压系统； 柔性设计 中图分类号 T H1 3 7 ． 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 4 1 l - 0 0 7 5 0 4 T h e F l e x i b l e De s i g n f o r E x c a v a t o r Hy d r a u l i c S y s t e m LV Xi a o - J i e Qi n g d a o B i n h a i Un i v e r s i t y， Qi n g d a o 2 6 6 5 5 5 ， C h i n a Ab s t r a c t En g i n e e r i n g ma c h i n e r y g e n e r a l l y r e q u i r e s mo r e c o n c e r t e d a c t i o n a c t u a t o r , t h e ma n e u v e r a b i l i t y o f the mu l ti p l e a c t u a t o r s c o n c e rt e d a c tio n ， c o o r d i n a t i o n r e fle c t s t h e fl e x i b i l i ty o f the ma c h ine ． T h i s p a p e r a n a l y z e s the c o mmo n t e c h n o l o g y o f e x c a v a t o r h y dra u l i c s y s t e m t o i m p r o v e s y s t e m fle x i b l e ． Ke y wo r ds e n g i n e e r i n g ma c h i n e ry； the h y dra u l i c s y s t e m； the fl e x i b l e d e s i g n O 引言 工 程机械一般要求多执行机构协 同动作 ， 如挖掘 机装车需要动臂、 斗杆、 铲斗及 回转协 同动作才能完 成 ， 其液压系统不但要满足各负载对系统压力、 流量的 需要 ， 同时还要考虑执行件启动、 制动、 换 向、 变速 的响 应速度以及多执行件动作间的切换、 复合 ， 即整机的柔 性 。整机 的柔性不单能体现系统操作 的灵活性 、 难 易 性， 同时能体现复合动作的可实现性及协调性， 决定了 整机的工作性能。随着液压控制技术的发展 ， 对于多 收稿 日期 2 0 1 4 0 4 1 7 作者简介 吕晓杰 1 9 7 9 一 ， 女 蒙 ， 辽宁阜新人 ， 讲师， 硕士， 主要研究 方向为流体传动与控制。 执行件工程机械液压系统的要求除了保证基本工作能 力之外还要有更好 的系统柔性 ， 本文以挖掘机为例 ， 分 析 目前液压系统中的提高系统柔性 的设计方法。 1 先导控制技术 我们 以川崎 F R 2 2 0 7 型挖掘机为例 ， 通过职能方 框 图的形式表达出挖掘机液压系统 中各执行件与系统 动力及控制单元之间的关系， 如图1 所示。挖掘机的所 有执行机构都要做双向动作， 实现换向是主控阀的基 本功能。综合考虑工程机械液压系统工作流量大及高 可靠性要求， 主控换向阀的换向工作原理如图2 所示。 先导控制阀相当于手动比例压力控制阀， 根据操作手 柄行程大小输出相应的控制油压； 主控换向阀为液控 比例换向阀， 阀芯根据控制油压的大小完成相应的移 挖掘机。所设计的能量再生控制系统已应用于该大型 液压挖掘机项 目中 ， 通过厂 内对该 大型矿用液压挖 掘 机的试车调试 ， 调试报告显示 利用工作装置 自重， 工 作装置能够安全平稳下放， 下放时间约4 ．2 s ， 与仿真结 果基本一致 。 4结 论 通过分析工作装置下放的工况， 为了充分利用工 作装置下放时产生的能量 ， 进行能量再生利用， 减少原 动机能量输出， 经设计计算再生阀， 特设计了矿用液压 挖掘机能量再生控制系统 ， 并对该系统进行了仿真分 析 ； 仿真和实 际应用显示 所设计的系统对工作装置 自 重产生的能量进行了再生利用， 起到节能作用， 提高了 挖掘机液压系统的传动效率， 具有广泛的市场价值。 参考文献 [ 1 ] 张玉川 ， 蔡禺． 进口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fd L [ 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 ． 7 5