挖掘机铲斗联液压系统压力损失研究.pdf

2 0 1 5年 8月 第 4 3 卷 第 1 5期 机床与液压 MAC HI NE TOOL ＆ HYDRAUL I C S Au g ． 2 01 5 Vo 1 ． 4 3 No ． 1 5 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 1 5 ． 0 1 7 挖掘机铲斗联液压系统压力损失研究 袁峰峰 ，袁祖强 ，贾文华 ，殷晨波 ，高俊庭 1 ．南京． Y - ,_ l k 大学车辆与工程机械研究所 ，江苏南京 2 1 1 8 1 6 ； 2 ．南京工程学院，江苏南京 2 1 1 1 6 7 摘要挖掘机液压系统的能耗损失中，管路系统的压力损失所造成的功率损失不容忽视。针对某公司生产的2 1 t 液压 挖掘机，选取铲斗联液压系统为研究对象，利用理论推导、A M E S i m软件仿真以及试验研究对铲斗联液压系统的管路压力 损失进行了分析计算 ，得出相应的压力损失值分别为 0 ． 7 9 3 、0 ． 8 2 、0 ． 8 3 MP a 。从而说明在铲斗联液压系统压力损失的研 究中，理论研究的可行性、软件建模计算的有效性以及试验研究的必要性。 关键词液压挖掘机；铲斗 ；压力损失；A ME S i m 中图分类号T H1 3 7 文献标志码B 文章编号1 0 0 1 - 3 8 8 1 2 0 1 5 1 5 0 6 8 3 S t ud y o n Pr e s s u r e Lo s s o f Un i t e d Hy d r a ul i c S y s t e m o f Ex c a v a t o r Buc k e t YU AN F e n g f e n g ，YUAN Z u q i a n g ，J I A We n h u a ，YI N C h e n b o ，GAO J u n t i n g 1 ． I n s t i t u t e o f A u t o m o b i l e a n d C o n s t r u c t i o n Ma c h i n e r y ， N a n j i n g T e c h U n i v e r s i t y ， N a n j i n g J i a n g s u 2 1 1 8 1 6 ， C h i n a ； 2 ． N a n j i n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ，N a n j i n g J i a n g s u 2 1 1 1 6 7 ， C h i n a Ab s t r a c t Du rin g t h e e n e r g y l o s s e s o f Ex c a v a t o r h y d r a u l i c s y s t e m ， t h e p o w e r l o s s c a u s e d b y p r e s s u r e l o s s i n t h e p i p i n g s y s t e m c a n n o t b e i g n o r e d ． Ai me d a t t h e 2 1 t h y d r a u l i c e x c a v a t o r s ma n u f a c t u r e d b y o n e c o mp a n y ，t h e b u c k e t u n i t e d h y d r a u l i c s y s t e m w a s c h o s e n a s t h e s t u d y o b j e c t ． T h e p r e s s u r e l o s s i n t h e p i p e l i n e w a s c a l c u l a t e d a n d a n a l y z e d t h r o u g h t h e t h e o r e t i c al d e ri v a t i o n ， A ME S i m s o f t w a r e s i mu l a t i o n a n d e x p e ri me n t a l s t u d y ． T h e o b t a i n e d c o r r e s p o n d i n g p r e s s u r e l o s s v alu e s we r e 0 ． 7 9 3，0 ． 8 2 a n d 0 ． 8 3 MP a ． T h e r e b y i t s h o ws t h e f e a s i b i l i t y o f t h e t h e o r e t i c a l s t u d y ，t h e v ali d i t y o f t h e s o ft w a r e mo d e l i n g c a l c u l a t i o n a n d t h e n e c e s s i t y o f t e s t s t u d y i n t h e s t u d y o f I 1 一 ni t e d h y d r a u l i c s y s t e m p r e s s ur e l o s s ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c e x c a v a t o r ；B u c k e t ；P r e s s u r e l o s s ；AME S i m 0前 言 挖掘机液压系统 的压力损失 可以作 为检测挖 掘机液压 系统性 能指标 的一项 依据 ，G B ／ T 7 5 8 6 ． 2 0 0 8中对挖 掘机 液 压 系统 的性 能测 试 也 是 以压 力 损失为主 。随着 国家对节能减排 的要求越来越 高 ，挖 掘机 液 压 系 统 中压 力 损 失 的 计 算 显 得 相 当 重要 。 文中主要运用理论计算、软件模拟和铲斗联系统 试验研究三者结合的方法对挖掘机铲斗联液压系统压 力损失进行研究，对理论计算结果和软件模拟结果进 行对比，得出合理的结果数据，再和试验结果对比分 析 ，验证软件建模仿真的可行性。为挖掘机液压系统 管路压力损失的计算提供了重要依据。 1 铲斗联压力损失理论研究 铲斗联液压系统的压力损失主要是由多路阀阀口 处的节流压力损失和液压管道内的管道压力损失组 成 。 1 ． 1 沿程 压 力损失 通常流体的沿程压力损失是指不可压缩的黏性流 体在管道内做定常流动时，流体沿管道的压力降。沿 程压力损失 如下 A p A 等 2 式 中卸 为沿程 压力损 失 ，M P a ；A为沿 程阻力 系 数 ；z 为管道长度，I n ；d为管路直径，IT I ； P为液压 油密度 ，k g ／ m ； 为液体的平均流速，m ／ s 。 1 ． 2 局 部压 力损 失 对于液压挖掘机中的液压管路 ，其局部压力损失 主要是压力油在流动过程 中经过液压管路 中的管道接 头、过流截面面积的突然变化处 、局部弯头等局部管 路变化点处所产生的压力损失。其表达式如下 等 式中 为局部阻力系数。 2 收稿 日期 2 0 1 4 - 0 6 - 1 8 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 0 8 7 5 1 2 2 ；江苏省 自然科学基金资助项 目 S B K 2 0 1 3 4 3 5 0 7 ；江苏省高校自然科 学基金资助项 目 1 3 K J B 4 6 0 0 0 9 作者简介袁峰峰 1 9 9 O 一 ，男，硕士，主要从事流体力学和液压控制方面研究。E m a i l y u a n f - f 1 6 3 ． c o rn。 第 1 5 期 袁峰峰 等挖掘机铲斗联液压系统压力损失研究 6 9 1 ． 3总压 力损 失 铲斗联液压管路的总压力损失包括液压管路的所 有沿程压力损失和所有局部压力损失两部分之和。可 由公式 3 来计算。 1 2 2 a p ∑ A ∑ 3 U 二 二 在某 2 1 t 型挖 掘机 的液压 系统 中，采 用 H M4 6型 液压油，每个液压执行元件到其控制主阀之间的液压 连接管路主要有 3种内径尺寸 ，分别为 2 0 、2 6和 3 2 m m。在其铲斗联液压管路中，内径所对应 的管路长 度分别是 0 ． 9 、1 2 ． 9和 5 ． 3 m 。不同内径尺寸的液压 管路之间采用了过渡连接接头进行连接，为了便于安 装，每种内径尺寸的液压管路都会有不 同角度 的弯 头，弯头角度分别为 3 0 。 、4 5 。 和 9 0 。 ，这 3种角度的 弯头在铲斗联液压管路中所对应的个数分别为 5 、8 、 6 。通过以上计算可得铲斗联液压系统总压力损失大 约为 0 ． 7 9 3 M P a 。 2 铲斗联压力损失仿真研究 2 ． 1 铲斗联液压 系统建模理论 对于挖掘机铲斗联液压系统建模的特征量主要有 压力 、流量 、位移和速度 。 铲斗液压缸动力学方程为 m B警 4 式中m是铲斗液压缸活塞杆和外 负载 的总质量 ， k g ； 是活塞杆位 移 ，m m；F是外 负载及 液压 杆力 ， N ；P 和 P 分 别 是 液 压 缸无 杆 腔 和 有 杆 腔 的 压力 ， P a ；A 和 A 分别是 液压缸无杆腔 和有杆腔 面积， m ； B为黏滞阻尼系数 ，N s ／ m。 铲 斗液压 缸无杆 腔流量 连续性 方程 为 警 _ Q 1_ c -p 2 5 铲斗液压缸有杆腔流量连续性方程为 - Q 2 - A - p 2 6 式中 和 分别为铲斗液压缸无杆腔和有杆腔体 积 ，m ； 。 为液压油的体积弹性模量，P a ；C 为液 压缸的内泄漏系数，1 2 1 ／ P a s 。 2 ． 2 铲斗联液压 系统的 A ME S i m建模 挖掘机铲斗联液 压系统 主要 由发动 机、液压 泵 、铲斗先导阀、铲斗主控阀、铲斗液压缸 、溢流 阀等液压元件组成 ，文中将对铲斗联液压系统中主 要的液压元件建立 A ME S i m模型 ，最终建立整个铲 斗联液压系统的 A ME S i m仿 真模型 ] ，如 图 1所 示 。 图 1 铲斗联液压系统的 A ME S i m仿真模型 2 ． 3 压力损失仿真计算结果分析 图2为 A M E S i m模型在空载状态下，软件仿真时 的铲斗联液压系统主阀大腔进油部分的液压管路的进 口压力 以及液压管 路 的出 口压力 曲线 。整个过程 中， 液压进油管路中的压力损失很小且相对稳定 ，从管路 进 口处到管路出口处的压力损失大约为 0 ． 3 9 MP a 。 一 星 R 出 图 2 铲斗大腔进油管路进出口压力 图3为仿真模型在空载状态下，A ME S i m软件仿 真时的铲斗联液压系统主阀大腔回油部分的液压管路 的进口压力以及管路的出口压力 曲线。整个过程 中， 液压进油管路中的压力损失很小且相对稳定 ，从管路 进 口处到管路 出 口处 的压力损失大约为 0 ． 4 3 MP a 。 ； 垂 时 间， | 图 3 铲斗小腔回油管进出口压力 通过以上的仿真结果分析 ，可得液压挖掘机铲斗 联液压系统软件仿真时，总的压力损失大约为 0 ． 8 2 MP a 。而在此前的理论计算中，计算得出铲斗联液压 系统的液压管路总压力损失为 0 ． 7 9 3 MP a 。计算值和 软件仿真计算值很接近 ，可证明仿真模型的准确性。 3 铲斗联压力损失试验研究 在对液压挖掘机铲斗联液压系统的压力损失进行 充分的理论分析计算以及模拟仿真计算之后 ，需要对 理论计算结果和软件仿真计算结果的正确性进行验 证，这时对挖掘机铲斗联液压系统的压力损失的试验 研究就显得极为必要。 利用实验室所搭建 的挖掘机液压系统综合 实验 7 0 机床与液压 第 4 3 卷 台 ，对挖掘 机 的铲斗 联液 压 系统进 行试 验 研究 。对 铲 斗联液压系统进行压力损失试 验时 ，需要在铲斗液 压缸进出油 口处加装一个压力传感器 ，还需要在铲斗 液压缸进回油管路处加装一个压力传感器 ，两传感器 检测出的压力差即为铲斗联液压系统的压力损失值。 图 4为铲斗联液压 系统试验 时，铲斗液压缸进油 液 压系统部分 的试验压力曲线 ，可 以看 出铲斗液压缸 进油液压系统部分的压力损失几乎变化不大 ，基本维 持在 0 ． 3 5 M P a 左 右。 图4 铲斗液压缸进油液压系统压力 图5为铲斗联液压系统试验时，铲斗液压缸回油 液压系统部分的试验压力曲线，可以看出铲斗液压缸 回油液压 系统部分 的压力损失 几乎变化不大 ，基本维 持在 0 ． 4 8 M P a 左 右。通 过 以上 的试验结 果分 析 ，可 得液压挖掘机铲斗联液压系统软件仿真时，总的压力 损 失大约 为 0 ． 8 3 MP a ，验证 了试 验研究 的必要性 。 时 同f ／ 0 图 5 铲斗液压缸回油压力 综上所述，由试验数据可知铲斗联液压系统总的 压力损失在主阀刚开启时比较大，之后随着主阀开口 的逐渐增大 ，系统 内压力损失在不断减小 ，这种变化 趋势与前面对主控阀节流 口处 的节流压力损失 的理论 分析以及软件模拟计算分析的结果完全一致，因此主 阀刚开 口时 的较大 压力 损失 是 由节流 压力 损失 引起 的；在主阀开 口完全后 ，铲斗联系统压力损失 的试验 值与理论计算值以及软件模拟仿真计算值都很接近， 从而可 以说明文 中在铲斗联液压 系统压力损失的研究 中 ，其理论计算研究 的可行性 以及软件建模计算的有 效性 。 4 结 论 1 利用理论推导 、A ME S i m软件仿真 以及试验 研究对铲斗联液压系统的管路压力损失进行 了分析计 算 ，得出相 应 的压 力损 失值分 别为 0 ． 7 9 3 、0 ． 8 2 、 0 ． 8 3 M P a 。从而 说 明在铲 斗联 液压 系统 压力 损 失 的 研究 中，理论研究的可行性 、软件建模计算的有效性 以及试验研究的必要性。 2 文中所做 的研究 是针 对挖 掘机 空载 工况进 行 的，对于挖掘机带 负载工况下 的压力损失研究是非 常有必要 的。并且在试验研究 中 ，操纵挖掘机先导手 柄是一个动态连续的过程，主阀节流 口流体的动态建 模是一个研究重点。 参考文献 [ 1 ]中国国家标准化管理委员会． G B ／ T 7 5 8 6 2 0 0 8 ． 液压挖掘 机试验方法[ S ] ． 北京 中国标准出版社， 2 0 0 8 ． [ 2 ]张啸男， 张莉茹． 液压系统 中压力损失的分析与计算 [ J ] ． 一重技术， 2 0 0 6 5 1 7 - 1 8 ． [ 3 ]王喜贵． 液压支架供回液系统的阻力损失分析[ J ] ． 煤矿 机械 ， 2 0 1 1 ， 3 2 5 8 7 - 8 8 ． [ 4 ]付永领， 祈晓野． A ME S i m系统建模和仿真[ M] ． 北京 北 京航空航天大学出版社， 2 0 1 1 ． [ 5 ]叶鹏飞_ ／ J 、 型液压挖掘机节流控制系统建模与仿真研究 [ D ] ． 长沙 中南大学， 2 0 0 9 ． [ 6 ]王艳伟． 液压挖掘机电液负荷传感系统研究[ D ] ． 长春 吉林大学， 2 0 0 8 ． [ 7 ]何丽妍． 中型液压挖掘机工作装置机液联合仿真分析及 阀体优化研究[ D] ． 长春 吉林大学， 2 0 1 3 ． 上接第 3 5页 理论计算结果相吻合 ，证明了运用 A D A MS 对 6 - S P S 并联机构的逆解和正解求解不仅具有较高的正确性， 而且还可以提高求解 的可视化程度，为 6 - S P S并联 机构的位置求解与姿态控制提供参考。 参考文献 [ 1 ]黄真， 孔宪文． 6 一 S P S并联机器人机构运动分析[ J ] ． 东 北重型机械学院学报， 1 9 9 2 ， 1 6 4 2 8 3 - 2 8 7 ． [ 2 ]F I T Z N E R A L D J o h n M． E v a l u a t i n g t h e S t e w a r t P l a tf o r m f o r M a n u f a c t u r i n g[ J ] ． R o b o t i c s T o d a y ， 1 9 9 3 ， 6 1 1 3 ． [ 3 ]程世利． 并联机构若干基本问题的研究 [ D] ． 南京 南京 航空航天大学， 2 0 1 1 ． [ 4 ]范彩霞， 刘宏昭． 一种新型 2 T 2 R并联机构的运动学分析 [ J ] ． 机械科学与技术 ， 2 0 1 2 ， 3 1 8 1 2 5 3 1 2 5 6 ． [ 5 ]唐红品． 基于虚拟样机技术的6 - S P S 并联机器人运动学 和动力学的研究及参数优化[ D ] ． 南京 南京理工大学， 2 01 1． [ 6 ]卫进， 毛昌明， 寇子明． 基于并联机构的新型液压支架的 研究[ J ] ． 矿山机械， 2 0 0 5 ， 3 3 5 1 8 - 1 9 ． [ 7 ]刘永均， 张静， 李柏林． 基于条件数的3 _ R R S并联机器人 运动性能优化 [ J ] ． 机械设 计与研 究， 2 0 0 8 ， 2 4 6 32 3 4． [ 8 ]张春林． 高等机构学[ M] ． 2版． 北京 北京理工大学出版 社 ． 2 0 0 6 ．