基于ADAMS的装载机液压系统压力提升性能研究.pdf

机械研究与应用 研夯与分析 基 于 AD A MS的装载机液压 系统压 力提 升性能研究 王 小斌 福建省泉州市计 量所， 福建 泉州 3 6 2 0 0 0 摘要 应 用 A D A MS软件 ， 对液压 系统压力提 高后 由 1 6 MP a 提 高到 2 0 MP a 装载机 液压 系统的性 能进行仿 真研 究， 从而预测和估计其系统压力提升后， 工作装置的机构与液压 系统之间的耦合关系。推导出在水平插入工况 和收斗 “r L T转斗缸、 动臂缸油腔压力与外负载力的数学模型。研 究成果将为装载机实现液压系统 中高压 化提 供理论基础。 关键词 AD A MS ； 装载机； 液压系统； 仿真 中图分类号 T H 2 4 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 7 - 4 4 1 4 2 0 1 1 0 5 - 0 0 1 5 - 0 5 Th e p e r f o r ma n c e r e s e a r c h o f l o a d e r h y d r a u l i c s y s t e m p r e s s u r e r a i s i n g b a s e d o n ADAM S Wa n g Xi a o． ． bi n Me a s u r e m e n t o f O u a n z h o u i n F u j i a n p r o v i n c e ， Q u a n z h o u F u j i a n 3 6 0 0 0 0， C h i n a Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r u s i n g A D A MS t o s i m u l a t e p e rf o r m a n c e o f l o a d e r h y d r a u l i c s y s t e m i n w h i c h p r e s s u r e i s i n c r e a s e d f r o m 1 6 MP a t o 2 0 M P a ， t h e c o u p l i n g re l a t i o n s h i p i s p r e d i c t e d a n d e s t i ma t e d b e t w e e n t h e w o r k m e c h a n i s m a n d h y d r a u l i c s y s - t e r n a f t e r p r e s s u re i n c r e a s i n g ．t h e ma t h e ma t i c a l mo d e l i s d e r i v e d b e t we e n t h e o i l c a v i t y p r e s s u r e o f b u c k e t c y l i n d e r ， b o o m c y l - i n d e r a n d e x t e r n a l l o a d f o r c e i n t h e h o ri z o n t a l i n s e r t i o n c o n d i t i o n a n d r e s u mp t i o n o f fi g h t i n g c o n d i t i o n ．t h e ma t h e ma t i c al mo d e l i s d e ri v e d w h i c h i s r e l a t i o n s h i p o f t h e c y l i n d e r s o i l p r e s s u r e a n d e x t e rnal l o a d f o r c e i n t h e h o riz o n t a l i n s e r t i o n c o n d i t i o n a n d c o l l e c t i o n b u c k e t c o n d i t i o n ．T h e r e s e fi r c h r e s u l t s wi l l p r o v i d e t h e t h e o r e t i c a l b ase f o r i n c reasi n g p r e s s u re of l o a d e r h y dra u l i c s y s t e m ． Ke y wo r d sADAMS ；l o a d e r ；h y d r a u l i c s y s t e m ；s i mula t i o n 1 系统仿真模型的建立 1 ． 1 工作装置的机械 系统 A D A MS软件 中虽然提供 了三维几何 建模 的工 具 ， 但其功能较弱 ， 对 于复杂的三维模型需要花大量 的时间来完成建模工作 ， 且不能保证模 型的尺寸精度 和装配位置精度。所以笔者采用目前应用广泛的实 体设计软件 P r o ／ E完成工作装置机械系统三维实体 建模工作 ， 把建好的三维实体模型导人 A D A M S ／ V i e w 环境中 ， 在 A D A MS ／ V i e w环境下对样 机几何模 型添 加约束、 载荷等l 2 J 。图 1 所示为工作装置机械仿真 模型。 1 ． 转 斗2 ． 连杆 3 ． 摇臂4 ． 转斗 缸 5 ． 动臂6 ． 车架 7 ． 动臂油缸 图 1 工作装置的机械模型 1 ． 2 工作装置的液压系统 采用 A D A M S ／ H y d r a u l i c s 建立工作装置液压系统 的模型， 机械系统与液压系统是通过作用在活塞上的 液压力来实现耦合的 J 。与实际系统相似， 工作装 置机械系统中主动力和力矩 的大小是根据液压系统 中的液压力、 力矩的输 出值计 算得来 的， 同时液压系 统的压力和流量则和机械系统 的速度、 位移等动力学 参数有关 。在 MS C ． A D A MS虚拟样机环境中实现机 械系统和液压系统的耦合就是将上述所有相关的状 态参数相互传递、 引用计算， 产生类似实际工作装置 中两个系统间的有机关联来达到仿真的目的。工作 装置液压模型见 图 3 。 装载机工作装置 的动作是靠动臂油缸 和转斗油缸的伸缩实 现的。该型装载机的 液压缸有 4个 ， 均为 非对 称 的单 出杆 油 图 2 液压缸简 图 缸 ， 除几何参数有所不 同外 ， 其工作原理均相 同。因 此为使读者对液压缸工作原理有初步 的认识 ， 本文对 液压缸的压力与流量特性进行了分析 引 如图 2 ， 若液压缸的负载为 ， 根据油缸受力平 衡 ， 则有如下公式 P 1 A 1一P 2 A 2F 1 1 收稿 日期 2 0 1 1 0 8 0 3 作者 简介 王小斌 1 9 8 6 - ， 男 ， 福建 泉州人， 助理工程师 ， 主要从事计量检定员工作。 1 5 研究 与分析 机械研 究与应用 式中 R 为油缸外负载力， N ； A A 为为活塞无杆腔 和有杆腔面积 ， m ； P 。 、 P 这为无杆腔和有杆腔压力， P ao 由换向阀的孔 口方程和流量方程有 ， c d A 0 c Q 1A 1 V Q 2 A 2 V 式 中 C 为流量系数 ； A 。为孔 口的面积 ， m ； p 为压 力源压力 ， P a ； V为 活塞 速度 ， n s ； Q Q 为油缸进 油 、 回油流量 ， m 。 ／ s 。 通过联立式 1 、 2 可解得， 油缸大小腔压力与 压力源压力和外负载力之间的关系式 式中 n为面积 比， n A ／ A 2 。 根据装载机转斗缸和动臂缸的实际情况， 通过式 3 、 1 6 、 1 7 、 图 3 、 图 5 、 图 9可得在水平插人工 况和收斗工况下外负载力与插入阻力 F 收斗阻力 F 、 物料重力 F 。 和工作装置自身的重力之间的关系 式为 水平插入工况下 转斗缸 ㈩ z L ‘ Z 3 Z 1 。 Z 32 】 ’ 动臂缸 F D L{ F g Z 7F i f 1 0 2 6一 【 ] ． L Z3 Z l ’ Z3 Z l J Z 8 } ／ z 9 5 式中 F 为转斗缸外负载力， k N ； F 。 为动臂缸外负载 力， k N ； G l 为转斗重量， k N； G 2 工作装置的重量， k N ； 插入阻力 ， k N； F I h 收斗阻力 ， k N， 以此工况下转 斗尚未翻转， 为0 ； F s 物料重力 ， k N ； 收斗工况下 转斗缸 Fz L G 0 G1 1 4。 1 2 ． FB hl 5l 2 Z 3Z 1 l 3f 1 动臂缸 F D L { G o l 7 F i l 10G 2 l 6 一 【 1 6 6 7 式 中l G o为物料额定重量 ， k N； F i 这插入阻力 ， k N， 工 况下转斗停止插入， 插入阻力 F i 为0 。 图3 工作装置的液压模型 - 1 、 2 ． 动臂油缸3 、 4 ． 转 斗油缸5 、 6 ． 方 向控 制阀 7 、 9 、 1 2 ． 单向阀8 、 1 0 ． 溢流阀1 1 ． 油箱1 3 ． 油泵 1 ． 3 载荷的确定 ． 选择装载机在水平地面上的一个作业过 程作为 仿真依据 ， 这一作业过程中有 5 种工况 ， 即转斗插入 物料、 收斗、 举升、 卸料和自动放平。工作装置所受到 的载荷有插入阻力 收斗阻力 、 物料重力 ， 和 工作装置自身的重力， 如图4 所示。转斗的插入和收 斗是顺序进行 的 不考虑联合工况 ， 转斗 的插入 阻 力随着转斗插人物料深度的增大而逐渐达到最大值， 收斗阻力在开始收斗瞬间为最大 ， 随着收斗角度 的增 大逐渐减小 ， 物料重力则在收斗开始 阶段达 到最 大 ， 三个力可用 A D A M S提供的 S T E P函数来模拟， 曲线 如图 6所示 。 F 图4 工作装置受载示意图 最大插入阻力 F 受 限于最大牵引力 ， 可用下式 计算 F i M i 田 ／ Rk一6 沙 8 式中 。 液力变矩器在传动比i 0 发动机最大供油 位置， 低速档前后桥均驱动且车轮打滑时 的输 出扭 矩； 取2 1 2 4 N m； 传动系总成传动比 从发动机到驱 动轮 ； g z 5 0 ． 1 2 1 ； 7 ／ 。 传动总效率 ； 取 0 ． 8 3 ； R k 前轮 动力半径 ； 取 0 ． 7 4 m； G 整车重量 ； 取 1 6 5 0 0 0 N； 滚 动阻力系数， 取 O ． o 3 。 机械研究与应用 研穷与分析 通过计算可得 F 1 1 8 ． 9 1 k N。 9 ， 在插入阶段 另外根据式 1 、 1 4 、 1 5 、 1 6 、 1 7 和 图 A。 z 9 z 5 Glz 4 z 1 。一 G2z 6z 5 Az 1 8f 5一 l 3 z ． 1 1 ， 一 一A z “ la “Ii 一 [ 以此工况下转斗 尚未翻转 ， 收斗阻力 F 。 为 0 。 式中 p z 转斗油缸大腔压力 ， MP a ； A 转斗油缸大 腔面积 ， m ； p 盈 转斗油缸小腔压力， M P a ； 盟 转斗油 缸小腔面积 ， m ； P 动臂油缸大腔压力 ， MP a ； A 。 动 臂油缸大腔 面积 ， m ； p D 2 动臂油缸小 腔压力 ， MP a ； A D 2 动臂油缸小腔面积， 1 T I ； A D p D 1 A D 1 一 p D 2 A D 2， A P z 1 A z 1一P 2 2 A 。 最大收斗阻力 F 。 可用铲取时最大收斗阻力矩换 算而得。最大收斗阻力矩发生在开始转斗的一瞬间， 其值可用下列公式计算 一 1 ． 1 F i 0 ． 4 一 c 】，] 1 1 式 中 L 为转斗插入料堆 的最大深度 ； 取铲斗 底线长度的 3 ／ 4 ， 为 0 ． 7 m。x、 Y分别为转斗斗刃到 转斗 回转轴 A的水平 和垂直距离 ； X为 1 ． 1 9 7 m， y为 0． 1 8 5 m 。 h Mm ／ X 1 2 通过计算可得 F 8h 6 2 ． 3 3 k N 另外根据式 1 和图 5 ， 在收斗阶段 F 车 1 3 1 0 以此工况下转斗停止插入， 插入阻力 为 0 ， 物 料重力 达到最大值为 5 0 k N。 F 图5 收斗开始瞬间力求解示意图 2 仿真 结果与分析 仿真 时间为 1 8 s ， 其 中转斗 插人 物 料 的时问取 3 s ， 收斗时间取 3 s ， 在t z -q - 前实现满载 5 t ， 其余工况 仿真时间的确定根据浆载机的试验所钡 4 数据来确定。 2 ． 1 油缸作用力分析 9 l G l J ’ 1o ／ j ⋯ H u 脚 “ 捌 删 自 丑 立 收斗 举升 下降 2 3 ／ ／ ⋯● 、 图6 载荷变化曲线图 1 ． 插入阻力 F i 2 ． 收斗阻力 F , h 3 ． 物料的重力 ， 斗 文4 举 升 卸 斗 下 降一 - 、 ‘ ， 匕 ／ 一一一。 ～、 ， 一⋯⋯ 图7 油缸作用力随时间变化曲线 1 ． 左动臂油缸2 ． 右动臂油缸3 ． 左转斗缸4 ． 右转斗缸 一 -图7为油缸作用力在工作过程中随时间变化的 曲线， 曲线 1 、 曲线 2 分别代表左右动臂油缸作用力， 曲线 3 、 曲线 4代表转斗油缸作用力。由于动臂左、 右油缸是对称布置 ， 所 以动臂左、 右油缸 的作用力是 一 致的， 由图7 显示为曲线 1 和曲线 2重合； 由于转 斗左 、 右油缸是对称布置 ， 所以动臂左、 右油缸的作用 力是一致的， 由图4 显示为曲线 3 和曲线 4 重合。由 图 7可 以看 出 1 插人阶段 转斗油缸和动臂油缸作用力逐渐 平稳增大 ， 在收斗前由于插入阻力迅速下降为零 ， 转 斗油缸和动臂油缸作用力迅速减弱 ； 。 2 收斗阶段 开始收斗时， 由于铲掘阻力最大 ， 油缸作用力又迅速增大到另一个 峰值 ， 在 收斗结束 时， 转斗油缸作用力发生强烈地震荡现象， 这是由于 转斗油缸长度达到最大值时 ， 油液压缩发生弹性变形 不断缓冲 引起的。 3 举升 阶段 举 升换 向阀 如 图 3元件 5所 示 阀芯突然打开 ， 动臂 油缸无杆腔进油 ， 有杆 腔 回 油 ， 造成油液冲击 ， 所 以在开始 阶段 ， 动臂油缸作用力 发生轻微震荡， 且逐渐增大， 转斗油缸作用力继续震 荡 ， 这是由于物料及转斗在举升过程中的惯性力引起 】 7 砥奔与分析 机械研究与应用 的， 举升到最大高度时， 动臂油缸长度达到最大值 ， 受 缓 冲垫的影响 ， 油液压缩发生弹性变形 ， 作用力开始 上下波动。 4 卸斗阶段 卸料开始 ， 转斗换向阀 如图3元 件 6所示 阀芯突然打开， 造成油液冲击， 转斗油缸 作用力发生震荡， 此时由于物料重量不断减少， 动臂 油缸 的作用力不断下降 ， 当物料和转斗重心位于动臂 下铰点最远距离时， 转动力矩最大， 此时， 转斗油缸作 用力达到一个峰值 。 5 下降阶段 举升换向阀 如图 3元件 5所 示 阀芯 突然反方 向打 开 ， 动臂 油缸油 缸无杆 腔 回 油， 有杆腔进油， 造成油液冲击， 所以在开始阶段， 动 臂油缸作用力发生震荡 ， 放平开始时， 转斗受连杆机 构的影响， 绕动臂下铰点发生明显地回转， 转斗油缸 为抑制转斗的转动惯性力， 油液受到冲击， 所以作用 力也发生了轻微震荡现象。 2 ． 2油缸油腔压力分析 图 8为动臂动臂油缸无杆腔 曲线 1 和有杆腔 曲线2 压力随时间变化的曲线， 由图8 可以看出。 1 插入阶段， 无杆腔油液受压， 随着铲取阻力 的不 断增大 ， 压力也不断增大。 2 收斗阶段 ， 无杆腔克服铲掘阻力和物料及工 作装置的重力 ， 压力随铲掘阻力的变化而变化， 收斗 结束时， 转斗油缸长度达到最大， 无杆腔油压发生震 荡 ， 有杆腔在插入和收斗阶段的压力为大气压力。 3 举升阶段， 油缸活塞杆伸出， 有杆腔压力刚 开始突然增大， 随后逐渐减弱， 无杆腔压力始终大于 有杆腔压力 ， 差值逐渐增大， 油缸力也逐渐增大； 举升 到最大高度时， 油缸长度达到最大， 阀芯此时也关闭， 由于惯性力的作用， 有杆腔油液突然被压缩， 压力瞬 间增大， 且超过了2 8 M P a ， 此时动臂发生微摆， 油液不 断被压缩 ， 有杆腔 和无杆腔压力 同时发生震荡 ； 并伴 随着卸料完成后趋于稳定 。 插 入 三 收 罐升 卸 斗 下隆 _■ ／ } ， N 一正 0 ⋯⋯ ／ 7 ／2 ， ～ 图 8 动臂油缸油腔压力随时问变化曲线 1 ．无杆腔2 ． 有杆腔 4 卸 料 阶段 举 升换 向阀 如 图 3元 件 5所 示 虽然处 于闭锁状态 ， 但是 随着转 斗不断翻转 ， 动 臂油缸有杆腔有向上拉的趋势 ， 造成有杆腔压力 的持 1 8 续增大。此时动臂油缸无杆腔压力平稳。 5 下降阶段 卸斗完成后 ， 举升换 向阀 如图 3 元件 5所示 阀芯突然打开 ， 动臂油缸有杆腔 和无 杆 腔迅速下降， 并在工作装置重力和液压力的作用下趋 于平衡。 2 ． 3 油缸作用力校核分析 为验证 A D A M S 仿真油缸力结果的正确性 ， 对工 作装置 两个特 殊工况 位置 进行受 力分 析计 算 】 。 其中图 9所示为水平最大插入力工况 ， 以此工况下转 斗尚未翻转 ， 收斗 阻力 F 。 为 0 。在不考 虑 连杆 、 摇 臂 、 油缸及各销轴重量的情况下 ， 将动臂、 前车架看作 一 个整体机架， 将摇臂、 连杆、 转斗作为分离体。根据 力矩平衡原理， 为克服转斗和物料的重力， 转斗油缸 作用于摇臂上铰点的力 F 可通过下式求得 F t l 1 1 4 ‘ 一 ， ＼ 一， 3 。 ‘ 】 式 中G 0 物料额定重量 ， k N； G 转斗重量 ， k N。 为克服插入阻力 F 转斗油缸作用 于摇臂上铰 点的力 可通过下式求得 F t 2 1 5 ‘ 一 ， l ＼ ． ， ， 3’ bl 所以转斗油缸作用于摇臂上铰点的力为 F F F o- P z 1 A z 1一P 恐 A 恐 1 6 通过计算可得 F 。l 6 8 ． 1 l k N ， F t2 4 2 ． 9 3 k N， 则 F 1 ll k N。 将工作装置作为整体来分析， 由力矩平衡可得动 臂油缸受力 型 P D 1 A D 1 一P D 2 A D 2 1 7 通过计算可得 FI 5 9 5 k N。 图 l 0所示为最大举升高度工况 ， 此时插入阻力 F i 和收斗阻力 F 都为 0 。在不考虑连杆、 摇臂、 油缸 及各销轴重量的情况下， 将动臂、 前车架看作一个整 体机架， 将摇臂、 连杆、 转斗作为分离体。根据力矩平 衡原理， 为克服转斗和物料的重力， 转斗油缸作用于 摇臂上铰点的力 可通过下式求得 F p 。 A 一P At 1 8 ‘ ， ， r ‘ I ￡ I r 、 一 ， b 2’ 通过计算可得则 F 1 3 k N。 由工作装置看作整体， 由力矩平衡可得 “ F t’Z 8G2。 C oC1 Z 6 一 P D 1 A D 1一P D 2 A D 2 1 9 通过计算可得则 F 3 4 9 k N。 机械研究与应用 研穷与分析 表 1 工作装置 的结构尺寸及设计参数 水平插入 l 2 8 8 2 9 l 1 4 9 9 6 2 7 6 4 4 5 5 5 1 8 5 1 9 2 4 2 7 0 2 5 O 7 4 5 2 1 6 4 力工况 最大举升 1 2 8 8 2 9 1 1 1 o 4 4 1 8 7 7 3 51 8 1 9 6 6 3 9 5 4 1 O 1 3 7 O 1 8 5 5 高度工况 表 2 两种工 况下油缸 作用力 通过表 2比较可知， 计算与仿真油缸受力的误差 最大为 7 ． 7 4 ％， 产生误差的原因是在计算中没有考 虑连杆 、 摇臂 、 油缸及各销铀 的重量。因此 ， 可以认为 仿真结果中油缸受力基本上正确， 说明仿真模型的分 析结果是可靠 的。 图9 水平最大插入力工况油缸力求解示意图 图 i O 最大举升高度工况油缸力求解示意图 3 结论 1 建立了转斗缸、 动臂缸油腔压力与外负载力 的关系式 ， 方便直观地计算油腔压力在水平插人工况 和收斗工况下随外负载力的变化情况。 2 由仿真结果可以看出， 在工况过渡的瞬间， 由换向阀阀芯开启和关 闭所造成 的油液冲击及 由惯 性力造成的油液压缩所发生 的弹性变形对油缸 作用 力的影响较大。 3 为验证仿真的可靠性， 在两种工况下对油缸进 行了受力校核， 通过对比分析表明仿真结果是正确的。 参考文献 [ 1 ] 杨占敏， 王智明， 张春秋． 轮式装载机[ M] ． 北京 化学工业出版 社 。 2 0 0 5 ． [ 2 ] 李增刚． A D A MS入 门详解与实例 [ M] ． 北 京 国防工业 出版社 ， 2 0 0 6． [ 3 ] 曹旭阳， 司爱国， 王国彪， 等． 装载机工作装置机一 液耦合仿真分 析[ J ] ． 中国机械工程， 2 0 0 6 2 3 2 4 6 1 2 4 6 4 ． [ 4 ] E ri c s s o n ， A ． a n d J ． S l a t t e n g r e n ． A m o d e l f o r p r e d i c t i n g d i g g i n g f o r c e s wh e n wo r k i n g i n g r a v e l o r o t h e r gra n u l a t e d ma t e r i a 1 ． I n 1 5 t h ADAMS e u r o p e a n L l s e r s c o n f e r e n c e， Ro me 2 0 0 0． 2 0 0 0． Ro me MS C． [ 5 ] S E L L GR E N U ． Wh e e l l o a d e r r e a l i z a t i o n - 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