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2 0 1 0年 l 0月 第 3 8卷 第 2 0期 机床与液压 MACHI NE T00L HYDRAUL I CS Oc t .2 01 0 Vo 1 . 3 8 No . 2 0 DO I l 0 . 3 9 6 9 / j . i s s n . 1 0 0 13 8 8 1 . 2 0 1 0 . 2 0 . 0 2 0 基于功率键合图的轮式装载机工作装置液压系统的建模与仿真 郑建校 ,王苗,贺利乐 西安建筑科技大学机 电工程学院,陕西西安 7 1 0 0 5 5 摘要基于Z L 6 0轮式装载机工作装置液压系统的工作原理,采用功率键合图方法建立不同工况下工作装置液压系统 的功率键合图。由所建立的功率键合图列写系统动态方程,根据系统动态方程建立在铲斗后倾工况下的S i m u l i n k 仿真模型。 设置液压系统的仿真参数 ,应用 M a t l a b / S i m u l i n k软件,编制 M函数文件进行仿真。得到液压系统的性能曲线 ,结果有利于 产品的开发改进、性能评估和优化设计。 关键词功率键合图;动态方程;S i m u l i n k 模型;M函数文件; 仿真 中图分类号 T H 1 3 7;T P 3 9 1 . 9 文献标识码 A 文章编 号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 2 0 0 5 54 M o d e l i ng a n d S i mul a t i o n o f Hyd r a ul i c S y s t e m o f t h e W h e e l Lo a d e r Ba s e d o n Po we r Bo n d Gr a p h Z HE NG J i a n x i a o.WANG Mi a o。HE L i l e Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c al C o ll e g e , X i ’ an u n i v e r s i t y o f A r c h i t e c t u r e and T e c h n o l o g y , X i ’ a n S h a a n x i 7 1 0 0 5 5 ,C h i n a Ab s t r a c t B a s e d o n t h e w o r k i n g p r i n c i p l e o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m f o r t h e w o r k i n g d e v i c e o f Z k 6 0 w h e e l l o a d e r ,t h e p o we r b o n d g r a p h o f i t s h y d r a u l i c s y s t e m wa s e s t a b l i s h e d b y u s i n g t h e p o w e r b o n d g r a p h me t h o d u n d e r t h e d i f f e r e n t wo r k i n g c o n d i t i o n s .T h e p o we r d y n a mi c e q u a t i o n s o f t h e s y s t e m wa s w r i t t e n o u t a c c o r d i n g t o t h e e s t a b l i s h e d p o w e r b o n d gra p h a n d t h e S i mu l i n k s i mu l a t i o n mo d e l w a s e s t a b l i s h e d u n d e r t h e b u c k e t b a c k w a r d o p e r a t i n g c o n d i t i o n b a s e d o n t h e p o we r d y n a mi c e q u a t i o n s o f t h e s y s t e m. T h i s s i mu l a t i o n wa s c a r r i e d o u t b y s e t t i n g t h e s i mu l a t i o n p a r a me t e r s o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m ,a p p l y i n g t h e Ma t l ab/ S i mu l i n k s o f t w a r e a n d c o mp i l i n g t h e M f u n c t i o n fi l e,t h e p e rf o r ma n c e c u r v e o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m w a s o b t a i n e d ,wh i c h i s gre a t h e l p f u l f o r t h e p r o d u c t d e v e l o p me n t ,t h e p e r - f o rm a n c e e v a l u a t i o n a n d t h e o p t i mu m d e s i g n . Ke y wo r d s P o w e r b o n d gra p h;Dy n a mi c e q u a t i o n;S i mu l i n k mo d e l ;M f u n c t i o n fi l e ;S i mu l a t i o n 轮式装载机是一种集铲 、运 、装 、卸作业 于一体 的 自行式工程机械 ,广泛应用于各种 工程建设 ,用来 铲装 、搬运 、拆卸 、平整散装 物料 ,也 可对 硬土 、岩 石等进行轻度的铲掘工作,还可以进行刮平地面和牵 引其他机械等作业。作业 工况复杂多变 ,负荷变化 频 繁、变化范围大,机动灵活、作业效率高,因而用途 广泛。工作装置液压系统是装载机的重要工作部分, 在整机作业过程 中起 着重要 作用 ,其性 能决定 了整机 的负载能力和工作效率。装载机在作业过程中,升降 动臂 、转动铲斗、整机转 向和换 向变速等 动作需协 同 配合 、频繁变换 ,系统的负载处 于动态变化状态 ,因 此 ,对 于工作装 置液压系统 ,仅按 照传统 的静 态过程 进行设计,已不能满足整机液压系统的要求,作者利 用功率键合 图法对工作 装置 液压 系统进 行动态仿 真 , 从功率的观点用图示的方法反映液压系统中功率的流 向及有关信息 ,从而导出工作装置系统 的动态方程, 采用 M a t l a b / S i m u l i n k 软件,直接用方框图进行建模和 仿真,这与传统的方法相 比,具有更直观、方便、灵 活的优点。因此,工作装置液压系统的动态仿真对于 提高整机的性能和可靠性具有重要意义,有利于设计 出更好的液压系统 ,对产 品的开发改进有一定的帮助。 1 装载机工作装置液压 系统构成及其工作原理 装载机工作装置液压系统主要 由动力源、工作 泵、多路换向阀和执行机构等组成,其液压原理如图 1所示 。 图 1 Z k 6 0 装载机工作装置液压系统原理图 收稿 日期 2 0 0 91 02 7 作者简介郑建校 1 9 7 5 一 ,男,讲师,主要研究领域为机电液系统建模与仿真、机械可靠性优化设计和工程机械强度分 析等方面。电话 1 3 0 7 2 9 1 2 6 7 6 ,E ma i l z j x 2 0 0 2 5 1 8 1 6 3 . c o m。 S 6 机床与液压 第 3 8卷 系统的动力源选择柴油发动机 ,由它来驱 动泵工 作 ,将 机械能转化为液压能 。多路换向阀 由铲 斗油缸 换向阀、动臂油缸换向阀及管路等组成,用来传递功 率和控制,也是液压系统的关键零件。执行机构是由 2个动臂油缸和 2个铲斗油缸组 成 ,完成装载 机的各 种工作 ,直接和负载相连。铲斗油缸换 向阀是三位六 通滑阀,控制铲斗前倾、后倾和固定在某一位置 3个 动作 ,当铲斗油缸换 向阀处于左位 和右位 时 ,动臂油 缸换 向阀封锁 ,动臂不工作 ,当其处于 中位时 ,动臂 油缸换 向阀才可工作。动臂油缸换 向阀是 四位六通换 向阀,控制动臂上升、下降、固定和浮动 4个动作, 动臂浮动位置可使 装载机在平地堆积作业时 ,工作装 置能随地面情况自由浮动,在铲掘矿石作业时可使铲 斗刃避开大块矿石进行铲掘 ,提高作业效率。溢流阀 起安全阀的作用,当系统压力超过调定的最大工作压 力时 ,溢流阀打开 ,油液流 回油箱 ,保 护系统不受损 坏。缓 冲补油 回路 由溢流 阀和单 向阀组 成 ,连装在铲 斗油缸的回油路上,保护铲斗油缸不受损坏。 2 基于功率键合图的液压 系统建模方法与步骤 2 . 1 功率键合 图 功率键合图是系统功率流程 的一种图示表达方 式 ,也是一种统一处理多种能量 范畴系统 的动态建模 与分析的图解表示方法,可以反映系统各个元件间的 负载效应及功率流动情况 ,即功率的流向 、分配 、汇 集和能量的转换等 , 是 由一组有 限的符号表示 的双信 号流图。利用变量问的因果关系,能够由功率键合图 直接列写出系统各 个功 能元件 的动态方程 ,进而能够 建立 S i m u l i n k仿真模型,并利用 Ma t l a b软件进行仿 真 ,该方法是工程上进行动态仿真时建模的一种有效 工具 ,被广 泛地 应用 于液 压 系统 动态仿 真 分析 与研 究。 2 . 2液压 系统键合图模型的建立方法与步骤 1 对系统中每个不同的压力各建立一个共势结 0结。液压系统中压力的计量一般都采用表压力,因 此无需对大气压力建立一个 0结 ; 2 将模拟某一容腔液容效应的容性元件 同该容 腔压力对应 的 0结相键 接 ; 3 将模拟一对 0结之 问压力降 的液阻效应的阻 性元件键接在两个 0结之 间的共流结 1 结上 ; 4 将模拟某容腔外泄漏的阻性元件同该容腔压 力对应的0结相键接; 5 将模拟某容腔内泄漏的阻性元件同该两容腔 压力对应的两个 0结之间的 1 结相键接; 6 将模拟管道液感效应的惯性元件同该管道流 量对应的 1 结相键接; 7 标注正确的功率流方向; 8 进一步简化键合图并标注合因果关系。 3 绘制工作装置液压系统功率键合图 3 . 1 主要液压元件的功率键合图 1 泵 和溢流 阀键合 图 由装载机工作 装置液 压系统原理 图可知 ,工作 泵 把高压 油送人到一定 的 容腔 中 ,这个容腔 包括泵 本身 的通道 和出 口、连接 的管道 、高压滤油器 和蓄 能器等 。泵排油侧容 腔的 容积效应可 以看作 一个容 性元 C元 ,在实际中具体 R 卜 图2 工作泵和溢流阀的 简化键合图模型 分析一个泵时 ,经常忽略液压泵本 身和变量机构 的惯 性、摩擦及内部泄漏,而仅考虑工作泵出口处的容积 效应。在键合图中溢流阀可以包含到液压泵中去,表 示为从 ⋯ 0 结点引 出的一 个阻性元 件 ,同时考虑 溢 流阀的阻性作用 ,工作泵 和溢流 阀的简化键合 图模 型 如图 2所示 。 为 液压泵轴上产生 的转矩 , 为液压泵转速 为 1 r a d / r 时输 出的几何排量 ,P 。 为液压泵 的 出 口压力 , Q 。 为液压泵 的理想流 量 , 为溢流 阀的液 阻,Q 为 经溢 流阀回油箱 的流量 ,A Q 。 是 Q 。 损失在 C元上 的 流量 ,c 。 为泵出口处的容积效应,Q 为液压泵的出 口流量 。 2 换 向阀键 合图 装 载 机 工 作 装 置 R R z e 液压系统多路换向阀 f △ i e 由 三位六通滑阀和四 p I w . 士 位 六 通 滑 阀 组 成 ,对 。一 。 Q Q 。 于这 两个 阀 ,分 析 其 a b 各种 工 作 状 态 ,建 立 其键 合 图 时 ,仅 把 阀 图3 手动换向阀的 15当做 一 个 阻 尼 性 能 简化键图模型 量损耗 ,阀 的内泄 漏忽 略不 计 。铲 斗 油缸 处 于右位 时,其功率 键合 图可用 两个 1结 点表示 ,如 图 3 a 、 b 所示 。 R 为 S口和 Y口液阻 ,R 为 Z 口和 E 口液 阻 , Q 为进油 口流量 ,Q 为 回油 口流量 ,p 为液压 泵 的 输 出压力 , p 为进 油 口压力 ,p 为 回油 口压 力 ,p 。 为油箱压力 。 3 双液压缸键合图 装载机工作装置液压系统 手动阀采用双液 压缸驱动方式 ,通过两液压缸有杆腔相连接,无杆腔 相连接 ,实现装载机动臂和铲斗的运动。因此,在考 虑动臂或铲斗的键合图时,可将两个液压缸作为一个 整体来建立其动态模型。动态模型中可以忽略液压缸 的内部泄漏 ,但考虑连通腔的容积效应以及摩擦。由 ‰ T ” 第 2 0期 郑建校 等基于功率键合图的轮式装载机工作装置液压系统的建模与仿真 5 7 上述分析可得,双液压缸作用的键合图如图4所示。 图4 双液压缸的功率键合图模型 Q 。 为液压油缸供油 流量 ,c 为无 杆腔 连通腔 的 液容,c 为有杆腔连通腔的液容,p 为液压油缸无 杆腔压力 ,p 为液压 油缸有杆腔压力 , 为考虑缸 a 的摩擦 , 为考虑缸 b的摩擦 。 3 . 2 在不同工况下液压 系统的功率键合 图 1 铲斗 后倾 工况 下工 作装置 液压 系统 功率 键 合图 铲斗后倾工况下 ,铲斗油缸换向阀处于左位时, 动臂油缸换 向阀封锁 ,动臂 不工 作 ,处 于固定位 置 , 此时,铲斗油缸活塞杆向右运动,铲斗后倾。由工况 分析 ,此时 系统 中包 括 的液 压元 件有 工 作泵 、溢 流 阀、三位 四通滑阀 、双液压 缸等。考虑工作泵 的液容 效应 、摩擦 、内泄漏 以及惯性 。溢流 阀作为一个液阻 键接在工作泵的 0结点上 ,考虑液压缸有杆腔 、无杆 腔的液容效应、摩擦。根据这些因素以及液压元件的 键图模型,应用功率键合图方法将各元件的键合图连 接,并改变其因果划,从而绘制出液压系统总键合图 如图 5所示 。 换向阀i 谴油液 泵 和 溢流 阀 租 图 图5 铲斗后倾时液压系统总键合图模型 2 铲斗前倾工况下工作装置液压系统功率键合 铲斗前倾工况转斗油缸处于右位时,同样地动臂 油缸不工作,铲斗油缸活塞杆向左运动,此时铲斗前 倾,装载机卸载,实现铲斗靠 自重快速下翻,并顺势 装机限位块,使斗内剩料卸净。当卸料时方向阀在右 位,压力油进入铲斗油缸前腔实现转斗。当铲斗重心 越过斗下铰点后 ,铲斗在重力作用下加速翻转,但其 速度受到工作泵供油速度的限制,由于缓冲补油阀中 的单向阀及时向铲斗油缸前腔补油,使铲斗能快速下 翻,撞击限位块 ,实现铲斗卸料 。 由上述分析可知,在铲斗前倾时,总液压系统中 包括的元件有工作泵 、溢流阀、三位四通滑阀、双液 压缸等,除此之外,与无杆腔相接的缓冲补油回路上 的单 向阀也工作 ,故液 压系统 的键合 图是在铲斗后倾 工况键合 图的基 础上 ,加一个 1 结点 ,连接单向阀的 液阻,其键合图如图6所示。 图6 铲斗前倾时液压系统总键合图模型 4 由键合图列写系统动态方程 1 工作泵的状态方程 根据图2键合图列写工作泵的状态方程 工作泵 的出 口压力 ,C 元 P f △ Q d f P p 0 T F元 Q V p w,T p p v 0结点 A Q Q 一Q 一Q 一Q 1 结点 △ T o 一 一T 溢流 阀, 元 r0 P ≤ P。 Q r i 去 p p p p 为液压泵轴上产生的转矩, 为液压泵轴的角 速度 , 为液压泵所受的摩擦力矩,Q 。 为液压泵的 内部泄漏流量 。 2 多路 换向阀的状态 方程 根据图 3 键合图列写多路换向阀状态方程 进油 Q 卸 J L⋯ yppP 回油 油箱压力P 0 Qe 。 A p z e 卸 P b wP e 3 双液压缸状态方程 /\ 广 / 卜 t 一 5 8 机床与液压 第 3 8 卷 根据图 4键合 图列写双液压缸状态方程 进油 口压力 , C 1 P J △ 口 d t p 0 aw J 回油 口压力 , G 1 P b f △ Q b d t P b 0 u bw J 缸 1 ,T F元 F l P A , Q 1 A T F元 F a 2 P b A 2, Q a 2 v A 2 缸 2,T F元 F b l P A l,Q b J 1 T F元 F h 2 P b A 2, QIJ2 2 0 结点 A Q Q 一Q 。 一 0结点 A Q Q 。一Q 一Q 砬 1 结点 F F 1 一F a 2 F b F b l F h 2 F F1 F2 5液压 系统动态仿真分析 软件 M a t l a b中 S i m u l i n k是 一个用 来 对 系统进 行 建模、仿真和分析的软件包,还可对所建立的液压系 统的状态 方程 组 求解 ,作者 采用 M a t l a b / S i m u l i n k软 件对液压系统进行计算 、建模和动态仿 真。由于状态 方程的非线性并不是很严重,选用四阶龙格库塔算法 进行方程组的求解,所以在 M a t l a b软件环境下编制 了相应的仿真计算程序 M 函数文件对所建模型进行 求解 ,具体 的参数 由液压系统 的设计计算说明书和液 压元件参数查得。 1 工作装置液压系统的S i m u l i n k 仿真 在建立 工作装 置液压 系统的模 型与系统 S i m u l i n k 仿真模型时,采用 自向上的建模方式,首先建立液压 系统中每一个功能元件的S i m u l i n k 仿真模型,再根据 工作装鼍液压系统回路特点和不同工况将这些功能模 块的仿真模 型进行有机结合 ,逐渐建立整个 液压 系统 的S i m u l i n k 仿真模型。通过详细地分析装载机工作装 置液压系统 ,得 出了不同工况下系统 的功率键合 图模 型和数学模型,以铲斗后倾工况为例,对装载机工作 装置液压系统进行动态仿真研究 。在 M a t l a b / S i m u l i n k 软件下根据液压系统的具体参数值进行初始化和赋 值 ,编写 M函数文件进行仿真计算 ,液压缸和液压 系统 的总模型如图 7 、8所示。 A ddl 图7 铲斗后倾工况下液压缸的S i m u l i n k 模型 图 8 铲斗后倾工况工作下装置液压系统总的S i m u l i n k模型 建立液压系统 S i m u l i n k仿真模型后,运行参数的 M 函数文件 ,将具体 的设计参 数和液压元件参数通过 S i m u l i n k 模型参数 的界面进行 设定和修 改 ,然后运 行 仿真。在仿真过程中,可以实时对所建立的模块进行 监测 ,并将仿真结果形成数据文件 ,随时可 以凋用 和 输出。仿真采用软件自带的可变步长的四阶龙格一库 塔 R u n g e K u t t a 法,可以提供过零检测和误差控制, 其相对误差控制在 1 0 内,仿真运行完后,在 M a t l a b 命令窗口中输入命令 p l o t t o u t ,y o u t ,即可得到仿真 图像。如图9 1 5所示,铲斗后倾工况下,即铲斗铲 完物料后,铲斗口由竖直位置运动到水平位置的翻转 过程。此时 ,料堆对铲斗的反作用力矩为转斗阻力距 。 在铲斗充分插入料堆转斗的最初时刻,转斗静阻力矩 具有最大值,此时转斗铲角为零;其后,转斗静阻力 矩随着铲斗的翻转角变化而按双曲线特性变化,一直 到铲斗前切 削刃离 开料堆 坡面线 为止 。经过仿 真后 , 柱塞泵的输 出压力 、角速度逐渐增大 至恒定值 ;液 压 缸无杆腔压力逐渐增大 ,有杆腔压力逐 渐增 大 ,液压 缸的输出力逐渐增大 ,图 中曲线 中符 号表示 方 向,由 绝对值来确定其增大或是减小。由于参数的设定存在 不足,以及对每一个液压元件动态性能的影响因素, 没有全部考虑,故仿真结果有曲线 ,有直线。 图9 液压泵的输出压 图 1 0 液压泵的角速度 力 P 。 仿真曲线 图 1 1 液压缸无杆腔压 图 1 2 液压缸有杆腔压 力p 仿真曲线 力 P l,w 仿真曲线 下转第 6 2页 6 2 机床与液压 第 3 8卷 2 . 2 动态特性仿真分析 通过给方向盘输入角位移阶跃信号来分析油缸活 塞位移 X 。 及 计量 马达输 出转角 0 随时间的动态变化 曲线 。按照表 1 参数对该系统进行仿真,仿真结 果如图 5所示 。 表 1 液压转向系统仿真参数 系统压力/ M P a 1 2 C ,m / f m s ~ P a 1 0 活塞直径/ m m 8 0 C 。 / m 。 s 一 P a 一 7 . 3 5 1 0 一 活塞杆直径/ ra m 4 5 / 3 e / P a 6 . 5 1 0 油缸行程/ ra m 4 2 7 / 1 73 s 1 . 8 油缸负载/ k g 5 2 2 1 K c / m s 一 P a 一 1 . 2 3 1 0 一 。 最大转向角度/ 。 4 0 A / m 0 . 0 0 8 4 6 油液密度/ k g m。 8 3 0 O / r a d 0 . 1 8 言 5 0 .1 2 0. 1 .08 .06 .04 .02 0 t | s t / s a 转 向油缸 输 出位 移 b 转 向器马 达输 出转 角 图5 方向盘阶跃输入仿真结果 从图 5 a 可知,方 向盘在输入一角度阶跃信号 0 . 1 r a d后 ,油缸输 出位移 响应 曲线初始 阶段有振 荡现象 ,经过 0 4 s 左右 的衰减振荡之 后达到稳定 状 态 ,稳态值为 3 . 91 0 ~m,系统的上升时间 t 0 . 0 2 8 S ,峰值时 间 t 。 0 . 0 5 S ,调节 时间 t 0 . 4 S 。从仿真结果来看 ,系统趋于稳定状态,故该 车的全液压转向系统是稳定的。 3 结束语 液压转向系统是地下工程服务车的重要组成部 分,其性能的好坏直接决定车辆的操纵稳定性、使用 效率和维修成本。该设计采用了负荷传感式转 向方 式,效率更高 、系统更节能。同时对转向系统的优先 阀、转向器及转向缸进行了详细的分析,建立了较详 尽的仿真模型,并对转向系统进行了仿真分析。仿真 结果表 明 ,该转 向系统 的设计是成功的 ,可以满足实 际使用要求 。 参考文献 【 1 】 潘社卫. 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