装载机机液工作系统动态特性分析

严世榕，王 巍

（福州大学 机械工程及自动化学院，福建 福州 350108）

轮式装载机是机液耦合的一体化产品，是一种重要的工程机械，可以用来铲装、卸载、搬运、平整散装物料，也可对硬土、岩石等进行轻度的铲掘工作［1－2］，其作业环境异常复杂.在不同的作业物料下，产生的作业阻力差别很大；在插入、转斗、举升、卸载和动臂下放不同工况下，装载机受力也差别大.这会引起工作系统频繁的振动与冲击，对液压元件寿命和装载机的可靠性有很大的影响；同时司机凭借经验不停地踩踏油门和更换换向阀方向，燃油消耗大，司机也易于疲劳［1－3］.所以分析装载机工作系统动态特性，找出问题的关键，对提高整机性能具有非常重大的意义.

目前，关于装载机的动态特性研究主要集中在两方面：工作装置的动态特性分析与优化设计和液压系统动态特性分析与改进［2－4］.第一种没有考虑液压系统的影响，通过对工作装置的动态特性进行研究，来优化工作装置的结构，达到力学性能最优.第二种没有考虑实时作业时机液耦合的影响，单独分离出液压系统进行液压动力学特性研究，来改进液压系统的结构.从能量转化角度考虑，装载机是机、液耦合的复杂系统，以统一的方式建立多领域并存的耦合系统的动力学模型才能更准确地反映装载机的动态特性［3－6］.虽然有些文献，如文献［3］，进行了联合仿真研究，但没有考虑发动机的影响，仅对工作装置和液压系统进行了简单的分析；且研究工况单一，对工作系统研究不够全面.本文针对福建某厂生产的ZL10型轮式装载机，利用在动力学仿真方面有较强优势的机械系统动力学分析软件ADAMS和在液压系统仿真方面有较强优势的多学科领域复杂系统建模与仿真平台软件AMESim，建立装载机机械模型和液压系统模型，并考虑了发动机的影响，建立了发动机模型.针对几种典型的物料工况，对装载机工作系统进行了机液耦合动力学联合仿真分析，得出了在插入、转斗、举升、卸载和动臂下放工况下的工作系统压力、流量、油门开度和功率等参数的动态特征，并总结出液压冲击和能耗损失严重的环节，为改进装载机发动机功率损失大，液压系统高压溢流频繁以及振动冲击严重等问题提供一定的指导和帮助.

1 建立机械动力学模型

利用Pro／E软件强大的建模功能，建立ZL10型轮式装载机的三维数字化模型.在Pro／E机构分析功能中，检验该模型的基本性能，使之卸载角、卸载高度、卸载距离和铲斗的自动放平性满足要求.然后，把图形文件保存为Parasolid（＊x－t）格式，并导入ADAMS中.在ADAMS中定义材料属性以及各部件间的约束和力特征，完成模型的建立［3］.

2 建立机液耦合工作系统模型

2.1 液压系统原理分析

ZL10型轮式装载机的液压系统采用工作装置液压系统和转向液压系统单泵并联油路.通过优先阀和负荷传感转向器，在任何情况下，均能保证转向器回路流量优先，在保证转向器正常工作的情况下，剩余流量供给工作系统.

在液压系统中，液压油在液压缸中以弹簧基本相同的方式进行运动，动力学方程为［3］：

式中：P为外力；Keq为等效弹簧刚度；h为压缩位移量；E为液压油体积弹性模量；A为活塞作用面积；V为液压油体积.

2.2 机液耦合工作系统模型的建立

根据液压系统原理图，利用AMESim中的液压元件设计库HCD建立优先阀模型；根据负荷传感转向器的工作原理，建立相似数学模型的仿真模型；最后在标准液压库中建立转斗缸、举升缸、转向缸、换向阀、安全阀、泵和油液等其他液压元件模型，从而完成液压系统部分数学模型的建立［3－6］.

装载机发动机采用柴油机，把发动机看作一个二自由度系统，数学模型为［6］

式中：Te为发动机扭矩；ne为发动机转速；α为油门开度；ki为常数（i＝1，2，3，…）.

根据如上的数学模型，利用AMESim的IFP Drive库建立装载机柴油机仿真模型.设置柴油机油门开度在0～100%范围，转速在1 000～2 400r·min－1范围.

本文联合仿真以AMESim为仿真主界面，因此必须先在ADAMS中定义输入输出状态变量.输入变量分别为车轮转矩和4个油缸作用力，输出变量分别为车轮角位移、角速度和3个油缸的油缸活塞相对于缸筒的位移和速度，然后保存接口文件，该文件中包含了机械模型的所有信息.最后在AMESim中导入生成的接口模块，完成机液耦合工作系统模型的建立［3］.

3 工作系统动态特性分析

根据该型号装载机的主要技术性能参数，在模型中设置各元件的基本参数.

3.1 插入工况工作系统动态特性分析

插入工况下，多路换向阀1和2处于中位，动臂油缸和转斗油缸成闭锁状态.插入阻力与物料重量随插入深度的增加而增加.本文选用煤、沙砾石、铁矿石这三种典型物料为研究对象.根据经验公式［3，5］，分别计算其插入阻力和物料重力.

ADAMS模型中，在装载机铲斗中间铲齿处，水平方向上施加插入阻力；在铲斗质心处，竖直方向上施加物料重力.其中插入阻力和物料重力是插入深度的函数.插入时车体以1挡进行作业，动态特性如图1.

图1 插入工况工作系统动态特性Fig.1 Dynamic characteristics of working system in inserting conditions

图1a是控制发动机转速为2 200r·min－1，车体插入不同物料工况下，油门开度的变化情况.其中曲线5是车体插入沙砾石物料时遇到硬物阻力的情况.图1b是沙砾石和铁矿石工况下，匀速插入时，举升缸和转斗缸大、小腔压力的变化情况.图1c是沙砾石工况下，车体匀加速插入时油泵随转速的变化情况.图1d是三种物料工况下，匀速插入时发动机功率的变化情况.

由图1a知，插入阻力随着插入深度的增大而不断增大，为稳定发动机转速，油门开度也逐渐增大.同一种物料工况下，发动机油门开度有一定的变化范围，如煤工况下油门开度变化范围在10%～25%；不同物料工况下，最大油门开度差别很大，如铁矿石最大为100%，而煤为25%.由图1d知，煤和铁矿石工况下，所需最大功率分别是10kW和40kW左右，不同物料导致对发动机功率的需求差别大.而发动机最大功率在40kW左右，由发动机的特性知，长期作业在煤物料工况下，没有充分利用发动机功率，后备功率大，燃油损失严重.若对发动机功率模式进行控制，根据不同物料工况对功率的需求，相应的选择能充分利用发动机功率的模式，能减小后备功率，降低燃油消耗.图1b中，举升缸和转斗缸大腔压力随着插入阻力的增大而增加，过大的插入阻力，会造成油缸压力超过额定压力；且工作中若遇到硬物，阻力突然增加，油缸也造成了一定的冲击.由图1c可知，插入时定量油泵处于不工作状态，而扭矩随转速增加而增加，造成能源浪费.可以将定量泵改用变量泵，来改善这一状况.

3.2 转斗工况工作系统动态特性分析

转斗工况下，开启转斗液压缸，关闭动臂液压缸，使铲斗翻转装载物料.此时料堆对铲斗的反作用力产生转斗阻力矩.根据经验公式［6］，分别计算其开始时的最大转斗阻力矩.

ADAMS模型中，在铲斗质心处施加转斗阻力矩.转斗阻力矩随翻转角的增大而减少，此时可用step函数进行模拟转斗阻力矩的变化情况.AMESim模型中多路换向阀的开口模拟值范围为－40—40，转斗时阀开口变化为0—－40.设置不同开启时间来模拟不同的开启速度，时间越小，开启速度越快.如图2，取开启时间为0.5，0.1，0.01s，发动机控制转速为2 200r·min－1，分离离合器，转斗动态特性如图2a，b.设置开启时间为0.5s，转速为2 200r·min－1，三种不同物料工况下，转斗动态特性如图2c，d.

由图2a，b可知，开启时间越短，开启速度越快，液压缸振动越大，对液压缸损害越大.由图2c可知，转斗时，不同物料工况下所需的油门开度变化范围很大，作业物料的不确定性，会导致发动机功率不能充分利用，浪费能源.由图2d可知，装载机转斗到极限位置时，撞击限位块，液压系统产生高压溢流，功率损失严重，对油缸也造成了一定的冲击.

图2 转斗工况工作系统动态特性Fig.2 Dynamic characteristics of working system in rotating bucket conditions

3.3 举升工况工作系统动态特性分析

举升工况下，锁紧转斗液压缸，开启动臂液压缸，将铲斗举升到一定高度.此时铲斗只承受物料重力［3］，取最大载重10kN，在ADAMS模型中铲斗质心处施加物料重力.举升动态特性如图3.

图3 举升工况工作系统动态特性Fig.3 Dynamic characteristics of working system in lifting conditions

AMESim模型中，取开启时间分别为5，3，1s，关闭时间为1s，发动机转速为2 200r·min－1，得举升缸和转斗缸大腔压力变化如图3a，b.取开启时间为1s，关闭时间分别为5，3，1s，发动机转速为2 200r·min－1，得举升缸和转斗缸大腔压力变化如图3c，d.取开启时间和关闭时间均为1s，发动机转速为2 200r·min－1，得发动机油门和发动机功率变化如图3e，f.

由图4知，阀门开启速度越快，举升缸和转斗缸大腔压力振动越严重，相比而言，转斗缸压力的振动幅度更大；阀门关闭速度对举升缸压力振动影响较大，对转斗缸压力振动影响较小.举升过程中油门变化范围大，功率消耗也大.

3.4 卸载工况工作系统动态特性分析

卸载工况下，锁紧动臂液压缸，开启转斗液压缸，使铲斗翻转卸载物料.此时铲斗受物料重力作用且随翻转角的增大而逐渐减小.在ADAMS模型中，用step函数模拟物料重力.AMESim模型中取发动机转速为1 500r·min－1，卸载动态特性如图4.

图4 卸载工况工作系统动态特性Fig.4 Dynamic characteristics of working system in unloading conditions

由图4b知，开始翻转时，转斗缸小腔压力随着物料的卸载而逐渐减小，之后铲斗依靠重力卸载，小腔压力为零.卸载完后，铲斗撞击限位块，导致高压溢流，产生能量损失，功率变化如图4d；由图4c知，卸载初始速度恒定，之后依靠重力卸载速度快，突然撞击限位块，冲击大，严重影响铲斗使用寿命.

3.5 动臂下放工况工作系统动态特性分析

动臂下放工况下，锁紧转斗液压缸，开启动臂液压缸，依靠铲斗的重力使动臂下放到水平插入状态.此时只有铲斗的自重，发动机处于怠速状态.动臂下放动态特性如图5.

图5 动臂下放工作系统动态特性Fig.5 Dynamic characteristics of working system in lowering boom conditions

由图5知，动臂依靠自重下降，液压缸采用差动连接，动臂缸大、小腔压力较小，活塞杆速度迅速上升到一个较快值后保持稳定，在下放到地面瞬间，关闭阀门，产生了较大的冲击，甚至超过了额定压力，对整个系统造成了严重的冲击损害.由图5c知，此时油液流向举升缸大腔的流量等于流向小腔和油箱之和.

4 结论

装载机整机系统比较复杂，本文在ADAMS和AMESim平台上建立了ZL10型轮式装载机机械模型、发动机模型、液压系统模型以及其他传动部分模型，进行了机液耦合工作系统动态特性分析研究.基于典型工况，研究了装载机在一个工作周期内，液压系统动态特性情况、对应的发动机油门大小变化情况和功率损耗情况.研究结果显示：

（1）插入阶段遇到硬物、转斗到极限位置、举升停止瞬间、卸载到极限位置、下放动臂完毕瞬间、阀门开启关闭速度过快均会对系统产生较大的振动与冲击.

（2）作业物料的不同，对发动机功率需求差别大，燃油损失严重.

（3）撞击限位块，产生高压溢流，燃油损失严重.

后续工作可以从发动机和液压系统的控制策略方面进行研究，以改善系统性能，从而对实际的装载机设计提供一定的指导.

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