正流量液压挖掘机动臂回路流量特性分析

2014-10-22张永强仉志强钟家怡

机械工程与自动化 2014年1期

张永强，刘建，仉志强，钟家怡

（1.太原重工股份有限公司，山西太原 030024；2.太原科技大学机械工程学院，山西太原030024；3.柳工机械工程股份有限公司，广西柳州 545007）

0 引言

正流量液压挖掘机液压系统的流量供应能够跟随负载所需流量进行实时变化，实现系统流量的实时匹配。但是挖掘机动臂在下降过程中存在着很大的重力势能，而且挖掘机在工作过程中动臂需要频繁地制动和举升，这部分势能如果能够回收再利用，将在很大程度上提高挖掘机的能量利用率，提高系统的工作效率。因此，本文对22 t正流量液压挖掘机动臂下降过程的机构运动与动臂液压回路进行理论分析，并进行建模仿真分析，优化系统参数。

1 动臂下降过程的机构运动学模型

动臂下降动作采用常用测试方法中规定的动作：斗杆油缸和铲斗油缸缩回到末端，保持斗杆和铲斗固定不动，在工装机构自重和双动臂油缸液压力的共同作用下，整个工装机构自上而下运动至水平地面，完成动臂下降动作。

动臂下降动作主要是在牵引力矩和阻力矩的共同作用下完成的。牵引力矩主要是由动臂油缸有杆腔的液压力和工装机构自重共同作用产生的转动力矩，该转动力矩不仅受到动臂油缸有杆腔液压力和工装机构本身自重的影响，而且还受到工装机构自身几何参数的影响。阻力矩主要是由动臂油缸活塞与缸筒内壁产生的摩擦力和其他摩擦力共同作用产生的。

图1为动臂机构图，根据工装机构的几何关系和力矩平衡原理建立如下数学模型。

（1）动臂油缸的力臂：

（2）动臂油缸的总长度：

（3）工装机构、动臂整体运动的动态平衡方程为：

其中：F为动臂缸的作用力；J为工装与动臂整体的转动惯量；G为工装自重；e2为工装机构产生的力臂。

（4）工装机构产生的力臂：

图1 动臂机构图

2 动臂回路液压系统动态模型

图2为挖掘机动臂液压回路图。它主要由主泵、动臂多路阀和动臂油缸组成，采用了流量再生回路，由节流阀1、2和单向阀等组成动臂流量再生回路。所谓流量再生就是在动臂下降工况下，利用负载自身重力产生的液压力将油液从高压腔输送到低压腔内，使系统所需主泵流量最小。

根据斗杆结构布置情况，单向阀阀芯通径初选为18 mm。按照功率键合图原理，建立动臂回路的数学模型。

（1）动臂油缸有杆腔的连续性方程为：

其中：Qp为进油流量；Q4为经过节流阀2的液压油流量；p1为液压缸有杆腔压力；A1为液压缸有杆腔面积；x为液压缸位移；V1为液压缸有杆腔有效容积；βe为有效体积弹性模量。

图2 动臂液压回路图

（2）动臂油缸活塞杆的运动微分方程为：

其中：p2为液压缸无杆腔压力；A2为液压缸无杆腔面积。

（3）动臂油缸无杆腔的连续性方程为：

其中：V2为液压缸无杆腔有效容积；Q3为经过节流阀1的液压油流量。

（4）节流阀1的流量方程为：

其中：C为流量系数，一般取0.61；A3为节流阀1阀芯面积；ρ为液压油密度；p3为节流阀1进口压力。

（5）节流阀2的流量方程为：

其中：A4为节流阀2阀芯面积；p4为节流阀2进口压力；p T为回油压力。

（6）单向阀的流量方程为：

其中：A5为单向阀阀芯面积；p5为单向阀进口压力。

（7）动臂多路阀阀芯的进油流量方程为：

其中：A P为进油口阀芯面积；p P为进油压力。

3 动臂回路流量仿真与优化

针对液压挖掘机动臂下降回路系统的复杂性，本文利用A MESim软件对挖掘机动臂下降的机构运动与液压系统进行建模仿真。图3为动臂下降的机构运动与液压回路仿真图。表1为动臂下降系统参数表。图4为动臂下降仿真结果，其中，d1为节流阀1的通径，d2为节流阀2的通径。

从图4可以看出动臂在整个下降过程中分为2个阶段：0 s～0.5 s和0.5 s～2.7 s。

（1）第1阶段（0 s～0.5 s）：通过调整操作手柄使其摆角达到最大值，进而控制动臂多路阀阀芯使其阀口开度达到最大值。油液经动臂多路阀流入动臂油缸的有杆腔内，产生驱动力。在动臂油缸驱动力和工装自重的共同作用下动臂开始加速下降。此时由于动臂油缸驱动力产生的加速度要远大于工装本身的重力加速度，因此从图4（a）中曲线可以看出有杆腔压力大于无杆腔压力，从图4（b）中曲线可以看出再生回路内没有回收流量。

图3 动臂下降的机构运动与液压回路仿真图

表1 动臂下降系统参数表

（2）第2阶段（0.5 s～2.7 s）：0.5 s时，动臂油缸有杆腔流量已经达到动臂下降设定流量的最大值，而动臂在工装自重作用下仍然继续下降。此时主泵所提供的流量已不能满足有杆腔所需流量，从图4（b）曲线可以看出从0.5 s开始无杆腔部分油液通过流量再生回路流回有杆腔。并且随着时间的增加，再生回路的流量也在增大，由30 L／min增大至180 L／min。从图4（a）可以看出此阶段的无杆腔压力大于有杆腔压力，2.7 s时有杆腔压力等于无杆腔压力，动臂下降到水平位置。

从能量回收再利用最大化的角度出发，可以通过调整流量再生回路中节流阀1、2的通径大小，来使动臂下降过程中再生流量最大。

图5为节流阀对再生流量的影响。从图5（a）中可以看出，调整节流阀2的通径为14 mm时，随着时间的增加再生流量逐渐增加，随着节流阀1通径的增大，再生流量也逐渐增大，并且增加的幅度非常大；从图5（b）中可以看出，调整节流阀1的通径为24 mm时，随着时间的增加再生流量逐渐增加，并且随着节流阀2通径的增大，再生流量也逐渐增大，但是增加的幅度较小。

为了匹配节流阀1、2通径的最佳组合，采取遗传算法进行优化：①设定节流阀1、2通径范围分别为d1＝5 mm～25 mm，d2＝5 mm～25 mm；②动臂下降回路由一个主泵提供流量，供油量要稳定，并寻求最小值；③采用遗传优化算法，优化算法的参数为：群体大小为10；再生率为80%；最大遗传代数为20；变异概率为10%，变异幅度为0.2；步长为1。通过上述过程产生了两组节流阀通径，分别为：d1＝14.5 mm，d2＝24 mm和d1＝19.5 mmd2＝12.5 mm 对应的主泵最小流量为145 L／min。优化前，主泵流量为238 L／min。所以，动臂下降的势能回收率为：η＝＝39%。