液压挖掘机回转系统启动性能的仿真研究

刘锋，周宏兵

（1.韶关学院物理与机电工程学院，广东韶关512005；2.中南大学机电工程学院，湖南长沙410100）

液压挖掘机回转系统启动性能的仿真研究

刘锋1，周宏兵2

（1.韶关学院物理与机电工程学院，广东韶关512005；2.中南大学机电工程学院，湖南长沙410100）

液压挖掘机回转系统启动过程中存在严重溢流损失，提高启动速度和减小溢流损失很难同时实现,尤其是对于中大型液压挖掘机.利用AMESim和ADAMS仿真软件，建立挖掘机回转系统的机——液联合仿真模型，分析相关参数对回转启动性能的影响，通过优化系统参数，减小启动溢流损失的同时提高了启动速度.

液压挖掘机；回转系统；启动性能；联合仿真；优化

回转系统作为液压挖掘机的主要组成部分，其工作时间约占整个工作循环的50%～70%，能量消耗占25%～40%，发热量占液压系统总发热量的30%～40%［1］.由于挖掘机工作时回转角度一般为90°左右，即回转平台未加速到最大转速时就已开始制动，因此，回转工作过程基本由启动过程和制动过程组成.回转系统启动性能对挖掘机整机性能起重要作用，回转系统的启动过程主要要求启动过程迅速且溢流损失小.

目前，国内外学者对回转系统性能的研究主要集中在对制动能量的回收［2-3］，如提出了次级调节节能原理［4］、开式回转油路中加蓄能器的方案［5］和混合动力技术［6］，而对启动性能的研究甚少.笔者提出建立回转系统AMESim-ADAMS联合仿真模型的方法，对回转系统的启动性能进行分析研究和优化.

图1 回转系统基本组成

1 回转系统基本组成及其工作原理

液压挖掘机的回转系统包括回转装置和回转液压系统，如图1所示.回转装置主要由回转平台和回转支承组成，回转过程中，挖掘机的操纵室、工作装置总成和油箱等部件随回转平台一起转动；回转液压系统主要由液压泵、回转马达、回转换向阀组成，一般是阀控回转马达系统［7］，图2为某公司23 t挖掘机回转液压系统原理简图.

根据回转系统基本组成与液压原理简图，建立回转系统启动过程的数学模型［8］.

上式中，ε—回转平台角加速度；T—回转平台驱动力矩；Mz—阻力矩（含摩擦阻力矩和风阻力矩）；Mi—惯性阻力矩；Ji—回转平台上各零部件对回转中心的转动惯量.

图2 回转液压系统原理图

上式中，ω—平台回转角速度.

上式中，i—减速比；PA—回转马达A口压力；PB—回转马达B口压力；q—回转马达排量.

操纵控制手柄使回转换向阀工作在右位时，回转马达A口进油，B口回油，回转马达通过其内部的齿轮减速机构将转速和扭矩传递给回转支撑，克服回转阻力矩使回转平台加速；操纵控制手柄使回转换向阀工作在左位时，回转马达B口进油，A口回油，回转平台向相反方向加速；操纵控制手柄使回转换向阀工作在中位时，回转马达制动腔产生高压使回转马达减速.由式（1）、式（2）和式（3）可知，回转加速时，若回转平台转动惯量和惯性阻力矩增大，则角加速度减小，回转平台加速过程减慢；同时，泵的输出流量大于回转马达所需流量，溢流损失增大.因此，对于中大型液压挖掘机，回转系统启动缓慢且存在严重溢流损失.

2 AMESim-ADAMS联合仿真方法

根据液压挖掘机回转系统的基本组成及其工作原理，建立上述数学模型进行分析，其分析结果不具有直观性和具体性.考虑到数学方法的抽象性、挖掘机回转系统的复杂性和工况的不确定性，笔者利用动力学分析软件ADAMS和液压分析软件AMESim建立回转液压系统的AMESim-ADAMS联合仿真模型，即机—液联合仿真模型，对其进行定量分析和优化.

主要过程包括：采用AMESim软件建立挖掘机回转系统的液压仿真模型，采用ADAMS软件建立挖掘机结构动力学模型，通过联合接口实现两者的联合仿真；对回转动作过程进行试验测试和仿真分析；将仿真所得数据与实验所测数据进行对比，验证联合仿真模型是否正确，并完善模型；利用仿真模型分析和优化回转系统启动性能.

3 仿真模型的建立

3.1 Adams动力结构模型

在Pro/E或Inventor等三维建模软件中，建立挖掘机回转平台以上部分的装配三维模型，将其导入Adams软件中.此时，Adams中导入的模型保存了原三维模型结构、尺寸、位置、质量等信息，但是需对其零部件添加约束关系，对其装配关系进行重新定义.

3.2 AMESim液压系统模型

在AMESim软件中选取相应的变量泵、定量马达模型，并根据挖掘机中液压泵和回转马达的相关参数设置相应参数；在AMESIM中构建防反转阀块、缓冲溢流阀和泵控模块并分别对其进行封装［9］；采用AMESim中HCD库的元件构建换向阀模型，并设置相关参数.

3.3 回转系统Adams-AMESim联合仿真模型

在ADAMS中将回转平台的转速和角位移设置为联合接口模块的输入状态变量，将回转马达的驱动扭矩设置为联合接口模块的输出状态变量.将已定义好的输入状态变量、输出状态变量集成在联合接口模块内，并将联合接口模块导入AMESim软件中的液压系统模型.至此，建立AMESim-ADAMS联合仿真模型如图3所示.

图3 液压挖掘机回转系统AMESim-ADAMS联合仿真模型

3.4模型正确性的验证

通过对液压挖掘机回转系统进行测试，得到回转系统空载动作时手柄的输入信号及相关压力流量数据.将采集的输入信号作为仿真模型的输入信号，仿真得到相应的压力流量数据.将回转仿真数据与实验压力流量数据进行对比分析，验证模型的正确性.

4 仿真分析及优化

采集挖掘机回转试验的输入信号，将此信号作为仿真模型的输入信号，对回转动作进行仿真.挖掘机回转启动加速过程包括定量加速阶段和变量加速阶段，在定量加速阶段，B口压力迅速升高开启溢流阀，回转马达输出较稳定的驱动力矩，使回转平台做近匀加速运动；当回转马达转速增加到一定值时，液压泵工作在恒功率变量阶段，此时，液压泵的排量增大、回转系统压力减小，回转系统工作在变量加速阶段.

回转过程中的溢流损失主要出现在定量加速阶段，在此阶段，回转液压系统的溢流量达到4.35 L,泵输出流量的利用率只有51.4%.

4.1 回转马达排量大小的影响

分别设定回转马达的排量为128.5、148.5、168.5和188.5 ml/r，利用采集的输入信号驱动仿真模型空载回转90°，得到回转马达口的压力特性仿真曲线如图4所示，液压泵与回转马达流量特性仿真曲线如图5所示，回转平台的角位移仿真曲线和角速度仿真曲线如图6所示.

图4 回转马达口压力仿真曲线

图5 泵与回转马达流量仿真曲线

图6 回转平台的角位移仿真曲线和角速度仿真曲线

对图4、图5和图6分析处理可得表1.结果表明，在某特定范围内增大回转马达的排量，可提高回转的快速性的同时减小回转启动溢流损失.如当回转马达的排量由148.5 ml/r增加到168.5 ml/r时，回转平台的最大转速和角位移略有增大，但启动溢流损失减小了23.58%.

表1 马达排量对启动性能的影响

4.2 回转减速比的影响

分别设定回转系统减速比为18.5，20.5，22.5，24.5做回转动作仿真，对其主要数据处理分析得到表2.结果表明，增大减速比，能同时减小溢流损失、提高回转马达启动速度.

表2 回转系统减速比对启动性能的影响

4.3 转动惯量的影响

分别设定回转平台的转动惯量为74 480、110 800、147 120、183 440 kg·m2作仿真分析，对其主要数据处理分析得到表3.结果表明，回转平台的转动惯量减小，回转平台转过的角位移增大，溢流量减小.因此，在挖掘机工作装置或操纵室等结构设计过程中，应尽量减小各零部件对回转中心的转动惯量.

表3 转动惯量对启动性能的影响

4.4 回转系统的优化

根据上述相关参数对回转系统启动性能的影响规律，利用仿真模型对回转启动性能进行优化.考虑到回转平台转动惯量主要由上车结构和工作装置等的结构尺寸决定，涉及到整机的平稳性和挖掘范围等，宜在设计初期优化.因此，仅对回转系统减速比和回转马达的排量进行优化，优化结果如表4所示.优化后回转系统启动溢流量减少了28.7%，回转90°的时间减少了7.56%.

表4 启动性能的优化结果

5 总结与展望

笔者建立回转系统AMESim-ADAMS联合仿真模型，对回转系统的启动快速性和溢流特性进行分析研究和优化，得出相关参数对回转系统启动性能的影响规律.通过对减速比和回转马达的排量的优化，提高了回转系统的启动速度、减少了启动溢流损失.

回转平台转动惯量大、泵输出流量与回转马达所需流量不匹配是导致回转启动溢流损失大的主要原因.因此，还可从功率匹配的角度对回转启动性能的优化作进一步研究.

［1］同济大学.单斗液压挖掘机［M］.北京:中国建筑工业出版社,1986.

［2］Shapkness E,Heyne D,Lech R J.Hydraulic swing damping system［P］.United states patent,US6886278,Dec 18,2003.

［3］Macleod,Ian J.C.Closed circuit swing control system［P］.United states patent,US6520731,February 18,2003.

［4］范基,王志兰.次级调节的节能液压系统研制［J］.液压与启动,1991,(2):16-17.

［5］李建启.液压挖掘机回转节能装置的试验研究［J］.河北建筑工程学院学报,1994(3):1-7.

［6］Hiroaki I.Introduction of PC200-8 hybrid hydraulic excavators［M］.Tokyo:KOMATSU TECHNIC,2007.

［7］黄宗益,叶伟,李兴华.液压挖掘机液压系统概述［J］.建筑机械化,2003(9):12-16.

［8］周宏兵,刘锋,陈桂芳,危丹锋.液压挖掘机回转系统制动平稳性研究［J］.计算机仿真,2011(28):379-382.

［9］Saad A K,Yasser H A.Modeling and simulation of hydro mechanically constant power controlled swash plate pumps［J］.Fluid Power Systems and Technology,2006(10):22-37.

Simulation research on start-up performance of hydraulic excavator's slewing system

LIU Feng1,ZHOU Hong-bin2
（1.Institute of Physics and Mechanical&Electrical Engineering,Shaoguan University, Shaoguan 512005,Guangdong,China；2.Central South University,Changsha 410100,Hunan,China）

Overflow losses seriously exist in the start-up process of hydraulic excavator's slewing system,while improving the start-up speed and reducing overflow losses is difficult to be simultaneously achieved,especially for medium and large hydraulic excavators.This article established the AMESim-ADAMS co-simulation model of excavator's slewing system,analyzed the influence of the rotary system's main parameters,optimized the main parameters,and reduced overflow losses as improving the startup speeds.

Hydraulic excavators；rotary system；start-up performance；co-simulation；optimization

TH248

：A

：1007-5348（2014）10-0034-05

（责任编辑：李婉）

2014-05-15

国家863项目（2003AA430200）.

刘锋(1986-)，女，湖南郴州人，韶关学院物理与机电工程学院教师，硕士，主要从事工程机械机电液一体化技术方面的研究.