矿用自卸车举升液压系统建模与仿真

陈雷

（中船重工集团公司第七一○研究所，湖北宜昌443003）

0 引言

某矿用自卸车举升系统负载大，要求卸货时间短，由此导致举升系统流量和压力均很大。为了更好地了解系统工作状态，以便对系统参数进行必要的优化，本文采用AMESim仿真软件对矿用自卸车举升液压系统进行分析、建模和仿真研究。

1 举升液压系统原理

图1为举升液压系统原理简图，该举升系统采用两级伸缩末级双作用液压油缸作为执行元件，用一个两位四通阀代替插装阀示意系统的工作状态。

图1 举升液压系统原理简图

不举升时，DT1、DT2均断电，电液换向阀处于中位，举升泵输出流量通过电液换向阀返回油箱。举升时，DT2通电，电液换向阀移右位工作，举升泵出口接通举升缸无杆腔，举升缸伸长，驱动货箱翻转。第二级缸伸出时，举升油缸有杆腔的油液通过平衡阀，使得货箱翻转过程更平稳。当需要货箱保持在某一个位置时，DT1、DT2均断电。举升终点时，货箱触发限位开关，停止举升。货箱要回落时DT1、DT3通电，举升泵出口与举升缸有杆腔连通，强制举升缸活塞杆缩回。

2 多级液压缸的运动模型

在矿用自卸车举升液压系统建模过程中，对两级举升液压缸的处理主要基于液压缸的连续性方程和液压缸与负载力平衡方程［1］，方程式如下：

式中：V1、V2为液压缸进油腔、回油腔体积，cm3；Q1、Q2为液压缸进油腔、回油腔流量，L/min；CiC、COC为液压缸内外泄漏系数；P1、P2为液压缸进油腔、回油腔压力，Pa；A1、A2为液压缸无杆腔、有杆腔活塞作用面积，cm2；βe为有效体积弹性模量；F为作用在活塞上的外负载，N；m为活塞和负载的总质量，kg；s为活塞杆位移，m。

3 AMESim仿真模型的建立

根据多级液压缸的工作原理，可将其分解为若干个相互连通的单级液压缸的组合［2］。如图2所示，将两级举升液压缸分解为一个柱塞缸和一个单杆活塞缸。图2中由虚线连接的两个部件在实际中是第二级活塞缸，当第一级缸伸出到最大位置后，第一级缸有杆腔被封闭。第二级缸开始动作以后，举升油缸有杆腔的油液经活塞杆壁上的孔及中心管道外侧到达回油口最终回到油箱，从而保证多级缸压力回缩时的有序动作。

图2 两级液压缸分解为单级液压缸

根据上述分析，建立两级伸缩末级双作用液压油缸AMESim模型如图3所示。该模型将碰撞考虑为“接触→变形→恢复→脱离接触”的变化过程，归结为“自由运动→接触变形”两种状态，通过建立描述碰撞过程中力与接触变形之间的关系，计算出碰撞过程中的接触力和接触变形［3］。

图3 两级举升液压缸AMESIM模型

如图4为货箱翻转过程。矿石卸下过程中，负载质量和转动惯量逐渐变小，当达到货物安息角时，矿石全部卸下，货箱翻转达到55°时自动停止举升。为提高仿真速度，本文未考虑负载质量和转动惯量的变化。

图4 举升过程示意图

在AMESim建模过程中，参数设置对于仿真的准确性至关重要。以下为本次仿真的部分关键参数。两级缸缸径分别为280mm、230mm，行程分别为1362mm、1331mm，油液的体积弹性模量为1.7×109Pa，矿用自卸车载重量为190 t，车厢自重 22 t。

4 举升液压系统的动力学仿真与分析

本文所描述的举升液压系统采用的是两级伸缩末级双作用液压油缸，与很多采用三级举升液压缸的系统有较大区别。而研究两级举升液压缸的资料较少，因此有必要利用AMESim仿真软件对其进行仿真，以便了解举升过程中液压缸内的压力变化情况，如图5所示。

4.1 举升缸货箱转过角度随时间的变化

图3 举升液压系统AMESim仿真模型

图3 货箱翻转角度曲线

从图6可知，仿真时间为16.5 s时，货箱转过角度达到55°，此时限位开关触发，举升缸不在伸长，货箱基本停止动作。货箱浮动1.5 s后压力迫降过程开始，整个下降过程持续11.2 s。

4.2 举升缸油压随时间的变化

图7 举升缸无杆腔油压变化曲线

图7 举升缸有杆腔油压变化曲线

图7 和图8分别为举升缸无杆腔和有杆腔的压力变化曲线。由图7可知，系统开始举升动作和活塞面积变化时都会引起举升缸内较大的压力冲击。

5 结论

举升系统开始动作和活塞面积变化时都会引起较大的压力冲击。当车斗重心、举升初始位置和各个铰支点的位置确定后，缸内油压峰值就由举升油缸的内部结构决定，因此设计举升油缸时，需要考虑到该压力冲击造成的影响，以免带来不必要的损失。本文未考虑负载质量和转动惯量的变化，与实际情况有一定的偏差，下一步工作需要对车斗的卸货过程进行动态仿真并与AMESim进行机械液压联合仿真。

［1］ 商钦和，黄先祥.多级缸起竖系统运动过程的建模与仿真［J］．系统仿真学报，2005（7）：1563-1565，1568．

［2］ 杨务滋，季伟.矿用自卸车举升液压系统的动力学建模与仿真［J］.现代制造工程，2009（3）：83-86，94.

［3］ 毕红霞，王艾伦.基于AMESIM的220t矿山自卸车举升系统多级液压缸的建模与仿真［J］.现代机械，2008（4）：9-11.