矿用自卸车举升液压系统的计算与仿真分析

□ 陈 雷

中国船舶集团有限公司第七一○研究所 湖北宜昌 443003

矿用自卸车举升液压系统负载大,卸货时间短,流量和压力均较大。为更好地了解矿用自卸车举升液压系统的工作状态,实现对矿用自卸车举升液压系统参数的优化,笔者进行了计算和仿真分析。

1 原理

矿用自卸车举升液压系统原理简图如图1所示。这一系统采用两级举升液压缸作为执行元件,由一个电液换向阀代替插装阀表征系统的工作状态。

举升时,DT2通电,电液换向阀移至右位工作,液压泵出口与举升液压缸无杆腔连通,液压缸伸长,驱动货箱翻转。第二级举升液压缸伸出时,举升液压缸有杆腔的油液通过平衡阀,使货箱翻转过程更平稳。当需要将货箱保持在某一个位置时,DT1、DT2均断电。举升到终点时,货箱触发限位开关,停止举升。货箱要回落时,DT1、DT3通电,液压泵出口与举升液压缸有杆腔连通,强制举升液压缸活塞杆缩回。

2 计算

2.1 举升液压缸性能参数

该矿用自卸车载质量为190 t,车厢质量为22 t,布置有两个举升液压缸。根据两级举升液压缸在车架与货箱之间的安装位置,由力矩平衡方程得:

图1 举升液压系统原理简图

(1)

式中:F1为举升液压缸最大举升力;F2为举升阻力;L1为动力臂长;L2为阻力臂长;K为超载因数。

第一级举升液压缸缸径D1为:

(2)

式中:P为举升液压缸进油腔压力;ηcm为系统效率。

货箱举升过程如图2所示。货物卸下过程中,货箱负载质量逐渐减小,转动惯量也随之减小。当达到货物安息角时,货物全部卸下。货箱翻转角度达到55°时,举升动作停止。根据国家标准值、安装结构及第一级举升液压缸缸径D1,可以获得第二级举升液压缸缸径D2及各级举升液压缸行程。

图2 货箱举升过程

举升液压缸活塞杆直径d为:

(3)

举升液压缸为末级双作用,速比φ为2。

举升液压缸性能参数见表1。

表1 举升液压缸性能参数 mm

2.2 容积

举升液压缸无杆腔容积Vj为:

(4)

式中:hj为举升液压缸行程。

两级举升液压缸的最大工作容积Vmax为:

Vmax=2(V1+V2)

(5)

2.3 举升时间

矿用自卸车举升液压系统管道最大流量qz为:

qz=Vz/t

(6)

式中:Vz为两级举升液压缸总容积;t为举升时间。

举升液压系统需要的排量Vp为:

Vp=qz/n

(7)

式中:n为电机转速。

执行举升动作时,通过双泵合流方案,借用矿用自卸车转向液压系统的液压泵,共同为举升液压系统供油,以此来减小举升液压系统液压泵的排量。矿用自卸车转向液压系统液压泵的排量为180 mL/r,根据液压泵相关样本,选取举升液压系统液压泵的排量为275.8 mL/r,反推计算得到举升时间为17.5 s。

3 仿真建模

根据多级举升液压缸的工作原理,将两级举升液压缸分解为两个相互连通的单级液压缸,如图3所示。两个单级举升液压缸中,一个是柱塞缸,另一个是单杆活塞缸。当第一级举升液压缸伸出到最大位置后,举升液压缸有杆腔被封闭。第二级举升液压缸开始动作后,举升液压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,从而保证两级举升液压缸压力回缩时有序动作。

根据上述分析,建立两级举升液压缸AMESim软件模型,如图4所示。为提高仿真速度,笔者未考虑负载质量和转动惯量的变化。

图3 两级举升液压缸分解

4 仿真分析

笔者分析的矿用自卸车举升液压系统采用两级举升液压缸,与采用三级举升液压缸的举升液压系统有较大区别,且已有研究较少。建立矿用自卸车举升液压系统AMESim软件模型,如图5所示。

图4 两级举升液压缸AMESim软件模型

图5 举升液压系统AMESim软件模型

货箱翻转角度随时间变化曲线如图6所示。由图6可知,17.4 s时货箱翻转角度达到55°,此时限位开关触发,举升液压缸不再伸长,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11.5 s。

图6 货箱翻转角度随时间变化曲线

举升液压缸无杆腔和有杆腔压力随时间变化曲线分别如图7、图8所示。由图7、图8可知,开始举升动作和举升液压缸缸径变化时,都会引起举升液压缸内较大的压力冲击。

图7 举升液压缸无杆腔压力随时间变化曲线

图8 举升液压缸有杆腔压力随时间变化曲线

5 结束语

矿用自卸车举升液压系统中,较大压力冲击通常发生在举升动作时和举升液压缸缸径变化时。当车斗质心、举升初始位置、举升液压缸安装位置确定后,举升液压缸内最大压力由自身内部结构决定。因此,在设计举升液压缸时,需要考虑压力冲击造成的影响,减少不必要的损失。笔者在仿真分析中未考虑负载质量和转动惯量的变化,与实际情况有一定偏差,后续将对车斗卸货过程进行动态仿真,并基于AMESim软件进行机械液压联合仿真。