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淺析非公路自卸汽車全液壓式舉升機(jī)構(gòu)的建模與仿真論文
自卸車中使用的舉升液壓系統(tǒng)通常分為液壓助力式和全液壓式兩種。首鋼汽車制造廠生產(chǎn)的SGA3550 型非公路自卸式汽車是由北京科技大學(xué)研制開(kāi)發(fā)的擁有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，采用的是技術(shù)成熟、作用力大、系統(tǒng)剛性好的全液壓式舉升系統(tǒng)，整車長(zhǎng)7 578 mm，寬3 890 mm，高3 570 mm，前輪距3 100 mm，后輪距2 550 mm，軸距3 650 mm，主銷中心距2 100 mm，滿載爬坡度15%，接近角20°，離去角48°，最小轉(zhuǎn)彎半徑<9 m，本文利用ADAMS軟件對(duì)該車的全液壓舉升機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模與仿真。
1 SGA3550 型自卸車全液壓舉升系統(tǒng)組成
SGA3550 型自卸車舉升系統(tǒng)主要由舉升缸、節(jié)流閥、單向閥、電液換向閥、溢流閥、舉升泵、油箱及各管路組成。舉升泵采用“常嚙合取力器+齒輪泵”型式，通過(guò)取力器從變速箱上取力，采用4 級(jí)伸縮末級(jí)雙作用液壓缸作為執(zhí)行元件，用一個(gè)三位四通電液換向閥來(lái)控制貨廂的舉升和回落，有桿腔回油路上使用可調(diào)單向節(jié)流閥，控制舉升的速度。系統(tǒng)流量245.4L/min，舉升缸實(shí)際工作中最大工作壓力為12.7MPa。
2 舉升系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)仿真模型
為了簡(jiǎn)化模型加快設(shè)計(jì)進(jìn)度，本設(shè)計(jì)利用ADAMS 軟件對(duì)SGA3550 型自卸車舉升機(jī)構(gòu)建立仿真模型。
3 舉升液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
3.1 舉升液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程
國(guó)內(nèi)對(duì)于礦用自卸汽車液壓舉升系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，基本上采用的是傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)性設(shè)計(jì)，即分別對(duì)舉升機(jī)構(gòu)和舉升液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，二者再通過(guò)舉升液壓缸最大舉升力和舉升液壓系統(tǒng)最高油壓來(lái)相互協(xié)調(diào)，而對(duì)貨箱舉升回落過(guò)程中，機(jī)械系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)間的相互作用則不予考慮，這樣就無(wú)法了解舉升過(guò)程中，機(jī)械和液壓系統(tǒng)的真實(shí)情況。
作者根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，提出自卸汽車舉升液壓系統(tǒng)的一般設(shè)計(jì)流程：首先確定最大舉升力和系統(tǒng)壓力，計(jì)算出舉升缸最大內(nèi)徑，并根據(jù)舉升高度來(lái)確定各個(gè)舉升缸的內(nèi)徑和行程;其次根據(jù)舉升容量和時(shí)間確定舉升時(shí)流量，并通過(guò)流量、泵轉(zhuǎn)速及其所要實(shí)現(xiàn)功能擬定出的液壓原理圖來(lái)確定所需要的舉升泵，進(jìn)而確定液壓閥和各附件;最后對(duì)舉升液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真。此設(shè)計(jì)流程優(yōu)勢(shì)在于能根據(jù)仿真結(jié)果再次對(duì)舉升機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)、建模，以此循環(huán)，找到最優(yōu)解。
3.2 舉升缸的結(jié)構(gòu)
為使整車結(jié)構(gòu)緊湊，重心降低，達(dá)到貨廂對(duì)車架的沖擊減小、貨廂到達(dá)舉升終點(diǎn)時(shí)的限位以及貨廂回落時(shí)的限速等目的，SGA3550 型自卸車舉升機(jī)構(gòu)采用后置雙缸直頂式舉升機(jī)構(gòu)，采用液體壓力作為舉升動(dòng)力，舉升液壓缸為4 級(jí)伸縮，末級(jí)雙作用，內(nèi)泄式限位，回落時(shí)限速采用回油節(jié)流形式ADAMS/Hydraulics 中沒(méi)有多級(jí)液壓缸的模型，根據(jù)舉升液壓缸工作原理，可將其分解為若干個(gè)相互連通的單級(jí)液壓缸的組合，將4 級(jí)伸縮末級(jí)雙作用舉升液壓缸分解成3 個(gè)柱塞缸和1 個(gè)單桿活塞缸
4 舉升液壓系統(tǒng)的建模
根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)的統(tǒng)計(jì)，對(duì)礦用自卸汽車液壓系統(tǒng)的研究，主要還是通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，利用MATLAB/SIMULINK 等工具對(duì)所建立的模型進(jìn)行仿真，很少對(duì)由機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成的耦合系統(tǒng)進(jìn)行多領(lǐng)域協(xié)同仿真。本文將虛擬樣機(jī)技術(shù)引入礦用自卸汽車設(shè)計(jì)中，通過(guò)分析多級(jí)伸縮末級(jí)雙作用液壓缸的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，采用實(shí)體建模方式，利用ADAMS/Hydraulics 對(duì)舉升液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模。
其中一級(jí)缸、二級(jí)缸、三級(jí)缸為柱塞缸，四級(jí)缸為單桿活塞缸，4 個(gè)單級(jí)液壓缸的無(wú)桿腔通過(guò)集流器相互連通，四級(jí)缸的有桿腔通過(guò)限位閥(可調(diào)節(jié)流閥)與4 個(gè)液壓缸的無(wú)桿腔相連。貨箱舉升過(guò)程中，該閥是關(guān)閉的，當(dāng)舉升至終點(diǎn)(舉升缸伸長(zhǎng)量大于某一值)時(shí)，限位閥打開(kāi)，舉升缸上下腔連通，實(shí)現(xiàn)內(nèi)泄式限位。舉升缸的無(wú)桿腔進(jìn)油口和有桿腔進(jìn)油口用2 個(gè)節(jié)流閥模擬。這樣，一級(jí)缸、二級(jí)缸、三級(jí)缸、四級(jí)缸、集流器、限位閥、無(wú)桿腔進(jìn)油口和有桿腔進(jìn)油口組成了一個(gè)4 級(jí)伸縮末級(jí)雙作用內(nèi)卸式限位的舉升液壓缸，由此，就可以對(duì)液壓舉升系統(tǒng)進(jìn)行多領(lǐng)域協(xié)同仿真，對(duì)多級(jí)液壓缸后置直頂式舉升機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模。
5 舉升液壓系統(tǒng)模型仿真
ADAMS/Hydraulics 對(duì)舉升機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)進(jìn)行空車舉升和平裝滿載舉升。
5.1 空車舉升
首先進(jìn)行空車仿真，仿真時(shí)間取95 s，步長(zhǎng)0.001 s，舉升缸內(nèi)油壓隨時(shí)間的變化仿真結(jié)果。在貨箱舉升、回落過(guò)程中，當(dāng)每一級(jí)缸筒或活塞桿伸出和縮回時(shí)，無(wú)桿腔內(nèi)油壓都會(huì)出現(xiàn)沖擊，每個(gè)油壓峰值是由4 級(jí)伸縮末級(jí)雙作用舉升液壓缸的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的，是不可避免的
5.2 平裝滿載舉升
貨箱平裝滿載42 t 的貨物，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)，仿真時(shí)間取55 s，步長(zhǎng)0.001 s，仿真結(jié)果。
滿載舉升比空車舉升時(shí)舉升缸內(nèi)無(wú)桿腔內(nèi)油壓高很多，但每一級(jí)缸筒伸出時(shí)油壓的振蕩小了。
空車舉升、滿載卸貨舉升和滿載不卸貨舉升3 種情況下舉升缸舉升力的變化�？梢钥闯�，滿載卸貨舉升和滿載不卸貨舉升時(shí)舉升缸受力相差不大;滿載不卸貨舉升臨近終點(diǎn)時(shí)，舉升缸受到拉力，方向與推力相反，故出現(xiàn)一個(gè)拐點(diǎn)。
6 結(jié)論
將虛擬樣機(jī)技術(shù)引入到SGA3550 型礦用自卸汽車設(shè)計(jì)中，通過(guò)分析多級(jí)伸縮末級(jí)雙作用內(nèi)泄式限位舉升缸的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在ADAMS/VIEW 中建立舉升缸的仿真模型，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)的耦合，進(jìn)而建立了整個(gè)液壓舉升系統(tǒng)的仿真模型。
礦用自卸汽車液壓舉升系統(tǒng)仿真結(jié)果表明：在貨箱舉升、回落全過(guò)程中，舉升缸無(wú)桿腔內(nèi)先后出現(xiàn)了(2n+1)個(gè)油壓峰值(n 為舉升缸級(jí)數(shù))，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高，油壓沖擊越大;滿載舉升時(shí)，舉升缸內(nèi)油壓振蕩比空車舉升時(shí)有所減輕。
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