挖掘机液压负载模拟系统的设计

挖掘机液压负载模拟系统的设计

0起重机节能控制研究挖掘机是现代工程领域中使用最广泛的工具之一。由于其恶劣的工作环境、变动剧烈的负载,使得其工作效率低下。因此,挖掘机的节能控制研究一直是该领域的研究热点。为了在室内进行挖掘机的动力系统实验,必须实现挖掘机负载的室内模拟,才能有效地进行研究挖掘机的节能控制。挖掘机的负载模拟主要有机械加载和液压加载等方式。机械加载结构简单有冲击,对复杂状况的负载模拟程度低,且不能连续加载。液压加载与机械加载相比,有简单易行、工作平稳、可以连续加载、能远距离控制等优点1设计液压机负载模型系统1.1需求的实时曲线图本文致力于研究一套能够在室内最真实地反映挖掘机实际工况的负载模拟系统。图1为某挖掘机实际工作中负载的实时曲线图。从图中可以看出,挖掘机工作的过程中由于土壤的情况变化复杂,使得负载的波动非常剧烈。压力变化在0~40MPa之间。本文液压负载模拟系统的目标是实现对挖掘机高频率负载变化的模拟。1.2接执行元件b口液压系统的精确度和响应速度是负载模拟系统设计的关键。图2为负载模拟系统液压原理图。图中A口为加载腔,接执行元件(如动臂缸、斗杆缸、铲斗缸、回转马达、左行走马达、右行走马达)的出口,B口接多路阀的B口。本系统由控制油泵提供控制油通过伺服阀控制逻辑阀的控制油口,从而改变逻辑阀的开口达到控制A口(加载腔)压力的目的。通过伺服阀高频率响应特点进行对挖掘机负载高频率变化的模拟。1.3测试波形及标准波形负载模拟系统由工控机、D/A转换器、信号校正放大装置、高压比例阀、先导液压油源、放大插装阀组、桥路插装阀组、压力传感器、流量传感器等组成,可实现对被测试执行机构按照目标波形(如图1)及标准波形(正弦、方波、三角波等)进行加载模拟。本系统控制框图如图3所示。2液压系统仿真为了验证所设计液压加载系统的工作性能,对其进行了仿真研究。整个液压系统主要由液压泵、调压阀、伺服阀、逻辑阀组成。此系统中的难点为伺服阀与插装阀的建模,下面将主要阐述伺服阀与插装阀的模型的建立。2.1服务罐的简化模型考虑伺服阀动态响应的频宽远远高于插装阀,可将其看作一个典型的二阶线性环节与两个输入输出限幅的非线性环节的串联式中xC式中EVνA2.2牛顿第二定律插装阀主要由阀套、弹簧、阀体及阀座等组成。阀体的运动由牛顿第二定律容易得到,文献[4]中推理较为详细,本文从略。根据流体的连续性方程,插装阀入口流量q其中:式中C式中Aν———阀体运动速度。3动态部分的研究本系统采用比较成熟的液压仿真软件AMESim进行仿真分析。本系统在选型计算时,静态部分比较容易,只要系统压力及流量满足即可,本文从略。本文着重研究系统的动态部分(即系统的响应速度、精度、稳定性等)。下面主要从系统阶跃响应特性、正弦跟随特性、负载实际信号跟随特性对其进行论证分析。3.1系统的阶次特性仿真结果如图4所示,由图可知系统迅速从0升压至40MPa,需要的时间大约为0.3s,具有较快的响应速度。另外负载实际变化时,幅度远远小于40MPa,因此其响应速度是足够的。但是从此图也可以看出,系统的超调量加大,并且稳定性不好,信号有发散趋势。因此,需要在液压及控制方面对系统进行校正,图5为经校正及调整阻尼后的阶跃曲线图。3.2系统的正交跟踪性能伺服阀输入电流按正弦波输入,负载模拟系统的正弦跟随特性如图6所示。从图中可以看出,系统加载腔压力响应性能较快。3.3负载模拟系统的建立将实际负载信号(采用铲斗大腔压力)经过处理,输入到负载模拟系统,得到曲线如图7所示。由图可知,通过仿真得出的加载腔压力曲线与实际负载曲线吻合度非常高。4特性仿真验证本文在前人的基础上,设计了一套挖掘机的负载模拟系统并进行建模仿真。本文从阶跃响应特性及正弦跟随特性仿真验证了本文所设计的系统具有较高的响应速度和精度,从实际负载信号跟随特性图验证了系统可以满足对挖掘机高频变化负