zl10型轮式装载机工作机构耦合仿真分析

zl10型轮式装载机工作机构耦合仿真分析

0工作机构可靠性和负载性装载设备通常用于清除装满定义的材料，并轻轻地清除硬土和岩石，这在土木工程中起着重要作用。由于工作状况复杂,装载机受力也比较复杂.工作机构的可靠性因此受到严峻考验;另一方面,操作人员只能凭经验操作装载机,设备功率损失严重,燃油消耗大。目前多数研究仅单独考虑某个部件,并不能很好地反映装载机的工作机构性能。本文从整机的角度考虑,建立发动机、液压系统和工作装置等工作机构模型,对工作机构耦合状态下的性能进行了深入的研究,以期为装载机系统改进、节能减排提供一定的指导和帮助。1zl10型生成的零部件本文以某厂生产的ZL10型轮式装载机为研究对象。它采用反转六连杆机构,是一种结构合理、性能良好、机动灵活、操纵轻便、经济性好、使用维修方便的小型工程机械。其主要参数指标见表1。在Pro/E的零件模块中建立ZL10型轮式装载机的各个零部件,并在组件模块中把各个零部件装配在一起;根据参数指标,在机构分析功能下,检验并改进模型,使之符合一定的卸载高度、卸载距离、卸载角,并使铲斗具有自动放平性能;完成Pro/E三维模型的建立。将Pro/E中建立的ZL10型轮式装载机三维模型保存为Parasolid(*x-t)格式的文件,在ADAMS软件中导入该文件,然后设置各个零部件的材料属性,并添加各个零部件之间的约束,检验冗余约束情况,使之为0。建立的ADAMS模型如图1所示。2合作模型的构建2.1液压油运动方程图2为ZL10型轮式装载机的液压系统原理图,该系统采用转向液压系统和工作装置液压系统单泵并联油路,即装在柴油机前端的油泵从油箱吸油后经优先阀分两路,一路经优先阀到全液压转向器,供转向油缸工作后流回油箱;另一路经多路换向阀到工作装置油缸.工作后流回油箱。在液压系统中,液压油在液压缸中以与弹簧基本相同的方式进行运动,动力学方程为式中:P为外力;keq为等效弹簧刚度;h为压缩位移量;E为液压油体积弹性模量;A为活塞作用面积;V为液压油体积。2.2adesim建模图3为装载机工作机构耦合模型。根据图2,在AMESim中的HCD液压元件设计库中建立优先阀模型;由负荷传感转向器的工作原理,可以用与数学模型相似的模型进行模拟;最后在标准液压库中建立液压缸、液压阀、泵、油管和油液等其他液压元件的模型,其中四位六通换向阀用一个二位四通阀和一个二位一通阀模拟,从而建立液压系统部分数学模型。装载机采用柴油发动机,把发动机看作一个二自由度系统,数学模型为式中:Te为发动机扭矩;ne为发动机转速;α为油门开度;ki(i=1,2,3,…)为常数。根据数学模型,利用AMESim的IFPDrive库建立装载机柴油机仿真模型。设置柴油机油门开度在0～100%范围内,转速在1000～2400r·min-1范围内,其柴油机特性曲线如图4所示。本文耦合仿真以AMESim为仿真主界面,首先在ADAMS中通过Build/SystemElements/StateVariable定义输入输出状态变量。输入变量分别为车轮转矩和4个液压油缸作用力,输出变量分别为车轮角位移、角速度和3个油缸的油缸活塞相对于缸筒的位移、速度,然后通过Controls/PlantExport生成包含ADAMS机械模型所有信息的接口文件。最后在AMESim中通过Modeling/InterfaceBlock/ImportAdamsModel导入生成的接口模块,完成工作机构耦合模型的建立。3物料政策联合仿真该ZL10型轮式装载机的主要技术性能参数如表2、3所示,在耦合模型中设置各元件的基本参数。为了分析油门开度变化的情况,可控制发动机的转速。由发动机特性可知,根据外负荷和转速可确定发动机油门的大小,其发动机控制模型如图5所示。在轮式装载机一个工作周期中,典型的工况有插入铲掘物料、转斗装载物料、举升物料、卸载物料和动臂下降工况。本文以砂砾石物料为研究对象,根据经验公式可知,最大插入阻力为20539N,最大转斗阻力矩为7053N·m,物料重10000N。0～3.5s为插入铲掘物料工况;3.5～6s为转斗装载物料工况;6～12s为举升物料工况;12～14.2s为卸载物料工况;14.2～18s为动臂下降工况。由于插入、转斗和举升阶段发动机功率需求大,处于高速状态,卸载阶段处于低速状态,动臂下降阶段处于怠速状态,所以发动机转速在0～12s设置为2200r.min-1,在12～14.2s设置为1500r·min-1,在14.2～18s设置为1000r·min-1。联合仿真可得如图6～12所示曲线。由图7、8知,在插入阶段,随着插入深度不断增加,举升缸和转斗缸大腔压力逐渐增大,且举升缸大腔压力最大为16MPa左右,达到了举升缸液压缸的额定压力。转斗阶段举升缸大腔压力稍增加,但转斗缸大腔压力增加幅值很大.为8MPa左右。不同物料工况,可使转斗缸压力增加幅值变得更大。转斗完毕,由于各液压缸承受物料重力,使大腔压力保持在某一恒定值。举升过程中,随着举升高度的增加,举升缸大腔压力逐渐增大,最高达到14MPa左右,而转斗缸压力逐渐减小。举升完毕,关闭阀门,液压缸压力出现振动,对液压系统造成了一定的冲击。卸载阶段.随着物料卸载,转斗缸小腔压力逐渐减小至0,此时铲斗依靠重力自行卸载.小腔压力为0。动臂下降阶段,举升缸大腔压力为0,由于背压使小腔压力上升到3MPa左右后基本保持稳定,在接触地面瞬间关闭阀门,压力产生了较大振动,对液压系统产生了严重的冲击损害。由图9、10知,转斗、卸载阶段和举升、下降阶段,开启或关闭时阀门缓慢打开或关闭,流量线性变化,减少了对液压系统的冲击。转斗、举升中间过程流量恒定,卸载、下降中间过程流量非恒定。由图6可知,为使作业过程平稳工作,发动机油门的变化是相当复杂的。图11反映了活塞杆的伸缩情况,经分析,结果符合实际情况。由图12可知,在插入阶段和动臂举升阶段,功率消耗最大。4系统压力随时间的变化特性本文建立装载机机液并存的耦合系统的动力学模型,并对工作机构液压缸的压力、流量、活塞杆位移以及油门和功率变化情况进行了联合仿真分析。结果显示,插入阶段液压缸压力逐渐增大,转斗阶段压力逐渐减小,举升阶段压力逐渐增大;在插入完毕、转斗初始和举升最大位置,液压缸