挖掘機(jī)液壓負(fù)載模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

挖掘機(jī)液壓負(fù)載模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

0起重機(jī)節(jié)能控制研究挖掘機(jī)是現(xiàn)代工程領(lǐng)域中使用最廣泛的工具之一。由于其惡劣的工作環(huán)境、變動(dòng)劇烈的負(fù)載,使得其工作效率低下。因此,挖掘機(jī)的節(jié)能控制研究一直是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。為了在室內(nèi)進(jìn)行挖掘機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn),必須實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)負(fù)載的室內(nèi)模擬,才能有效地進(jìn)行研究挖掘機(jī)的節(jié)能控制。挖掘機(jī)的負(fù)載模擬主要有機(jī)械加載和液壓加載等方式。機(jī)械加載結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單有沖擊,對(duì)復(fù)雜狀況的負(fù)載模擬程度低,且不能連續(xù)加載。液壓加載與機(jī)械加載相比,有簡(jiǎn)單易行、工作平穩(wěn)、可以連續(xù)加載、能遠(yuǎn)距離控制等優(yōu)點(diǎn)1設(shè)計(jì)液壓機(jī)負(fù)載模型系統(tǒng)1.1需求的實(shí)時(shí)曲線圖本文致力于研究一套能夠在室內(nèi)最真實(shí)地反映挖掘機(jī)實(shí)際工況的負(fù)載模擬系統(tǒng)。圖1為某挖掘機(jī)實(shí)際工作中負(fù)載的實(shí)時(shí)曲線圖。從圖中可以看出,挖掘機(jī)工作的過(guò)程中由于土壤的情況變化復(fù)雜,使得負(fù)載的波動(dòng)非常劇烈。壓力變化在0~40MPa之間。本文液壓負(fù)載模擬系統(tǒng)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對(duì)挖掘機(jī)高頻率負(fù)載變化的模擬。1.2接執(zhí)行元件b口液壓系統(tǒng)的精確度和響應(yīng)速度是負(fù)載模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。圖2為負(fù)載模擬系統(tǒng)液壓原理圖。圖中A口為加載腔,接執(zhí)行元件(如動(dòng)臂缸、斗桿缸、鏟斗缸、回轉(zhuǎn)馬達(dá)、左行走馬達(dá)、右行走馬達(dá))的出口,B口接多路閥的B口。本系統(tǒng)由控制油泵提供控制油通過(guò)伺服閥控制邏輯閥的控制油口,從而改變邏輯閥的開口達(dá)到控制A口(加載腔)壓力的目的。通過(guò)伺服閥高頻率響應(yīng)特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)挖掘機(jī)負(fù)載高頻率變化的模擬。1.3測(cè)試波形及標(biāo)準(zhǔn)波形負(fù)載模擬系統(tǒng)由工控機(jī)、D/A轉(zhuǎn)換器、信號(hào)校正放大裝置、高壓比例閥、先導(dǎo)液壓油源、放大插裝閥組、橋路插裝閥組、壓力傳感器、流量傳感器等組成,可實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)試執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照目標(biāo)波形(如圖1)及標(biāo)準(zhǔn)波形(正弦、方波、三角波等)進(jìn)行加載模擬。本系統(tǒng)控制框圖如圖3所示。2液壓系統(tǒng)仿真為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)液壓加載系統(tǒng)的工作性能,對(duì)其進(jìn)行了仿真研究。整個(gè)液壓系統(tǒng)主要由液壓泵、調(diào)壓閥、伺服閥、邏輯閥組成。此系統(tǒng)中的難點(diǎn)為伺服閥與插裝閥的建模,下面將主要闡述伺服閥與插裝閥的模型的建立。2.1服務(wù)罐的簡(jiǎn)化模型考慮伺服閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)的頻寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于插裝閥,可將其看作一個(gè)典型的二階線性環(huán)節(jié)與兩個(gè)輸入輸出限幅的非線性環(huán)節(jié)的串聯(lián)式中xC式中EVνA2.2牛頓第二定律插裝閥主要由閥套、彈簧、閥體及閥座等組成。閥體的運(yùn)動(dòng)由牛頓第二定律容易得到,文獻(xiàn)[4]中推理較為詳細(xì),本文從略。根據(jù)流體的連續(xù)性方程,插裝閥入口流量q其中:式中C式中Aν———閥體運(yùn)動(dòng)速度。3動(dòng)態(tài)部分的研究本系統(tǒng)采用比較成熟的液壓仿真軟件AMESim進(jìn)行仿真分析。本系統(tǒng)在選型計(jì)算時(shí),靜態(tài)部分比較容易,只要系統(tǒng)壓力及流量滿足即可,本文從略。本文著重研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)部分(即系統(tǒng)的響應(yīng)速度、精度、穩(wěn)定性等)。下面主要從系統(tǒng)階躍響應(yīng)特性、正弦跟隨特性、負(fù)載實(shí)際信號(hào)跟隨特性對(duì)其進(jìn)行論證分析。3.1系統(tǒng)的階次特性仿真結(jié)果如圖4所示,由圖可知系統(tǒng)迅速?gòu)?升壓至40MPa,需要的時(shí)間大約為0.3s,具有較快的響應(yīng)速度。另外負(fù)載實(shí)際變化時(shí),幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于40MPa,因此其響應(yīng)速度是足夠的。但是從此圖也可以看出,系統(tǒng)的超調(diào)量加大,并且穩(wěn)定性不好,信號(hào)有發(fā)散趨勢(shì)。因此,需要在液壓及控制方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正,圖5為經(jīng)校正及調(diào)整阻尼后的階躍曲線圖。3.2系統(tǒng)的正交跟蹤性能伺服閥輸入電流按正弦波輸入,負(fù)載模擬系統(tǒng)的正弦跟隨特性如圖6所示。從圖中可以看出,系統(tǒng)加載腔壓力響應(yīng)性能較快。3.3負(fù)載模擬系統(tǒng)的建立將實(shí)際負(fù)載信號(hào)(采用鏟斗大腔壓力)經(jīng)過(guò)處理,輸入到負(fù)載模擬系統(tǒng),得到曲線如圖7所示。由圖可知,通過(guò)仿真得出的加載腔壓力曲線與實(shí)際負(fù)載曲線吻合度非常高。4特性仿真驗(yàn)證本文在前人的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一套挖掘機(jī)的負(fù)載模擬系統(tǒng)并進(jìn)行建模仿真。本文從階躍響應(yīng)特性及正弦跟隨特性仿真驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有較高的響應(yīng)速度和精度,從實(shí)際負(fù)載信號(hào)跟隨特性圖驗(yàn)證了系統(tǒng)可以滿足對(duì)挖掘機(jī)高頻變化負(fù)