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淺析非公路自卸汽車(chē)全液壓式舉升機構的建模與仿真論文
自卸車(chē)中使用的舉升液壓系統通常分為液壓助力式和全液壓式兩種。首鋼汽車(chē)制造廠(chǎng)生產(chǎn)的SGA3550 型非公路自卸式汽車(chē)是由北京科技大學(xué)研制開(kāi)發(fā)的擁有獨立知識產(chǎn)權的產(chǎn)品，采用的是技術(shù)成熟、作用力大、系統剛性好的全液壓式舉升系統，整車(chē)長(cháng)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(xiāo)中心距2 100 mm，滿(mǎn)載爬坡度15%，接近角20°，離去角48°，最小轉彎半徑<9 m，本文利用ADAMS軟件對該車(chē)的全液壓舉升機構進(jìn)行建模與仿真。
1 SGA3550 型自卸車(chē)全液壓舉升系統組成
SGA3550 型自卸車(chē)舉升系統主要由舉升缸、節流閥、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 級伸縮末級雙作用液壓缸作為執行元件，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單向節流閥，控制舉升的速度。系統流量245.4L/min，舉升缸實(shí)際工作中最大工作壓力為12.7MPa。
2 舉升系統機械結構仿真模型
為了簡(jiǎn)化模型加快設計進(jìn)度，本設計利用ADAMS 軟件對SGA3550 型自卸車(chē)舉升機構建立仿真模型。
3 舉升液壓系統的設計
3.1 舉升液壓系統的設計流程
國內對于礦用自卸汽車(chē)液壓舉升系統的設計，基本上采用的是傳統的經(jīng)驗性設計，即分別對舉升機構和舉升液壓系統進(jìn)行設計，二者再通過(guò)舉升液壓缸最大舉升力和舉升液壓系統最高油壓來(lái)相互協(xié)調，而對貨箱舉升回落過(guò)程中，機械系統與液壓系統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，機械和液壓系統的真實(shí)情況。
作者根據設計經(jīng)驗，提出自卸汽車(chē)舉升液壓系統的一般設計流程：首先確定最大舉升力和系統壓力，計算出舉升缸最大內徑，并根據舉升高度來(lái)確定各個(gè)舉升缸的內徑和行程;其次根據舉升容量和時(shí)間確定舉升時(shí)流量，并通過(guò)流量、泵轉速及其所要實(shí)現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;最后對舉升液壓系統進(jìn)行建模與仿真。此設計流程優(yōu)勢在于能根據仿真結果再次對舉升機構進(jìn)行優(yōu)化設計、建模，以此循環(huán)，找到最優(yōu)解。
3.2 舉升缸的結構
為使整車(chē)結構緊湊，重心降低，達到貨廂對車(chē)架的沖擊減小、貨廂到達舉升終點(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(chē)舉升機構采用后置雙缸直頂式舉升機構，采用液體壓力作為舉升動(dòng)力，舉升液壓缸為4 級伸縮，末級雙作用，內泄式限位，回落時(shí)限速采用回油節流形式ADAMS/Hydraulics 中沒(méi)有多級液壓缸的模型，根據舉升液壓缸工作原理，可將其分解為若干個(gè)相互連通的單級液壓缸的組合，將4 級伸縮末級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 舉升液壓系統的建模
根據對國內文獻的統計，對礦用自卸汽車(chē)液壓系統的研究，主要還是通過(guò)建立數學(xué)模型，利用MATLAB/SIMULINK 等工具對所建立的模型進(jìn)行仿真，很少對由機械系統、液壓系統和控制系統等組成的耦合系統進(jìn)行多領(lǐng)域協(xié)同仿真。本文將虛擬樣機技術(shù)引入礦用自卸汽車(chē)設計中，通過(guò)分析多級伸縮末級雙作用液壓缸的內部結構和工作原理，采用實(shí)體建模方式，利用ADAMS/Hydraulics 對舉升液壓系統進(jìn)行建模。
其中一級缸、二級缸、三級缸為柱塞缸，四級缸為單桿活塞缸，4 個(gè)單級液壓缸的無(wú)桿腔通過(guò)集流器相互連通，四級缸的有桿腔通過(guò)限位閥(可調節流閥)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，當舉升至終點(diǎn)(舉升缸伸長(cháng)量大于某一值)時(shí)，限位閥打開(kāi)，舉升缸上下腔連通，實(shí)現內泄式限位。舉升缸的無(wú)桿腔進(jìn)油口和有桿腔進(jìn)油口用2 個(gè)節流閥模擬。這樣，一級缸、二級缸、三級缸、四級缸、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 級伸縮末級雙作用內卸式限位的舉升液壓缸，由此，就可以對液壓舉升系統進(jìn)行多領(lǐng)域協(xié)同仿真，對多級液壓缸后置直頂式舉升機構實(shí)現參數化建模。
5 舉升液壓系統模型仿真
ADAMS/Hydraulics 對舉升機構液壓系統進(jìn)行空車(chē)舉升和平裝滿(mǎn)載舉升。
5.1 空車(chē)舉升
首先進(jìn)行空車(chē)仿真，仿真時(shí)間取95 s，步長(cháng)0.001 s，舉升缸內油壓隨時(shí)間的變化仿真結果。在貨箱舉升、回落過(guò)程中，當每一級缸筒或活塞桿伸出和縮回時(shí)，無(wú)桿腔內油壓都會(huì )出現沖擊，每個(gè)油壓峰值是由4 級伸縮末級雙作用舉升液壓缸的內部結構決定的，是不可避免的
5.2 平裝滿(mǎn)載舉升
貨箱平裝滿(mǎn)載42 t 的貨物，發(fā)動(dòng)機怠速運轉，仿真時(shí)間取55 s，步長(cháng)0.001 s，仿真結果。
滿(mǎn)載舉升比空車(chē)舉升時(shí)舉升缸內無(wú)桿腔內油壓高很多，但每一級缸筒伸出時(shí)油壓的振蕩小了。
空車(chē)舉升、滿(mǎn)載卸貨舉升和滿(mǎn)載不卸貨舉升3 種情況下舉升缸舉升力的變化�？梢钥闯�，滿(mǎn)載卸貨舉升和滿(mǎn)載不卸貨舉升時(shí)舉升缸受力相差不大;滿(mǎn)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，故出現一個(gè)拐點(diǎn)。
6 結論
將虛擬樣機技術(shù)引入到SGA3550 型礦用自卸汽車(chē)設計中，通過(guò)分析多級伸縮末級雙作用內泄式限位舉升缸的內部結構，在A(yíng)DAMS/VIEW 中建立舉升缸的仿真模型，實(shí)現了機械系統與液壓系統的耦合，進(jìn)而建立了整個(gè)液壓舉升系統的仿真模型。
礦用自卸汽車(chē)液壓舉升系統仿真結果表明：在貨箱舉升、回落全過(guò)程中，舉升缸無(wú)桿腔內先后出現了(2n+1)個(gè)油壓峰值(n 為舉升缸級數)，發(fā)動(dòng)機轉速越高，油壓沖擊越大;滿(mǎn)載舉升時(shí)，舉升缸內油壓振蕩比空車(chē)舉升時(shí)有所減輕。
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