液压挖掘机负荷传感系统的仿真研究及节能分析.pdf
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1、中南大学硕士学位论文液压挖掘机负荷传感系统的仿真研究及节能分析申请学位级别:硕士专业:机械设计及理论摘要液压挖掘机是一种功能典型、工况复杂、用途非常广泛的工程机 械,由于全球能源危机及对排放标准要求的提高,液压挖掘机的节能 研究已成为一个非常迫切、具有发展前景的课题。本文从液压泵与负 载匹配的角度出发,以挖掘机负荷传感节能系统为研究对象,重点研 究分析挖掘机的节能性与操控性,主要工作如下:1)综述了液压挖掘机节能控制的意义,分析、比较了国内外挖 掘机各种节能系统的特点,在总结前人工作的基础上,结合现有条件,设计了一套具有方便获取操纵信息和易于控制等优点的液压挖掘机 负荷传感节能系统。2)分析了
2、挖掘机负荷传感液压系统各主要元件的内部构造原理 及建模依据,建立了负荷传感液压系统的AMESim仿真模型,利用模 型对负荷传感液压系统进行了仿真研究,结果表明负荷传感系统实现 了泵和负载的压力、流量匹配,具有良好的节能效果及操作特性。3)对挖掘机工作装置进行运动学分析和动力学分析,确定了各 执行器状态(液压缸长度及马达转角)与挖掘机各工作装置中关节转 角之间的关系以及外负载与系统压力之间的关系,建立了挖掘机工作 装置的AMESim仿真模型。4)同时考虑了负荷传感液压系统模型及工作装置力学模型,建 立了负荷传感液压挖掘机整机模型,并对挖掘机挖掘工作过程进行模 拟仿真研究,结果表明负荷传感系统较传
3、统的定量节流系统及负流量 系统能量利用率更高、操纵特性更好。5)采用电子流量分配及电子压力补偿技术对负荷传感系统进行 了改进,设计了电液负荷传感系统,通过仿真对比了两种系统的节能 效果及操纵特性,仿真结果验证了电液负荷传感系统的节能效果及操 纵特性更好。6)搭建了挖掘机负荷传感液压系统实验平台,对负荷传感液压 系统节能效果与操作特性进行了实验分析,验证了负荷传感系统具有 良好的节能效果及操纵特性。关键词液压挖掘机,负荷传感,整机建模,仿真,节能ABSTRACTHydraulic excavator is a kind of widely used construction equipment
4、with the typical functions and complicated working conditions.In days of energy crisis and environment-friendly,energy saving of excavator is urgent and of higher development potential project.This paper takes hydraulic excavator load-sensing system as the object to research the energy-saving charac
5、teristic and controllability of excavator from the matching of pump and the load.The main work as follows:1)The working condition and duty cycle of hydraulic excavator is analyzed,the ways and reasons of hydraulic excavator energy waste is found out.The significance and development of energy-saving
6、of hydraulic excavator in China and abroad are related.A load-sensing excavator system,which can easily get operating information and control,is designed for energy-saving research.2)The structure and principle of the main components of load-sensing hydraulic system are interpreted,and the AMESim mo
7、del of the system is built.And many dynamic simulation researches are done on the models,the results show that load-sensing system can match the power of pump and load and presents well in energy-saving and control.3)Kinematic and dynamic analysis of excavator working device is done.Expression of bu
8、cket tip posture and the relationship between the manipulator rotation angle and cylinder distant are put out.Expression between load force and system pressure is established.And the AMESim model of excavator working device is built.4)An integrated hydraulic excavator model is established in the env
9、ironment of AMESim,include hydraulic system model,kinematic and dynamic model of working device,to solve the imprecision of separated model.A typical excavator working cycle is simulated using the integrated model,the result show that load-sensing system has the best energy-saving characteristic and
10、 controllability among the traditional fixed-throttle system negative control system and load-sensing system.5)A new type hydraulic system named electronic and hydraulic load-sensing system is presented.The energy-saving characteristic and controllability of load-sensing hydraulic system and the new
11、 type system is compared by simulation use the integrated hydraulic excavator model.The result prove that electronic and hydraulic load-sensing system performance better in energy-saving characteristic and controllability than the former system.6)The load-sensing excavator testing platform based on
12、VPPM-PQC pump and BLS6 muti-way valve is built.The energy-saving characteristic and controllability of load-sensing hydraulic system is test on the testing platform.It is proved in experiment that load-sensing system presents well in energy-saving and control.KEY WORDS hydraulic excavator,load-sensi
13、ng,integrated model,energy-saving,simulationin中南大学硕士学位论文第一章绪论第一章绪论1.1课题提出背景及意义挖掘机是一种重要的工程机械,它是土石方开挖的主要设备,广泛应用在工 业与民用建筑、矿山采掘、水利电力施工、交通运输、农机工程、油田建设、港 口建设和军事工程施工等各类工程中,在工程机械中占有相当大的比重。据统计,世界各种土方工程约有65%-70%左右的土石方量是靠液压挖掘机完成的。目前我国正处在高速的社会转型发展阶段,需要大量工程装备合理和高效地 投入到公路、铁路、水利电力、能源开发以及国防等建设中。到2020年,全国 公路总里程将达到23
14、0万km,高速公路达到5.5万km,二级以上公路达到55 万km,高级、次高级路面公路里程达到147万km;全国铁路营业里程将达到12 万公里以上,新增4万多公里营业里程,铁路运营规模将在现在基础上再增长约 50%,建设投资总规模12年内将突破5万亿元;沿海港口新增吞吐能力80%以 上。受此次愈演愈烈的国际金融危机等影响,国外市场萎缩加剧,国家将经济 增长重点果断转到国内,决定今后两年多时间内投资约4万亿元用于拉动内需,其中主要部分将用于国内的基础设施建设。我国挖掘机市场借助于经济的高速发展,已逐渐成为世界最大的市场,市场 规模从1998年3211台,发展到2008年的7万多台。随着液压挖掘机
15、用量迅速 增大,其油耗、排放问题己成为人们关注的焦点。据统计,液压挖掘机的燃油能 量利用率仅为20%左右叫在整个使用过程中燃油成本约占“机器寿命范围”内 使用成本的25%,如此低的能量利用率迫使挖掘机的研究必须着眼于节能。据 统计,目前,我国主要工程机械保有量已经超过200万台,其中挖掘机占40万 台,每年消耗燃油约为4500万吨。如果我国工程机械行业通过科技创新,采取 有效的节能技术,使工程机械产品节能10%,每年将节省燃油450万吨,节省250 多亿元的资金,并大大降低废弃物的排放。对用户来说,能量利用率的低下,不仅会带来能源的浪费和环境的污染,而 且会降低设备的可靠性,导致使用成本的增加
16、。资料显示,工程机械将近40%的 故障来自液压系统,15%左右的故障来自发动机。挖掘机损失的能量,大部分转化为热能,其中一部分散发到大气中去,其余 大部分传到液压元件和油液中,使液压系统温度升高,严重影响系统的可靠性,液压油温过高带来的问题主要有:1)过高的温度导致橡胶密封变软,过早老化,进而使系统密封效果变差,这是导致液压系统失效的一个主要原因;2)导致油液粘度下降,不利于润滑油膜的形成,从而加速液压系统内部运中南大学硕士学位论文第一章绪论动部件的磨损,进而使系统泄漏增加,容积效率下降;3)引起热膨胀,使不同材料的运动副之间的间隙发生变化,造成工作不灵 敏或卡死,使工作性能和精度降低;4)油
17、温超过55c时,油液的氧化加剧,使用寿命缩短。油温每升高9C,油液使用寿命降低一半;5)过高的油温还导致油中的空气分离压降低,易于产生气穴,使系统性能 降低。采用节能技术后,可有效提高燃油效率,减少液压系统的功率损失,使动力 系统和负载所需功率更好地匹配,降低了发动机和液压元件的工作强度,提高了 设备在使用过程中的可靠性。随着人们对环保意识的提高,用户对工程机械的环保性也提出了更高的要 求。西方发达国家在上世纪80年代末到90年代初,陆续制定了一系列政策,就 工程机械工作时的噪声、振动、排放等指标进行限制皿。在工程机械上采用节 能技术后,可以在降低燃油消耗的同时减少排放量,减轻工作时的冲击振动
18、和噪 声,因此从环保角度上讲,工程机械的节能也日显重要。综上所述,人们对液压挖掘机的要求是可靠性高、使用成本低、环保性好,所有这些都要求挖掘机有好的节能性。节能技术已成为衡量工程机械先进性的一 项重要指标的,研究液压挖掘机的节能问题具有非常重要的实际意义。挖掘机作为一种复杂的机、电、液一体化工程机械,对它的节能研究不能仅 仅依靠实物仿真和实际实验,必须借助计算机仿真技术来进行开发和评估何,以 缩短开发周期、降低开发成本和提高节能效果,因此对仿真提出了更高的要求:建模简单快速、模型逼真、参数的调整能和控制系统相结合,使得机械系统、动 力系统和控制系统统一仿真,以进行综合的性能评估,为挖掘机的改进
19、提供全面 和精确的分析仿真功能。本文的研究就是在这种背景下提出的,以具有良好节能特性的负荷传感系统 为对象,利用先进的AMESim仿真软件建立其模型,并对其进行深入的节能效果 及操纵特性仿真分析研究。1.2液压挖掘机的基本组成从诞生于1836年的动力铲到目前的半自主全液压挖掘机,挖掘机的动力驱 动经历了蒸汽、电力、内燃机的演变过程。挖掘机的操纵和控制方式也随着动力 驱动方式、传动形式以及控制技术的发展经历了机械操纵、液压操纵、气压操纵、液压伺服操纵和电气控制、电子控制、无线电遥控等阶段。液压传动技术和电子 控制技术的应用极大地提高了挖掘机的操作性能和经济性。液压挖掘机是挖掘机 发展历程中比较成
20、熟的产品,占据目前挖掘机发展的主流,因此论文主要将液压 中南大学硕士学位论文第一章绪论挖掘机作为研究对象。1.2.1 液压挖掘机的基本组成液压挖掘机是一种采用液压传动并配备工作装置(标准配置为铲斗)进行作 业的机械。液压挖掘机的基本组成如图1T所示,主要包括动力装置、工作装置、回转机构、操纵机构、传动系统、行走机构和辅助设备等。它的功能是通过工作 装置的选择及驱动来体现,如挖掘功能,选择铲斗为工作装置,通过改变铲斗的 姿态和运动轨迹,使铲斗的斗齿切入开挖面,使开挖物剥离后进入铲斗内,通过 铲斗的移位达到改变开挖物移位的目的,从而实现挖掘、装载、平整等多种作业。当选择抓斗、平坡斗、耙齿、破碎锤、
21、麻花钻、电磁吸盘、振捣器、高空作业架 等其它工作装置时,通过对它们的驱动及控制就能实现各自的功能液压挖掘机的液压系统主要由液压泵、液压马达、液压缸和主阀等液压元件 组成,采用液压分配器及各种控制阀来实现机构的运动。液压系统首先由液压泵 将发动机的机械能转换为液压能,然后由各种控制阀和管路将液压能传递给液压 执行元件,最后由液压执行元件(液压缸和液压马达)把液压力能转换为机械能,驱动工作机构实现往复直线运动和回转运动。1动臂油缸;2动臂;3斗杆油缸;4斗杆;5铲斗油缸;6铲斗;7导向轮;8行走马达;9回转平台;10操作手柄;11发动机;12液压泵;13主阀 图1-1液压挖掘机结构示意图1.2.2
22、 液压挖掘机的主要工况特点液压挖掘机的工作过程包括下列几个非连续性的运动:动臂升降、斗杆收放、铲斗转动、转台回转、整机行走和其他辅助运动。通过动臂、斗杆、铲斗和转台 的运动可以实现挖掘作业,通过整机行走可以改变作业和停机点,这些都是挖掘 机的主要动作。由于作业对象和工作条件的多变,挖掘机实现上述运动时的阻力是在时刻变 化的,这是挖掘机工况的一个特点。同时,为了满足作业需要,缩短作业循环时 3中南大学硕士学位论文第一章绪论间和充分利用发动机功率,主机工作过程中,往往有两个主要动作(挖掘或提升 或提升与回转)同时进行,叫做复合动作,复合动作需要液压系统来保证。液压挖掘机一个工作循环的组成和复合动作
23、,包括“)1)挖掘。通常以铲斗液压缸或斗杆液压缸分别进行单独挖掘,或者两者配 合进行挖掘。在挖掘过程中主要是铲斗和斗杆有复合动作,必要时况以动臂动作。2)满斗举升回转。挖掘结束后,动臂缸将动臂顶起、满斗提升,同时回转 液压马达使转台转向卸土处,此时主要是动臂和回转的复合动作。3)卸载。回转至卸土位置时,转台制动,用斗杆调节卸载半径和卸载高度,用铲斗缸卸载。为了调整卸教位置,还需动臂配合动作。卸载时,主要是斗杆和 铲斗复合作用,间以动臂动作。4)空斗返回。卸载结束后,转台反向回转,同时动臂缸和斗杆缸相互配合 动作,把空斗放到新的挖掘点,此工况是回转、动臂和斗杆复合动作。1.3计算机仿真技术在工程
24、机械上的应用概况1.3.1国外应用状况国外对工程机械仿真技术的研究开展得比较早,仿真技术在国外工程机械的 很多方面都得到应用,如车辆悬架设计、动力学仿真、发动机设计、噪声、振动 和冲击特性预测、操纵稳定性和乘坐舒适性仿真、驾驶员行为特性仿真、挖掘功 率预测及工作效率预测等多方面都成功地应用了仿真技术的。Tomi Makkonen Keler voNevala等人利用ADAMS软件建立6自由度挖掘机 的动力学模型,利用CAD建立了三角形工作面和水平路面模型,并利用 MATLAB/Simulink自动控制挖掘机模型,使其按照预定的轨迹进行挖掘工作刖。S.Fr impong等人利用ADAMS建立了液
25、压挖掘机的动力学模型,通过仿真找 到了影响挖掘机工作性能的因素:挖掘时间和挖掘轨迹,挖掘时间减少二分之一,最大功率消耗增加一倍,而在挖掘时间相同的情况下,浅的挖掘轨迹所需的最大 功率大约是深挖掘轨迹的二分之一Yasuo Sakur a、Takeshi Nakad a等人分析了负载敏感系统的固有缺点即系 统的不稳定性,并通过实验测试验证了系统的不稳定性,利用仿真软件OHC-SIM 建立负载敏感液压系统模型,通过仿真,修改模型的参数,使系统达到稳定皿。Rana saha Niloy Khutia等人利用MATLAB/Simulink建立了负载敏感液压 系统的模型,通过仿真,分析了伺服阀的开口度和泵
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