自卸车举升部分模与动力学特性研究.doc

基于键合图的某型电动轮自卸车液压系统动力学建模与特性研究 王艾伦 曹旭辉 （中南大学 机电工程学院 现代复杂设备设计与极端制造教育部重点实验室，长沙，410083） 摘 要：分析了某型电动轮自卸车液压系统的工作机理，运用键合图建立其举升过程的动力学模型，并转换为状态空间方程，用MATLAB对举升过程的时域和频域特性进行了求解和分析，为液压系统设计过程中的性能分析和参数优化提供参考；运用AMESim对举升过程进行建模和分析的结果表明，基于键合图的数学模型是合理的。 关键词：电动轮自卸车；键合图；建模；动力学特性 0 前言 矿用自卸车也称之为非公路运输车，是露天矿山运输的重要设备。矿用自卸车的举升系统由多级液压缸、举升控制阀和油源组成，随着矿用自卸车吨位的增加，举升过程中液压系统负载和流量都很大，对设计和制造的要求越来越高，因此对液压系统在举升过程中的动态特性进行研究，获取系统的固有频率和响应频率，对电动轮自卸车液压系统的设计和优化具有重要意义。 影响自卸车液压系统动态特性的因素是多种多样的，且各参数相互影响，相互制约，因此仅通过修改某单个参数很难改善系统动态特性。为明确某种特定因素对自卸车举升过程带来的动力学影响，本文拟采用功率键合图和MATLAB/simulink对自卸车的举升过程进行建模仿真，从仿真结果中揭示自卸车的动力学特性及其表现，为自卸车液压系统的设计和优化提供动力学依据。 1 举升系统结构特点 本文所研究的电动轮自卸车举升系统简化后的液压原理图如图1。它主要由双联齿轮泵、二通液控插装阀、三位四通电磁阀和双作用三级伸缩缸。举升时双联齿轮泵在二通液控插装阀内合流后到达举升缸，完成举升动作，以增加压力油的流量，缩短举升时间，减少柴油机功率的损耗，降低液流的温升。 图1 液压系统举升部分原理图 举升缸采用两个双作用三级四节伸缩套筒式油缸，倒置在车架的两侧，下端与车架铰接，上端与车厢铰接。二通插装阀CV1是一种以二通型单项元件为主体，采用先导控制和插装式连接的新型液压控制元件，具有高压、大流量和组合方式灵活的特点。电磁阀9主要控制自卸车的举升过程。自卸车在运行过程中电磁阀通过油路先导控制插装阀的开启和闭合，对主油路的动力学特性影响不大，故不予考虑。 自卸车的主要性能参数描述如下：额定载重为300t；车厢自重为30t；举升角为55 o；举升时间为24s；一级缸：最短： 图2 液压系统举升部分键合图模型 模型中各符号的意义说明如下。 （1）容性元件：C2、C9为齿轮泵及齿轮泵至插装阀油路的液容，由举升缸的位移x决定；C13为插装阀进油腔的液容；C19为插装阀弹簧柔度；C24为插装阀出口及插装阀至举升缸大腔油路的液容;C29、C37分别为举升缸大小腔的液容；C44为单向平衡阀及举升缸小腔至平衡阀油路的液容；C48为平衡阀出口及回油管路的液容。 （2）感性元件：I18为插装阀阀芯的液感;I27为插装阀至举升缸大腔油路中油液的液感;I52为举升缸及车厢、矿物的等效质量;I43为举升缸小腔至单向平衡阀油路中油液的液感。 （3）源元件：Sf1和Sf10为两个齿轮泵流量输入；Se20为插装阀弹簧的预紧力；Se33为车厢及矿物对举升缸的作用力；Sf55为插装阀弹簧预紧力。 （4）阻性元件：R4、R7为齿轮泵至插装阀油路的液阻；R53为插装阀进油口至大腔的液阻；R26为插装阀出口及举升缸大腔油路的液阻;R35为举升缸的内摩擦阻力，设摩擦系数为k;R40为举升缸的内泄漏;R41为举升缸小腔回油口至单向平衡阀油管的液阻；R46为单向平衡阀进油口的液阻；R54为溢流阀出油口的液阻；R51为插装阀回油口至油箱油路的液阻。 （5）转换系数：A4为插装阀下腔的面积；A5为插装阀上腔的面积；m1为各级举升缸的有效面积，由举升缸的伸缩位移x决定，当0x875mm，m=37994；当875x1750，m=61544，当1750x2625，m=101736。 由图2的键合图模型，根据键合图的有关规则及其变量间的逻辑关系，推导其状态方程如下：  取系统状态变量X=[p27,p52,p43,q2,q9,q13,q20,q24,q29,q37,q44,q48]T,输入变量U=[Sf1,Sf10,Sf33,Sf55]T,Sf1,Sf2为阶跃流量输入，Se55为插装阀弹簧的预紧力，Se33为举升力，是举升缸伸缩位移的函数。e=q29/C29为举升缸大腔的压力，f27=p27/I27为举升缸的伸缩速度。 代入数值并整理成的形式为： 其中，取Sf1=500，Se33=1.4*106，Sf1=500，Se55=10。 3 举升系统动态特性求解 用MATLAB求解系统的固有频率和振型如下： 固有频率： 振型 ：