理論與實(shí)踐:基于虛擬樣機(jī)的6rri3地下鏟運(yùn)機(jī)工況研究
相關(guān)鏈接： 中國安全網(wǎng) 中國質(zhì)量網(wǎng) 中國論文網(wǎng) 中國資訊網(wǎng)
作者：張毅
工況分析在整車設(shè)計(jì)中是部件選型、參數(shù)匹配、控制策略設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。循環(huán)工況分析指被分析設(shè)備工作在一個(gè)循環(huán)往復(fù)狀態(tài)中，對(duì)一個(gè)工作循環(huán)的分析可以代表設(shè)備絕大部分的工作運(yùn)行狀態(tài)。虛擬樣機(jī)是用來代替物理產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)數(shù)字模型，運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)可在物理樣機(jī)實(shí)現(xiàn)之前，通過仿真，對(duì)產(chǎn)品功能、性能、等進(jìn)行預(yù)測(cè)、評(píng)估
和優(yōu)化。
整車循環(huán)工況主要用于新車型的技術(shù)開發(fā)和評(píng)估。行駛循環(huán)工況對(duì)于汽車表示為車速隨時(shí)間的變化規(guī)律，通常可通過隨車采集、代表工況統(tǒng)計(jì)、特征參數(shù)生成等方法得到，且很多國家以標(biāo)準(zhǔn)形式提出了不同車型在不同條件下的標(biāo)準(zhǔn)工況。但對(duì)于全新的6 ffi3級(jí)地下鏟運(yùn)機(jī)，在產(chǎn)品開發(fā)初期設(shè)計(jì)階段，無法獲得實(shí)車采集數(shù)據(jù)、也缺乏相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)用以建立定量化的循環(huán)工況。根據(jù)總體設(shè)計(jì)及動(dòng)力系統(tǒng)匹配需要，本文提出了一種基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的鏟運(yùn)機(jī)循環(huán)工況構(gòu)建方法。
1 鏟運(yùn)機(jī)典型行駛工況
鏟運(yùn)機(jī)在井下巷道內(nèi)往返行駛，通過鏟裝、運(yùn)輸、卸載等過程完成礦石的搬運(yùn)的工作。根據(jù)運(yùn)行特點(diǎn)，將其典型工作過程劃分為以下幾特征階段：①空載轉(zhuǎn)向，前進(jìn)放斗；②插入料堆及聯(lián)合鏟裝；③后退轉(zhuǎn)向；④滿載運(yùn)輸，前行舉臂，卸料，收斗；⑤后退落臂，空載返回。
整個(gè)過程中車輛行駛主要是由傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)控制的，變量為轉(zhuǎn)速和扭矩；鏟斗工作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)及轉(zhuǎn)向功能是由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)控制的，變量為流量和壓力。這兩個(gè)系統(tǒng)工作時(shí)相對(duì)獨(dú)立，但又同時(shí)從動(dòng)力源提取能量，需要相互協(xié)調(diào)。因此從實(shí)現(xiàn)兩個(gè)系統(tǒng)特征變量統(tǒng)一的角度出發(fā)，將功率作為變量表述
系統(tǒng)的工作特征。
鏟運(yùn)機(jī)在井下工作時(shí)，最高運(yùn)輸車速通常為o～8km/h，鏟裝時(shí)車速不會(huì)超過lkm/h。以運(yùn)輸車速6km/h，鏟裝時(shí)平均車速0.5km/h為設(shè)計(jì)目標(biāo)。6rri3鏟運(yùn)機(jī)自重30t，載重14t。在考慮各車輛滾動(dòng)阻力、加速阻力、鏟裝阻力后，可將速度特征進(jìn) 一步轉(zhuǎn)化成功率特征，進(jìn)而建立運(yùn)距為100m的鏟運(yùn)機(jī)行駛循環(huán)工況，見圖l。
行駛時(shí)在各段加速過程中，傳動(dòng)系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)153kW的最大功率需求，這是由于鏟運(yùn)機(jī)起步加速阻力與車速提高后結(jié)果，進(jìn)入高速勻速行駛后車輛僅需克服地面滾動(dòng)阻力，所需功率較小。
2液壓系統(tǒng)工況仿真
2.1工作機(jī)構(gòu)建模及動(dòng)力學(xué)仿真
地下鏟運(yùn)機(jī)的工作機(jī)構(gòu)是由鏟斗、大臂、連桿、搖臂、舉升油缸、傾翻油缸、車架等部件構(gòu)成的多連桿系統(tǒng)。將6m：鏟運(yùn)機(jī)樣機(jī)三維模型導(dǎo)人多體動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS中，獲得工作裝置、車架多體系統(tǒng)模型：
48 64
根據(jù)工作機(jī)構(gòu)中各部件之間的連接關(guān)系，對(duì)所有鉸接點(diǎn)添加旋轉(zhuǎn)約束，油缸和活塞添加平移滑動(dòng)約束，機(jī)架為固定約束。鏟運(yùn)機(jī)在鏟斗插入料堆，鏟取物料和舉升鏟斗的過程中，要克服鏟斗切削物料的阻力、物料和鏟斗之間的摩擦力、物料自身的重力、以及裝置結(jié)構(gòu)部件自身的重力。在ADAMS動(dòng)力學(xué)分析中將其簡(jiǎn)化成三種外力集中載荷來增加，這里不考慮偏載工況，因此把作用點(diǎn)選在鏟斗中心對(duì)稱面上，見圖2。
1)作用于鏟刃上的水平阻力F。，kN，其最大值 受限于地面附著力R…，kN，見式(1)。
式中：Zl，乙 分別為整車空載重力和物料重力，kN;g地面附著系數(shù)。
2)作用于鏟刃后面的垂直掘起阻力F。，kN，見式(2)。
式中：Mo為鏟斗開始鏟取時(shí)的靜阻力矩計(jì)算見式（3）；X為作用點(diǎn)與鏟斗回轉(zhuǎn)中心的水平距離。
式中：Fzh0為開始轉(zhuǎn)斗時(shí)的插入阻力；Y為地面與鏟斗回轉(zhuǎn)中心的垂直距離；Lc為鏟斗的插入深度。
3)作用于鏟斗重心位置的物料重力F。，kN。鏟運(yùn)機(jī)在工作過程中．其機(jī)構(gòu)動(dòng)作是依靠油缸驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，可由式(4)計(jì)算所需時(shí)間。
式中：A為油缸進(jìn)油腔面積，cm2；L為油缸行程，cm;n為油缸數(shù)量；w為油缸容積效率；Q為油泵流量，L/min。
通過對(duì)ADAMS中的虛擬樣機(jī)施加載荷及運(yùn)動(dòng)條件，并進(jìn)行作業(yè)過程中的動(dòng)力學(xué)仿真，可得到循環(huán)工況下油缸動(dòng)作所需液壓力變化特性。見表1，其中圖3為仿真得到的工作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)各階段油缸動(dòng)作行程與油缸受力之間的關(guān)系。
2.2液壓系統(tǒng)仿真及功率需求
在63地下鏟運(yùn)機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，采用Automation studio軟件進(jìn)行建模及仿真分析工作，液壓系統(tǒng)模型見圖4。
轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)向器、流量放大器、轉(zhuǎn)向油缸等，由轉(zhuǎn)向泵供油。工作系統(tǒng)包括多路換向閥、舉升油缸、傾翻油缸等，當(dāng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作時(shí)由工作泵供油；當(dāng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不工作時(shí)兩系統(tǒng)合流，轉(zhuǎn)向泵和工作泵一起向工作系統(tǒng)供油。將各油缸的受力情況導(dǎo)人虛擬樣機(jī)液壓系統(tǒng)
模型‘8，并通過仿真得到工作時(shí)液壓系統(tǒng)的功率需求。其中，工作和傾翻缸活塞受力可參見上節(jié)，轉(zhuǎn)向油缸活塞受力情況可由轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)力與阻力矩平衡原理，通過機(jī)構(gòu)幾何關(guān)系由圖解法得到。根據(jù)鏟運(yùn)機(jī)轉(zhuǎn)向工況設(shè)計(jì)，全轉(zhuǎn)向時(shí)間從右轉(zhuǎn)向左不超過6s，前機(jī)架開始轉(zhuǎn)入巷道的時(shí)間為3s，后機(jī)架回正的時(shí)間為3s。
在整個(gè)循環(huán)工況中，液壓系統(tǒng)動(dòng)作是階段進(jìn)行的，通過仿真得到循環(huán)工況下工作和轉(zhuǎn)向泵的功率需求，處理時(shí)采用分特征段進(jìn)行仿真，再將結(jié)果統(tǒng)一到循環(huán)的時(shí)間軸上的方法得到液壓系統(tǒng)的功率需求，見圖5。
0-油箱及回油過濾器；1-齒輪雙聯(lián)泵；2一轉(zhuǎn)向器；3一流量放大器；
4一轉(zhuǎn)向油缸；5一先導(dǎo)供油閥；6一先導(dǎo)控制閥；7-IItF閥；
8一傾翻缸；9一舉升缸
圖4虛擬樣機(jī)工作與轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)模型
在0～6s，36.5～42. 5s，鏟運(yùn)機(jī)行駛的同時(shí)伴有轉(zhuǎn)向動(dòng)作，轉(zhuǎn)向阻力作用于動(dòng)力系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向油泵從動(dòng)力源分得的功率增加，此時(shí)液壓系統(tǒng)功率需求， 刃切削料堆產(chǎn)生阻力，轉(zhuǎn)向泵與工作泵合流工作，系統(tǒng)最大功率需求達(dá)到169. 6kW。在90～97s，鏟斗滿載舉升，液壓系統(tǒng)克服工作機(jī)構(gòu)及物料重量做做功，系統(tǒng)最大功率需求達(dá)到110. 5kW。
3鏟運(yùn)機(jī)循環(huán)工況分析
將得到的液壓與行駛功率需求疊加，就可得到圖6所示的以功率特性表示的6rri3鏟運(yùn)機(jī)的循環(huán)
工況。
圖6鏟運(yùn)機(jī)循環(huán)工況
一個(gè)完整的循環(huán)周期為l44s，其中有6個(gè)較為明顯的峰值功率需求。在聯(lián)合鏟裝時(shí)，由于驅(qū)動(dòng)安裝的液壓系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)行駛的傳動(dòng)系統(tǒng)同時(shí)有較高
的功率需求．為滿足整車正常工作，此時(shí)動(dòng)力源要提供峰值為248. 6kW的功率輸出，這一階段占循環(huán)周期時(shí)間的13. 7%。在加速時(shí)傳動(dòng)系統(tǒng)有較大功率需求，卸料時(shí)液壓系統(tǒng)有較大功率需求，但在時(shí)間上是依次出現(xiàn)的，基本沒有疊加，從圖中表現(xiàn)為5個(gè)尖峰載荷。在其余78%的時(shí)間內(nèi)整車的功率需求較小，動(dòng)力源處于低負(fù)荷輸出狀態(tài)。整個(gè)循
環(huán)工況的平均功率僅為峰值功率33%，約為
. 1kW。
由此可知鏟運(yùn)機(jī)在工作時(shí)具有高頻率循環(huán)、短大功率輸出的特點(diǎn)，在動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)既要滿足瞬時(shí)峰值功率輸出的動(dòng)力性要求，又要考慮整體功率輸出時(shí)的經(jīng)濟(jì)性需求。
4結(jié) 論
針對(duì)地下鏟運(yùn)機(jī)多系統(tǒng)、多種能量傳遞的特點(diǎn)，提出以功率為變量表述系統(tǒng)工作特性。于設(shè)計(jì)階段通過理論計(jì)算得到鏟運(yùn)機(jī)行駛功率需求，運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)建立工作機(jī)構(gòu)及液壓系統(tǒng)模型，通過仿真得到液壓功率需求，進(jìn)而構(gòu)建了6m3鏟運(yùn)機(jī)循環(huán)工況。研究結(jié)果為整車動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)選擇及主要部件的性能匹配設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。
5摘 要：
工況分析是車輛總體設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，運(yùn)用ADAMS和Automation studi。軟件建立鏟運(yùn)機(jī)虛擬樣機(jī)模型并進(jìn)行仿真，得到了以功率為特征變量的鏟運(yùn)機(jī)循環(huán)工況。通過分析可知，6 ryi3地下鏟運(yùn)機(jī)峰值功率248. 6kW，占總時(shí)間的13. 7%，循環(huán)工況的平均功率僅為峰值功率33%0研究結(jié)果為動(dòng)力系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
