液压挖掘机回转分段加速装车协调性研究

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Coordination of loading and grading acceleration of swinghydraulic motor in a hydraulic excavatorZHU Jian-xin ，LIU Fu-ping ，WANG Juan。

(1.State Key Laboratory of High·performance Complex Manufacturing，Central South University，Changsha 410083。China；2.Sunward Intelligent Machinery Co.Ltd，Changsha 410100，China；3.Wuxi Peak Hydraulic Co.Ltd，Wuxi 214416，China)Abstract：The coordination of swinging and boom lifting is always a problem because of the couplingof boom cylinder and swing hydraulic motor.By analyzing the starting characteristic of swing hydrau-lic motor，a new plan that grading acceleration of swing hydraulic motor is suggested for solving thecoordination of swing and boom-up.The hydraulic circuit of boom and swing with the new plan wasmodeled through software AMEsim and ADAMS，also tested by experiment.The critical angle veloc-ity 1 8。/s and optimal area 30 mm of boom priority valve of the hydraulic circuit with the new planwere obtained from simulation，and the coordination of swing and boom-up with the new plan wasbetter than that without the new plan.The findings of our work laid aundation for practically im-proving the coordination of swing and boom-up with grading acceleration of swing hydraulic motor，also serving as a reference for research on control of excavator proportional priority valve。

Key words：hydraulic excavator；loading；grading acceleration；coordination；CO-simulation收稿日期：2012-08434；修订日期：2012-11-14基金项目：湖南势技厅项 目(2012KJ0201)通讯联系人：朱建新 (1965-)，男，湖南湘潭人，中南大学教授 ，博士；E·mail：zhujx###sunward.con.cn。

第2期 朱建新等：液压挖掘机回转分段加速装车协调性研究 2850 前 言液压挖掘机的装车工况，即回转与动臂提升作为其主要复合动作之-，其协调性是指回转平台回转角度 90。的时间与动臂提升铲斗垂直高度为3 m的时间基本相等。液压挖掘机为单动力源多执行机构的机械，其回转与动臂是典型的单泵驱动双执行器系统 。液压挖掘机由于上车质量比较大，因此回转马达的惯性负载远大于动臂液压油缸的惯性负载，对于负载敏感系统，易使动臂联产生较大节流损失或发生流量饱和现象；对于正流量或负流量液压系统，会使回转平台运动速度远小于动臂提升的速度，甚至不动。回转与提臂复合动作的协调性是液压挖掘机亟待解决的技术难题 引。

20世纪60年代以来，国外主要对采用负载敏感系统的小型液压挖掘机复合动作协调性进行了研究，提出优先式压力补偿、分流比调节式压力补偿、进油侧流量反馈等方法 J，减小了节流损失，避免了流量饱和现象，使小型液压挖掘机回转与提臂复合动作的协调性有了很大的改善。但对于采用正流量或负流量液压系统的中大型液压挖掘机，关于回转与提臂的复合动作协调性研究的文献还比较少。中南大学刘锋 研究了回转马达排量和减速比、动臂液压缸缸径对提臂与回转复合动作的影响规律，通过优化相关参数，使回转与提臂的复合动作的协调性得到了-定的改善，但并没有从根本上解决回转与提臂复合动作不协调的问题。本文以swe230液压挖掘机为平台，以测试数据为基础，对采用负流量液压系统的中型液压挖掘机回转与提臂复合动作的协调性进行研究。

1 系统的基本原理液压挖掘机回转角度较大时，上车回转可分为三个运动过程：启动加速、匀速回转以及减速制动9 J。中大型液压挖掘机上车的质量很大，因此回转马达的惯性很大，启动时需要很大的启动力矩，即启动压力很高，启动时间长，当回转马达启动后，所需要的力矩并不是很大，相应的压力也不是很高；动臂则是惯性小，容易启动，且启动时间短。图 1为 swe230挖掘机回转与动臂提升的测试曲线，回转马达侧的压力为 24 MPa，其溢流压力26 MPa，并且马达在启动后压力也下降了；动臂虽然启动时压力高，但是启动时间短，启动后动臂腔压力变化不是很大，和以上分析是-致的。

(1)式中： 为回转马达的最大输出力矩(N·IT1)；△P为回转马达A、B口的压差(Pa)；q为流入回转马达的流量(m /s)； 为回转马达的减速比。

根据式(1)，在输入回转马达流量 q-定时，增大回转马达A、B口压差却 ，可以增大回转马达的输出力矩 ，则回转马达能更快加速 。由以上分析，提出回转马达分段加速方案来解1.马达回转 90。的位移曲线；2.动臂油缸无杆腔压力；3.回转马达高压腔压力O 6 12tS图 1 动臂与回转复合动作的测试曲线Fig.1 Tested data of boom up and swing决回转与动臂提升复合动作协调性的问题，系统原理如图2所示。回转与提臂复合时，回转角速度传感器 16、回转先导压力传感器和动臂先导压力传感器产生信号被控制器 1接收，控制器 1根据转速传感器 16信号大小来控制电磁阀2、3的开启与闭合；当转速传感器的信号小于回转临界角速度 W时，控制器 1发出信号控制电磁阀2开启，电磁阀3闭合，从而使回转优先阀9不工作，动臂优先阀8工作，使回转马达侧的压力能达到25.6 MPa，即回转马达能输出较大的力矩，减杏速时间；当转速传感器的信号大于回转临界角速度 W时，控制器 1发出信号控制电磁阀2开启，电磁阀3闭合，从而使动臂优先阀 8不工作，回转优先阀9工作，此时来加速动臂油缸，直到完成装车工作 。系统的特点：本系统是在原有系统的基础上进行改进的，在动臂优先阀8换成单向阀，控制动臂优先阀8的电磁阀3去掉及转速传286 广西大学学报：自然科学版 第 38卷感器 16去掉的情况下，就是原动臂与回转的系统。此系统的本质是：在回转与动臂加速的时间中寻找- 个合理的点，即动臂加速变慢，回转加速加快，从而使回转与动臂提升复合动作更加协调。该系统在回转加速到回转临界角速度 w之前，动臂-直处于节流状态，因此相比于未采用该方案的系统来说，该系统的节流损失会更大，但是挖掘机的操纵性提高了。为了实现上述功能，必须设定合理的回转临界角速度 w和动臂优先阀8的过流面积 的大小，由于数学建模的难度系数较大，则运用仿真手段来实现。

1.控制器 ；2、3电磁阀；4.液压马达；5.动臂 2阀芯；6.动臂 1阀芯；7.回转阀芯；8.动臂优先阀；9.回转优先阀；10.直线行走阀芯；11.主泵；12.先导泵；13.主溢流阀；14.动臂保持阀；15.动臂油缸；16.转速传感器图2 系统原理图Fig.2 Hydraulic circuit of boom and swing2 主要元件数学建模2.1 液压泵的建模系统中所用的泵为 K3V系列泵，其P-Q曲线如图3所示，该曲线是在 H模式(即重载模式)下的。

在不考虑变量泵结构以及效率的前提下，根据理论分析和其输出 P-Q曲线 引，可建立其数学模型。

① 负流量控制模型、 栅弭簿负流量压力 /MPa负载压力Pd/MPa图3 泵 P.-Q曲线Fig.3 The P.-Q curve of pump第 2期 朱建新等：液压挖掘机回转分段加速装车协调性研究 287r234 P ≤ 1.13Q -102.273P 325.568 1.13

2.89式中：Q 为负流量信号作用于泵时的流量(L/min)；PI为负流量信号(MPa)。

r-0.403Pd236 0 ≤ Pd≤ 14.9 QP j-10.568P 364.46 14.9

负流量信号P 作用在泵的流量控制阀芯上，液压泵则输出相应的流量 Q ；恒功率信号 P 作用在泵的功率调节阀芯上，液压泵则输出相应的流量为 Q ，当负流量信号和恒功率信号同时作用在泵的变根据上述模型在 AMEsim中建立 K3V泵的模型 列如图4所示。

图 4 泵 AMEsim 模 型Fig.4 The AM Esim model of pump2.2 动臂 1阀联的建模本系统用的多路阀的型号为 KVMG70XB，该阀为负流量系统用的主阀，5/4阀芯背靠背形式 。

根据流体力学得：① 动臂 1阀芯的动力学方程 ：m 警 dx PvA -Fo， (5)U b u式中：m 为动臂 1阀芯的质量(kg)； 为动臂 1阀芯的位移 (m)；B 为动臂 l阀芯的粘性阻尼系数(N·s/m)； 为动臂 1阀芯弹簧刚度(N/m)；P 为先导控制压力(Pa)； 为先导控制压力作用在动臂1阀芯的作用面积(m。)； 为动臂 1阀芯弹簧的预压缩力(N)。

② 动臂 1阀芯节流15的压力流量方程 。 ：Q /2(pl-P )- -， (6)式中：Q 为流过节流口的流量(m。/s)；c 为节流口的流量系数； 为节流口的开度(in)；p 、P 为节流口的进口压力、出口压力(Pa)。

根据上述模型在 AMEsim建立动臂 1阀联的模型，如图5所示。回转阀联和动臂 2阀联也是按照这样的原理建立。

288 广西大学学报：自然科学版 第 38卷图 5 动臂 1阀联的 AMEsim模型Fig.5 The AMEsim model of booml3 系统动力学模型的建立基于ADAMS平台建立回转与动臂系统的动力学仿真模型 。利用 AMEsim软件作为主控软件，ADAMS实时输出交换数据，构建液压挖掘机回转与动臂机械-液压系统的联合仿真模型，如图6所示。

弋 - ： ： - ：- -- ： ：- - ：- - - ：-- ：二 ： - ： ：- ： ：二 ：- ： 2 - ： ： - ：二 - ： ： ： - 。

图 6 挖掘机回转与动臂机械-液压系统联合仿真模型Fig，6 The mechanical·hydraulic CO·-simulation of boom and swing第 2期 朱建新等：液压挖掘机回转分段加速装车协调性研究 2894 仿真分析4.1 模型的实验验证仿真模型的正确与否将直接影响结论的可信度，因此仿真模型的验证是十分必要的，本文通过分析液压挖掘机在带载的情况下回转和动臂单动作仿真与实验曲线，以此来验证仿真模型的正确性。

1.马达 A腔的压力；2.马达 B腔的压力；3.左回转先导控制压力t/S(a)仿真曲线3O2520至15o50. 50 2 4 6 8 10 12 14 16tS(b)实验曲线图7 回转单动作的仿真曲线和实验曲线Fig.7 The simulation and tested data of swing1.动臂油缸无杆腔压力 ；2.动臂油缸有杆腔压力0 2 4 6 8 10 12 l4 16t/S(a)仿真曲线3530252O1 兰15lO500 2 4 6 8 10 l2 l4 l6t/S(b)实验曲线图8 动臂单动作压力的仿真曲线和实验曲线Fig.8 The simulation and tested data of boom图7、图8是挖掘机在 H模式下的仿真与实验曲线。图8和图9分别为回转马达 A、B口压力的仿真曲线和实验曲线，由图8仿真曲线可得：左回转先导控制压力开启时，回转处于加速阶段，A口压力升至马达溢流压力26 MPa，回转进入匀速阶段时，压力慢慢降低，回转制动时，A口压力降至零，此时马达相当于泵，B口压力上升至马达溢流压力；图9是回转单动作的实验曲线，同样经历上述几个过程，因此仿真曲线与实验曲线是相符合的。图 10和图 1 1分别为动臂液压油缸有杆腔和无杆腔压力的仿真曲线和实验曲线，由图10仿真曲线可得：动臂提升先导控制压力开启时，动臂进入加速阶段，加速时间比较短，动臂进入匀速阶段时，压力变化不大，基本在 15 MPa左右，之后动臂进入制动阶段，压力上升至 32MPa，出现溢流；动臂下降时，由于重力作用，动臂无杆腔压力比有杆腔压力大；图11是动臂单动作的实验曲线 ，同样经历上述几个过程，因此仿真曲线与实验曲线是相符合的。通过以上分析可得：仿真模型是正确的。

如 加 0- 、290 广西大学学报：自然科学版 第 38卷4.2 回转马达口压力与动臂优先阀过流面积 A的关系动臂提升与回转复合动作时，P 泵通过动臂 1阀芯向动臂油缸供油，P 泵分别通过回转阀芯向回转马达供油和动臂 2阀芯向动臂油缸供油。由于在回转速度未达到回转临界角速度 时，动臂优先阀起作用，对动臂 2进行节流，因此回转马达口的压力会相应的升高，但是节流口的大嗅直接影响回转马达口的压力，节流 口越小，回转马达 口的压力越高，直至溢流压力，所以动臂优先阀节流口大小的选择至关重要。图9是动臂优先阀节流口过流面积与回转马达口压力大小的仿真曲线，由仿真分析可得节流口过流面积为 25 mm 时，回转马达高压腔出现溢流，因此会造成溢流损失；节流口过流面积为35mil 时，回转马达高压腔也才 25 MPa，这样马达也不能充分利用其最大输出力矩；当节流口过流面积为30 mm 时，回转马达高压腔压力上升到25.5 MPa，这时马达不会出现溢流现象而造成溢流损失，同时也3O25矗2O兰 151050 2 4 6tS图9 动臂优先阀过流面积A与回转马达高压腔压力关系Fig.9 The high pressure of motor VSflow area A of boom priority valve可以充分利用马达最大输出力矩。因此，由仿真分析可得动臂优先阀过流面积 A为30 mm 。

4.3 不同的W下的仿真分析液压挖掘机回转角度较大时，上车回转可分为三个运动过程：启动加速，匀速回转以及减速制动。

因此，回转临界角速度 W的选择也是至关重要的， 选择太小，采用回转分段加速方案来解决动臂提升与回转复合动作协调性所起的作用不大， 选择太大，回转的角速度比动臂提升的速度更快，这样铲斗会碰到卡车，更不利于挖掘机的装车。图 10是 分别为 l3.5，18，21。/s时的仿真曲线。

1.马达回转 90。的位移曲线；2.动臂油缸有杆腔压力曲线；3.回转马达高压腔压力353O252015芝 1O5O. 、- 10. 15图10 不同的.，的仿真曲线Figl0 The simulation of diferent Wt/S(c)W21。/s5O00500050O05005O00505 0 5 0 5 0 5 O 5 O 5 S 3 3 2 2 1 1 1 1 / 。 日 3 / f 、'、、 . ea 0 O O 0 O O O O 0 O O ( 5 0 5 O 5 0 5 5 0 5 3 3 2 2 l 1 1 1 第 2期 朱建新等：液压挖掘机回转分段加速装车协调性研究 29l图 10中，1为马达回转90。的位移曲线，2为动臂油缸有杆腔压力曲线，3为回转马达高压腔压力，当动臂油缸有杆腔压力出现溢流时，即动臂油缸走完其行程，相应的铲斗相对于地面的距离为 3 in。分析图 10及图 1可以看出：图 10(a)和图 1曲线相比，图 10(a)中，回转滞后动臂 1.3 S，图 1中回转也是滞后动臂 1.3 s，因此改善的效果不大，这种情况下，动臂提升铲斗到位后举在预定高度，需要等待回转到位才能完成装车工作，严重影响装车的高效性；图 10(C)和图 1曲线相比，图 1O(C)中，回转比动臂超前 1 S，即回转先到位，动臂提升滞后于回转，这种情况下，铲斗因为会碰到卡车，所以驾驶员会使回转减速而让动臂继续提升从而使铲斗高于卡车的挡板，然后再回转到位，从而完成装车工作，因此回转与动臂提升复合动作的协调性也没有得到改善；图 10(b)仿真曲线可得回转90。和动臂提升到位后铲斗距离地面3 m的时间相差只为0.2 S，两动作几乎是同时间完成的，因此在装车过程中，动臂不会因为回转慢而等待回转，也不会因为回转过快使铲斗碰到卡车挡板从而使回转减速，所以在这种情况下回转与动臂提升复合动作得到了明显的改善。由仿真分析可得 W选择 18。/s最为合适。

5 结 语通过以上仿真分析可得，利用回转马达的分段加速来解决回转与提臂的复合动作的协调性是可行的；同时通过仿真解决了该方案下两个重要参数的选取，当回转马达的临界角速度 W为 18。/s、动臂优先阀节流口过流面积为30 mm 时，回转与提臂的协调性最好。本文为挖掘机回转分段加速回转与动臂提升复合动作协调性的实际运用提供了依据，同时也为挖掘机比例优先阀的研究与控制提供了参考。