轮式装载机动臂起降振动控制研究

刘 钊,程江琳,杨 军,朱玉田

(同济大学 机械与能源工程学院,上海 201804)

轮式装载机作为一种传统的铲土运输机械,依其高效和机动灵活性的特点,在土石方等作业应用中依然保持其首要地位.由于轮式装载机作业环境复杂多变,路况场地大多起伏不平,行走或作业机体振动颠簸严重,从而加剧操作工人的疲劳强度,且又极大地损伤机器的零部件.因此,研究和设计人员对轮式装载机性能的提高与改进从未停止过,以使其操作的安全性、可靠性和舒适性日趋完美[1-3].

朱玉田等[4]依人的运动感知特性对换挡品质进行了研究,然而从装载机工作全过程来看,装载机动臂起降所产生的冲击振动远远大于其他组成系统振动的程度,因此,减小动臂起降冲击振动对改善整机工作平稳性非常重要.以速度控制方式降低振动在客载运输设备领域有较多研究与应用[5-6],而在铲土运输机械上应用较少.现行的装载机工作装置液压系统采用多路阀手动操纵方式,驾驶员很难准确控制阀口开度,由此在工作中将产生很大的惯性冲击和振动,对整机的安全性和操作舒适性产生很大影响.为解决这些问题,本文提出液压变流量缓冲控制方案,减小油缸行程初后期进油流量,控制动臂运行加速度的变化,降低动臂惯性冲击,并通过实验验证其工作的稳定效果.

1 动臂升降产生振动原因

动臂举升时,打开通往动臂油缸无杆腔油路阀口,液压油便推动活塞顶升动臂上起,速度由零逐步上升至最大.当活塞运动到末端时,运动急剧停止,动臂在很短的时间内将速度降低为零,由此动臂需要获得很大的负加速度,即主机将产生很大的冲击力.由于动臂举升后动臂、铲斗及其铲装物料悬伸于车架前上方,导致整机重心向前偏移,加上前后轮胎有很好的弹性,致使整机出现大幅度振动现象.动臂下降时,转换通往动臂油缸有杆腔油路,液压油便推动活塞牵拉动臂下落,在动臂油缸油路转换瞬间,动臂在重力和油缸作用力共同作用下，产生很大的加速度,导致动臂产生很大振动.在动臂下降过程中,动臂和铲斗及其物料重心虽然降至最低处,但是严重的惯性冲击依然对整机产生很大振动.

2 解决方案

针对动臂升降振动产生的因素,提出控制动臂油缸进出油流量方法,优化动臂起降的运行速度规律,提高加速度和加加速度的数值,缩短加速时间,相对延长减速阶段时间,以实现动臂起降过程的惯性缓冲,减小整机振动程度.

2.1 动臂起降系统运动模型

动臂起降系统主要由液压油缸和负载(包括动臂、铲斗及物料)组成.动臂转动铰轴与车架铰接,动臂油缸上支座与动臂中部铰座铰接,下支座与车架铰接,液压油缸伸出时驱动动臂绕转轴转动,从而将动臂从低位置状态起升到高位置状态.从机构学上分析该系统是一个单自由度平面运动系统,系统的初始位姿、目标位姿和运动路径均已确定,而运动状态有待确定.建立起降系统的运动学模型，图1为工作装置工作原理图.图1中表示出了动臂起降过程中两个不同时刻动臂的运动状态:状态1为起升前动臂所处的自由状态;状态2为起升过程中的任一位置状态.

图1中:A点代表动臂旋转中心;O为液压缸下支座旋转中心;B为液压缸上支座旋转中心;C代表负载重心位置;D为铲斗及物料重心;F为动臂油缸推力;α为OA与AB夹角;β代表AD与竖直方向之间的夹角;γ代表AC与竖直方向夹角;θ代表动臂从最低位置向上的转角.

活塞杆伸出位移s为

图1 工作装置工作原理图Fig.1 Principle diagram of working device

(1)

式中：L1为交点O与A连线长度，m；L2为交点A与B连线长度，m；L0为油缸安装距.

活塞杆伸出速度v为

(2)

活塞杆伸出过程加速度a为

(3)

油缸进油流量q为

(4)

式中:d为动臂油缸内径,m.

2.2 动臂起降系统动力模型

设负载转动惯量为J,重力为G,油缸无杆腔压力为P1,有效作用面积为A1,油缸有杆腔压力为P2,有效作用面积为A2,F为液压油缸驱动力,则由系统的转动微分方程得

(5)

式中：Ga为工作装置重力,N；Gm为物料重力,N；L4为交点A与C连线长度，m；L5为交点A与D连线长度,m.

油缸推力计算公式为

(6)

3 动臂升降速度确定

为减小动臂起降过程中工作装置运动惯性的振动程度,把动臂起动和停止过程中加速度变化率的最大值控制在能引起主机振动的数值范围之内.根据以上原则,速度、加速度、加加速度三者分别与时间之间的关系满足动臂转动正弦曲线变化规律.

4 动臂升降速度控制的实现

本控制系统结构原理如图2所示.绝对值编码器实时地采集动臂升降时的绝对位置值,主控制板通过速度控制算法计算出相应的速度值,然后把速度值转换成脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)波发送给电液比例阀控制器，实现动臂升降的速度控制.

图2 系统结构Fig.2 System structure

5 液压系统工作原理

装载机液压系统工作原理如图3所示.液压油从油泵出来,一路连通多路操纵阀,另一路与蓄能器连通;在工作装置进行铲装作业前,蓄能器已充满压力油;在进行动臂举升操纵控制时,接通速度控制系统,微机控制器发出上举指令信号,电控单向阀由截止状态变为导通状态;随后根据检测到的动臂位置信息向速度控制器输出与期望速度相对应的指令信号,电液比例阀按照给定的速度指令调节过流流量,动臂按照给定的理想速度曲线运行.在动臂运行的快速阶段,主油路和蓄能器共同为液压缸供油,在动臂运行的减速阶段仅由主油路为液压缸供油,主油路中多余油量供给蓄能器.当动臂到达预定位置时,微机控制器接收到停驻信号,对方向阀的电磁铁发出断电信号,同时电液比例阀停止向油缸供油,动臂停止运行.

图3 装载机液压系统原理图Fig.3 Schematic of loader hydraulic system

动臂下降时,拉动多路阀操纵手柄,速度控制系统下降指令信号接通,微机控制器发出指令,使电控单向阀变为导通状态.随后根据检测到的动臂位姿信息,向速度控制器输出与期望速度相对应的指令信号,电液比例阀按照此给定的速度指令调节过流流量,动臂便按照给定的理想速度曲线运行.在动臂运行过程中仅主油路为液压缸供油,在动臂运行的减速阶段,主油路中多余油量部分供给蓄能器.当动臂到达预定位置时,微机控制器接收到停驻信号,随后给电控单向阀电磁铁发送断电信号,同时电液比例阀停止向油缸供油,动臂停止运行.

6 辅助压力油源设计

本文采用蓄能器作为动臂快速起升时的压力油源,在动臂起升过程中,主油路优先供给起升油缸,同时蓄能器协同主油路为起升油缸供油.当起升速度进入减速阶段时，主油路液压油流量足以满足油缸需要,多余液压油进入蓄能器以备液压缸快速起升段补给.

6.1 蓄能器充气压力设计

在装载机工作环境下,由于蓄能器系统中气体的压缩或膨胀转化时间很短,蓄能器工作按照绝热过程考虑,则

(9)

式中:λ为常数;P2为最高工作压力,Pa;P0为充气压力,Pa;V2为压力在P2时气体容积,m3;V0为充气容积,选取P0=0.25P2～0.9P1;P1为最低工作压力,Pa.

6.2 蓄能器的容积设计

动臂举升时油缸需要的最大进油量为

(10)

式中:k为动臂油缸的数目;Vc为动臂油缸举升时所需的油量,L;d为油缸无杆腔内径,mm;s为油缸行程,mm.

根据动臂起升速度控制规律曲线,动臂从最低处到达对高处,动臂油缸所需油量Vc,在t时间内油泵直接供油量为Vp,活塞快速运动时需要补充的流量为

(11)

式中：Vsi为第i个油泵的排量,m3/r;ni为第i个油泵的额定转速,r/min;ηi为第i个油泵的额定转速效率.

(12)

式中:V0为充气容积,即蓄能器的总容积;V1为对应压力P1时气体的容积,m3;V2为对应压力P2时气体容积,m3.

7 振动仿真

建立工作装置系统仿真模型,如图4所示,应用AMESIM软件对振动缓冲系统进行仿真.

图4 工作装置振动仿真图Fig.4 Scheme of working device vibration simulation

本文以5 t装载机为试验机型,工作装置两个动臂油缸缸经160 mm,活塞杆直径80 mm,翻斗油缸缸经180 mm,活塞杆直径100 mm,系统额定工作压力16 MPa,在无泄漏的情况下,工作泵排量100 mL/r,额定转速2 100 r/min,转向泵排量80 mL/r,额定转速2 100 r/min,采用双泵合流.工作装置结构中,L1=667 mm,L2=1 566 mm,L4=1 410 mm,L5=2 775 mm,α=52°,β=60°,γ=62°,θ=0°～81°.工作装置质量为2 705 kg,额定载质量为5 000 kg.对动臂起升终止过程仿真结果如图5所示.

图5(a)和图5(b)显示了采用缓冲控制系统状态下动臂举升油缸驱动速度、加速度变化曲线,在2 s内速度由0.15 m/s平缓减速停止和加速度由3.8 m·s-2平缓减小的过程.

图5 运动变化仿真曲线Fig.5 Simulation curve of motion

8 工程实验

以ZL50轮式装载机为例,对是否采用液压缓冲系统进行对比实验.图6(a)、图6(b)分别是无缓冲控制时振动波形图和采用缓冲控制时振动波形图.在测试过程中,采用液压缓冲系统的工作周期有所缩短,工作效率得以提高,而且对整机系统的振动消减大大提高.

由图6(a)和图6(b)振动信号的波形图可见,快速起升振动能降低300%的振动幅度,对装载机整机振动衰减明显.从动臂运行实验的结果看,动臂起动平稳,速度曲线较为平滑、无振荡,且动臂到位停止准确,达到了正常运行要求,操作室位置处人体感觉舒适性良好.

9 结论

(1) 采用电液比例流量控制系统,控制动臂油缸进油流量,减小动臂升降起始过程的加速度和加加速度的变化率,降低动臂运行的起始和终止惯性冲击.

(2) 系统采用蓄能器接纳节流的液压油,在动臂快速起降时用于辅助动力,有利于能量的储存和回用.

图6 动臂举快速上升时驾驶室地板位置处的振动波形Fig.6 Vibration waveform at the cab floor when the boom lifts rapidly

(3) 液压缓冲系统的应用,提高了动臂举升和下降的工作效率,缩短了工作循环时间,在长时间相同高度重复铲装作业条件下,采用该系统能很大程度提高作业效率,提高操作工人的舒适程度,降低其劳动强度,尤其是在频繁等高装卸工况下更能发挥其优势.

(4) 工作振动强度的大幅降低,有利于减轻机械零部件的损伤,提高产品使用寿命,而且对提高工作安全性和以人为本的生产主旨相符合.