基于Fluid SIM的装载机液压系统建模与仿真

李　明，王　雷，蔡劲草，刘银丁

(安徽工程大学 机械与汽车工程学院，安徽 芜湖　241000)



基于Fluid SIM的装载机液压系统建模与仿真

李明，王雷，蔡劲草，刘银丁

(安徽工程大学 机械与汽车工程学院，安徽 芜湖241000)

以ZL50轮式装载机为研究对象，首先对轮式装载机液压系统进行分析与改进设计，完成液压系统原理图的拟定，最后在Fluid SIM仿真软件中实现液压动作的仿真和回路控制，验证了设计的正确性。

轮式装载机；液压系统设计；Fluid SIM仿真

装载机是一种广泛用于公路、铁路、建筑、水电、港口、矿山等建设工程的土石方施工机械。由于装载机具有效率高、作业速度快、机动性好、操作轻便等优点，因此对装载机液压系统等方面的研究[1-7]具有重要的现实意义。已有文献大都围绕液压系统改进设计、系统分析、液压节能分析等方面开展研究，如：文献[1]以滑移式装载机为研究对象，通过大量的工况分析、理论计算及实践经验，设计出符合滑移式装载机整机性能要求的行走、转向液压系统和工作液压系统；文献[3]对轮式装载机工作装置液压系统进行了一定程度的改进设计；文献[5]对液压系统进行了可靠性分析。但是很少有关基于Fluid SIM的装载机液压系统建模与仿真方面的研究，故本文借鉴前人经验及研究成果，针对轮式装载机的工作装置，对液压系统进行改进和拟定，并在Fluid SIM仿真软件中实现液压动作的仿真和回路控制，验证设计的正确性，为国内装载机的液压系统设计提供一定的理论依据。

1　轮式装载机总体结构及工作原理

轮式装载机总体结构如图1所示，一般由发动机、机械及液压传动系统、行走装置、工作装置等组成。工作原理如图2所示。

1.发动机；2.变矩器；3.变速箱；4.前、后驱动桥；5.车架铰链；6.动臂提升油缸；7.转斗油缸；8.铲斗；9.驾驶室。

图2　基本工作原理

2　轮式装载机液压系统原理

由装载机的工作原理可知：利用液压控制实现铲斗的举升和摇臂运动。工作装置液压系统换向回路采用并联式，同一时间可向2个机构供油。液压回路中装有单向阀，可以防止在换向过程中由于摇臂液压缸和动臂液压缸在工作装置自重作用下油液倒流，避免出现铲斗上下“点头”的情况[3]。系统控制中采用安全阀的目的是对摇臂液压缸活塞有杆腔起快速补油和对卸载起双重保护作用。基于以上分析，本文在参考已有文献[8]的基础上对装载机液压系统基本原理进行改进，如图3所示。

3　Fluid SIM仿真分析

Fluid SIM软件是专门用于液压与气压传动仿真的软件[9]。利用Fluid SIM软件进行液压系统仿真时，能显示回路动作过程，验证设计的液压系统是否合理。

1) 铲斗举升时液压系统仿真过程

当操纵动臂“O”型4位4通换向阀位于左位时，液压泵输出的液压油运行过程如图4所示。在正常工作状态下，当发动机转速较低时，液压油只从工作液压泵中输出，当发动机转速为中高速时，液压油从工作液压泵和辅助液压泵中输出，通过动臂换向阀流入动臂液压缸活塞腔，推动活塞向右运动，从而实现铲斗举升运动。

此时，摇臂“O”型3位4通换向阀处于中位，铲斗不发生翻转，铲斗无复合运动。转向阀也处于中位，不论发动机转速如何，此时由于转向泵和辅助泵与油箱直接连通，从液压泵输出的液压油通过转向阀直接回油到油箱。锁止阀右端是低压，锁止阀在弹簧力的作用下处于左位，封闭了转向液压回路，转向液压缸不动作。

1.转向液压泵；2.辅助液压泵；3.工作液压泵；4.稳流阀；5.转向阀；6.锁止阀；7.转向液压缸；8.摇臂液压缸；9.安全阀；

图4　铲斗举升时液压系统状态

2) 铲斗下降时液压系统仿真过程

按照本文的分析原理，得到铲斗下降时液压系统仿真过程，如图5所示。

图5　铲斗下降时液压系统状态图

3) 铲斗悬浮时液压系统仿真过程

铲斗悬浮时液压系统仿真过程如图6所示。

图6　铲斗悬浮时液压系统状态图

4) 铲斗上翻时液压系统仿真过程

铲斗上翻时液压系统仿真过程如图7所示。

图7　铲斗上翻时液压系统状态图

5) 铲斗下翻时液压系统仿真过程

铲斗下翻时液压系统仿真过程如图8所示。

图8　铲斗下翻时液压系统状态图

6) 铲斗举升和上翻复合运动时液压系统仿真过程

铲斗举升和上翻复合运动时液压系统仿真过程如图9所示。

图9　铲斗举升和上翻复合运动液压系统状态图

7) 铲斗举升和下翻复合运动时液压系统仿真过程

铲斗举升和下翻复合运动时液压系统仿真过程如图10所示。

8) 铲斗下降和上翻复合运动时液压系统仿真过程

铲斗下降和上翻复合运动时液压系统仿真过程如图11所示。

9) 铲斗下降和下翻复合运动时液压系统仿真过程

铲斗下降和下翻复合运动时液压系统仿真过程如图12所示。

图12　铲斗下降和下翻复合运动液压系统状态图

10) 左转向时液压系统仿真过程

左转向时液压系统仿真过程如图13所示。

图13　左转向液压系统状态图

11) 右转向时液压系统仿真过程

右转向时液压系统仿真过程如图14所示。

图14　右转向液压系统状态图

从以上对挖掘机不同工况下的液压系统仿真结果可以看出：本文所改进设计的液压系统控制回路是有效和合理的，为挖掘机装置实际工作的调试、排障等提供一定的依据。

4　结束语

以ZL50轮式装载机为研究对象，在参考已有文献的基础上完成对其液压系统原理图的改进设计。

在Fluid SIM仿真软件中实现液压动作的仿真和回路控制，验证设计的正确性，为国内装载机的液压系统设计提供一定的理论依据。

[1]胡昌云.滑移装载机液压系统分析与设计[D].上海:上海交通大学,2011.

[2]袁华山.滑移装载机工作装置液压系统设计与研究[D].长春:吉林大学,2012.

[3]严桃平.轮式装载机工作装置液压系统分析与改进设计[J].液压与气动,2010(8):67-68.

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[5]XIAO G L,WEI H W,WEI F Z,et al.Reliability Analysis on the Chassis Hydraulic System in Hydraulic Loader[J].Applied Mechanics and Materials,2013,299:35-37.

[6]YANG Y,CHEN Q L.Modeling and Analysis of Full Hydraulic Pressure Drive System of the Wheel Loader Based on AMEsim[J].Applied Mechanics and Materials,2013,397:261-265.

[7]ZHANG W W,ZHOU J,ZHANG Y L,et al.Energy-saving analysis in the hydraulic system of loader working device[J].International Journal of Computer Applications in Technology,2012,45(2):106-114.

[8]杨占敏.轮式装载机[M].北京:化学工业出版社,2006.

[9]罗红旗,庄燕华.基于Fluid SIM箱体折弯机液压系统分析[J].软件,2014,35(4):80-82.

(责任编辑陈艳)

Modeling and Simulation of Hydraulic System for Loader Based on Fluid SIM

LI Ming, WANG Lei, CAI Jin-cao, LIU Yin-ding

(School of Mechanical and Automotive Engineering,Anhui Polytechnic University, Wuhu 241000, China)

The ZL50 wheel loader is our research object in this paper. Firstly, the hydraulic system of wheel loader was analyzed and designed, and the schematic diagram of hydraulic system was given. Then, the simulation analysis was carried out by using Fluid SIM software to realize the display and control circuit in order to test the validity of the design.

wheel loader; hydraulic system design; Fluid SIM simulation

2016-03-22

国家自然科学基金资助项目(51305001)；安徽省高校优秀青年人才支持计划重点项目(gxyqZD2016125)

李明(1986—)，男，硕士研究生，主要从事机器人路径规划研究；通讯作者 王雷(1982—)，男，安徽亳州人，博士，副教授，主要从事数字化设计与智能制造方面的研究,E-mail:wangdalei2000@126.com。

format：LI Ming, WANG Lei, CAI Jin-cao, et al.Modeling and Simulation of Hydraulic System for Loader Based on Fluid SIM[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(8):36-44.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.08.006

TH137

A

1674-8425(2016)08-0036-09

引用格式：李明，王雷，蔡劲草，等.基于Fluid SIM的装载机液压系统建模与仿真[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2016(8):36-44.