基于Fluid SIM的装载机液压系统设计及分析

刘银丁，戚鹏伟，王　雷

（广西大学机械工程学院，广西 南宁530004）

0　引言

由于我国装载机行业起步较晚在，各生产厂家既没有自己的拳头产品，也没有自身的关键技术及强有力的技术创新队伍，主导产品档次低，企业负担重，生产成本高，而液压系统与传统机械操作相比，生成效率高，可控制性强，是目前工程机械发展主流趋势，目前，现有液压系统难以适应复杂多变的情况，无法在极端情况下保持稳定的工况，并且先进的仿真技术较少应用于液压系统的设计，因此，本文针对已有的缺陷及问题，进行装载机液压系统的设计并进行仿真分析，改善液压系统工作性能，对提高我国机械竞争力具有重要意义。

1　液压系统概述

ZL50轮式装载机多采用反转六连杆机构作为其工作装置[1]。装载机的工作装置和转向机构都是液压传动，一般现行轮式装载机由工作装置液压系统、转向液压系统和动力换挡变速箱液压系统三部分组成。工作装置液压系统和转向液压系统所消耗的功率占整个液压系统的大部分，所以本文主要对这两个系统进行设计分析。

2　液压系统设计

2.1　系统压力的选择

系统压力是系统在正常工作时的最高压力，由于所选择的液压泵的额定压力决定，并由安全阀限制。当压力较低时，传递相同的功率，必须增加流量，这会引起液压元件尺寸的增大；当压力较高时，可以减少流量，从而减小液压元件尺寸，但对工艺、材质和密封等方面有较高的要求。因此，必须选择适当的压力值，保证系统稳定工作。

本文设计的装载机采用齿轮泵，其压力为中高等级，目前我国装载机采用的压力范围为10~16 MPa，本次设计选用 16 MPa[2]。

2.2　液压缸流量的确定

液压缸无杆腔面积为：

其中，Fmax为液压缸所需克服的最大作用力229 kN；θ为液压缸速比；p为液压缸的工作压力，初选时可取为系统压力；ηM=0.85~0.99，取平均值0.95.经计算：D=138 mm，根据液压缸内径与活塞杆外径系列国家标准，选取D=140 mm；d=100 mm.

摇臂工作时间和摇臂液压缸行程可确定摇臂液压缸活塞移动速度，由下式可确定所需流量：

式中：L摇为摇臂液压缸行程，根据活塞行程系列（GB2349-80）中的系列尺寸选取标准值，最后取L摇=1 800 mm；t为摇臂工作时间，t=5.5 s；S 为摇臂液压缸活塞面积，S=15 393.8 mm2；ηv为液压缸容积效率，取η=92%.

经计算摇臂液压缸的流量Q摇=54.8 L/min.

动臂液压缸的计算方式和摇臂液压缸相同，经计算Q动=50.8 L/min.

2.3　液压泵基本参数的确定

1）液压泵工作压力

液压泵的工作压力由液压缸工作压力与系统压力损失两部分组成，即：

式中：pG为液压缸工作压力，取为系统压力16 MPa；∑p为系统压力损失，包括管道沿程损失和各元件的局部损失，参考同类型装载机，取∑p=1 MPa.因此，液压泵工作压力pp＝17 MPa.

2）液压泵额定流量

装载机作业时，摇臂和动臂并不同步工作，所以可选取两者的最大值为额定流量，同时考虑到系统的损失，最终液压泵的额定流量为：

式中：Qmax为液压缸最大流量；K为考虑油流渗透的系数，一般K=1.1-1.3，取平均值1.2.经计算：Qp=65.76 L/min.

3）液压泵功率

根据液压泵的工作压力pp和额定流量Qp，可以计算液压泵功率：

式中：pp为液压泵工作压力，pp=17 MPa；Qp为液压泵额定流量，Qp＝65.76 L/min；η为液压泵总效率，一般 η=0.75~0.85，取 η=0.8.经计算，P=3 169 W.

2.4　液压系统原理图的拟定

一般装载机工作液压系统都采用顺序换向回路，但顺序回路不能实现举升和转斗的复合运动，在Fluid SIM软件中也不易仿真，故本文设计成并联换向回路。液压回路中装有单向阀，可以防止在换向过程中油液倒流，出现铲斗上下“点头”的现象。

安全阀9对摇臂液压缸活塞杆腔起到快速补油和卸载保护作用。当铲斗翻转运动时，在铲斗内载荷和惯性力作用下，摇臂液压缸活塞杆可能会受到非液压力的作用而快速移动，出现吸空现象，此时安全阀9可以快速补油，避免吸空；当摇臂换向控制阀处于中位时，摇臂液压缸活塞腔和活塞杆腔均被封死，动臂液压缸推动活塞使动臂运动，由于连杆机构的牵制，摇臂液压缸活塞杆腔受压，从而使动臂运动受到约束，这时安全阀9将摇臂液压缸活塞杆腔的油液释放，从而解除了对动臂的约束。

在工程实践中，当装载机动臂举升或推土作业时，摇臂液压缸活塞腔容易过载，并且当活塞杆腔快速溢流时，活塞杆腔需快速补油防止吸空。摇臂液压缸活塞腔过载将导致液压管破裂、油封损坏、活塞杆弯曲等故障。因此，在摇臂液压缸活塞回路中设置安全阀，起快速补油和过载保护作用，防止液压缸被破坏。

转向系统要求在工作过程中具有稳定的转向速度，因此，在液压系统设计中，将转向回路和工作装置回路利用辅助液压泵连接在一起，从而保证转向液压系统中的流量不随发动机转速变化。

如图1所示为液压系统基本原理图。

图1　液压系统原理图

3　Fluid SIM仿真分析

通过Fluid SIM系统仿真，可以在设计完回路后，演示回路动作过程，从而验证设计的正确性[3-4]。

图2（a）、（b）为铲斗举升和下降过程的液压系统状态图，此过程中发动机转速较低时，液压油仅从工作液压泵中输出，随着发动机转速的升高，液压油开始从辅助液压泵中输出并通过动臂换向阀流入动臂液压缸活塞腔，推动活塞左右运动，从而实现铲斗下降和举升过程。图2（c）为铲斗悬浮时液压系统状态图，此时液压油被截止，通过溢流阀回油到油箱，铲斗悬浮在下降过程中的某一位置，可实现铲斗在运动过程中停止在所需要的位置。图2（d）、（e）为铲斗上翻和下翻过程液压系统状态图，液压油从工作液压泵和辅助液压泵中输出，通过摇臂换向阀流入摇臂液压缸活塞腔，推动活塞向左右运动，从而实现铲斗下翻上翻动作。图 2（f）、（g）、（h）、（i）为复合运动，其工作原理就是单一运动的相互叠加。图2（j）为铲斗左转向液压系统状态图，当通过转向盘使转向阀移至左位时，液压泵输出的液压油不能直接回油到油箱，从液压泵输出的液压油使锁止阀克服弹簧力向左移动达到阀体右位，液压泵的液压油通过转向阀和锁止阀向上边转向液压缸的活塞杆腔和下边转向液压缸的活塞腔供油，上边转向液压缸的活塞腔和下边转向液压缸的活塞杆腔流回油箱，达到左转向的目的。

（续下图）

（接上图）

（续下图）

（接上图）

（续下图）

（接上图）

图2　液压系统仿真过程

由图2液压系统仿真过程和图3主要液压元件工况可以看出，本文所设计的液压系统可以实现铲斗的各种运动并且工况稳定，证明本文的设计方法是合理的。

图3　主要液压元件工况图

4　结论

本文主要针对轮式装载机的工作装置及其液压系统，在前人经验的基础上，进行轮式装载机的分析计算，设计出相应的液压原理图，并通过Fluid SIM软件进行仿真，实现显示和控制回路的动作，及时发现液压系统中存在的问题，验证了设计的正确性，为国内式装载机的设计提供了一定的理论依据。