徐守军 侯友坤
山东临工工程机械有限公司 276023
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摘要：挖掘装载在专用地盘上，装设挖掘机装载装置，为一种多用途工程机械，一般常见挖掘装载机车架涉及两种，即整体式及铰接式，其将挖掘、推土等功能集于一身，为工程中普遍应用，且适应能力强的施工机械。挖掘装载机多路阀门口流量稳定性难以把控，致使其工作效率难以提升，需构建多路阀电液比例控制系统模型，将其多路阀流量实现自动化调控。本文在D-H原理基础上，将装载工作装置运动学及动力学进行分析，同时构建起机电液耦合仿真模型，使其多路阀口流量实现智能化操控，切实提升装载工作运动精度及控制成效。
关键词：挖掘装载机；工作装置；运动特性；分析
挖掘装载机同时拥有装载及挖掘能效，主要可用于路面破碎、清除、管路开挖、铺设等作业，被普遍应用于道路建设维护、市政及住宅建设等施工工程中。挖掘装载机通常承载负荷不均，实际工作进程中操作人员，需将其多路阀口液压流量大小实施手动控制，以此驱动油缸实现各类工作目标，此种工作模式工作效率难以提升，成因主要与操作人员经验密切相关。本文主要提出4个比例减压阀、油缸位移传感器，构建挖掘装载机电液比例控制系统，实现多路阀口流量自动化控制，满足工作装置实际要求。
一、基于D-H原理的挖掘装载机装载工作装置运动学及动力学分析
装载工作装置工作循环，主要涉及前进、铲装、后退、转向及卸料，与之相对应实际工况包含插入、收斗、运输、举升及卸料等。立足于物料在铲斗位置，可将其分为正载及偏载工况，装载机在进行铲斗进程中，通常需形成特定角度，一般为左右。针对装载工作装置，不仅需满足不同状况下卸载高度及距离，而且需与铲斗举升进程平移度保持一致，通常不得超过。
基于D-H原理基础上，对装载工作装置进行全面分析，工作机构需满足实施快速动作要求，而且还能进行低速平稳运行，在加速进程中可有效避免冲击及振动，对其动力学及运动学予以分析，将装载工作装置转化为机器人手臂形式，主要包含一个平面两个关节，其装载工作装置如图一所示，机器人手臂形式如图二所示。
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获取铲斗末端坐标系相对固定坐标系位置，结合运动学逆运算，获取其最终动力学方程式如下[1]：
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其中与不仅与动臂质心存在密切关联，而且与动臂、铲斗其质心的惯性矩阵存在关联；最终结果主要由铲斗质心与铲斗质心惯性矩阵决定。
二、装载工作装置机电联合仿真建模
在D-H原理基础上，构建与其对应的数学模型，可将挖掘装载机工作装置，运动轨迹及主要驱动力予以展现，其工作装置为多连杆机构，若想全方位掌握其运动学及动力学状况，需构建装载工作装置机电联合仿真模型，才能将其运动学及动力学进行分析。
1、机械系统建模
装载工作装置为多连杆机构，具体为八连杆机构，每个构件均由旋转副连接构成。其构建仿真模型如图三所示。其中涉及多个参数，主要为装置参照系、参数质量设置、求解器设置、旋转副。
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图三 机械系统仿真模型
2、装载工作装置液压系统建模
装载工作装置液压系统中，影响因素较多，其中换向阀及液压缸对液压系统影响最大，所以需构建三位六通液压换向阀模型，将其中各个变量对系统产生的影响进行全面分析。主要构建三位六通液压换向阀流量特性方程，与负载特性方程。设定液压阀最初位移为，阀门工作位移为，可获取阀芯瞬时位移。根据阀最大靠口面积及泄露面积，结合阀芯最大位移，可获取阀瞬时靠口面积，由此获取阀口直径。三位六通液压阀流量特性方程如下：
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式中：为液压油的密度；为液压油流速；P为阀口压差；均为流量系数；Re为液流管道雷诺系数；为液流管道临界雷诺系数[2]。
构建液压系统仿真模型，将比例阀与伺服阀进行区分，其中强调将伺服阀电磁响应频率及死区予以变更，便可完成两者区分。
3、控制系统建模
为使得装载工作装置在具体装载进程中，对其可进行精准把控，以此应用PID控制器实现。控制系统仿真模型，主要将特定角度及实际角度反馈信号进行整合处理，获取控制液压阀口实际位移，以此得到精准性高的控制信号信息，为装载工作装置运动轨迹，可依照初始设定路线进行工作提供便利。
4、机电液联合仿真模型建立
工程机械涵盖多个系统，譬如机械、电子、液压等，为复杂性较强的机械系统。针对复杂系统进行实际构建模型进程中，需将各系统间耦合关联予以全方位考量。不同系统间耦合，主要表现在系统间信息交换，主要依靠ADAMS、AMESim等软件实现。采用多个软件进行联合仿真构建模型时，需构建各个不同接口，为不同软件平台完成信息交互做以支撑，各个软件自身存在内部算法，必定存在一定的误差。本文主要在ADAMS/Simulink同一平台构建仿真模型，切实将上述问题予以解决，同时减少建模耗费时间。不管通过哪种方式进行联合仿真模型，均需依靠不同系统间数据信息交互，才能实现联合仿真目标，图四为不同平台间数据交互。
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图四 不同平台间数据交互
三、仿真分析
将挖掘装载机工作装置机械及液压系统予以封装，将装在工作装置旋转角度进行读取，且将其输入控制器内部，通过工作装置角度反馈，对其进行闭环控制。对装在工作运动轨迹进行全方面研究，以动臂及铲斗角度变更为特定信号信息，在控制器作用下，获取工作装置角度具体运动轨迹，结合油缸角度变更，可将其对应位移速度推算获取，其中油缸工作角度变化如图五所示。
将铲斗变化角度进行分析，装载机在实施举升工况进程中，其铲斗变化角度设置在40° ～ 45°为宜，可满足工作实际要求。控制器作用下，可将动臂及铲斗实际转动角度获取，动臂在举升及复位工况具体工作时，存在延时，最大值可达到0.16s。而铲斗在铲掘、举升、卸料等工况进程中，仍存在延时状况，但与动臂相较其延时较短。由此表明，控制器可获取较佳控制成效。此外，对其油缸油压进行分析，油缸有杆腔及无杆腔，存在显著压力差变化，以此为工作装置角度变化提供便利；油缸无杆腔及有杆腔压差增大时，对应油缸开始实施工作；动臂油缸和转斗油缸，主要液压能源于液压泵，其中一对油缸处于工作状态，也对引发另一对油缸进行工作；在卸料工况完成的一瞬间，动臂油缸及转斗油缸液压冲击值达到最大值；复位工况结束瞬间，动臂油缸及转斗油缸存在液压冲击[3]。
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图五 油缸工作角度变化
结束语
本文主要通过ADAMS将装载工作装置机械、液压、控制等进行联合仿真，为科学设计思路，通过联合仿真，可直观发现各系统间的影响，为机器设计提供便利，液压系统涉及参数较多，各个变量改变对液压系统均会产生影响，需立足于实际所需，重点将部分参数予以考量。在D-H原理基础上，构建机电联合仿真，可将装载工作装置运动轨迹及负载状况变更获取；在Simulink同一平台上构建模型，其速率快，且参数易于变更，避免数据交互误差；通过PID算法，可实现多路阀口流量自动化控制，实现工作装置依照特定运动轨线工作。
参考文献
[1]欧雪琴,林洪静.新型组合式挖掘装载机挖掘模式工作装置设计[J].木工机床, 2019(4):7-10,17.
[2]刘光辉.装载机工作装置液压系统热特性分析[J].石化技术,2018,25(9):50.
[3]何洋,周松雨,覃创业.基于ANSYS/Workbench挖掘式装载机工作机构模态分析[J].煤矿机械,2019,40(1):172-174.