浅析非公路自卸汽车全液压式举升机构的建模与仿真

　　自卸车中使用的举升液压系统通常分为液压助力式和全液压式两种。首钢汽车制造厂生产的SGA3550 型非公路自卸式汽车是由北京科技大学研制开发的拥有独立知识产权的产品，采用的是技术成熟、作用力大、系统刚性好的全液压式举升系统，整车长7 578 mm，宽3 890 mm，高3 570 mm，前轮距3 100 mm，后轮距2 550 mm，轴距3 650 mm，主销中心距2 100 mm，满载爬坡度15%，接近角20，离去角48，最小转弯半径9 m，本文利用ADAMS软件对该车的全液压举升机构进行建模与仿真。
　　1 SGA3550 型自卸车全液压举升系统组成
　　SGA3550 型自卸车举升系统主要由举升缸、节流阀、单向阀、电液换向阀、溢流阀、举升泵、油箱及各管路组成。举升泵采用常啮合取力器+齿轮泵型式，通过取力器从变速箱上取力，采用4 级伸缩末级双作用液压缸作为执行元件，用一个三位四通电液换向阀来控制货厢的举升和回落，有杆腔回油路上使用可调单向节流阀，控制举升的速度。系统流量245.4L/min，举升缸实际工作中最大工作压力为12.7MPa。
　　2 举升系统机械结构仿真模型
　　为了简化模型加快设计进度，本设计利用ADAMS 软件对SGA3550 型自卸车举升机构建立仿真模型。
　　3 举升液压系统的设计
　　3.1 举升液压系统的设计流程
　　国内对于矿用自卸汽车液压举升系统的设计，基本上采用的是传统的经验性设计，即分别对举升机构和举升液压系统进行设计，二者再通过举升液压缸最大举升力和举升液压系统最高油压来相互协调，而对货箱举升回落过程中，机械系统与液压系统间的相互作用则不予考虑，这样就无法了解举升过程中，机械和液压系统的真实情况。
　　作者根据设计经验，提出自卸汽车举升液压系统的一般设计流程：首先确定最大举升力和系统压力，计算出举升缸最大内径，并根据举升高度来确定各个举升缸的内径和行程;其次根据举升容量和时间确定举升时流量，并通过流量、泵转速及其所要实现功能拟定出的液压原理图来确定所需要的举升泵，进而确定液压阀和各附件;最后对举升液压系统进行建模与仿真。此设计流程优势在于能根据仿真结果再次对举升机构进行优化设计、建模，以此循环，找到最优解。
　　3.2 举升缸的结构
　　为使整车结构紧凑，重心降低，达到货厢对车架的冲击减小、货厢到达举升终点时的限位以及货厢回落时的限速等目的，SGA3550 型自卸车举升机构采用后置双缸直顶式举升机构，采用液体压力作为举升动力，举升液压缸为4 级伸缩，末级双作用，内泄式限位，回落时限速采用回油节流形式ADAMS/Hydraulics 中没有多级液压缸的模型，根据举升液压缸工作原理，可将其分解为若干个相互连通的单级液压缸的组合，将4 级伸缩末级双作用举升液压缸分解成3 个柱塞缸和1 个单杆活塞缸
　　4 举升液压系统的建模
　　根据对国内文献的统计，对矿用自卸汽车液压系统的研究，主要还是通过建立数学模型，利用MATLAB/SIMULINK 等工具对所建立的模型进行仿真，很少对由机械系统、液压系统和控制系统等组成的耦合系统进行多领域协同仿真。本文将虚拟样机技术引入矿用自卸汽车设计中，通过分析多级伸缩末级双作用液压缸的内部结构和工作原理，采用实体建模方式，利用ADAMS/Hydraulics 对举升液压系统进行建模。
　　其中一级缸、二级缸、三级缸为柱塞缸，四级缸为单杆活塞缸，4 个单级液压缸的无杆腔通过集流器相互连通，四级缸的有杆腔通过限位阀(可调节流阀)与4 个液压缸的无杆腔相连。货箱举升过程中，该阀是关闭的，当举升至终点(举升缸伸长量大于某一值)时，限位阀打开，举升缸上下腔连通，实现内泄式限位。举升缸的无杆腔进油口和有杆腔进油口用2 个节流阀模拟。这样，一级缸、二级缸、三级缸、四级缸、集流器、限位阀、无杆腔进油口和有杆腔进油口组成了一个4 级伸缩末级双作用内卸式限位的举升液压缸，由此，就可以对液压举升系统进行多领域协同仿真，对多级液压缸后置直顶式举升机构实现参数化建模。
　　5 举升液压系统模型仿真
　　ADAMS/Hydraulics 对举升机构液压系统进行空车举升和平装满载举升。
　　5.1 空车举升
　　首先进行空车仿真，仿真时间取95 s，步长0.001 s，举升缸内油压随时间的变化仿真结果。在货箱举升、回落过程中，当每一级缸筒或活塞杆伸出和缩回时，无杆腔内油压都会出现冲击，每个油压峰值是由4 级伸缩末级双作用举升液压缸的内部结构决定的，是不可避免的
　　5.2 平装满载举升
　　货箱平装满载42 t 的货物，发动机怠速运转，仿真时间取55 s，步长0.001 s，仿真结果。
　　满载举升比空车举升时举升缸内无杆腔内油压高很多，但每一级缸筒伸出时油压的振荡小了。
　　空车举升、满载卸货举升和满载不卸货举升3 种情况下举升缸举升力的变化。可以看出，满载卸货举升和满载不卸货举升时举升缸受力相差不大;满载不卸货举升临近终点时，举升缸受到拉力，方向与推力相反，故出现一个拐点。
　　6 结论
　　将虚拟样机技术引入到SGA3550 型矿用自卸汽车设计中，通过分析多级伸缩末级双作用内泄式限位举升缸的内部结构，在ADAMS/VIEW 中建立举升缸的仿真模型，实现了机械系统与液压系统的耦合，进而建立了整个液压举升系统的仿真模型。
　　矿用自卸汽车液压举升系统仿真结果表明：在货箱举升、回落全过程中，举升缸无杆腔内先后出现了(2n+1)个油压峰值(n 为举升缸级数)，发动机转速越高，油压冲击越大;满载举升时，举升缸内油压振荡比空车举升时有所减轻。