路軌兩用消防車液壓驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計及性能分析

陸慧葉 李小偉 張建武

（上海交通大學(xué) 汽車工程研究院，上海200240）

地鐵作為一種快速、環(huán)保、舒適、客運能力大的城市交通工具在世界主要發(fā)達國家及地區(qū)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，對于優(yōu)化城市交通網(wǎng)絡(luò)、緩解城市交通擁擠狀況、振興國家和地區(qū)的經(jīng)濟建設(shè)，起著非常重要的作用。近10年來隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市化步伐的不斷加快，城市軌道交通建設(shè)在我國取得了長足發(fā)展。然而，地鐵系統(tǒng)作為現(xiàn)代大都市的標志性工程，它既是地下工程，又是公眾聚集場所，歷來是消防工作中的重點和難點問題。如何有效地防范地鐵災(zāi)害事故的發(fā)生和做好地鐵火災(zāi)事故的滅火救援工作，已經(jīng)成為當(dāng)前消防部門亟需解決的重大課題之一。

為使人員傷亡和財產(chǎn)損失降至最低的水平，消防部門應(yīng)當(dāng)能夠及時和有效地深入地鐵內(nèi)部，開展滅火與搶險救援工作。其中重大舉措之一就是為消防部隊配備功能強大的路軌兩用消防車，使得消防部隊得以迅速反應(yīng)、深入地鐵內(nèi)部進行滅火與搶險救援工作。目前我國消防部門配備的路軌兩用消防車數(shù)量不多，都為國外進口，價格昂貴，因此，非常有必要研制開發(fā)出適合我國國情的性能優(yōu)越的路軌兩用消防車，即可為國家節(jié)省大量外匯，也可提高公共安全特種車輛的自主裝備能力。

本文將對路軌兩用消防車特有的液壓驅(qū)動系統(tǒng)做詳細的介紹，對系統(tǒng)中的主要元件進行選型，并且根據(jù)所選擇的元件參數(shù)在AMESIM中建立完整的液壓系統(tǒng)模型，通過仿真驗證系統(tǒng)的可行性。

1 液壓驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計

路軌兩用消防車采用兩套底盤傳動系統(tǒng)。在路面行駛時，消防車采用的是特種車輛的常規(guī)二類底盤，而消防車要具備軌道行走能力，必須在原有底盤基礎(chǔ)上增加一套軌道行駛系統(tǒng)。

液壓驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單，布置緊湊，便于在車輛底盤系統(tǒng)中安裝布置，而且液壓驅(qū)動系統(tǒng)具有前進、后退、驅(qū)動、制動的車輛調(diào)速驅(qū)動裝置，能工作在轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速平面的四個象限之內(nèi)，滿足車輛的動力性能要求。因此，車輛的軌道行駛系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動。

1.1 驅(qū)動方式

軌道行走驅(qū)動方式采用輪邊馬達獨立布置，在該設(shè)計中，利用車輛原發(fā)動機和取力器帶動液壓柱塞泵，將動力轉(zhuǎn)換成液體壓力和流量，傳遞到輪邊油馬達，再轉(zhuǎn)換成機械扭矩和轉(zhuǎn)速。這種方式可以最大限度地省略掉集中驅(qū)動方式中的前后軸軸間差速、前軸輪間差速和后軸輪間差速，使得車橋構(gòu)造比較緊湊和簡潔。

1.2 設(shè)計方案

根據(jù)上述驅(qū)動方式，設(shè)計出液壓驅(qū)動系統(tǒng)，其原理如圖1所示。由于車輛要滿足正、反方向行走以及制動等要求，液壓驅(qū)動系統(tǒng)一般采用閉合回路。發(fā)動機驅(qū)動液壓泵，帶動四個雙向定量馬達同時工作，從而驅(qū)動四個軌道鋼輪。在系統(tǒng)中，補油泵向系統(tǒng)低壓管道補油，由于閉式系統(tǒng)在工作中油路的高低壓要互換，所以系統(tǒng)中設(shè)置了兩個安全閥；同時，補油泵還向制動控制油路提供液壓油，以改變馬達的轉(zhuǎn)向，實現(xiàn)車輛的制動相后退。沖洗閥則用于系統(tǒng)低壓測油量的置換，以便于系統(tǒng)的散熱。

圖1 液壓驅(qū)動系統(tǒng)工作原理Fig.1 Working principle of hydraulic driving system

2 液壓驅(qū)動系統(tǒng)關(guān)鍵元件的選擇

液壓驅(qū)動系統(tǒng)是整個路軌兩用消防車行走的關(guān)鍵，它的效率的好壞，、直接關(guān)系到路軌兩用消防車的工作成敗。因此，需要根據(jù)軌道行走的動力性能要求，選擇合適的液壓元件。消防車采用19噸中型商用車底盤，配置高壓公軌電噴柴油發(fā)動機，使用液壓驅(qū)動系統(tǒng)在軌道行駛時，動力性能指標如表1所示。

表1 路軌兩用消防車動力性能指標Table1 Power performance indexes of road－rail fire engine

消防車液壓驅(qū)動系統(tǒng)主要工作地點在隧道內(nèi)，在這種特殊的工作環(huán)境下，車輛的相關(guān)動力學(xué)參數(shù)與路面工況下有所不同，具體技術(shù)參數(shù)參見表2。

表2 路軌兩用消防車主要參數(shù)Table2 Main parameters of road－rail fire engine

2.1 雙向定量馬達的選型

車輛在行駛過程中處于加速、減速、怠速、停車等工況，反映在液壓系統(tǒng)中，就是馬達處的負載的變化，即液壓系統(tǒng)的負載是傳動機構(gòu)本身以及車輛行駛時各種阻力折算到驅(qū)動馬達軸上的負載總和。車輛受到的阻力包括空氣阻力、滾動阻力、坡度阻力和加速阻力。

忽略輸出軸彈性負載的前提下，馬達處的負載轉(zhuǎn)矩為：

式中，α為坡度角；u為車輛速度；ηm為液壓馬達的機械效率。

定量馬達出的負載功率為：

液壓馬達作為執(zhí)行元件驅(qū)動車輛行駛，所以主要以車輛加速性能、爬坡性能、以及最高車速的要求來確定液壓馬達的設(shè)計參數(shù)。

a：根據(jù)最高車速要求，可求得為達到預(yù)期最高車速要求，液壓馬達所需的最大功能功率：

b：根據(jù)最大爬坡度要求，可求得為達到預(yù)期最大爬坡度要求，液壓馬達所需的最大供能轉(zhuǎn)矩：

c：根據(jù)加速性能要求，得到由加速性能所決定的最大功能轉(zhuǎn)矩：

根據(jù)最高車速要求，由式（3）計算，得到馬達最大的供能功率為14.81W，此時，馬達相應(yīng)的轉(zhuǎn)速為318r/min，假設(shè)此時的工作壓力為20MPa，則馬達的排量為36.5ml/rev；根據(jù)最大爬坡度要求，由式（4）計算，得到馬達所需的最大供能轉(zhuǎn)矩為2703N·m，若工作壓力為20MPa，則馬達的排量為223 ml/rev；根據(jù)加速性能要求，帶入（5），得到馬達所需的最大供能轉(zhuǎn)矩為1819N·m，若工作壓力為20 MPa，則馬達的排量為150ml/rev。

根據(jù)以上的計算，選擇OMT FL250型擺線油馬達，基本特性參數(shù)如表3所示，可見該馬達轉(zhuǎn)速低扭矩大，能夠平穩(wěn)驅(qū)動滿載的路軌兩用消防車在軌道上運行。當(dāng)油馬達反拖制動時，車輛從開始制動到完全停止，油馬達能夠產(chǎn)生的制動器力矩達1200 N·m，保證了行車制動的需要；對于駐車制動而言，由于電磁閥完全關(guān)閉，油泵－油馬達之間的管路全部鎖止，因此車輪處于完全抱死狀態(tài)，即使在有坡度的軌道上也能保證車輛不會移動。

表3 OMT FL25工作參數(shù)Table3 Working parameters of OMT FL25

2.2 變量泵的選型

在消防車液壓行走系統(tǒng)中，變量泵選擇的條件為滿足馬達流量的要求，變量泵的排量可根據(jù)下式計算；

式中，η3、η5為泵、馬達的容積效率，均選擇0.95。

根據(jù)式（6），變量泵的排量需達到163ml/rev，為兼顧成本問題，本設(shè)計中選擇兩個90R系列變量柱塞泵，同軸串聯(lián)使用，排量分別是100ml/rev、75 ml/rev。所選用的柱塞泵要在一定的工作狀態(tài)下才能發(fā)揮出最高的傳動效率，其工作參數(shù)如表4所示。

3 AMESIM仿真結(jié)果分析

在AMESIM環(huán)境下，根據(jù)上述計算選擇合理液壓元件，建立仿真模型，以驗證該液壓系統(tǒng)的動力性是否符合設(shè)計要求。

3.1 起步速度對液壓系統(tǒng)的沖擊

圖2和圖3是消防車在不同的啟動加速度下，車速從0增加到60km/h系統(tǒng)的壓力響應(yīng)和速度響應(yīng)。消防車啟動的過程，也就是液壓泵排量逐漸增加的過程，通過控制泵的排量來控制啟動的速度。當(dāng)加速時間為30s時，最大沖擊壓力為262bar，當(dāng)加速時間為15s時，液壓系統(tǒng)最大壓力超過395bar，已經(jīng)使溢流閥溢流。由該仿真結(jié)果可知，該液壓系統(tǒng)能平穩(wěn)的在30s之內(nèi)加速到60km/h，但加速時間越短，壓力和速度穩(wěn)定性越差，所以，車輛的起步時間應(yīng)超過15s。

表4 90R75，90R100工作參數(shù)Table4 Working parameters of 90R75，90R100

圖2 液壓驅(qū)動系統(tǒng)壓力和速度動態(tài)響應(yīng)（30s加速）Fig.2 Dynamic system’s pressure and velocity response under 30saccelerating time

圖3 液壓驅(qū)動系統(tǒng)壓力和速度動態(tài)響應(yīng)（15s加速）Fig.3 Dynamic system’s pressure and velocity response under 15saccelerating time

3.2 爬坡對液壓驅(qū)動系統(tǒng)的沖擊

圖4 爬坡時液壓系統(tǒng)壓力響應(yīng)（5%爬坡度）Fig.4 Dynamic system’s pressure response during climbing（5%gradient）

圖5 爬坡時液壓系統(tǒng)壓力響應(yīng)（7%爬坡度）Fig.5 Dynamic system’s pressure response during climbing（7%gradient）

圖4和圖5是車輛在不同坡度的坡道行駛時，系統(tǒng)的壓力動態(tài)響應(yīng)。在仿真時，設(shè)定車輛的爬坡速度為20km/h。由圖可以看出，坡度角越大，壓力波動沖擊越大，達到穩(wěn)定的時間也越長。對于5%的斜坡，液壓系統(tǒng)的沖擊約180bar，且系統(tǒng)能在7s內(nèi)達到穩(wěn)定：對于7%的斜坡，液壓系統(tǒng)的最大壓力超過395bar，壓力沖擊使得溢流閥溢流，系統(tǒng)在12 s內(nèi)達到穩(wěn)定。由仿真結(jié)果可驗證，所設(shè)計的液壓系統(tǒng)符合5%爬坡度的要求，并且在行駛過程中，爬坡度不宜超過7%。

4 結(jié)論

（1）綜合考慮了車輛的動力性能以及液壓系統(tǒng)的要求，提出了路軌兩用消防車輪邊驅(qū)動的設(shè)計方案，建立了閉式液壓系統(tǒng)；

（2）根據(jù)車輛軌道行駛加速度、最高車速以及爬坡度等動力性能要求，對液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵元件進行了選擇：

（3）建立了AMESIM仿真模型，對系統(tǒng)的加速性和爬坡性能進行了仿真分析，通過仿真結(jié)果證實該液壓系統(tǒng)滿足動力性和穩(wěn)定性要求。

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