基于AMESim的電液制動系統(tǒng)設(shè)計與仿真研究*

王青云,劉二溦,安勇強

(1.天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 汽車與軌道交通學(xué)院,天津300350;2.燕山大學(xué) 機械工程學(xué)院, 河北 秦皇島 066004;3.中國航發(fā)北京航科發(fā)動機控制系統(tǒng)科技有限公司,北京 102200)

0 引 言

制動系統(tǒng)是大型工程機械車輛最為重要的系統(tǒng)之一,分為行車制動系統(tǒng)、駐車制動系統(tǒng)和輔助制動系統(tǒng)。其功能是保證工程車輛行駛中能按照要求減速停車,保證車輛可靠停止,保障車輛和駕駛?cè)说陌踩玔1]。

全工況流動式架橋機屬于特種工程機械,其液壓系統(tǒng)是完成基本動作的控制系統(tǒng)與執(zhí)行系統(tǒng)[2]。在高鐵建設(shè)中,主要工序是將梁運至橋頭,完成架梁任務(wù)。整機行走系統(tǒng)由閉式液壓系統(tǒng)驅(qū)動,雙向變量柱塞馬達作為扭矩輸出元件應(yīng)用于系統(tǒng)中[3]。正常情況下,馬達輸出扭矩和負載方向相反;但在下坡時,由于兩者方向相同,馬達旋轉(zhuǎn)速度加快,可能會導(dǎo)致馬達失去控制。

流動式架橋機現(xiàn)有的制動系統(tǒng)為氣壓制動,多用于整車減速后的減速停車,由于其制動距離較長,僅能作為點剎使用;由于氣體具有可壓縮性,且容易泄漏,氣壓制動的可靠性較低。

為防止馬達超速,可以通過設(shè)置一定的背壓來平衡超越負載?；芈酚捎谠O(shè)置了背壓而與超越負載相平衡,稱為平衡回路;因限制了運動部件的超速運動而被稱為限速回路[4,5]。

本文結(jié)合流動式架橋機的閉式驅(qū)動系統(tǒng),研究行車制動系統(tǒng)的特性,設(shè)計出一種新型的應(yīng)用于閉式液壓驅(qū)動系統(tǒng)變負載的平衡回路。

1 新型電液制動原理

1.1 超越負載特性

流動式架橋機的閉式行走系統(tǒng)(超越負載)如圖1所示。

圖1 超越負載示意圖

圖1中,該閉式行走系統(tǒng)簡化為由液壓泵、馬達和負載組成的回路。

在正常路況時,行駛驅(qū)動阻力與運動方向相反,泵吸收發(fā)動機功率將機械能轉(zhuǎn)化為壓力能,高壓油流入馬達中帶動馬達旋轉(zhuǎn)。此時泵輸出扭矩為Tp1,馬達輸出扭矩和負載扭矩關(guān)系為:Tm=TL。馬達吸收功率,輸出扭矩克服負載旋轉(zhuǎn)。

下坡時,由重力產(chǎn)生的扭矩Tp2與馬達的旋轉(zhuǎn)方向保持一致,馬達旋轉(zhuǎn)速度加快,高壓油PH流入泵,低壓油PL流入馬達。

此時,馬達的扭矩為:

(1)

式中:Vm—馬達排量,ml/r;Tm—馬達輸出扭矩,kN·m;ηmh—機械-液壓效率。

馬達輸出扭矩的方向與其所受負載的方向一致,在物體重力的作用下,液壓泵和馬達的作用相反,馬達為泵工況,泵為馬達工況,馬達向液壓泵提供高壓油,液壓泵的出油口和馬達進油口為低壓。超越負載作用下,馬達加速運動。

1.2 制動系統(tǒng)設(shè)計要求

電液制動系統(tǒng)的設(shè)計需要滿足以下要求:

(1)在下坡路況,整車在重力作用下產(chǎn)生超速現(xiàn)象,應(yīng)設(shè)置限速回路;

(2)背壓可調(diào),且整車在前進與后退時均可調(diào)節(jié);

(3)下坡時,要求車輛平穩(wěn)運行,否則橫梁會劇烈搖晃;

(4)下坡時,可對車輛施加緊急制動。

1.3 行車制動液壓系統(tǒng)原理

閉式驅(qū)動系統(tǒng)的制動原理圖如圖2所示(流動式架橋機行車制動液壓系統(tǒng)為先導(dǎo)式平衡回路[6])。

圖2 行車制動平衡回路液壓原理圖1—插裝單向閥;2—單向閥蓋板;3—主閥;4—先導(dǎo)蓋板;5—安全閥;6—先導(dǎo)比例溢流閥

圖2中顯示共有4個油口,PA和PB接閉式泵的壓力源油口,DA和DB接馬達油口。

電比例溢流閥作為行車制動閥,其最大控制電流為1 400 mA,最大開啟壓力為42 MPa,行車制動系統(tǒng)的背壓值是通過改變比例溢流閥的開啟壓力來設(shè)置的[7]。截止閥為二通插裝閥。溢流閥作為安全閥來限制平衡回路的最高壓力,防止馬達回油路中的壓力過高而損壞。

圖2中,該系統(tǒng)有4種工作狀態(tài),分別為:正向行駛、反向行駛、停車狀態(tài)和緊急制動。筆者分別闡述如下:

(1)正向行駛

PA為閉式泵出油口時,截止閥1.1、插裝單向閥1.4和截止閥3.1均關(guān)閉,液壓油從PA口流出,經(jīng)插裝單向閥1.3和DA口流入馬達,馬達經(jīng)DB口、主閥3.2、插裝單向閥1.2和PB口流回液壓泵,系統(tǒng)回油路的背壓由先導(dǎo)比例溢流閥6.2調(diào)定,對DB口形成背壓,安全閥5.2對系統(tǒng)起保護作用;

(2)反向行駛

PB為閉式泵出油口時,截止閥1.2、插裝單向閥1.3和截止閥3.2均關(guān)閉,液壓油從PB口流出,經(jīng)插裝單向閥1.4和DB口流入馬達,馬達經(jīng)DA口、主閥3.1、插裝單向閥1.1和PA口流回液壓泵,系統(tǒng)回油路的背壓由先導(dǎo)比例溢流閥6.1調(diào)定,對DA口形成背壓,安全閥5.1對系統(tǒng)起保護作用;

(3)停車狀態(tài)

流動式架橋機停車時,比例溢流閥1.2設(shè)定最大開啟壓力,平衡閥系統(tǒng)鎖止;

(4)緊急制動

該狀態(tài)下,比例溢流閥調(diào)整為最大壓力,馬達排油使背壓升高,當壓力達到設(shè)定值時,先導(dǎo)溢流閥開啟,油路接通,主閥芯上端和下端形成壓差,使主閥芯開啟,主閥芯的壓力即為系統(tǒng)的背壓值,由于回油阻力的作用,馬達轉(zhuǎn)速逐漸降低,與氣壓制動結(jié)合,可以實現(xiàn)較好的制動效果[8,9]。

2 系統(tǒng)建模

2.1 AMESim

AMESim是一個多學(xué)科的復(fù)雜系統(tǒng)建模與仿真平臺。用戶可在該平臺上根據(jù)實際情況建立多學(xué)科領(lǐng)域的系統(tǒng)模型,同時進行仿真和問題的分析,還可以在該平臺上分析元件或系統(tǒng)的靜、動態(tài)特性。AMESim給用戶提供了豐富的、可以直接使用的元件庫。

本文應(yīng)用AMESim仿真軟件中的液壓元件設(shè)計庫、液壓庫、機械庫、信號庫等,建立電液比例制動系統(tǒng)仿真模型;并通過信號參數(shù)的設(shè)定,對系統(tǒng)的動態(tài)性能進行仿真分析[10,11]。

2.2 建模

閉式驅(qū)動電液制動系統(tǒng)的物理模型可分為液壓系統(tǒng)模型和控制系統(tǒng)模型。閉式變量泵、補油泵、液壓馬達及相關(guān)功能元件,直接從AMESim標準元件庫中調(diào)取;對于先導(dǎo)閥等復(fù)雜且不標準的液壓元件,可利用HCD庫建立。搭建完成液壓系統(tǒng)框架后,筆者依據(jù)參數(shù)表,設(shè)置制動系統(tǒng)的主要參數(shù)[12]。

閉式驅(qū)動電液制動系統(tǒng)主要元件參數(shù)表如表1所示。

表1 閉式驅(qū)動電液制動系統(tǒng)主要元件參數(shù)表

馬達負載采用簡化后的等效模式,即架橋機在路面的牽引力轉(zhuǎn)化為輪胎的扭矩,扭矩經(jīng)輪邊減速機等效至馬達軸輸出端,所建模型引用馬達輸出軸等效后的扭矩值。

筆者通過在馬達輸出軸上施加對應(yīng)工況的等效扭矩,同時在先導(dǎo)閥及換向閥控制端施加相對應(yīng)的控制信號,模擬不同的工況[13，14]。

在AMESim環(huán)境下,電液制動系統(tǒng)的模型如圖3所示。

圖3 AMESim環(huán)境下的系統(tǒng)模型

3 系統(tǒng)仿真

3.1 參數(shù)設(shè)置

筆者在AMESim中設(shè)置參數(shù),通過設(shè)置馬達負載來模擬車輛行駛路況。其中,正向前進(0～5) s負載設(shè)定為350 N·m;下坡為超越負載路況(6 s～15 s),負載設(shè)定為-80 N·m,下坡坡度為5°;仿真時間為15 s,仿真步長為0.01 s。

信號給定值:電磁換向閥信號在0～15 s設(shè)定為50 null;先導(dǎo)比例溢流閥6.2信號給定最大值;先導(dǎo)比例溢流閥6.1信號給一定值,保證系統(tǒng)有一定的背壓;變量泵和變量馬達信號給一定值;負載信號在0～5 s為350 null,在6 s～15 s為-80 null。

其中,0～5 s,為正向前進工況下制動系統(tǒng)馬達進出口壓力;6 s～10 s,為超越負載工況下馬達進出口壓力;11 s～15 s,為增大先導(dǎo)比例溢流閥開口壓力曲線。

3.2 仿真分析

不同工況下馬達進出口壓力曲線如圖4所示。

圖4 不同工況下馬達進出口壓力

不同工況下馬達的轉(zhuǎn)速曲線如圖5所示。

圖5 不同工況下馬達轉(zhuǎn)速

由圖4和圖5可知:

(1)0～5 s為正向前進工況,此時馬達進油口壓力250 bar,出油口壓力25 bar,轉(zhuǎn)速328 r/min,泵和馬達處于正常工況,泵輸出的高壓油流向馬達,帶動馬達旋轉(zhuǎn),驅(qū)動阻力與旋轉(zhuǎn)方向相反;

(2)5 s時,馬達轉(zhuǎn)向下坡路況,馬達進油口壓力突然下降到100 bar后又上升至128 bar,出油口壓力升高到100 bar,馬達轉(zhuǎn)速由328 r/min上升到500 r/min后又降為328 r/min,此時泵輸出的高壓油繼續(xù)流向馬達,帶動馬達旋轉(zhuǎn),驅(qū)動阻力與旋轉(zhuǎn)方向相反;

(3)5 s～10 s下坡時,馬達進油口壓力逐步降低,出油口壓力逐步升高,轉(zhuǎn)速逐漸變大,在10 s時馬達出油口壓力超過進油口壓力,為超越負載工況。當檢測到壓差為負值時,增大比例溢流閥的壓力[15],來平衡馬達出油口壓力,從而增大驅(qū)動系統(tǒng)的背壓值,將馬達進出口壓差維持在一定范圍內(nèi),穩(wěn)定馬達轉(zhuǎn)速,使馬達進行制動;

(4)10 s后,制動繼續(xù)起作用,馬達進口壓力為135 bar,出口壓力為103 bar,壓力差基本保持恒定,馬達轉(zhuǎn)速為330 r/min,也保持不變。

4 結(jié)束語

本研究根據(jù)流動式架橋機的制動要求,設(shè)計了一種制動回路,運用AMESim對其制動效果進行了仿真分析。

研究結(jié)果表明:

(1)馬達轉(zhuǎn)向下坡工況瞬間,進出油口壓力差降低了87.6%,轉(zhuǎn)速升高了52.4%,此時馬達具有較大的速度沖擊;

(2)馬達處于超越負載工況,進出油口壓力差為負值。制動系統(tǒng)作用后,其壓力差保持32 bar不變,轉(zhuǎn)速也維持在330 r/min不變。通過調(diào)整行車制動回路的背壓值,來平衡馬達出油口壓力,可穩(wěn)定馬達進出油口壓力差和轉(zhuǎn)速;

(3)從系統(tǒng)檢測馬達壓差為負值到制動系統(tǒng)起作用,需要經(jīng)過0.1 s的響應(yīng)時間。

在后面的研究過程中,筆者將從減少速度和壓力沖擊的角度,對阻尼、管道體積進行優(yōu)化,也可加入PID控制算法,以提高系統(tǒng)的動態(tài)特性;同時,氣壓制動也可加入到制動系統(tǒng)中,使其制動安全性能得到進一步提高[16]。