基于AMESim 的礦用小型自卸車(chē)工作性能分析

常志強(qiáng)

（中鐵十九局集團(tuán)礦業(yè)投資有限公司，北京 100071）

0 引言

礦用自卸車(chē)具有良好的機(jī)動(dòng)性、廣泛的適應(yīng)性、簡(jiǎn)便的操作性以及高效的運(yùn)輸效率，因而在礦業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-3]。但是，大多數(shù)礦用自卸車(chē)具有大噸位的運(yùn)輸特性，隨著礦業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，礦井機(jī)械化程度不斷增加，一些小型的設(shè)備、材料使用這些大噸位的自卸車(chē)進(jìn)行運(yùn)輸反而會(huì)降低生產(chǎn)效率，增加工程成本，造成資源的極大浪費(fèi)，因而現(xiàn)代礦業(yè)工程對(duì)于小噸位的礦用自卸車(chē)需求量增在不斷增長(zhǎng)，小型礦用汽車(chē)質(zhì)量輕，在復(fù)雜的礦業(yè)運(yùn)輸?shù)缆窏l件下，顛簸大、坡路多、運(yùn)行速度低是常態(tài)，因而對(duì)于小噸位自卸車(chē)的運(yùn)輸穩(wěn)定性具有較高的要求[4-6]。而礦用自卸車(chē)的轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、舉升的操作一般依靠液壓系統(tǒng)來(lái)控制，所以其運(yùn)輸穩(wěn)定性在很大程度上取決于液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

設(shè)計(jì)一種適應(yīng)復(fù)雜礦井環(huán)境的礦用小噸位自卸車(chē)，重點(diǎn)對(duì)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和選型進(jìn)行了詳細(xì)分析，并通過(guò)AMESim仿真模擬，對(duì)轉(zhuǎn)向、舉升以及制動(dòng)工況下的液壓系統(tǒng)性能進(jìn)行了分析，以期為滿足礦業(yè)生產(chǎn)要求提供參考。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及選型

1.1 整機(jī)構(gòu)造

礦用自卸車(chē)一般由動(dòng)力系統(tǒng)（柴油機(jī)、通氣系統(tǒng)、冷區(qū)系統(tǒng)、供油系統(tǒng)以及排氣系統(tǒng)組成）、車(chē)架與車(chē)廂、駕駛與操作系統(tǒng)（包含換擋操作柄、自動(dòng)開(kāi)關(guān)、熄火開(kāi)關(guān)、方向盤(pán)等）、傳動(dòng)系統(tǒng)（由變柜器、變速箱以及傳動(dòng)軸等組成）、氣動(dòng)系統(tǒng)（由安全閥、電磁閥、壓力表、氣泵等裝置組成）、電氣系統(tǒng)（由發(fā)電機(jī)、電源箱、繼電箱、接線盒等裝置組成）以及液壓系統(tǒng)構(gòu)成（圖1）。整機(jī)的連接形式為鉸接式，發(fā)動(dòng)機(jī)采用防爆氣啟動(dòng)方式，其他參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 整機(jī)主要參數(shù)

圖1 礦用自卸車(chē)整機(jī)結(jié)構(gòu)示意

1.2 液壓系統(tǒng)

礦用自卸車(chē)液壓系統(tǒng)的主要作用是實(shí)現(xiàn)車(chē)輛轉(zhuǎn)向、舉升以及制動(dòng)操作功能，主要由轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)、舉升控制系統(tǒng)以及制動(dòng)系統(tǒng)三大系統(tǒng)組成。其中，轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)和舉升控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)前輪轉(zhuǎn)向和礦料的卸載，其性能優(yōu)劣關(guān)系著礦場(chǎng)的生產(chǎn)效率；制動(dòng)控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)生產(chǎn)過(guò)程中的減速、停車(chē)以及維持正常車(chē)速等功能，其性能優(yōu)劣關(guān)系著自卸車(chē)的行駛安全。

1.2.1 液壓系統(tǒng)的工作原理

液壓泵為三大系統(tǒng)提供動(dòng)力源，通過(guò)調(diào)節(jié)溢流閥來(lái)確保液壓系統(tǒng)處于可承受壓力范圍之內(nèi)。三大系統(tǒng)共用一個(gè)液壓油箱，液壓油箱作為獨(dú)立構(gòu)件，與機(jī)架等保持分離，控制回路均由同一齒輪泵供油（圖2）。在工作過(guò)程中，車(chē)輛一旦完成啟動(dòng)供油（制動(dòng)供油），齒輪泵立即為轉(zhuǎn)向舉升控制回路供油，不再零壓回油箱。

圖2 液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2.2 元件選型

（1）轉(zhuǎn)向舉升系統(tǒng)元件選型。轉(zhuǎn)向液壓缸選用D16 WF63/45-435 型，額定壓力為16 MPa，液壓油缸的內(nèi)徑和活塞直徑分別為63 mm 和45 mm，液壓缸的行程為435 mm；舉升液壓缸選用2QTG-100×721 型雙級(jí)液壓缸，第一級(jí)直徑和行程分別為100 mm 和354 mm，第二級(jí)直徑和行程分別為80 mm 和367 mm；轉(zhuǎn)向器選用BZZ5-630 全液壓轉(zhuǎn)向器。

（2）制動(dòng)控制系統(tǒng)元件選型。EHV1.6-350/90 型蓄能器，6-463-720 型雙路充液閥（流量為7.2 L/min），06-466-240 型串聯(lián)雙回路制動(dòng)踏板閥。

（3）液壓泵為CBNL-F563-BFHL 型齒輪泵，額定排量和壓力值分別為63 mL/r 和20 MPa。

2 性能仿真分析

2.1 仿真模型

利用AMESim 仿真軟件建立礦用自卸車(chē)液壓系統(tǒng)仿真模型。由于本文主要討論礦用自卸車(chē)制動(dòng)控制系統(tǒng)在工作狀態(tài)下運(yùn)行穩(wěn)定性，為簡(jiǎn)化分析過(guò)程在模型搭建過(guò)程中僅考慮行車(chē)制動(dòng)回路，因此，仿真模型主要由制動(dòng)踏板閥、充液閥、蓄能器、制動(dòng)油缸、管路和油箱等部分組成（圖3）。

圖3 仿真模型結(jié)構(gòu)示意

2.2 工況設(shè)計(jì)

（1）轉(zhuǎn)向工況。當(dāng)轉(zhuǎn)向過(guò)程中遇到坑洼路面或者障礙物時(shí)，液壓系統(tǒng)工況負(fù)載力呈階躍變化，在此工況下的模擬情況為：0～1 s 負(fù)載力保持30 kN 不變，在1 s 時(shí)突然遇到路面坑洼，負(fù)載力增至46 kN，仿真時(shí)間為2 s，仿真步長(zhǎng)為0.01 s。

（2）舉升工況。舉升工況分為滿載舉升和空載舉升兩種，仿真時(shí)間均為16 s，仿真步長(zhǎng)均為0.01 s。

（3）制動(dòng)工況。制動(dòng)工況也分為兩種情況：一種是一次平緩施加制動(dòng)，即制動(dòng)輸入信號(hào)為線性比例信號(hào)，仿真時(shí)間為1 s，探班角度由0°增至25°，仿真步長(zhǎng)為0.01 s；另外一種是多次快速踩踏制動(dòng)踏板，同時(shí)保持角度不變，即制動(dòng)信號(hào)輸入為矩形信號(hào)，仿真時(shí)間為14 s，仿真步長(zhǎng)為0.01 s，循環(huán)間隔制動(dòng)踩踏7次，每次踩踏時(shí)間2 s。在2 s 期間內(nèi)，0～1 s 為踏板瞬時(shí)從0°增至25°，并維持1 s 不變；然后踏板迅速松開(kāi)，松開(kāi)后也保持1 s不變。

2.3 結(jié)果分析

階躍負(fù)載轉(zhuǎn)向工況下的系統(tǒng)響應(yīng)曲線見(jiàn)圖4。從圖4 可以看出，轉(zhuǎn)向油缸流量和速度在轉(zhuǎn)向初始階段呈逐漸增大的變化特征，當(dāng)在0.2 s 時(shí)刻，流量和速度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定值分別為38 L/min 和0.18 m/s；當(dāng)在第1 s 時(shí)刻，自卸車(chē)在轉(zhuǎn)向過(guò)程中遇到坑洼路面時(shí)，轉(zhuǎn)向油缸流量和速度出現(xiàn)驟降，同時(shí)伴隨著激烈的振蕩現(xiàn)象，但這個(gè)時(shí)間持續(xù)時(shí)間極短，僅不到0.1 s 就又恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)。因此可以認(rèn)定，在坑洼路面轉(zhuǎn)向行駛過(guò)程中，自卸車(chē)控制系統(tǒng)具有快速反應(yīng)能力，能在極短時(shí)間內(nèi)將車(chē)輛恢復(fù)至平穩(wěn)狀態(tài)，具有良好的轉(zhuǎn)向能力。

圖4 階躍負(fù)載轉(zhuǎn)向工況下系統(tǒng)響應(yīng)曲線

舉升工況下的系統(tǒng)響應(yīng)曲線見(jiàn)圖5。從圖5 可以看出，在舉升工況下，滿載工況和空載工況下的油缸壓力變化表現(xiàn)出巨大差異，在滿載工況下，舉升初期的油缸壓力迅速達(dá)到80 bar（8.0 MPa）以上，并在第一級(jí)舉升油缸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，油缸壓力呈先增大后減小的變化特征，當(dāng)?shù)诙?jí)舉升油缸開(kāi)始運(yùn)動(dòng)伸出時(shí)，油缸壓力表現(xiàn)出短時(shí)間的振蕩變化特征，隨后呈逐漸降低趨勢(shì)，在空載工況下，油缸壓力變化過(guò)程比較平穩(wěn)，除了在第一級(jí)和第二級(jí)舉升油缸運(yùn)動(dòng)初期表現(xiàn)出激蕩情況外，其余時(shí)間均比較平穩(wěn)，同時(shí)舉升油缸壓力較滿載時(shí)小許多，第一級(jí)舉升油缸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的穩(wěn)定壓力為2.5 bar（0.25 MPa），第二級(jí)舉升油缸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中為4.1 bar（0.41 MPa）。但是，無(wú)論是滿載工況還是空載工況，舉升油缸的運(yùn)行速度基本保持一致，雖然在第一、二級(jí)油缸運(yùn)動(dòng)初期會(huì)有短期振蕩外，第一級(jí)舉升油缸穩(wěn)定運(yùn)行速度為0.041 m/s，第一級(jí)舉升油缸穩(wěn)定運(yùn)行速度為0.065 m/s，并在14.2 s 時(shí)液壓系統(tǒng)完成舉升動(dòng)作。因此可知，舉升工況下舉升油缸運(yùn)動(dòng)初期都會(huì)造成一定幅度的波動(dòng)，但是局能在短時(shí)間內(nèi)內(nèi)迅速穩(wěn)定，總體性能滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 舉升工況下的系統(tǒng)響應(yīng)曲線

制動(dòng)工況下的系統(tǒng)響應(yīng)曲線見(jiàn)圖6。從圖6可以看出：在線性信號(hào)輸入情況下，踏板傾角呈線性增加，踏板傾角為0°～5°時(shí)，制動(dòng)壓力基本為零，踏板傾角在5°～25°時(shí)，制動(dòng)壓力近似呈線性增加，并在1 s 時(shí)刻達(dá)到制動(dòng)油缸的額定壓力52.7 bar（5.27 MPa）。在矩形信號(hào)輸入情況下，踏板傾角呈現(xiàn)周期性變化特征，蓄能器壓力呈階梯型降低，每一次制動(dòng)踩踏可降低4 bar（0.4 MPa）的蓄能器壓力，但蓄能器的壓力仍遠(yuǎn)高于制動(dòng)油缸的惡性壓力，可以繼續(xù)為制動(dòng)油缸提供足夠的制動(dòng)壓力。因此，在制動(dòng)工況下液壓系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，能夠提供充足的制動(dòng)壓力，制動(dòng)性能良好，可以實(shí)現(xiàn)特殊緊急情況下的制動(dòng)操作。

圖6 制動(dòng)工況下系統(tǒng)響應(yīng)曲線

3 結(jié)語(yǔ)

為滿足小噸位礦用自卸車(chē)在復(fù)雜礦井工作環(huán)境下的運(yùn)輸性能，設(shè)計(jì)一種小噸位礦用自卸汽車(chē)液壓系統(tǒng)，利用AMESim仿真軟件對(duì)此系統(tǒng)不同工況下的工作性能進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明，本液壓系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間短，靈敏度高，穩(wěn)定性好，具有良好的轉(zhuǎn)向、舉升和制動(dòng)性能，可應(yīng)用于礦業(yè)工程小型設(shè)備、小體積材料的運(yùn)輸。