救援車絞盤液壓系統(tǒng)的改進*

謝 迪,高虹霓,李培林,趙海洲

(空軍工程大學防空反導學院,陜西西安 710051)

救援車絞盤液壓系統(tǒng)的改進*

謝 迪,高虹霓,李培林,趙海洲

(空軍工程大學防空反導學院,陜西西安 710051)

針對目前道路救援車車載液壓絞盤在使用過程中存在的空行程回路速度過慢的情況,提出了一種利用反饋控制油路,根據(jù)負載變化自動調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)油泵配置的改進方法,使負載工況與相應的流量相匹配。并在 AMESim仿真軟件中創(chuàng)建系統(tǒng)模型進行仿真,結(jié)果表明:改進后的液壓系統(tǒng)減少了液壓絞盤空行程時牽引繩的收放時間,工作過程無需人工干預,提高了工作效率。

救援車;絞盤;AMESim;改進

0 引 言

救援車上所配液壓絞盤是一個獨立的部件,安裝在汽車底盤縱梁側(cè)方的中部,由取力裝置從發(fā)動機取力。絞盤的主要作用是通過絞盤的卷繞鋼絲繩牽引自救或改變鋼絲繩的出繩方向拖曳前方或者后方的車輛,液壓絞盤由減速器、液壓馬達、液壓制動器、齒輪泵、操縱氣閥和控制閥組成。現(xiàn)已廣泛應用于道路清障車、救援車等專用車輛上。

救援車現(xiàn)有絞盤液壓系統(tǒng)的設(shè)計相似,大都采用單泵定量系統(tǒng)和手動操縱換向裝置,其結(jié)構(gòu)簡單,制造方便。但在長期的使用過程中,該系統(tǒng)的一些缺點也日益凸顯。主要表現(xiàn)為:①油泵輸出的流量始終為恒定值,當液壓絞盤由高壓工作狀態(tài)切換為低壓空行程狀態(tài)時,所消耗的功率遠小于發(fā)動機的輸出功率,發(fā)動機的功率沒有得到充分的利用,損失較大[1];②絞盤在空行程或輕載時收放繩速度過慢,嚴重影響了工作效率[2]。

國外有的救援車載絞盤液壓系統(tǒng)使用了負載敏感型變量柱塞泵,絞盤在空載、輕載時速度較快,重載時,變量柱塞泵斜盤傾角變小,排量減少,絞盤低速工作。然而,絞盤工作情況較為簡單,再者,負載敏感型變量柱塞泵價格非常昂貴,導致很難在救援車上廣泛使用。目前國內(nèi)企業(yè)對液壓絞盤液壓系統(tǒng)的改進也有相應的研究。廣東粵海汽車有限公司的湯辛華等在原來雙聯(lián)油泵的基礎(chǔ)上,再增加一個油泵,使之成為三聯(lián)油泵給液壓系統(tǒng)供油。減小液壓系統(tǒng)壓力損失的同時也提高了絞盤的工作效率,但這種改進方法的成本增加較多,需要手動對絞盤進行重載、輕載工況轉(zhuǎn)換,而且液壓管路的布置也更復雜、費時[3]。浙江大學的鄧業(yè)民、孔曉武等提出一種新型的電液絞盤,采用變量馬達和專門設(shè)計的控制閥組,能在牽引過程中自動對卷徑的變化進行補償[4]。

基于以上不足,筆者在分析了前人成果的基礎(chǔ)上,在液壓回路中增加了一個液控換向閥:液壓絞盤在空載和輕載時,雙聯(lián)泵同時向其供油,以增加收放繩速度,節(jié)省時間;液壓絞盤在重載時,只采用單泵向其供油,保證足夠的牽引力。

1 絞盤液壓系統(tǒng)的組成與原理

絞盤液壓系統(tǒng)的原理如圖1所示,主要由油泵、絞盤正反轉(zhuǎn)換向閥、梭閥、平衡閥和制動器等組成,平衡閥和制動器組合可以保證絞盤工作時具有平穩(wěn)地運動可控性,油管爆裂時,使絞盤停止運動,起安全保護作用。從原理圖可以看出,無論負載工況如何,雙聯(lián)泵始終向系統(tǒng)供油,排出的流量不能隨著負載的變化而進行相應的匹配。致使空行程或輕載時,收放繩速度過慢,嚴重制約了工作效率。

圖1 絞盤液壓系統(tǒng)原理圖

2 改進后液壓系統(tǒng)的模型

2.1 反饋裝置模型

為了克服上述不足,在原液壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,用雙聯(lián)泵代替原來的單泵,并在所增加的泵與回路之間串聯(lián)一個反饋裝置,如圖2。

該反饋裝置與換向閥相似,負載較低時,回路反饋壓力pL也較低,此時液控閥3在彈簧的作用下P 與A口相連,雙聯(lián)泵合流向系統(tǒng)供油,提高絞盤回轉(zhuǎn)速度;當負載增加時,反饋壓力也同步相應增加,當超過彈簧的壓力時,液控閥右移,P、B口接通,輔泵開始卸荷,絞盤回轉(zhuǎn)速度減緩,而且換向過程中無需手動操作。在AMESim軟件中建立反饋裝置模型如圖3。

圖2 雙聯(lián)泵控制原理圖

圖3 反饋裝置模型

其中:A端口接反饋油路;B端口接入系統(tǒng)回路; C端口接輔泵。

反饋裝置的工作原理如式(1):

式中:pA為反饋油路壓力;SA為反饋端閥芯受力面積;ks為彈簧剛度;Δx為彈簧壓縮量;Fs為液動力。

根據(jù)文獻[5],由于閥芯的速度遠小于液流的加速度,液動力可忽略不計,式(1)可寫成:

可知,閥芯位移的大小和系統(tǒng)壓力近似呈正比關(guān)系。

2.2 平衡閥模型

系統(tǒng)中平衡閥就是利用其本身平衡雙向管道和閥前閥后的壓力和流量,在執(zhí)行元件的回油通道中建立背壓,使絞盤在負載變化時仍能平穩(wěn)運行,在回路中起平衡減震的作用。平衡閥模型如圖4所示[6]。

圖4 平衡閥模型

2.3 系統(tǒng)模型

為簡化系統(tǒng)模型,在AEMSim中建立模型時,簡化和忽略了一些對仿真結(jié)果影響不大、工作相對獨立的部件,如制動器等,整體模型如圖5所示,模型主要參數(shù)如表1所列。

圖5 系統(tǒng)總模型圖

表1 模型主要參數(shù)

3 仿真分析

3.1 工況設(shè)置

為了驗證模型的準確性與可靠性,根據(jù)實際情況,并結(jié)合本系統(tǒng)特征,對該系統(tǒng)模型在以下三種工況下進行仿真分析:①只有單泵工作時,對絞盤施加由重載突變?yōu)檩p載的變化負載,其中重載為10 000 N ·m,輕載為500 N·m,仿真時間10 s;②雙聯(lián)泵工作時,對絞盤同樣施加與①相同的負載工況,并記錄絞盤的響應情況。設(shè)定的負載工況如圖6所示;③負載由輕載變?yōu)樨撦d時,改進前后絞盤輸出功率的比較。

圖6 絞盤負載工況

3.2 仿真結(jié)果分析

在施加同樣負載的情況下,對改進前后兩種液壓系統(tǒng)進行仿真,得到下面仿真結(jié)果,圖7為改進前后絞盤馬達的響應,圖8為負載由輕載變?yōu)橹剌d時,絞盤輸出的功率。

圖7 改進前后絞盤馬達轉(zhuǎn)速

從圖6可知,改進后的系統(tǒng)在輕載的工況下,通過改變液壓系統(tǒng)油泵的配置,調(diào)節(jié)流經(jīng)絞盤馬達的流量,從而增加絞盤的回轉(zhuǎn)速度,提高了工作效率。

改進前的油泵在輕載時的壓力p1=112.2 bar,流量q1=8.4 L/min,絞盤馬達轉(zhuǎn)速n1=35.6 r/min;改進后的油泵在輕載時的壓力p2=112.8 bar,流量q2= 16.8 L/min,絞盤馬達轉(zhuǎn)速n2=66.9 r/min,雖然改進后的系統(tǒng)在輕載時,油泵輸出流量是改進前系統(tǒng)的2 倍,但改進后絞盤的回轉(zhuǎn)速度并沒有增加至原回轉(zhuǎn)速度的2倍,這主要是因為改進后隨著流量的增加,系統(tǒng)的泄露量也在相應的增加;再者,絞盤的回轉(zhuǎn)速度增加時,其各結(jié)構(gòu)間的摩擦也在不同程度的加大。

圖8仿真結(jié)果表明,改進后的方案在輕載時仍能保持較大的輸出功率,并沒有因增加泵的排量而消耗更多的能量。

圖8 負載變化時絞盤輸出功率

從仿真曲線還可看出:在負載由重載向輕載轉(zhuǎn)換時,馬達轉(zhuǎn)速出現(xiàn)了波動,主要是因為反饋裝置換向時,因流量的變化產(chǎn)生的壓力波動造成的,可在圖2 中B端口并聯(lián)一個蓄能器使切換過程平穩(wěn)[7]。另外,為避免重載時反饋壓力過大而使閥芯一端選用的彈簧剛度過大的情況,可在圖2中A端口串聯(lián)一個比例閥,以降低液控閥開啟壓力和選用彈簧的剛度。

4 結(jié) 語

針對原液壓系統(tǒng)的不足進行改進,并在AMESim軟件中通過模擬負載的變化,對改進前后液壓絞盤的轉(zhuǎn)速以及所消耗的能量進行對比,結(jié)果表明,改進后的方案能在輕載時提高絞盤馬達的轉(zhuǎn)速,消耗的能量又沒有明顯的增加,而且換向過程中無需人工干預,為現(xiàn)有液壓絞盤系統(tǒng)的改進提供了理論依據(jù)。

[1]王 偉.多功能救援車通用連接器與液壓系統(tǒng)的設(shè)計研究[D].西安:長安大學,2013.

[2]徐立平.基于AMESim發(fā)動機冷卻系統(tǒng)匹配仿真分析[J].機械研究與應用,2014(1):42-43.

[3]湯辛華.重型清障車液壓油泵配置方案探討[J].專用汽車,2012(9):88-89.

[4]鄧業(yè)民,孔曉武.新型恒功率電液絞盤的研究[J].流體傳動與控制,2008(5):16-19.

[5]薛 梅.液動力對滑閥式換向閥的影響[J].煤礦機械,2012 (4):101-103.

[6]楊文林,閆炳雷,王忠賓.基于AMESim的掘進機液壓系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化分析[J].機床與液壓,2012(5):129-131.

[7]高虹霓,謝 迪,王 崴,等.一種軸向柱塞泵恒流量調(diào)速系統(tǒng)的改進[J].機械設(shè)計與研究,2015(2):119-121.

Improvement of W inch Hydraulic System in the Rescue Vehicle

XIE Di,GAO Hong-ni,LIPei-lin,ZHAO Hai-zhou
(Air Defense and Antimissile Institute,Air Force Engineering University,Xi′an Shaanxi 710051,China)

In view of the current problem of too slow speed of idle running during operation process of the road rescue vehicle onboard hydraulic winch,an improvedmethod is proposed to improve the pump configuration by using the feedback control circuit,and tomatch the load operatingmode with the corresponding flow.And system model is created in the AMESim simulation software in order to be simulated.The result shows that the improved hydraulic system reduces the operation time of traction rope during the use of hydraulic winch,and improves the working efficiency in the working processwithoutmanual intervention.

rescue vehicle;winch;AMESim;improvement

TH137.7

A

1007-4414(2015)06-0067-03

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.06.024

2015-08-29

謝 迪(1988-),男,安徽碭山人,碩士研究生,研究方向:液壓系統(tǒng)優(yōu)化。