輔助運(yùn)輸車輛閉式液壓行走回路特性研究

姜菁+王強(qiáng)+劉永紅

摘 要：煤機(jī)輔助運(yùn)輸車輛主要有輕型膠輪車和支架搬運(yùn)車2種。因?yàn)橹Ъ馨徇\(yùn)車的輸出功率比較大，所以，采用閉式液壓回路。由于巷道內(nèi)工況差、故障率隨機(jī)性大、檢測成本高，因此，路試安全隱患也比較大。針對此問題，簡要分析了閉式回路A4VG-125軸向柱塞泵的機(jī)械結(jié)構(gòu)及其工作原理，建立回路聯(lián)合仿真模型，闡述其壓力流量特性和控制回路運(yùn)行特性，并在此基礎(chǔ)上搭建閉式回路檢測試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行測試。結(jié)果表明，采用試驗(yàn)測試與仿真分析相結(jié)合的方法能夠有效反映泵控回路的維修結(jié)果，大大提高了維修效率，降低了車輛的日常維護(hù)成本。

關(guān)鍵詞：泵控馬達(dá)；支架搬運(yùn)車；變排量；閉式回路

中圖分類號(hào)：TD355+.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.07.012

支架搬運(yùn)車具有載重和爬坡能力大、運(yùn)行速度快、機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)，所以，被廣泛應(yīng)用于井下煤礦生產(chǎn)。但是，其工況條件惡劣，故障模糊性和隨機(jī)性大，維修路試成本比較高。目前，國外同類技術(shù)產(chǎn)品成熟可靠、性能穩(wěn)定，但價(jià)格昂貴、采購周期長，影響實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用，而國內(nèi)相關(guān)液壓技術(shù)起步晚，故障率高，維修投入比較大。詹麗華、陳利東、安四元等分析了支架搬運(yùn)車液壓行走回路的常見故障和診斷方法；李宏偉、馬立瑞等分析了油液溫度、管路長度對回路特性的影響。

此外，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)正在逐漸取代傳統(tǒng)的樣機(jī)制造實(shí)驗(yàn)法，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段通過仿真軟件即可全面分析設(shè)備內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)和液壓耦合關(guān)系，從而獲得與樣機(jī)測試相吻合的結(jié)果。這樣做，大大縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間，避免了重復(fù)加工和試驗(yàn)造成的損失。基于此，本文構(gòu)建了柱塞泵及其控制回路的仿真模型和試驗(yàn)平臺(tái)，分析了液壓泵的流量壓力特性、回路的運(yùn)行特性，為搬運(yùn)車液壓行走回路故障診斷、修復(fù)測試提供了仿真依據(jù)和理論基礎(chǔ)。

1 閉式回路工作原理

支架搬運(yùn)車用A4VG型液壓泵屬于斜盤式軸向柱塞泵，其基本工作原理如圖1所示。

柱塞按圓周方向均勻分布于缸體內(nèi)，缸體由花鍵軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，配流盤固定于后端蓋上。通過改變斜盤的傾角θ，即可改變柱塞行程，實(shí)現(xiàn)對柱塞泵的排量控制。由此，在缸體連續(xù)旋轉(zhuǎn)的過程中，隨著柱塞不斷往復(fù)運(yùn)動(dòng)，吸入和排出的油液就匯合成為了整泵的吸、壓油流量，并作用于液壓回路。其中，斜盤角度由泵變量機(jī)構(gòu)控制，其本質(zhì)為閥控對稱缸回路，具體工作原理如圖2所示。

用于支架搬運(yùn)車室內(nèi)性能測試的試驗(yàn)臺(tái)原理如圖3所示。該回路可以分析泵的動(dòng)態(tài)特性、分流閥加載特性和閉式回路的運(yùn)行控制特性等。

2 回路理論分析和建模

2.1 柱塞泵運(yùn)動(dòng)分析

柱塞泵的運(yùn)動(dòng)原理如圖4所示。根據(jù)圖中幾何關(guān)系可知，柱塞行程、速度、加速度分別為：

2.2 斜盤受力分析

斜盤是連接變量機(jī)構(gòu)和柱塞-滑靴組件的部件，對稱液壓缸推動(dòng)斜盤擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)泵的變排量控制。通過對斜盤的受力分析，確定變量機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)力矩的變化范圍，可以為閥控對稱液壓缸回路提供更加有效的控制。斜盤的受力情況如圖5所示。

斜盤所受阻力矩主要是由變量液壓缸對斜盤的力矩M、斜盤受到柱塞作用于斜盤的不平衡力矩M1、阻礙斜盤轉(zhuǎn)動(dòng)的滑動(dòng)摩擦力矩M2、滑靴與柱塞間球鉸摩擦力矩M3、斜盤重量產(chǎn)生的斜盤力矩M4組成。其中，力矩M由作用力F0的反作用力產(chǎn)生，斜盤擺動(dòng)力矩平衡方程如下。

當(dāng)斜盤擺角β增大時(shí)，變量活塞的力平衡方程為：

當(dāng)斜盤擺角β減小時(shí)，變量活塞的力平衡方程為：

式（4）（5）中：J為斜盤的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；L為變量力臂。

2.3 柱塞泵控馬達(dá)回路

根據(jù)柱塞泵、馬達(dá)運(yùn)行原理可以得到柱塞泵流量方程、馬達(dá)高壓腔流量連續(xù)性方程和馬達(dá)力矩平衡方程。它們分別為：

式（6）（7）（8）中：ωp，Cip，Cep為變量泵轉(zhuǎn)速和內(nèi)、外泄漏系數(shù)；pr為補(bǔ)油壓力；Cim，Cem，Dm，θm為液壓馬達(dá)的內(nèi)外泄漏系數(shù)、排量和轉(zhuǎn)角；V0為馬達(dá)轉(zhuǎn)角；Jt為馬達(dá)等效總慣量；Bm為黏性阻尼系數(shù)；G為彈簧剛度；TL為外負(fù)載力矩。

2.4 A4VG柱塞泵聯(lián)合仿真模型

A4VG125柱塞泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，根據(jù)表1所示數(shù)據(jù)建立的A4VG柱塞泵整泵模型如圖6所示。

A4VG柱塞泵的9個(gè)柱塞在缸體內(nèi)呈圓周分布，且依次滯后相位角40°。在建立單柱塞模型后，通過修改初始相位角即可得到其余柱塞模型，然后將9個(gè)柱塞通過直線-旋轉(zhuǎn)變換與面積復(fù)位模塊連接在一起，泄漏油口和吸油口連接到油箱，壓油口通過溢流閥連接到油箱，即在軟件SimulationX中建立了A4VG泵主泵液壓回路。進(jìn)一步添加變量活塞、復(fù)位彈簧、三位四通比例閥、閥芯控制容腔、閥芯限位、閥芯阻尼等模塊，即可建立變量控制模型。但是，對于A4VG泵機(jī)械結(jié)構(gòu)而言，零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無法直接使用SimulationX中的基礎(chǔ)元件搭建，它要先通過Pro/E軟件建立泵的三維模型，然后利用SimulationX軟件中的CADimport模塊導(dǎo)入至仿真模型中構(gòu)成聯(lián)合仿真模型。利用在Pro/E三維模型中設(shè)置模型的質(zhì)量、質(zhì)心位置和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等物理屬性，即可分析軟件Simulation X中的柱塞泵變量機(jī)構(gòu)受力特性、泄漏機(jī)理。

2.5 搬運(yùn)車液壓行走回路仿真模型

根據(jù)泵控馬達(dá)回路原理，在軟件SimulationX中添加補(bǔ)油泵、負(fù)載馬達(dá)和安全溢流閥，即可得到搬運(yùn)車液壓行走回路的仿真模型。泵控馬達(dá)仿真模型如圖7所示。

3 結(jié)果分析

依據(jù)回路原理搭建的回路測試試驗(yàn)臺(tái)如圖8所示。根據(jù)試驗(yàn)要求，分別測試A4VG柱塞泵及其控制回路。

3.1 柱塞泵壓力、流量特性

將仿真模型的電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)為1 500 rpm，斜盤傾角設(shè)定為15°，溢流閥加載壓力依次設(shè)為10 MPa、20 MPa、30 MPa。運(yùn)行仿真模型得到的柱塞泵柱塞腔內(nèi)壓力、流量曲線如圖9、圖10所示。

由圖9、圖10曲線可知，柱塞腔底部受到間歇的壓力作用，柱塞排油行程中會(huì)受到高壓油作用，吸油行程則不受油液壓力，最大壓力即為柱塞泵的排油壓力。而泵的流量脈動(dòng)由2部分組成，一部分是由于柱塞正弦運(yùn)動(dòng)規(guī)律導(dǎo)致的固有流量脈動(dòng)，另一部分是由于吸壓油口切換時(shí)壓力的變化產(chǎn)生的瞬時(shí)流量脈動(dòng)。其中，固有流量脈動(dòng)由柱塞泵的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律決定，而瞬時(shí)流量脈動(dòng)程度取決于油口切換過程中壓力的變化情況。在實(shí)際工作中，適當(dāng)偏轉(zhuǎn)配流盤、加工過渡阻尼槽等，可以減輕瞬時(shí)流量脈動(dòng)。

3.2 柱塞泵控制特性

將仿真模型的電機(jī)轉(zhuǎn)速分別設(shè)定為1 000 rpm、1 500 rpm、1 800 rpm、2 200 rpm，負(fù)載壓力設(shè)為5 MPa、15 MPa、25 MPa。運(yùn)行仿真和試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷玫街糜涂贏流量曲線和柱塞腔內(nèi)流量變化曲線分別如圖11、圖12所示。

從圖11和圖12的曲線中可以看出，在相同的控制壓力條件下，A4VG泵在不同轉(zhuǎn)速或負(fù)載壓力下的輸出流量是不同的。當(dāng)轉(zhuǎn)速增大或負(fù)載壓力減小時(shí)，泵的輸出流量會(huì)增加。這正是DA控制的效果，它可以確保行走部分的功率不超過設(shè)定值，以便有更多的功率用于機(jī)器的工作裝置。

3.3 泵控馬達(dá)運(yùn)行特性

根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速為±1 000 rpm、±1 500 rpm、±2 200 rpm改變控制壓力，測試獲得的液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速的特性曲線如圖13所示。從圖13的曲線中可以看出，馬達(dá)旋轉(zhuǎn)速度基本對稱，但正反向旋轉(zhuǎn)的控制壓力不同。正向旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)控制壓力為0.8 MPa，反向旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)控制壓力為1 MPa。此外，隨著控制壓力的增大，馬達(dá)轉(zhuǎn)速基本線性增大，并且隨著泵轉(zhuǎn)速的增大，馬達(dá)的轉(zhuǎn)速也隨之增大，與理論分析結(jié)果一致。

4 結(jié)論

本文采用參數(shù)化建模的方法建立了A4VG泵及其控制回路仿真模型，詳細(xì)分析了A4VG泵的流量壓力特性，同時(shí)，利用試驗(yàn)平臺(tái)測試了泵控回路的控制特性。測試平臺(tái)和聯(lián)合仿真表明，泵控回路具有對稱的旋轉(zhuǎn)速度，但正、反向的控制壓力不同。采取仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，反映了回路的真實(shí)運(yùn)行特性，保證了支架搬運(yùn)車的修復(fù)質(zhì)量，降低了成本。

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〔編輯：白潔〕