機車冷卻風(fēng)扇靜液壓驅(qū)動系統(tǒng)的AMESim仿真分析*

楊 敏

（青海民族大學(xué)土木與交通工程學(xué)院（職業(yè)技術(shù)學(xué)院），青海 西寧810007）

0 引言

《機車總體及走行部》課中“冷卻風(fēng)扇靜液壓傳動系統(tǒng)”與《液壓與氣動技術(shù)》課中“旁路節(jié)流調(diào)速回路”的教學(xué)，均可通過FluidSIM、AMESim等軟件仿真進行輔助［1-4］，F(xiàn)luidSIM適于直觀演示及電控（如圖1所示），AMESim基于鍵合圖，比較專業(yè)。應(yīng)用AMESim，對機車冷卻風(fēng)扇靜液壓傳動系統(tǒng)進行仿真，能夠同步實現(xiàn)直觀演示、批運行參數(shù)分析；另外，還可以對液壓系統(tǒng)故障特征進行仿真分析。

1 基于AMESim的機車冷卻風(fēng)扇靜液壓傳動系統(tǒng)仿真分析

1.1 AMESim軟件簡介

圖1 旁路節(jié)流調(diào)速回路FluidSIM仿真原理圖

AMESim是法國IMAGING公司于20世紀90年代推出的專用于液壓及機械系統(tǒng)的高級建模仿真的優(yōu)秀軟件，已成為包括流體、機械、熱分析、電氣、電磁以及控制等復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真的優(yōu)選平臺；AMESim擁有一套標(biāo)準且優(yōu)化的應(yīng)用庫，擁有4 500個多領(lǐng)域的模型。現(xiàn)有的應(yīng)用庫有：機械庫、信號控制庫、液壓庫（包括管道模型）、液壓元件設(shè)計庫（HCD）、動力傳動庫、液阻庫、電動機及驅(qū)動庫等。每一個模型提供了最基本的工程元件，這些元件可以組合起來描述任何元件或系統(tǒng)功能。AMESim是一個圖形化的開發(fā)環(huán)境，可應(yīng)用其一整套AMESim應(yīng)用庫來設(shè)計一個系統(tǒng)，可迅速達到建模仿真的最終目的并進行分析和優(yōu)化設(shè)計而不需要書寫程序代碼，先通過在繪圖區(qū)添加符號或圖標(biāo)搭建工程系統(tǒng)草圖，再進行系統(tǒng)仿真：（1）拖動數(shù)學(xué)描述的圖標(biāo)元件到工作區(qū)；（2）設(shè)定元件的特征；（3）初始化仿真運行；（4）繪圖顯示系統(tǒng)運行狀況。使用AMESim可以：（1）創(chuàng)建一個新系統(tǒng)；（2）修改已經(jīng)存在的系統(tǒng)方案；（3）更改元件后臺的子模型；（4）加載AMESim系統(tǒng)；（5）改變參數(shù)和設(shè)置批運行；（6）繪制結(jié)果圖；（7）完成線性分析；（8）輸出模型用于在AMESim外運行；（9）完成設(shè)計探索研究等。

1.2 機車冷卻風(fēng)扇靜液壓傳動系統(tǒng)的原理

國產(chǎn)DF4D、DF8B、DF11等典型內(nèi)燃機車的冷卻風(fēng)扇都采用了液壓傳動技術(shù)，即靜液壓傳動系統(tǒng)，雖然從DF8B機車166號之后開始以溫度控制閥作先導(dǎo)閥加進口4106主閥的改造［5］。在該系統(tǒng)的液壓泵出口高壓油路與液壓油箱口低壓油路之間，與液壓馬達并聯(lián)安裝有溫度控制閥，該閥直接感應(yīng)低溫水溫度，并能根據(jù)感應(yīng)冷卻水溫度的高低，自動改變自身節(jié)流口的截面，改變旁泄工作油的流量，根據(jù)節(jié)流調(diào)速原理來控制進入液壓馬達工作油的流量，從而控制了液壓馬達的轉(zhuǎn)速，即冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)了冷卻風(fēng)扇的無級調(diào)速和自動控制，從而使柴油機機油和冷卻水實現(xiàn)了自動恒溫控制，即保證了柴油機油、水的正常溫度，降低了機車輔助功率的消耗，提高了柴油機的經(jīng)濟性、耐磨性和壽命［6］，保證了柴油機工作的可靠性。柴油機運轉(zhuǎn)后，后變速箱直接帶動液壓泵工作，油箱中的液壓油經(jīng)過油箱中噴嘴裝置升壓后，以一定的供油壓力進入液壓泵，液壓泵將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗芩统觯M入液壓馬達，驅(qū)動冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)動，從液壓馬達出來的工作油經(jīng)過油－空散熱器冷卻后進入油箱，再經(jīng)油箱中的磁性濾清器過濾后，重新進入液壓泵，完成一次工作循環(huán)。機車液壓系統(tǒng)中的溫度控制閥直接感應(yīng)的是柴油機機油熱交換器出口的低溫冷卻水溫度，感應(yīng)范圍為55℃～65℃：水溫小于55℃時溫控閥為全開狀態(tài)，冷卻風(fēng)扇不轉(zhuǎn)動；冷卻水溫高于65℃時溫控閥為全閉狀態(tài)，冷卻風(fēng)扇全速轉(zhuǎn)動；冷卻水溫在55℃～65℃之間時，冷卻風(fēng)扇可實現(xiàn)無級調(diào)速；而高溫水系統(tǒng)的感應(yīng)范圍為74℃～82℃。

在液壓馬達出口到油箱間串有油－空散熱器，利用由主冷卻風(fēng)扇吸進來再經(jīng)冷卻水散熱器V形架下的空氣濾清器過濾后的冷卻空氣冷卻液壓油。運用中，若液壓油溫度超過70℃時應(yīng)及時清洗空濾器。冬季當(dāng)液壓油溫度低于25℃時，用擋風(fēng)板取代油－空散熱器前的空濾器，并用石棉布將V形架下的液壓系統(tǒng)管道包扎絕熱，使液壓油溫度保持在15℃～72℃范圍內(nèi)。起動時若液壓油溫低于20℃，柴油機不得進行升速。一般冬季液壓油采用HC-11潤滑油，夏季采用內(nèi)燃機車三代柴油機機油。為了避免液壓系統(tǒng)過載或受液壓沖擊，保證系統(tǒng)安全可靠地工作，系統(tǒng)中安裝有負反饋減振式安全閥。液壓系統(tǒng)中加注液壓油時，因液壓油平時儲存在系統(tǒng)管路和油箱中，故不能一次注滿，需甩車數(shù)次并啟機，才可逐漸加滿。另外，機車兩側(cè)百葉窗也隨冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動和停止而自動開啟和關(guān)閉，于冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)動后開啟，停轉(zhuǎn)前關(guān)閉。

1.3 冷卻風(fēng)扇靜液壓傳動系統(tǒng)的簡化設(shè)計

考慮到內(nèi)燃機車柴油機的輸出功率非常之精貴，而輔助功率卻要占6%～10%，冷卻風(fēng)扇額定轉(zhuǎn)速下所消耗的功率是55～59 kW，約占輔助功率的50%。為了降低輔助功率的消耗，考慮當(dāng)柴油機油、水溫度較低時讓冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速也降低，從而減少功率消耗。機車有兩只冷卻風(fēng)扇，每只冷卻風(fēng)扇各自具有一套獨立的液壓傳動系統(tǒng)，柴油機油、水由散熱器散熱，冷卻風(fēng)扇冷卻散熱器，冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速由液壓馬達6控制（如圖2所示），液壓馬達與溫度控制閥9并聯(lián)于液壓泵2和油箱1之間，所以冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速由溫度控制閥控制，安全閥12則是為了防止系統(tǒng)過載和壓力沖擊，其調(diào)定壓力為系統(tǒng)最大工作壓力的1.1～1.2倍，是按液壓泵的轉(zhuǎn)速即其流量變化而自動調(diào)節(jié)。換言之，安全閥的開啟壓力均應(yīng)高于此轉(zhuǎn)速下高壓油路中的正常工作壓力。溫度控制閥實質(zhì)是溫控節(jié)流閥，溫度控制閥的感溫元件的溫包直接插入柴油機機油或冷卻水的出口管路上（即溫度較高處），隨著油、水溫度升高，感溫元件伸縮部推動溫度控制閥的滑閥閥口關(guān)小油路（石臘和一定粒度紫銅粉混合物從固態(tài)融為液態(tài)）；降溫時則反之。

圖2 機車冷卻風(fēng)扇液壓傳動系統(tǒng)的AMESim仿真原理圖

圖2 中馬達與溫度控制閥并聯(lián)于泵和油箱之間，所以該系統(tǒng)實質(zhì)是旁路節(jié)流調(diào)速回路，應(yīng)用AMESim先搭建草圖，再修改元件的子模型，設(shè)置元件的參數(shù)，最后仿真。所采用的元件有液壓庫的定量泵、定量馬達、溢流閥、可調(diào)節(jié)流閥、油箱、四通管接頭（考慮各管道的阻力損失），機械庫的電動機、旋轉(zhuǎn)負載，信號控制庫的信號源等，其中旋轉(zhuǎn)負載替代冷卻風(fēng)扇，信號源與可調(diào)節(jié)流閥組合替代溫度控制閥；信號源的變量“constant value”需要設(shè)置批運行參數(shù)的增減規(guī)律，即溫度控制閥的通流截面開度，這里設(shè)置基本值“Value”為0.6，步長“Step size”為-0.2（負號表示遞減），遞減次數(shù)“Num below”為2；可調(diào)節(jié)流閥的最大等效直徑“orifice diameter at maximum opening”初定2.15 mm；泵排量“pump displacement”設(shè)為233.6 cc/rev（機車輔助變速箱ZB732型斜軸式軸向柱塞泵額定流量為285 L/min，額定轉(zhuǎn)速為1 220 r/min），液壓馬達仿真運行轉(zhuǎn)速如圖3所示。

1.4 冷卻風(fēng)扇靜液壓傳動系統(tǒng)仿真結(jié)果及分析

1.4.1 調(diào)速特性曲線

溫度控制閥的開度分別為0.6、0.4、0.2的調(diào)速特性曲線如圖3所示，從下到上，紅、綠、籃曲線分別代表相應(yīng)的液壓馬達轉(zhuǎn)速，分別為880 r/min、1 011 r/min、1 159 r/min。顯然，開度越大，轉(zhuǎn)速越低。換言之，柴油機的油、水溫度越高，溫度控制閥的開度越小，液壓馬達、冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速越高，體現(xiàn)了冷卻風(fēng)扇液壓傳動系統(tǒng)的特性。由于定量泵輸出的流量是一定的（不考慮泄漏影響），溫度控制閥開度大小可改變由此流回油箱的流量，間接控制了進入液壓馬達的流量，從而調(diào)節(jié)了冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。

圖3 AMESim旁路節(jié)流調(diào)速回路調(diào)速特性曲線Ⅰ

1.4.2 馬達、節(jié)流閥和泵的出口流量特性曲線

如圖4所示，馬達、節(jié)流閥出口流量分別為115 L/min、170 L/min，泵的出口流量為285 L/min，即馬達、節(jié)流閥出口流量之和為泵的出口流量。這里溢流閥做安全閥用，只在過載時打開。

圖4 馬達、節(jié)流閥和泵的出口流量特性曲線

2 機車冷卻風(fēng)扇靜液壓傳動系統(tǒng)故障的仿真舉例

機車運行中，若柴油機油、水溫度太高而冷卻風(fēng)扇又轉(zhuǎn)不起來，需敲擊溫度控制閥或安全閥；若感溫元件失效，需臨時人工頂死溫度控制閥的調(diào)節(jié)螺釘，強迫關(guān)閉油路；若頂死溫度控制閥的調(diào)節(jié)螺釘風(fēng)扇仍轉(zhuǎn)不起來，考慮安全閥滑閥犯卡不能復(fù)原。以溫度控制閥故障為例，如圖5所示，紅、綠、籃曲線分別代表溫度控制閥通流截面最大等效直徑分別為2.15 mm、4.30 mm、6.45 mm時的馬達轉(zhuǎn)速，分別為880 r/min、154 r/min、34 r/min，6.45 mm對應(yīng)的低轉(zhuǎn)速34 r/min已近乎停止，為感溫元件失效特征，感溫元件失效對馬達及冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的影響是致命的。

圖5 AMESim旁路節(jié)流調(diào)速回路調(diào)速特性曲線Ⅱ（故障仿真）

3 結(jié)束語

（1）本論述構(gòu)建了機車冷卻風(fēng)扇液壓傳動系統(tǒng)的AMESim仿真原理圖，定量分析了柴油機不同冷卻水溫（即溫度控制閥不同開度）下冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速變化（即馬達轉(zhuǎn)速），得到了該系統(tǒng)旁路節(jié)流調(diào)速回路的調(diào)速特性曲線Ⅰ、Ⅱ，以及馬達、節(jié)流閥和泵的出口流量特性曲線，并對該系統(tǒng)液壓故障進行了仿真分析。

（2）仿真結(jié)果：在一定溫度范圍內(nèi)，柴油機的油、水溫度越高，溫度控制閥的開度越小，液壓馬達、冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速越高；溫度控制閥通流截面最大等效直徑6.45 mm時接近馬達轉(zhuǎn)速34 r/min為感溫元件失效特征；馬達、節(jié)流閥出口流量之和為泵的出口流量。AMESim是液壓傳動及相關(guān)專業(yè)課仿真教學(xué)研究的利器。