基于AMESim 的礦用小型自卸車工作性能分析

常志強

（中鐵十九局集團礦業投資有限公司，北京 100071）

0 引言

礦用自卸車具有良好的機動性、廣泛的適應性、簡便的操作性以及高效的運輸效率，因而在礦業生產領域得到廣泛應用[1-3]。但是，大多數礦用自卸車具有大噸位的運輸特性，隨著礦業技術的不斷發展，礦井機械化程度不斷增加，一些小型的設備、材料使用這些大噸位的自卸車進行運輸反而會降低生產效率，增加工程成本，造成資源的極大浪費，因而現代礦業工程對于小噸位的礦用自卸車需求量增在不斷增長，小型礦用汽車質量輕，在復雜的礦業運輸道路條件下，顛簸大、坡路多、運行速度低是常態，因而對于小噸位自卸車的運輸穩定性具有較高的要求[4-6]。而礦用自卸車的轉向、制動、舉升的操作一般依靠液壓系統來控制，所以其運輸穩定性在很大程度上取決于液壓系統的穩定性。

設計一種適應復雜礦井環境的礦用小噸位自卸車，重點對液壓系統的設計原理和選型進行了詳細分析，并通過AMESim仿真模擬，對轉向、舉升以及制動工況下的液壓系統性能進行了分析，以期為滿足礦業生產要求提供參考。

1 結構設計及選型

1.1 整機構造

礦用自卸車一般由動力系統（柴油機、通氣系統、冷區系統、供油系統以及排氣系統組成）、車架與車廂、駕駛與操作系統（包含換擋操作柄、自動開關、熄火開關、方向盤等）、傳動系統（由變柜器、變速箱以及傳動軸等組成）、氣動系統（由安全閥、電磁閥、壓力表、氣泵等裝置組成）、電氣系統（由發電機、電源箱、繼電箱、接線盒等裝置組成）以及液壓系統構成（圖1）。整機的連接形式為鉸接式，發動機采用防爆氣啟動方式，其他參數見表1。

表1 整機主要參數

圖1 礦用自卸車整機結構示意

1.2 液壓系統

礦用自卸車液壓系統的主要作用是實現車輛轉向、舉升以及制動操作功能，主要由轉向控制系統、舉升控制系統以及制動系統三大系統組成。其中，轉向控制系統和舉升控制系統主要負責前輪轉向和礦料的卸載，其性能優劣關系著礦場的生產效率；制動控制系統主要負責生產過程中的減速、停車以及維持正常車速等功能，其性能優劣關系著自卸車的行駛安全。

1.2.1 液壓系統的工作原理

液壓泵為三大系統提供動力源，通過調節溢流閥來確保液壓系統處于可承受壓力范圍之內。三大系統共用一個液壓油箱，液壓油箱作為獨立構件，與機架等保持分離，控制回路均由同一齒輪泵供油（圖2）。在工作過程中，車輛一旦完成啟動供油（制動供油），齒輪泵立即為轉向舉升控制回路供油，不再零壓回油箱。

圖2 液壓系統結構

1.2.2 元件選型

（1）轉向舉升系統元件選型。轉向液壓缸選用D16 WF63/45-435 型，額定壓力為16 MPa，液壓油缸的內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 型雙級液壓缸，第一級直徑和行程分別為100 mm 和354 mm，第二級直徑和行程分別為80 mm 和367 mm；轉向器選用BZZ5-630 全液壓轉向器。

（2）制動控制系統元件選型。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 型串聯雙回路制動踏板閥。

（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液壓系統仿真模型。由于本文主要討論礦用自卸車制動控制系統在工作狀態下運行穩定性，為簡化分析過程在模型搭建過程中僅考慮行車制動回路，因此，仿真模型主要由制動踏板閥、充液閥、蓄能器、制動油缸、管路和油箱等部分組成（圖3）。

圖3 仿真模型結構示意

2.2 工況設計

（1）轉向工況。當轉向過程中遇到坑洼路面或者障礙物時，液壓系統工況負載力呈階躍變化，在此工況下的模擬情況為：0～1 s 負載力保持30 kN 不變，在1 s 時突然遇到路面坑洼，負載力增至46 kN，仿真時間為2 s，仿真步長為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，仿真時間均為16 s，仿真步長均為0.01 s。

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

2.3 結果分析

階躍負載轉向工況下的系統響應曲線見圖4。從圖4 可以看出，轉向油缸流量和速度在轉向初始階段呈逐漸增大的變化特征，當在0.2 s 時刻，流量和速度達到穩定狀態，穩定值分別為38 L/min 和0.18 m/s；當在第1 s 時刻，自卸車在轉向過程中遇到坑洼路面時，轉向油缸流量和速度出現驟降，同時伴隨著激烈的振蕩現象，但這個時間持續時間極短，僅不到0.1 s 就又恢復至穩定狀態。因此可以認定，在坑洼路面轉向行駛過程中，自卸車控制系統具有快速反應能力，能在極短時間內將車輛恢復至平穩狀態，具有良好的轉向能力。

圖4 階躍負載轉向工況下系統響應曲線

舉升工況下的系統響應曲線見圖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出巨大差異，在滿載工況下，舉升初期的油缸壓力迅速達到80 bar（8.0 MPa）以上，并在第一級舉升油缸運動過程中，油缸壓力呈先增大后減小的變化特征，當第二級舉升油缸開始運動伸出時，油缸壓力表現出短時間的振蕩變化特征，隨后呈逐漸降低趨勢，在空載工況下，油缸壓力變化過程比較平穩，除了在第一級和第二級舉升油缸運動初期表現出激蕩情況外，其余時間均比較平穩，同時舉升油缸壓力較滿載時小許多，第一級舉升油缸運動過程中的穩定壓力為2.5 bar（0.25 MPa），第二級舉升油缸運動過程中為4.1 bar（0.41 MPa）。但是，無論是滿載工況還是空載工況，舉升油缸的運行速度基本保持一致，雖然在第一、二級油缸運動初期會有短期振蕩外，第一級舉升油缸穩定運行速度為0.041 m/s，第一級舉升油缸穩定運行速度為0.065 m/s，并在14.2 s 時液壓系統完成舉升動作。因此可知，舉升工況下舉升油缸運動初期都會造成一定幅度的波動，但是局能在短時間內內迅速穩定，總體性能滿足設計要求。

圖5 舉升工況下的系統響應曲線

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

圖6 制動工況下系統響應曲線

3 結語

為滿足小噸位礦用自卸車在復雜礦井工作環境下的運輸性能，設計一種小噸位礦用自卸汽車液壓系統，利用AMESim仿真軟件對此系統不同工況下的工作性能進行了仿真分析。結果表明，本液壓系統響應時間短，靈敏度高，穩定性好，具有良好的轉向、舉升和制動性能，可應用于礦業工程小型設備、小體積材料的運輸。