巷道水泥攤鋪機液壓系統設計與仿真

霍富強，代帥威

(長安大學道路施工技術與裝備教育部重點實驗室，陜西 西安 710064)

0 引言

在巷道水泥攤鋪機實際工作過程中，其行走液壓系統能否正常工作直接影響攤鋪機攤鋪的質量。在完成攤鋪機的液壓系統設計后，用液壓仿真軟件AMESim對設計好的液壓系統根據實際工況進行建模仿真分析，以驗證液壓系統設計的合理性和可行性[1]。

1 巷道水泥攤鋪機行走裝置

巷道水泥攤鋪機的履帶式行走底盤與傳統的工程機械兩履帶式行走底盤基本一致，左右兩側各有一條履帶，采用全液壓驅動，每一條履帶由各自的液壓馬達單獨通過履帶鏈輪完成驅動，相互之間互不干擾，但是可以協同工作。在正常作業工作過程中，兩個履帶協同完成攤鋪機的前進、后退和轉向動作，其動作方式和履帶式挖掘機相似[2]，故此履帶式行走系統的設計上和雙履帶式工程機械有一定程度的相似。行走裝置結構示意圖如圖1所示。

2 巷道水泥攤鋪機履帶行走液壓系統設計

履帶行走機構負責水泥攤鋪機的前進、后退和轉向。設計履帶行走液壓系統原理圖如圖2所示。

履帶式行走液壓系統包括行走馬達、制動回路、行走限速回路和補油回路等。其在工作時要求左、右兩個液壓行走馬達旋轉運動，并且同時動作、互不干擾，故設計時采用單獨換向閥來分別控制單個液壓馬達，同時，換向閥帶有閥后補償作用，其LS壓力反饋直接于負載敏感泵LS口[3]。

制動回路包括制動油缸1和制動換向閥7，當履帶式行走工作時，主換向閥10上位或者下位接入油路，改變行走馬達2的正轉和反轉，以控制攤鋪機前進行走或者后退。油液經主換向閥10進入油路，經過梭閥6到達制動換向閥7左側，克服彈簧力使制動換向閥7左位接入油路，使油液通過阻尼孔8進入到制動油缸1，克服油缸彈簧力的作用，使制動油缸1釋放行走馬達2，實現正常行走；當主換向閥10處于中位時，制動換向閥7未接入油路，制動油缸1鎖死行走馬達2，行走馬達不能運轉。

行走限速回路和補油回路主要包括雙向平衡閥4、安全閥3和補油閥5等，當巷道水泥攤鋪機在下坡過程中出現溜坡現象時，系統在雙向平衡閥4的調節下，關小或者關閉行走馬達的回油路，使其減速或者制動，保證安全性。安全閥3主要是為了防止行走馬達2超過其工作負載，限制其在最高工作壓力范圍內正常運行，回路中的補油閥5主要是為了避免巷道水泥攤鋪機失速或者突然換向、制動時，行走馬達2進油口產生的吸空現象。

當巷道水泥攤鋪機需要前進動作時，主換向閥10上位接入油路，油液經過主換向閥10的阻尼孔后流向壓力補償器9，之后進入行走馬達2的進油路，油液經主換向閥后，一路進入雙向平衡閥4到達行走馬達2進油口，此時行走馬達2在液壓制動油缸1的作用下處于抱死狀態，不能旋轉工作；另一路經過梭閥6進入到制動換向閥7左側，克服制動換向閥彈簧力，使制動換向閥7左位接入油路，油液經過阻尼孔8進入液壓制動油缸1右側，克服液壓制動油缸1的彈簧力，使油缸活塞左移，此時行走馬達被釋放，在進油口油液壓力作用下旋轉動作，巷道水泥攤鋪機前進；當巷道水泥攤鋪機后退時，主換向閥10的下位接入油路，油液通過回路中的梭閥6、制動換向閥7和阻尼孔8進入到制動油缸1，使其釋放行走馬達2，行走馬達2在油液作用下旋轉動作，巷道水泥攤鋪機后退；當巷道水泥攤鋪機需要轉向時，只需控制主控制閥10的閥芯開口度即可控制進入回路中的流量大小，進而控制兩個液壓行走馬達的旋轉速度，使其兩條履帶之間產生速度差，最終實現巷道水泥攤鋪機的轉向；當巷道水泥攤鋪機停止工作時，主換向閥10處于中位，此時進油路不通，制動油缸1抱死行走馬達2，從而巷道水泥攤鋪機停止行走。

3 履帶行走馬達參數

履帶行走馬達排量計算公式：

式中：Δp為馬達進出油口壓差，Δp=30 MPa；

ηm為馬達機械效率，取ηm=0.95；

Mm為馬達所受外負載，Mm=355 N·m。

帶入參數后得到履帶行走馬達的排量為78.38 mL/r。查閱相關液壓馬達生產廠家資料，最終選擇力士樂A2FE90/61W型雙向定量馬達，其排量為90 mL/r，最高轉速為4500 r/min，最大輸出扭矩572 N·m。

4 巷道水泥攤鋪機履帶行走液壓系統仿真研究

在AMESim16.0中，建立履帶行走回路仿真模型如圖3所示[4]。

在進行履帶行走液壓系統模型仿真過程中，主要是模擬攤鋪機在不同坡度上的穩定性行走狀態，每隔5秒改變一次爬坡度，共計仿真時長設置為30 s中，依次對攤鋪機在路面坡度為0、10%、20%、30%、10%和0的斜坡上進行穩定性行走仿真模擬，仿真結果如圖4、圖5所示。

由圖4可以看出，行走泵實際最高壓力處于29 MPa左右，未超過行走泵峰值壓力，行走馬達實際最高壓力低于行走泵約2 MPa，與設計壓力損失相符，且行走馬達壓力均未超過其峰值壓力。

由圖5可以看出，行走泵輸出流量約為80 L/min，行走馬達的輸出流量約為40 L/min，在攤鋪機實際運行爬坡過程中，來自于行走泵的流量被均等分配流入到兩個行走馬達中，且在不同坡度上行走，行走泵都能保持穩定的流量輸出，與理論設計結果相符合。

5 結論

根據巷道水泥攤鋪機行走裝置結構與作業時要求，設計了巷道水泥攤鋪機履帶行走液壓系統原理圖，并對履帶行走馬達進行了選型計算。最后，利用AMESim16.0對其行走液壓系統進行了仿真分析，得到了液壓行走馬達的壓力、流量響應曲線，從響應曲線可以看出系統壓力在開始階段有一定波動，這是由液壓閥引起的，液壓泵和行走馬達均能快速響應，并穩定在合理范圍內正常工作[5]，各元件壓力與流量均未超過泵與馬達的設計參數，驗證了整個系統設計的正確性與合理性。