AMESim在清篩機(jī)液壓走行驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分析中的應(yīng)用

崔艷鷺，葉賢東，王亞

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都610031)

摘要：通過(guò)對(duì)國(guó)產(chǎn)QS2-650型道砟清篩機(jī)Ⅰ端高速走行驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)兩種設(shè)計(jì)方案的分析，利用AMESim建立液壓系統(tǒng)模型進(jìn)行兩種設(shè)計(jì)方案對(duì)比仿真，得出清篩機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中系統(tǒng)壓力、加速度、流量等相關(guān)參數(shù)變化情況。分析表明：變量馬達(dá)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案更能適合清篩機(jī)加速走行工況要求，并具有良好的節(jié)能效果和操作特性。該分析方法也對(duì)其它大型養(yǎng)路機(jī)械液壓系統(tǒng)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的參考。

關(guān)鍵詞:清篩機(jī)AMESim液壓系統(tǒng)仿真分析

中圖分類號(hào)：U415.52+6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：崔艷鷺(1987-)，男，漢族，遼寧朝陽(yáng)人，西南交通大學(xué)，碩士研究生。

收稿日期：2015-03-10

The application of AMESim in analysis of ballast screening machine hydraulic driving system

CUI Yanlu，YE Xiandong，WANG Ya

Abstract:Through the analysis of domestic QS2-650 type ballast screening machineⅠend driving hydraulic system, two model systems were built and the comparative analysis of simulation was carried out. The change of such parameters as system pressure, acceleration, and flow rate were gained. The analysis shows that the design scheme of variable motor driving better meets the requirements of the ballast screening machine in accelerating mode，which has good energy saving effect and operation features. This analysis method offers new reference to other mechanical hydraulic system analysis and optimization design.

Keywords:ballast screening machine; AMESim; hydraulic system; simulation and analysis

目前我國(guó)鐵路已越來(lái)越多地采用道砟清篩機(jī)來(lái)完成道砟清篩工作。QS2-650型全斷面道砟清篩機(jī)是襄樊金鷹軌道車(chē)輛有限責(zé)任公司生產(chǎn)的全液壓驅(qū)動(dòng)大型清篩機(jī)[1]。在對(duì)該機(jī)走行驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化升級(jí)過(guò)程中采用傳統(tǒng)試驗(yàn)法對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行更改和參數(shù)調(diào)節(jié)比較困難，要花費(fèi)大量人力、物力和時(shí)間，而且一次性成功的把握很低[2]。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，在工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用計(jì)算機(jī)建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)字化仿真計(jì)算研究系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各種工況，確定最佳參數(shù)匹配。但該方法要求建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型和必要的編程工作要求設(shè)計(jì)人員具備較高的數(shù)學(xué)和軟件功底，前期處理需要花費(fèi)大量時(shí)間[3]。

LMS Imagine. Lab AMESim(下文簡(jiǎn)稱AMESim)是比利時(shí)LMS公司的一款多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真平臺(tái)。AMESim軟件可以為仿真提供圖形化建模平臺(tái)并提供豐富的元件庫(kù)，使設(shè)計(jì)人員免去建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型和編程工作實(shí)現(xiàn)快速建立模擬真實(shí)物理?xiàng)l件的模型系統(tǒng)，并可以方便的更改系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和元件參數(shù)[4]。因此可以大大的提高設(shè)計(jì)人員效率，縮短設(shè)計(jì)周期，使設(shè)計(jì)缺陷在物理成型前就得到解決，從而降低成本。

本文以國(guó)產(chǎn)QS2-650型清篩機(jī)高速走行液壓系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過(guò)AMESim軟件平臺(tái)建立該機(jī)Ⅰ端高速走行驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)仿真模型，模擬該系統(tǒng)采用不同形式的液壓馬達(dá)清篩機(jī)起動(dòng)時(shí)系統(tǒng)工作情況，驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否滿足清篩機(jī)工作要求。

1QS2-650型道砟清篩機(jī)走行液壓系統(tǒng)構(gòu)成[5]

QS2-650型全斷面道砟清篩機(jī)走行部由兩個(gè)三軸轉(zhuǎn)向架組成，每個(gè)轉(zhuǎn)向架的三根車(chē)軸均可作為驅(qū)動(dòng)軸由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)清篩機(jī)的前進(jìn)與后退。高速走行驅(qū)動(dòng)由分別位于Ⅰ端的 Ⅰ、Ⅲ軸和位于Ⅱ端的Ⅳ、Ⅵ軸驅(qū)動(dòng)。Ⅰ、Ⅱ端高速走行驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)相同，并由兩臺(tái)型號(hào)相同的CATC15發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。為簡(jiǎn)化研究本文以Ⅰ端液壓系統(tǒng)為例進(jìn)行分析。

1.1Ⅰ位端高速走行驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)組成

該閉式系統(tǒng)主要由液壓泵、高速走行馬達(dá)、制動(dòng)閥組、沖洗閥組、過(guò)載保護(hù)閥組和部分控制油路組成。高速走行時(shí)清篩機(jī)需要無(wú)極調(diào)速，系統(tǒng)采用變量泵驅(qū)動(dòng)，當(dāng)扳動(dòng)調(diào)速換向手柄時(shí)通過(guò)改變泵3的輸出流量使高速走行馬達(dá)轉(zhuǎn)速變化，最終改變清篩機(jī)的走行速度及方向。

1.2Ⅰ位端高速走行驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)AMESim模型[6]

利用AMESim建立Ⅰ位端高速走行驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)如圖1所示，利用軟件提供Mechanical庫(kù)建立模型模擬清篩機(jī)車(chē)體及車(chē)輪齒輪箱等傳動(dòng)部件，從而減少設(shè)計(jì)人員在仿真過(guò)程中相關(guān)數(shù)值計(jì)算工作。(本文仿真研究未涉及下坡路段馬達(dá)對(duì)系統(tǒng)的作用工況、制動(dòng)閥組對(duì)系統(tǒng)加速情況不產(chǎn)生影響故建模過(guò)程中省去制動(dòng)閥組相關(guān)部分。)在發(fā)動(dòng)機(jī)為液壓泵提供動(dòng)力的傳動(dòng)系統(tǒng)中分動(dòng)箱及發(fā)動(dòng)機(jī)性能對(duì)系統(tǒng)影響有限故將該部分簡(jiǎn)化為一簡(jiǎn)化信號(hào)提供給液壓泵。簡(jiǎn)化操縱端調(diào)速手柄操作為一控制信號(hào)控制液壓泵的輸出流量控制清篩機(jī)的高速走行。

1.發(fā)動(dòng)機(jī)分動(dòng)箱；2.液壓泵；3.過(guò)載保護(hù)閥組；4.阻力自動(dòng)加載模塊；5.模擬變量馬達(dá)自適應(yīng)調(diào)整模塊；6.清篩機(jī)重量加載及速度輸出；7.驅(qū)動(dòng)馬達(dá)；8.補(bǔ)油泵；9.沖洗閥；10.Ⅰ軸齒輪箱及輪對(duì)；11.Ⅲ軸齒輪箱及輪對(duì) 圖1?、裎欢烁咚僮咝序?qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)AMESim模型圖

1.3模型主要參數(shù)設(shè)定[7]

高速走行時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速：2 100 r/min；液壓泵排量：250 cc/r(通過(guò)調(diào)整輸入信號(hào)可雙向輸出)，調(diào)定壓力34 MPa；補(bǔ)油泵壓力：2.4 MPa；沖洗閥流量：16 L/min；四臺(tái)變量馬達(dá)排量：最大160 cc/r，最小50 cc/r，均可雙向旋轉(zhuǎn)；保護(hù)閥組溢流調(diào)定壓力：34 MPa；清篩機(jī)重量：123 t；齒輪箱減速比：7.93；車(chē)輪直徑：840 mm。

清篩機(jī)運(yùn)行阻力：QS2-650型清篩機(jī)采用兩臺(tái)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，計(jì)算該機(jī)高速走行阻力時(shí)參考列車(chē)牽引計(jì)算規(guī)程中DF型內(nèi)燃機(jī)車(chē)相關(guān)規(guī)定進(jìn)行計(jì)算加載。

機(jī)車(chē)單位阻力

P—清篩機(jī)計(jì)算重力(kN)；W′—清篩機(jī)運(yùn)行阻力(N)；w′—清篩機(jī)運(yùn)行單位基本阻力(N/kN)。

平直道清篩機(jī)運(yùn)行阻力。

w′=2.93+0.0073v+0.0027v2

v—清篩機(jī)運(yùn)行速度(km/h)；w′—清篩機(jī)運(yùn)行單位基本阻力(N/kN)。

清篩機(jī)啟動(dòng)阻力 v<10km/h時(shí)

wq=5(N/kN)

2清篩機(jī)Ⅰ端高速走行驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)運(yùn)行仿真及對(duì)比分析

仿真參數(shù)：仿真時(shí)間800 s；采樣間隔0.1 s；輸入信號(hào)，0~30 s泵排量從0增至250 cc/r，30~80 s泵排量維持250 cc/r。

采樣數(shù)據(jù)：清篩機(jī)運(yùn)行速度、加速度；馬達(dá)入口壓力、液壓馬達(dá)排量；輸入功率、過(guò)載溢流閥流量。

2.1固定排量馬達(dá)驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)仿真

該工況條件下高速走行驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)排量固定為50 cc/r，不能根據(jù)系統(tǒng)壓力進(jìn)行排量調(diào)節(jié)仿真結(jié)果如下：

2.2變排量馬達(dá)驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)仿真

圖2　定排量馬達(dá)驅(qū)動(dòng)清 篩機(jī)速度與加速度曲線

根據(jù)液壓系統(tǒng)仿真結(jié)果圖2-圖 4可以確定采用定量馬達(dá)驅(qū)動(dòng)清篩機(jī)行走可以滿足清篩機(jī)起動(dòng)及高速走行速度要求。清篩機(jī)從0加速到100 km/h所需時(shí)間不超過(guò)4 min，但清篩機(jī)啟動(dòng)加速階段當(dāng)系統(tǒng)壓力增大時(shí)馬達(dá)的排量不會(huì)根據(jù)系統(tǒng)壓力變化進(jìn)行調(diào)整。

圖3　定排量馬達(dá)入口 圖4　液壓泵輸入功率與 　壓力與馬達(dá)排量曲線 　　　系統(tǒng)溢流閥流量曲線

2.2變排量馬達(dá)驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)仿真

利用變排量液壓馬達(dá)，當(dāng)清篩機(jī)走行阻力增大或加速起動(dòng)導(dǎo)致系統(tǒng)壓力大于28 MPa時(shí)液壓馬達(dá)的排量自動(dòng)增加，提高液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩提高清篩機(jī)的驅(qū)動(dòng)力。

圖5　變排量馬達(dá)驅(qū)動(dòng)清 　篩機(jī)速度與加速度曲線

根據(jù)液壓系統(tǒng)仿真結(jié)果圖 5-圖7可以確定采用自適應(yīng)調(diào)整排量馬達(dá)驅(qū)動(dòng)清篩機(jī)行走同樣可以滿足清篩機(jī)啟動(dòng)及高速走行速度要求。清篩機(jī)從0加速到100 km/h所需時(shí)間不超過(guò)3 min，同時(shí)當(dāng)系統(tǒng)壓力增大超過(guò)28 MPa時(shí)馬達(dá)排量自動(dòng)增大提高馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩。

圖6　變排量馬達(dá)入口壓圖7　變排量馬達(dá)驅(qū)動(dòng)液 力及馬達(dá)排量曲線壓泵輸入功率及系統(tǒng)溢流 　　　　　　　　　　　　　閥流量曲線

2.3兩種工況對(duì)比分析

通過(guò)仿真計(jì)算，可以判斷兩種設(shè)計(jì)均能滿足清篩機(jī)高速走行對(duì)系統(tǒng)提出的速度要求，兩種系統(tǒng)設(shè)計(jì)所能達(dá)到的最高形式速度均大于100 km/h留有適當(dāng)余量基礎(chǔ)上滿足清篩機(jī)最高速走行要求。但兩種液壓系統(tǒng)仍存在明顯區(qū)別：

如圖8所示，清篩機(jī)起動(dòng)最高加速度變排量馬達(dá)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(amax≈0.4 m/s2)明顯大于定排量馬達(dá)(amax≈0.16 m/s2)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，前者加速性能更優(yōu)；

圖8　清篩機(jī)速度加速度圖9　馬達(dá)入口壓力及馬 對(duì)比分析圖 達(dá)排量變化對(duì)比分析圖

如圖9 所示，變排量馬達(dá)系統(tǒng)在清篩機(jī)起動(dòng)瞬間排量增大至最大，保證清篩機(jī)具有最大扭矩輸出，隨著清篩機(jī)速度逐漸提高，系統(tǒng)壓力降低小于28 MPa馬達(dá)排量逐漸減小提高清篩機(jī)走行速度，最后將變量馬達(dá)排量調(diào)至系統(tǒng)設(shè)置最低使清篩機(jī)以最高速度運(yùn)行。定量馬達(dá)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)馬達(dá)的排量始終保持不變。對(duì)比兩條馬達(dá)入口壓力曲線可以看出應(yīng)用變量馬達(dá)的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的最高壓力要低于定量馬達(dá)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的最高壓力，且前者隨著系統(tǒng)速度的提高壓力逐漸減小，而后者在液壓泵輸出流量增大時(shí)馬達(dá)入口壓力隨之增大。清篩機(jī)高速走行工況頻繁加速啟動(dòng)時(shí)顯然前者對(duì)于液壓系統(tǒng)維護(hù)更為有利[8]。

如圖10所示，對(duì)比兩條液壓泵輸入功率曲線可知，利用變量馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的清篩機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中液壓泵所需的瞬間最大輸入功率要低于驅(qū)動(dòng)定量馬達(dá)所需的瞬間最大輸入功率，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷沖擊較小，同樣可以看到當(dāng)清篩機(jī)達(dá)到最高速度時(shí)前者所消耗發(fā)動(dòng)機(jī)的能量更少更高效。對(duì)比兩條系統(tǒng)安全閥組流量可知，變量馬達(dá)系統(tǒng)在清篩機(jī)加速過(guò)程中無(wú)溢流，因此無(wú)高壓油液損失，而定量馬達(dá)系統(tǒng)的溢流閥最大瞬時(shí)流量可達(dá)13.5 L/min，造成系統(tǒng)能量浪費(fèi)同時(shí)增加安全閥組工作負(fù)擔(dān)，增加液壓系統(tǒng)沖擊使系統(tǒng)維護(hù)成本增加[9]。

圖10　泵輸入功率及安全閥組溢流流量對(duì)比分析圖

3結(jié)論

在對(duì)機(jī)械液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析研究時(shí)，研究人員可以通過(guò)使用AMESim平臺(tái)及其所提供的眾多元件庫(kù)快速建立仿真模型，通過(guò)設(shè)置合理的參數(shù)對(duì)液壓和機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行分析從而研究系統(tǒng)設(shè)計(jì)及各元件參數(shù)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，該方法能夠得到與真實(shí)實(shí)驗(yàn)接近的仿真結(jié)果，大大提高廣大研究人員科研效率和設(shè)計(jì)水平。

本文利用AMESim軟件分別對(duì)清篩機(jī)Ⅰ端高速走行驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的定量馬達(dá)和變量馬達(dá)兩種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比分析，得出變量馬達(dá)應(yīng)用于清篩機(jī)高速走行驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)時(shí)能夠明顯提高清篩機(jī)起動(dòng)加速性能，同時(shí)降低系統(tǒng)壓力，提高發(fā)動(dòng)機(jī)輸出能量利用效率，減少對(duì)液壓元件沖擊。

AMESim軟件在清篩機(jī)走行驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仿真分析時(shí)能夠得出與工程實(shí)際非常接近的結(jié)果?？梢灶A(yù)見(jiàn)該軟件將能夠在如清篩機(jī)、搗固機(jī)、打磨機(jī)等鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械設(shè)備改進(jìn)升級(jí)中有越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

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葉賢東(1974-)，男，四川成都人，西南交通大學(xué)，副教授。

王亞(1990-)，男，山東聊城人，西南交通大學(xué)，碩士研究生。