基于AMESim软件对双轮铣槽机铣削头模拟分析*

关丽杰，刘会来，郜云波

(东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江大庆 163318)

0 引言

随着中国经济的平稳发展，大量地下建筑和地下铁道等投入建设，液压双轮铣槽机作为最先进的连续墙施工设备，具有很高安全、环保和节能性能，可大幅降低噪声和振动的危害。研发液压双轮铣槽机可以提升地基基础施工装备行业产品等级，快速推进地基基础施工装备的发展。双轮铣槽机产品的核心技术就是液压系统设计，因此双轮铣槽机液压系统进行深入的研究具有很重要的现实意义。

1 铣削头的结构及液压系统设计

铣削头是液压双轮铣槽机最重要的组成部分。它主要是由铣削鼓、减震器、铣轮、泥浆泵等几部分组成，如图1所示［1］。

铣削头驱动系统液压原理如图2所示，液压系统中采用三个变量泵分别驱动铣削轮双向变量马达和泥浆泵定量马达的驱动方式。变量泵1为泥浆泵马达供油，变量泵2和变量泵3分别为左右双铣轮驱动马达供油。泥浆泵液压系统通过改变变量泵1的流量来改变泥浆泵马达的转速，从而改变泥浆泵的流量。双铣轮液压系统以变量泵调速为主变量马达调速为辅来调节双铣轮的切削速度。变量泵2与变量泵3提供的高压油经多路阀4流入铣削轮变量马达10，在变量马达内装有平衡阀11防止系统压力过高对马达造成损坏。两铣削轮驱动马达的高压油经梭阀12流入集成阀13，并且将压力信号反馈给变量马达的流量控制阀14来调节马达的排量;同时高压油驱动变量马达10带动减速机驱动切削轮旋转。泥浆泵液压系统，变量泵1提供的高压油经溢流压力控制阀7，直接流入泥浆泵马达9。安装在马达外侧的单向阀并联在马达进出油路上，当泥浆泵不供油时可实现平稳制动。

图1 铣削头结构图

图2 液压原理图1、2、3.变量泵 4.多路阀 5.过滤器 6.单向阀 7.溢流压力控制阀 8.分路阀 9.泥浆泵马达 10.变量马达 11.平衡阀12.梭阀 13.集成阀 14.流量控制阀

该系统最主要的部分是双铣轮能根据地层的软硬程度进行自适应控制，使系统压力始终处于一个系统效率较高的区域内。由于地层差异较大，需要双铣轮在较软地层施工时高速切削，在较硬地层时实现低速大扭矩切削。即铣削液压驱动系统如何根据外界负荷的变化自动调节切削速度与之适应。液压驱动系统由发动机、变量液压泵、变量液压马达组成。由于采用变量泵变量马达调速方式，可实现铣削轮的转速控制、扭矩控制和方向控制。

2 铣削系统仿真

由于双轮铣槽机在施工过程中往往会遇到不同土质状况，因而铣削轮的切削力矩及转速变化也很大，铣削轮的驱动工况很复杂。铣削轮液压驱动通常需要解决的问题是:土质条件不变时，即使铣削轮外载有较大的变化，铣削轮转速保持稳定;土质条件改变时，铣削轮转速可调节。现将系统工作压力设为30 MPa，双铣轮的最大转速定位为25 r/min，转速在14 r/min以下采用恒扭矩调速模式，在14～25 r/min之间采用恒功率调速［2］。

对图3中所设计的单个铣削轮驱动液压系统进行建模，在AMESim中建立系统的仿真模型如图3所示，分析铣削轮的转速特性。

仿真过程中铣削轮马达力矩加载按下式计算:

式中:Ma为空载启动时折算到马达轴上的加速力矩，N·m;Mf为折算到马达轴上的摩擦力矩，N·m;Mat为切削时折算到马达轴上的加速力矩，N·m;Mt为折算到马达轴上的切削负载力矩，N·m。

下面对铣削轮因地质变化调速工况、外载变化工况进行仿真分析［3］。

图3 单个铣削轮仿真模型

2.1 地质变化铣削轮调速仿真

在施工过程中铣削轮根据地层的SPT图设定高低转速，以变量泵调节为主，变量马达调节为辅，在高转速工况变量马达为小排量以提高铣削轮转速。由于马达排量减小，因此系统在高转速工况输出的扭矩也会相应减小。

图4所示为铣削轮转速的输人信号，铣削轮转速由5 r/min调节为20 r/min后再下降为10 r/min。图5所示为铣削轮转速变化曲线，由仿真曲线可看到，系统的转速能达到调速要求。在此期间铣削轮的切削扭矩如图6所示，由81 kN·m变化为22.7 kN·m后又转变为65 kN·m，可看出系统能够满足铣削轮所需扭矩。

图7所示为系统压力仿真曲线，系统压力均在较高范围内，因此执行元件的效率较高，使系统始终处于一个较高的效率范围内。

图4 铣削轮转速输入信号

图5 铣削轮转速变化曲线

图6 铣削轮输出扭矩变化曲线

图7 系统压力变化曲线

从图8可看出系统的流量变化能够满足系统的调速需求，并能使系统很快达到稳定。

图8 系统流量变化曲线

2.2 外载变化铣削轮转速仿真

图9为铣削轮所受外载的变化曲线，外载由65 kN·m变化到46 kN·m之后变化到75 kN·m。同时铣削轮的转速设定为10 r/min，如图10所示。图11为转速设定在10 r/min时，系统压力变化曲线，由图可见系统压力变化平稳，能够很快达到平衡，满足系统要求。图12为铣削轮在外在变化时铣削轮的转速变化曲线，由图可见，铣削轮的转速在外载变化时波动很小，且能及时恢复到设定转速的平稳状态，由此可见系统满足设计要求。

图9 外载扭矩变化曲线

图10 铣削轮设定的转速

图11 系统压力变化曲线

图12 铣削轮转速变化曲线

3 结语

介绍了铣削头的结构组成及工作原理，并对铣削头在不同地质条件下的双铣轮与泥浆泵功率分配情况做了计算，为实际施工速度提供了具有参考性的参数。设计了铣削头的液压系统，并对双轮铣槽机在土质条件不变时，要求铣削轮转速稳定与土质条件改变时，铣削轮转速可调两种工况对液压系统进行了仿真。通过对仿真结果的分析可知液压系统的设计满足机器的施工要求，对后续双轮铣槽机铣削头液压系统的实际设计具有参考意义。

［1］ 宋 刚.连续墙铣槽机铣轮优化设计试验研究［D］.北京:中国地质大学，2011.

［2］ 彭天好，朱刘英，胡佑兰.基于AMESim的泵控马达变转速系统仿真分析［C］.中国机械工程学会流体传动与控制分会第六届全国流体传动与控制学术会议论文集［A］.兰州:兰州理工大学，2010.

［3］ 方 伟，王 瑜.地下连续墙施工工法及机械［J］.建筑机械，2002，3(6):15－16，22.