救援车绞盘液压系统的改进*

谢 迪,高虹霓,李培林,赵海洲

(空军工程大学防空反导学院,陕西西安 710051)

救援车绞盘液压系统的改进*

谢 迪,高虹霓,李培林,赵海洲

(空军工程大学防空反导学院,陕西西安 710051)

针对目前道路救援车车载液压绞盘在使用过程中存在的空行程回路速度过慢的情况,提出了一种利用反馈控制油路,根据负载变化自动调节液压系统油泵配置的改进方法,使负载工况与相应的流量相匹配。并在 AMESim仿真软件中创建系统模型进行仿真,结果表明:改进后的液压系统减少了液压绞盘空行程时牵引绳的收放时间,工作过程无需人工干预,提高了工作效率。

救援车;绞盘;AMESim;改进

0 引 言

救援车上所配液压绞盘是一个独立的部件,安装在汽车底盘纵梁侧方的中部,由取力装置从发动机取力。绞盘的主要作用是通过绞盘的卷绕钢丝绳牵引自救或改变钢丝绳的出绳方向拖曳前方或者后方的车辆,液压绞盘由减速器、液压马达、液压制动器、齿轮泵、操纵气阀和控制阀组成。现已广泛应用于道路清障车、救援车等专用车辆上。

救援车现有绞盘液压系统的设计相似,大都采用单泵定量系统和手动操纵换向装置,其结构简单,制造方便。但在长期的使用过程中,该系统的一些缺点也日益凸显。主要表现为:①油泵输出的流量始终为恒定值,当液压绞盘由高压工作状态切换为低压空行程状态时,所消耗的功率远小于发动机的输出功率,发动机的功率没有得到充分的利用,损失较大[1];②绞盘在空行程或轻载时收放绳速度过慢,严重影响了工作效率[2]。

国外有的救援车载绞盘液压系统使用了负载敏感型变量柱塞泵,绞盘在空载、轻载时速度较快,重载时,变量柱塞泵斜盘倾角变小,排量减少,绞盘低速工作。然而,绞盘工作情况较为简单,再者,负载敏感型变量柱塞泵价格非常昂贵,导致很难在救援车上广泛使用。目前国内企业对液压绞盘液压系统的改进也有相应的研究。广东粤海汽车有限公司的汤辛华等在原来双联油泵的基础上,再增加一个油泵,使之成为三联油泵给液压系统供油。减小液压系统压力损失的同时也提高了绞盘的工作效率,但这种改进方法的成本增加较多,需要手动对绞盘进行重载、轻载工况转换,而且液压管路的布置也更复杂、费时[3]。浙江大学的邓业民、孔晓武等提出一种新型的电液绞盘,采用变量马达和专门设计的控制阀组,能在牵引过程中自动对卷径的变化进行补偿[4]。

基于以上不足,笔者在分析了前人成果的基础上,在液压回路中增加了一个液控换向阀:液压绞盘在空载和轻载时,双联泵同时向其供油,以增加收放绳速度,节省时间;液压绞盘在重载时,只采用单泵向其供油,保证足够的牵引力。

1 绞盘液压系统的组成与原理

绞盘液压系统的原理如图1所示,主要由油泵、绞盘正反转换向阀、梭阀、平衡阀和制动器等组成,平衡阀和制动器组合可以保证绞盘工作时具有平稳地运动可控性,油管爆裂时,使绞盘停止运动,起安全保护作用。从原理图可以看出,无论负载工况如何,双联泵始终向系统供油,排出的流量不能随着负载的变化而进行相应的匹配。致使空行程或轻载时,收放绳速度过慢,严重制约了工作效率。

图1 绞盘液压系统原理图

2 改进后液压系统的模型

2.1 反馈装置模型

为了克服上述不足,在原液压系统的基础上,用双联泵代替原来的单泵,并在所增加的泵与回路之间串联一个反馈装置,如图2。

该反馈装置与换向阀相似,负载较低时,回路反馈压力pL也较低,此时液控阀3在弹簧的作用下P 与A口相连,双联泵合流向系统供油,提高绞盘回转速度;当负载增加时,反馈压力也同步相应增加,当超过弹簧的压力时,液控阀右移,P、B口接通,辅泵开始卸荷,绞盘回转速度减缓,而且换向过程中无需手动操作。在AMESim软件中建立反馈装置模型如图3。

图2 双联泵控制原理图

图3 反馈装置模型

其中:A端口接反馈油路;B端口接入系统回路; C端口接辅泵。

反馈装置的工作原理如式(1):

式中:pA为反馈油路压力;SA为反馈端阀芯受力面积;ks为弹簧刚度;Δx为弹簧压缩量;Fs为液动力。

根据文献[5],由于阀芯的速度远小于液流的加速度,液动力可忽略不计,式(1)可写成:

可知,阀芯位移的大小和系统压力近似呈正比关系。

2.2 平衡阀模型

系统中平衡阀就是利用其本身平衡双向管道和阀前阀后的压力和流量,在执行元件的回油通道中建立背压,使绞盘在负载变化时仍能平稳运行,在回路中起平衡减震的作用。平衡阀模型如图4所示[6]。

图4 平衡阀模型

2.3 系统模型

为简化系统模型,在AEMSim中建立模型时,简化和忽略了一些对仿真结果影响不大、工作相对独立的部件,如制动器等,整体模型如图5所示,模型主要参数如表1所列。

图5 系统总模型图

表1 模型主要参数

3 仿真分析

3.1 工况设置

为了验证模型的准确性与可靠性,根据实际情况,并结合本系统特征,对该系统模型在以下三种工况下进行仿真分析:①只有单泵工作时,对绞盘施加由重载突变为轻载的变化负载,其中重载为10 000 N ·m,轻载为500 N·m,仿真时间10 s;②双联泵工作时,对绞盘同样施加与①相同的负载工况,并记录绞盘的响应情况。设定的负载工况如图6所示;③负载由轻载变为负载时,改进前后绞盘输出功率的比较。

图6 绞盘负载工况

3.2 仿真结果分析

在施加同样负载的情况下,对改进前后两种液压系统进行仿真,得到下面仿真结果,图7为改进前后绞盘马达的响应,图8为负载由轻载变为重载时,绞盘输出的功率。

图7 改进前后绞盘马达转速

从图6可知,改进后的系统在轻载的工况下,通过改变液压系统油泵的配置,调节流经绞盘马达的流量,从而增加绞盘的回转速度,提高了工作效率。

改进前的油泵在轻载时的压力p1=112.2 bar,流量q1=8.4 L/min,绞盘马达转速n1=35.6 r/min;改进后的油泵在轻载时的压力p2=112.8 bar,流量q2= 16.8 L/min,绞盘马达转速n2=66.9 r/min,虽然改进后的系统在轻载时,油泵输出流量是改进前系统的2 倍,但改进后绞盘的回转速度并没有增加至原回转速度的2倍,这主要是因为改进后随着流量的增加,系统的泄露量也在相应的增加;再者,绞盘的回转速度增加时,其各结构间的摩擦也在不同程度的加大。

图8仿真结果表明,改进后的方案在轻载时仍能保持较大的输出功率,并没有因增加泵的排量而消耗更多的能量。

图8 负载变化时绞盘输出功率

从仿真曲线还可看出:在负载由重载向轻载转换时,马达转速出现了波动,主要是因为反馈装置换向时,因流量的变化产生的压力波动造成的,可在图2 中B端口并联一个蓄能器使切换过程平稳[7]。另外,为避免重载时反馈压力过大而使阀芯一端选用的弹簧刚度过大的情况,可在图2中A端口串联一个比例阀,以降低液控阀开启压力和选用弹簧的刚度。

4 结 语

针对原液压系统的不足进行改进,并在AMESim软件中通过模拟负载的变化,对改进前后液压绞盘的转速以及所消耗的能量进行对比,结果表明,改进后的方案能在轻载时提高绞盘马达的转速,消耗的能量又没有明显的增加,而且换向过程中无需人工干预,为现有液压绞盘系统的改进提供了理论依据。

[1]王 伟.多功能救援车通用连接器与液压系统的设计研究[D].西安:长安大学,2013.

[2]徐立平.基于AMESim发动机冷却系统匹配仿真分析[J].机械研究与应用,2014(1):42-43.

[3]汤辛华.重型清障车液压油泵配置方案探讨[J].专用汽车,2012(9):88-89.

[4]邓业民,孔晓武.新型恒功率电液绞盘的研究[J].流体传动与控制,2008(5):16-19.

[5]薛 梅.液动力对滑阀式换向阀的影响[J].煤矿机械,2012 (4):101-103.

[6]杨文林,闫炳雷,王忠宾.基于AMESim的掘进机液压系统参数优化分析[J].机床与液压,2012(5):129-131.

[7]高虹霓,谢 迪,王 崴,等.一种轴向柱塞泵恒流量调速系统的改进[J].机械设计与研究,2015(2):119-121.

Improvement of W inch Hydraulic System in the Rescue Vehicle

XIE Di,GAO Hong-ni,LIPei-lin,ZHAO Hai-zhou
(Air Defense and Antimissile Institute,Air Force Engineering University,Xi′an Shaanxi 710051,China)

In view of the current problem of too slow speed of idle running during operation process of the road rescue vehicle onboard hydraulic winch,an improvedmethod is proposed to improve the pump configuration by using the feedback control circuit,and tomatch the load operatingmode with the corresponding flow.And system model is created in the AMESim simulation software in order to be simulated.The result shows that the improved hydraulic system reduces the operation time of traction rope during the use of hydraulic winch,and improves the working efficiency in the working processwithoutmanual intervention.

rescue vehicle;winch;AMESim;improvement

TH137.7

A

1007-4414(2015)06-0067-03

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.06.024

2015-08-29

谢 迪(1988-),男,安徽砀山人,硕士研究生,研究方向:液压系统优化。