基于AMESim 的矿用小型自卸车工作性能分析

2021-08-27常志强

设备管理与维修 2021年11期

常志强

（中铁十九局集团矿业投资有限公司，北京 100071）

0 引言

矿用自卸车具有良好的机动性、广泛的适应性、简便的操作性以及高效的运输效率，因而在矿业生产领域得到广泛应用[1-3]。但是，大多数矿用自卸车具有大吨位的运输特性，随着矿业技术的不断发展，矿井机械化程度不断增加，一些小型的设备、材料使用这些大吨位的自卸车进行运输反而会降低生产效率，增加工程成本，造成资源的极大浪费，因而现代矿业工程对于小吨位的矿用自卸车需求量增在不断增长，小型矿用汽车质量轻，在复杂的矿业运输道路条件下，颠簸大、坡路多、运行速度低是常态，因而对于小吨位自卸车的运输稳定性具有较高的要求[4-6]。而矿用自卸车的转向、制动、举升的操作一般依靠液压系统来控制，所以其运输稳定性在很大程度上取决于液压系统的稳定性。

设计一种适应复杂矿井环境的矿用小吨位自卸车，重点对液压系统的设计原理和选型进行了详细分析，并通过AMESim仿真模拟，对转向、举升以及制动工况下的液压系统性能进行了分析，以期为满足矿业生产要求提供参考。

1 结构设计及选型

1.1 整机构造

矿用自卸车一般由动力系统（柴油机、通气系统、冷区系统、供油系统以及排气系统组成）、车架与车厢、驾驶与操作系统（包含换挡操作柄、自动开关、熄火开关、方向盘等）、传动系统（由变柜器、变速箱以及传动轴等组成）、气动系统（由安全阀、电磁阀、压力表、气泵等装置组成）、电气系统（由发电机、电源箱、继电箱、接线盒等装置组成）以及液压系统构成（图1）。整机的连接形式为铰接式，发动机采用防爆气启动方式，其他参数见表1。

表1 整机主要参数

图1 矿用自卸车整机结构示意

1.2 液压系统

矿用自卸车液压系统的主要作用是实现车辆转向、举升以及制动操作功能，主要由转向控制系统、举升控制系统以及制动系统三大系统组成。其中，转向控制系统和举升控制系统主要负责前轮转向和矿料的卸载，其性能优劣关系着矿场的生产效率；制动控制系统主要负责生产过程中的减速、停车以及维持正常车速等功能，其性能优劣关系着自卸车的行驶安全。

1.2.1 液压系统的工作原理

液压泵为三大系统提供动力源，通过调节溢流阀来确保液压系统处于可承受压力范围之内。三大系统共用一个液压油箱，液压油箱作为独立构件，与机架等保持分离，控制回路均由同一齿轮泵供油（图2）。在工作过程中，车辆一旦完成启动供油（制动供油），齿轮泵立即为转向举升控制回路供油，不再零压回油箱。

图2 液压系统结构

1.2.2 元件选型

（1）转向举升系统元件选型。转向液压缸选用D16 WF63/45-435 型，额定压力为16 MPa，液压油缸的内径和活塞直径分别为63 mm 和45 mm，液压缸的行程为435 mm；举升液压缸选用2QTG-100×721 型双级液压缸，第一级直径和行程分别为100 mm 和354 mm，第二级直径和行程分别为80 mm 和367 mm；转向器选用BZZ5-630 全液压转向器。

（2）制动控制系统元件选型。EHV1.6-350/90 型蓄能器，6-463-720 型双路充液阀（流量为7.2 L/min），06-466-240 型串联双回路制动踏板阀。

（3）液压泵为CBNL-F563-BFHL 型齿轮泵，额定排量和压力值分别为63 mL/r 和20 MPa。

2 性能仿真分析

2.1 仿真模型

利用AMESim 仿真软件建立矿用自卸车液压系统仿真模型。由于本文主要讨论矿用自卸车制动控制系统在工作状态下运行稳定性，为简化分析过程在模型搭建过程中仅考虑行车制动回路，因此，仿真模型主要由制动踏板阀、充液阀、蓄能器、制动油缸、管路和油箱等部分组成（图3）。

图3 仿真模型结构示意

2.2 工况设计

（1）转向工况。当转向过程中遇到坑洼路面或者障碍物时，液压系统工况负载力呈阶跃变化，在此工况下的模拟情况为：0～1 s 负载力保持30 kN 不变，在1 s 时突然遇到路面坑洼，负载力增至46 kN，仿真时间为2 s，仿真步长为0.01 s。

（2）举升工况。举升工况分为满载举升和空载举升两种，仿真时间均为16 s，仿真步长均为0.01 s。

（3）制动工况。制动工况也分为两种情况：一种是一次平缓施加制动，即制动输入信号为线性比例信号，仿真时间为1 s，探班角度由0°增至25°，仿真步长为0.01 s；另外一种是多次快速踩踏制动踏板，同时保持角度不变，即制动信号输入为矩形信号，仿真时间为14 s，仿真步长为0.01 s，循环间隔制动踩踏7次，每次踩踏时间2 s。在2 s 期间内，0～1 s 为踏板瞬时从0°增至25°，并维持1 s 不变；然后踏板迅速松开，松开后也保持1 s不变。

2.3 结果分析

阶跃负载转向工况下的系统响应曲线见图4。从图4 可以看出，转向油缸流量和速度在转向初始阶段呈逐渐增大的变化特征，当在0.2 s 时刻，流量和速度达到稳定状态，稳定值分别为38 L/min 和0.18 m/s；当在第1 s 时刻，自卸车在转向过程中遇到坑洼路面时，转向油缸流量和速度出现骤降，同时伴随着激烈的振荡现象，但这个时间持续时间极短，仅不到0.1 s 就又恢复至稳定状态。因此可以认定，在坑洼路面转向行驶过程中，自卸车控制系统具有快速反应能力，能在极短时间内将车辆恢复至平稳状态，具有良好的转向能力。

图4 阶跃负载转向工况下系统响应曲线

举升工况下的系统响应曲线见图5。从图5 可以看出，在举升工况下，满载工况和空载工况下的油缸压力变化表现出巨大差异，在满载工况下，举升初期的油缸压力迅速达到80 bar（8.0 MPa）以上，并在第一级举升油缸运动过程中，油缸压力呈先增大后减小的变化特征，当第二级举升油缸开始运动伸出时，油缸压力表现出短时间的振荡变化特征，随后呈逐渐降低趋势，在空载工况下，油缸压力变化过程比较平稳，除了在第一级和第二级举升油缸运动初期表现出激荡情况外，其余时间均比较平稳，同时举升油缸压力较满载时小许多，第一级举升油缸运动过程中的稳定压力为2.5 bar（0.25 MPa），第二级举升油缸运动过程中为4.1 bar（0.41 MPa）。但是，无论是满载工况还是空载工况，举升油缸的运行速度基本保持一致，虽然在第一、二级油缸运动初期会有短期振荡外，第一级举升油缸稳定运行速度为0.041 m/s，第一级举升油缸稳定运行速度为0.065 m/s，并在14.2 s 时液压系统完成举升动作。因此可知，举升工况下举升油缸运动初期都会造成一定幅度的波动，但是局能在短时间内内迅速稳定，总体性能满足设计要求。

图5 举升工况下的系统响应曲线

制动工况下的系统响应曲线见图6。从图6可以看出：在线性信号输入情况下，踏板倾角呈线性增加，踏板倾角为0°～5°时，制动压力基本为零，踏板倾角在5°～25°时，制动压力近似呈线性增加，并在1 s 时刻达到制动油缸的额定压力52.7 bar（5.27 MPa）。在矩形信号输入情况下，踏板倾角呈现周期性变化特征，蓄能器压力呈阶梯型降低，每一次制动踩踏可降低4 bar（0.4 MPa）的蓄能器压力，但蓄能器的压力仍远高于制动油缸的恶性压力，可以继续为制动油缸提供足够的制动压力。因此，在制动工况下液压系统反应灵敏，能够提供充足的制动压力，制动性能良好，可以实现特殊紧急情况下的制动操作。