矿用柴油机单轨吊机车液压驱动系统设计与仿真.pdf

液 压 气 动 与 密 封／ 2 0 1 4年 第 0 8期 d o i l 0 ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ． 2 0 1 4 ． 0 8 ． 0 0 9 矿用柴油机单轨吊机车液压驱动系统设计与仿真 曾亿 山． 周亚超 合肥工业大学 机械与汽车工程学院， 安徽 合肥2 3 0 0 0 9 摘 要 为满足现代煤矿企业对单轨吊工作能力 的要求 ， 该文对单轨吊机车液压驱动系统进行原理分析和设计 。 建立基于 A ME S i m的仿真 模型， 验证液压系统是否满足机车不同工况下的各项技术要求 。结果表明 ， 该液压系统满足机车的_T作要求 ， 系统设计合理可行 ， 为其他液 压系统设计提供了一种参考 。 关键词 单轨 吊； 液压系统 ； A ME S i m； 仿 真 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 A 文章 编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 4 0 8 0 0 2 4 0 3 De s i g n a n d S i mu l a t i o n o f Hy d r a u l i c Dr i v e S y s t e m f o r Di e s e l Eng i ne M o no r a i l Cr a ne Z E NG Y i - s h a n， Z HOU Ya - c h a o S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d Au t o mo b i l e En g i n e e rin g ， He f e i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， He f e i 2 3 0 0 0 9， Ch i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o me e t t h e mo d e r n c o a l e n t e r p r i s e s r e q u i r e me n t s f o r b e t t e r o p e r a t i o n o f t h e c r a n e ， t h e p r i n c i p l e o f h y d r a u l i c d r i v e s y s t e m o f d i e s e l e n g i n e mo n o r a i l c r a n e wa s a n a l y z e d a n d t h e h y d r a u l i c d riv e s y s t e m wa s d e s i g n e d ． S i mu l a t i o n mo d e l o f t h e h y d r a u l i c d riv e s y s t e m wa s e s t a b l i s h e d wh i c h wa s b a s e d o n AME S i m，S O t h a t we c a n c h e c k wh e t h e r t h i s h y d r a u l i c d riv e s y s t e m s a t i s fi e s k i n d s o f t h e t e c h n i c a l d e ma n d o n d i f f e r e n t w o r k i n g c o n d i t i o n ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h i s s y s t e m i s r e a s o n a b l y p r a c t i c a b l e a n d wi l l p r o v i d e a r e f e r e n c e for t h e o t h e r h y d r a u l i c s y s t e m d e s i g n ． Ke y wo r d s mo n o r a i l h o i s t ； h y d r a u l i c s y s t e m ； AME S i m ； s i mu l a t i o n 0 引言 随着采矿设备 的大型化发展 。对运输设备 的运输 能力提出了新的要求 ．国内的柴油机单轨 吊机 车因其 爬坡能力差 、 牵引力小 、 运输能力不足等缺点 ， 不能很 好地满足现在煤矿企业安全 、 高产 、 高效 的现代化矿井 建设要求【 l 】 。本文根据淮海实业集 团要求 ， 对单轨 吊液 压驱动系统进行优化设计 ． 并对主要元件重新选型。经 过优化设计 的机车具有爬坡能力强 、 牵引力大 、 运输能 收稿 日期 2 0 1 3 1 2 1 3 作 者简介 曾亿山 1 9 6 5 一 ， 男 ， 安徽舒城人 ， 教授 ， 博 士 ， 研究方 向 流 体 传动 与控 制 、 流体力 学理论 与应用 。 -一 - - - - - } 一 一 一 性不够 ， 可比较下模糊 P I D控制 ； 5 可以考虑对马达后 的惯量环节进行设计 ， 以便 更加接近现实工况。 参 考 文 献 [ 1 】 郑德帅 ， 谷立 臣， 贾永峰， 田晴晴． 基于 A ME s i m 的 电液负载模 拟系统[ J ] ． 机械设计 与研究， 2 0 1 3 ， 2 ． [ 2 1 北京华德液压工业集 团有 限责任公 司． 华德液压 比例 电磁溢 流 阀样 本[ Z 】 ． 北京 北京 华德 液压 T业集 团有 限 责任公 司 ， 20 04． 24 力足等优点 以机车液压驱动系统为研究对象 ．利用 AME S i m 软件建立液压驱动系统仿真模型 ．并在此基础上对机 车在各种工况下的工作性能进行动态特性仿真 ．验证 系统是否符合设计要求 ．也为柴油机单轨 吊机车的设 计和在 国内能够批量化生产提供理论依据 1 液压驱动系统的设计 1 ． 1机车主要参数 机车的主要技术参数要求如表 1 所示 1 ． 2液压 系统 原理 图 液压主驱动回路选择泵控马达闭式 回路。机车的 [ 3 ] 林荣会， 刘明美． 制动 器试验 台中模拟 负载 的新 方法[ J 】 ． 机械 科学 与技术。 1 9 9 7 ， f 6 1 ． f 4 1 沈歆迪， 陆成鹰， 罗维 甲． 可控动态 转矩 的机 械模拟 负载 的研 究『 J ] ． 机床与液压， 2 0 0 8 ， 3 6 1 1 ． 【 5 】 孙建 伟． 基 于工控机 的液压动力 系统测控 试验平 台开发【 D J l 西安 长安大学， 2 0 1 2 ． [ 6 ] 谈宏华， 宋学贤， 王科敏． 一种轴 向负载模拟加载装 置设计【 J ] l 液压 气动与密封， 2 0 1 3 ， f 2 ． 『 7 1 张红 涛。 王新 晴， 梁升， 朱会杰． 电液 比例溢 流阀在液压加 载系 统中的应用【 j 1 ． 液 压气动 与密封 2 0 l l ， 9 ． Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ No ． 0 8 ．2 0 1 4 调速和换 向依靠调节泵 的变量机构实现 ， 传动平稳 、 发 热少 、 无节流和溢流损失 ， 能量利用率高『2 _ 3 】 。液压驱动 系统 原 理 图如 图 l 所 示 。 表 1 机车主要参数 项 目 参数 最大牵引力 1 N 最大速度 m ／ s 工作压力 M P a 发动机功率 k W 发动机转速 r ／ m i n 驱动轮直径 m m 最大爬坡坡度 最大载荷 t 8 0 四驱 ，6 0 三驱 1 ． 5 四驱 ， 2 ． 0 三 驱 3 2 8 0 2 2 0 0 3 5 5 3 O 。 1 6 3 0 。 驱动系统 由变量 泵 2及其调整机构 3 、定量马达 1 1 、 单 向顺序阀 5 、 6 、 溢流阀 7 、 截止阀 8 、 补油泵 9和安 全 阀 1 0等组成。在这个系统中． 变量泵既是液压能源 ， 又是 主 要 的控制 组 件 ．通过 调 整 泵 的变 量 机 构 改变 泵 流量 的大小和方 向 ．从而改 变液压马达输 出速度的大 小和方 向。系统的最大工作压力 由安全 阀 l 0限定。补 油泵 9向系统的低压管道补油， 保证系统正常工作 。溢 流 阀 7用 于系 统换 热 1 ． 3驱 动 马达 的选 择 由单轨 吊机车的技术参数可知 ．机车在 四驱动时 所需提供的最大转矩为 1 二 式 中 机车最大牵引力 ， 8 0 k N； D 驱 动 轮 的直径 ， 3 5 5 m m。 单个液压马达的输出扭矩为 T o 1 7 7 5 N m 2 o 为了将额定载荷和系统额定压力相匹配 ． 当外部载 荷达到额定载荷时 ， 马达应在系统额定压力下工作 ， 则 m 3 6 6 ． 9 Lq 3 0 0 I n 3 x j l l pm 式 中△ p 。。 广一 系 统额 定压 力 ， 3 2 MP a ； 叼 广一 马达的机械效率 ， 取 0 ． 9 5 ； 由机车在 驱动时的最高行驶速度 和驱动轮 的直径 D n 可得马达的最高转速 ／ m 3 rm x 1 0 8 r ／ mi n 4 I “／ ／ o 据此 ． 选用萨奥 D C M2 8 0 1 3 3径向柱塞马达 。 1 ． 4单 轨 吊液压 泵 的选 择 考 虑 到 单 轨 吊机 车液 压 驱 动 系统 所 采用 的容 积 调 速 回路中 ．变量泵和液压马达之间采用橡胶管和钢管 组合连接 ， 长度较短 ． 管道压力损失取 _ ．A p 2 MP a 。 液压 泵 的工作压力为 p p △ p 印r十 ．A p 3 6 MP a 5 式 中p 。 补油 泵 出 口压 力 ， 取 2 MP a ； p 管道压力损失 。 为 保 证 液 压 泵 能满 足 液 压 马 达 对 流量 的要 求 ． 液 压泵 的排 量要 满 足如 下关 系【 5 】 q。 ≥ ． q m t W4 m a x 一 1 3 6 ．5 m L ／ r 6 ～ n 式 中q 一 马达排量 ； 泵 的匹配转 速 机车四驱动时最高速度。 发 动机 的额定 转速 为 n 2 2 0 0 r ／ mi n ．液压 泵 由发 动 机直接带动 考虑溢流阀回油 ． 马达和泵效率等因素 ， 选取力士 乐 A 4 VG 1 8 0 D闭式变量柱塞泵。 2 建模仿真 2 ． 1 系统建模 单轨 吊机车在实际工作 中各参数是动态变化 的 ． 为了验证系统是否按照设计 目的运行 ． 可通过 A ME S i m 软件对单轨吊机车液压驱动系统进行建模仿真 。 该 液压驱动系统 A ME S i m仿真模型如 图 2所示 参数设定 油液密度 8 7 4 k g ／ m 3 ， 油液运动粘度 4 0 mm 2 ／ s ， 油液体积弹性模量 1 7 0 0 MP a 。 仿真时间设定为 1 s 。 采样 频率为 l k H z 。 其它参数如前文。 运用批处理对系统不同 l ～ 原动机2 一 变量泵3 一 变量机构4 一 过滤器5 ． 6 一 单 向顺序 阀 7 一 溢流阀8 一 截 断阀9 一 补油泵1 0 一 安全阀1 1 一 马达1 2 一 换向阀 图 1 液压驱 动系统原 理图 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 4年 第 0 8期 图 2液压 驱动系统 A ME S i m仿 真模 型 参数进行仿真分析 2 ． 2仿 真分 析 在机车载重量为 1 6 t 时 ， 对机车在o 。 1 0 ， 2 0 ， 3 0 o 坡度下进行仿真 ． 以验证机车速度 、 马达扭矩 、 系统工 作压力等各项参数是否满足要求 ．其响应 曲线如下 图 所示 。 由图 3可知 ． 机车速度在启动阶段 出现波动 ， 且坡 度小时速度抖动幅度最大 ． 抖动随坡度 的增大而减小 ， 在 0 ． 6 s 后达到稳定 。机车最高速度为 1 ． 5 1 m ／ s ， 与系统 设计机车的最高速度误差很小。 ● 诖 2 l XU ； l y _ 3 0 l 7 O O．8 O 4 51 0 6 1 4 3I 】 2 8 2 6 7 9 9 5 8 4 5 1 3 0 ． 1 O O2 O O ． 3 O 04 0 0 ， 5 O O6 O O 时间 ／ s 图 3不同倾角下机车的速度 由图 4可知马达 的扭矩也是随着倾角的增大而增 大 ， 当达到 3 0 。 倾角时， 马达的最大扭矩为 1 8 4 5 ． 9 2 N m， 低于所选马达的最大扭矩 2 0 3 0 N m ， 有充足 的储备系 数 。保证工作元件的使用寿命。 妄 ‘ 塞 辑 一 。 一 1 o o2 O o4 0 o ． 6 0 o 8 0 1 ． U U 时间 ／ s 图 4不 同 倾 角 下 马 达 的 扭矩 由图 5可知． 系统工作压力随着轨道倾角的增大而 升高。当巷道倾角为 3 0 。 时 ， 系统工作压力 3 1 1 ．9 6 b a r ， 与 2 6 系统额定工作压力相差很小 。当倾角为 0 。 时， 系统的工 作压力为 2 6 ． 1 8 3 b a r ， 此时工作压力较低 ， 为了提高工作 效率 ， 可以使机车换成三驱动 ， 从而提高机车的运行速 度 ， 提高生产效率。 3 5 0 3 0 0 2 5 0 2 0 0 蓄 1 器5 0 O - 5 0 1 O O 3 总结 0 1 o o 2 0 。 3 O 。 8 3 4 0 2 9 6 5 2 9 6 5 2 ＼ O O 2 0 0 ．4 0 06 O O 8 0 1 0 0 时间 ／ s 图 5不 同倾角下 系统压力 1 单轨吊机车液压 系统采用闭式容积调速 回路 ， 优选了关键元件泵和马达 2 仿真分析结果表明 ， 机车在额定载重和设计 的 不同坡度情况下 。 整车速度 、 马达扭矩 、 系统工作压力 等各项参数满足性能要求 。 系统设计合理可行。 参 考 文 献 【 1 ] 张延军． 单轨 吊机车动力 系统 的研究【 D ] ． 太原 太原 理工大学， 2 00 8． 【 2 】 王红兵 ． 节 能 回路 的对 比分析【 J ] ． 液压气 动与 密封 ， 2 0 1 0 ， 9 33 -3 6． 【 3 ] 刘 登彪， 李 翠赞， 迟 景瑞． 防爆 内燃机 式单轨 吊传动与 控制系 统研究[ J ] ． 煤 矿机械， 2 0 1 1 ， 3 8 9 9 0 ． 【 4 】 曾亿 山． 液 压 与 气动 传 动[ M】 ． 合 肥 合 肥 工业 大 学 出 版社 ， 2 00 8． f 5 】 雷天 觉． 新 编液 压工程 手册 『 M】 ． 北京 北 京理工 大学 出版社 ， 1 9 9 8 ． [ 6 】 付永领． A ME S i m系统建模 与仿真[ M] ． 北 京 北京航 空航天 大 学 出版社． 2 0 0 6 ． 【 7 】 王纪森． 基于 A ME S i m 电液力伺服 系统动态仿真研究[ J ] ． 液压 气 动与密封， 2 0 1 1 ， 1 2 1 1 - 1 3 ． ． 垒黧 _ 1 『 _ _ l 口。口。 I l } ； 2 3 4