基于Automation Studio地下铲运机制动液压系统建模分析.pdf

液 压 气 动 与 密 t d “ ／2 01 6年 第 0 4期 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． is s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ． 2 0 1 6 ． 0 4 ． 0 1 2 基于 Au t o ma t i o n S t u d i o 地下铲运机制动 液压系统建模分析 张 楠 ， 韩 飞 1 ． 营 口职业技术学 院， 辽宁 营 口 l 1 5 0 0 0 ；2 ． 北京科技大学 机械工程学院， 北京 1 0 0 0 8 3 摘要 该文以C Y 一 6 型地下铲运机的重要单元之--N动液压系统为研究对象， 该系统采用的是 S A HR型制动器系统， 其为全液压单同 路式的制动形式 ， 分析其工作原理， 并对动作执行机构及所受载荷进行研究， 在此基础之上， 应用A u t o ma t i o n S t u d i o 仿真分析软件搭建 整机制动液压系统的仿真分析模型， 对其动态T作过程进行仿真分析， 获取了系统的充液过程和制动过程的性能曲线和相关参数 ， 为 实现该种车辆制动液压系统的优化设计获得理论参考和技术支撑 ， 具有一定的T程应用价值。 关键字 铲运机； 制动液压系统； A u t o m a t i o n S t u d i o ； 模型； 仿真 中文分类号 T H1 3 7 ．7 ； T D 4 2 1 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 6 0 4 0 0 3 8 0 5 M o d e l i n g a n d An a l y s i s o n B r a k i n g Hy d r a u l i c S y s t e m f o r L HD Ba s e d o n Au t o ma t i o n S t u d i o Z HANG Na n ， HAN Fe i 1 ． Yi n g k o u V o c a t i o n a l a n d T e c h n i c a l Co l l e g e ， Yi n g k o u l l 5 0 0 0 ， C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y Be i j i n g ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a A b s t r a c t I n t h i s p a p e r , C Y - 6 一 t y p e L HD b r a k i n g h y d r a u l i c s y s t e m a s t h e r e s e a r c h o b j e c t ， t h e s y s t e m u s e s t h e S AHR t y p e b r aki n g s y s t e m， wh i c h i s s i n g l e l o o p h y d r a u l i c b r a k i n g s y s t e m． An a l y z e t h e wo r k i n g p r i n c i p l e o f t h e s y s t e m， a n d t h e a c t i o n a c t u a t o r a n d s u ffe r e d p a y l o a d． On t h i s b a s i s ， t h e a p p l i c a t i o n o f Au t o m a t i o n S tud i o s i m u l a t i o n s o f t wa r e t o b u i l d a mo d e l o f b r a k i n g h y d r a u l i c s y s t e m．S i mu l a t i o n d y n a mi c wo r k i n g p r o c e s s ． An d g e t t h e p e r f o r ma n c e c u r v e o f fi l l i n g p r o c e s s a n d t h e b r a k i n g s y s t e m a n d r e l a t e d p a r a m e t e r s ． T o a c h i e v e o p t i ma l d e s i g n t h i s k i n d o f v e h i c l e h y d r a u l i c s t e e r i n g s y s t e m t o o b t a i n a t h e o r e t i c a l r e f e r e n c e a n d t e c h n i c a l s u p p o r t ， wi t h s o me e n g i n e e r i n g v a l u e ． Ke y wo r d s LHD； b r a k i n g h y d r a u l i c s y s t e m ； a u t o ma t i o n s tud i o ； m o d e l ing ； s i m u l a t i o n 0 引言 地下铲运机 L H D 是重要的井下无轨运输设备” ， 由于其具有效率高 、 机动性好、 灵活等优点 ， 非常适合 井下狭窄 、 潮湿 、 闷热 、 多尘 的巷道 ， 是地下开采的重要 运输设备， 发展前景广阔 I 。液压系统是其重要的组成 部分 ， 整机] 二 作过程中的相关动作 ， 都是通过液压系统 实现的， 其应满足操作方便 、 高效和质量轻体积小的要 求 ， 其设计不仅对设备尺寸的大小有直接关系， 还会影 响到设备寿命的长短 ， 工作效率的高低及设备的散热 情况 ， 铲运机性能 的好坏 ， 主要取决于液压系统性能的 好 坏 ， 因此 ， 制 动液压系统是 整机最 为重要 的系 统之 一 ，是车辆安全『生的重要保证 。 整车的制动系统必须应该具备行车制动 、 辅助和 停车制动等功能， 由于工作环境和整车T况的要求， 钳 盘式的制动器已经不能满足要求， 逐渐被淘汰， 取而代 收稿 日期 2 01 5 0 7 0 3 基金项 目 辽宁省教育厅高等学校科研项目 W2 0 1 3 4 3 3 作者简介 张楠 1 9 8 3 一 ， 女 ， 辽宁营口人 ， 讲师， 硕士， 研究方向 1 程机 械液压系统没讣。 3 8 之的是以压力作为制动而弹簧松闸的全封闭多盘湿式 制动器 L C B ； 如果以弹簧作为制动、 而压力松闸， 同时 可以实现工作制动和停车辅助制动合二为一的新型制 动称为全封 闭多盘湿式弹簧制动器 S A HR ， 该种形式 的制动器 己经在不少机型上得 到应用。L C B 通 常作为 行车制动器使用 ， 此时的停车制动器同时又具备辅助 制动性能时， 可以仅仅只采用行车制动和停车制动， 此 时的液压回路必须是双向回路 ； 而当行车制动器采用 S A H R时， 可以不配用其他形式的制动器， 采取单制动 液 压 回路 向 ， 但还须配置手动松 闸液压泵及相应 的控 制装置 。 本文 以C Y 一 6 型地下铲运机 中的制动液压系统设 计为研究基础， 该系统采用的是S A H R型系统， 以系统 的T作原理为基础， 分析制动装置的动作和受力情况， 对充液阀、 蓄能器等的相关参数进行选型设计 ， 采用 A u t o m a t i o n S t u d i o 软件建立制动液压系统的仿真分析 模 型 ， 分析系统的充液过程和制动过程 ， 获取过程中相 关的性能曲线和参数， 以此检验设计计算的可靠性 ， 为 实际设计提供依据， 为实现该种车辆制动液压系统的 优化设计获得理论参考和技术支撑 ， 具有一定的工程 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 0 4 ． 2 0 1 6 应用价值 。 1 制动液压系统工作原理 制动液压 系统有两种设计方案 其一是采用恒压 变量泵 ， 而与之相配安装蓄能器单元； 其二是采用定量 泵， 而与之相配安装充液阀单元和蓄能器单元 。前者 依靠恒压变量泵单元来实现保压和卸荷； 后者利用充 液阀监控 蓄能器 的压力 ， 压力降低至下限值时向蓄能 器充液， 压力正常时， 油泵输出的压力油经充液阀向二 级系统供油 ， 变量泵成本高且保养要求也高， 定量系统 更符合国内要求 。所研究的C Y 一 6 型地下铲运机制动 系统采用的就是定量泵配充液 阀和蓄能器的液压 系统 。 C Y 一 6 型地下铲运机的制动系统采用的是弹簧制 动 液压 释 放 形式 的全 封 闭 多盘 湿 式 弹簧 制 动 器 即 S A H R型系统 ， 其采用的是全液压单回路式的制动形 式， 充液阀单元和蓄能器单元为制动器提供松 阀压 力。整机 的制动液压系统原理图如图 1 所示 ， 主要 F } j 制 动液压泵单元 、 滤清器单元 、 充液阀单元 、 蓄能器单元 、 紧急制动阀单元 、 脚制动阀单元和制动器单元等单元 组 成。 图 1 C Y 一 6型地 下铲 运机液压制动 系统原理 图 2 制动液压系统制动力的计算 地下铲 运机制 动系统一般应具备行 车制 动功能 、 辅助和停车制动功能。如果行车制动是采用全封闭多 盘湿式液压制动器 例如L C B制动器 ， 而其停车制动又 同时能够满足整车的辅助制动性能要求 ， 那么整机也 可仅配备行车和停车制动器， 但此情况下的制动液压 系统的回路必须是双回路式结构。而如果行车制动是 通过采用全封闭多盘湿式弹簧制动器 例如P O S I ～ S T O P 制动器 ， 那么， 地下铲运机可不另外配置辅助制动器和 停车制动器 ， 但制动液压回路应采取单 回路 ， 但必须配 置手动松 闸液压泵及相应 的控制装置 1 。 C Y 一 6 型地下铲运机 ， 安装使用的是K E S S L E R的 液压释放弹簧制动的P O S I S T O P 制动器， 地下铲运机 只装有行车制动器而不再配置辅助制动器和停车制动 器 ， 而且制动液压回路是液压单回路， 并配置有手动松 闸液压泵 。 依据 轮胎式土方机械制动系统的性能要求和试 验方法 G B 8 5 3 2 8 7 4 8 J G ／ T 4 9 1 9 9 9 中对所研究车辆 制动性能的相关要求I ， 当整机的最高车速小于3 2 k m ／ h ， 且满载 时整机的最大工作质量不小于 3 2 0 0 0 k g 时 ， 行车制动的制动距离需满足 s 0 ／ 4 4 0 ． 1 3 2 一 0 1 地下铲运机制动力矩等 的计算按照以下情况进行 计算。 1 按所需制动距离计算 采用 四轮制 动的运输 机械 ， 当其运行在水平路 面 上时， 其工作时所要求的总制动力矩为 M 6 G ‘ 口 ‘ r k 2 式中 n 。 V 2o ／ [2 5 ． 9 2 s 。 一 。 ‘ ￡ 。 ／ 3 ． 6 l ； G _整机工作质量 ， k g ； r 车轮滚动半径 ， r 0 ． 8 9 9 m； ’ 卜单元 回转质量的换算系数 ， 一般取 1 ． 1 ； 『 _ 一 制动 初速度 ， k m ／ h， 内燃铲运机 车该 值取 值为2 0 k m ／ h ， 电动铲运机车该值取值为1 0 k m ／h ； s 。 当／3 ---- “ V o 时的制动距离 ， m； 当最高运行速度 小 于 3 2 k m ／ h ， 且 满载 时整机 的最 大工作质量 大于 3 2 0 0 0 k g 时， 制动所需距离采用公式 1 计算； t l系统发生制动时的滞后时间， s ， 所研究系 统该值取O ． 2 s 。 C Y 一 6 型地下铲运机制动初始速度 V o 2 0 k m ／ h ， 获 取相应 的制动的距离 S o 1 0 ． 2 9 m， 制动过程 巾的减速度 a ． 1 ． 6 8 ri d s ， 已知 C Y 一 6 型地下铲运机 当其满载时整机 的T作质量为4 8 4 5 0 k g ， 带人公式 2 可得M 8 0 5 5 2 ．9 Nm。 2 按坡道上驻车计算 总制动力矩 工作制动总制动力矩 M 。 9 ． 8 G ‘ s i n 1 4 ” r 3 计算可知 Mp 1 0 3 2 6 5 ．4 N m 结合式 2 、 式 3 可知行车制动所需总的制动力 矩表示为 M 8 m a x { M ⋯ M P l } 4 故 ， 其取值为 1 0 3 2 6 5 ． 4 N m。 液 压 气 动 与 密 封 ／2 O1 6年 第 04期 3 按附着条件校核总制动力矩 水平路面T作制动力矩 MB 9 ． 8。 G 6 ‘ ‘ r k 5 式 中 路 面与车轮之间的滑动摩擦系数 ， 此处取 0 ． 6 ； 可以求得Mq z 为 2 8 1 7 2 3 ． 8 N r n 。 4 制动力矩的确定 综合考虑式 2 、 式 3 和式 5 的计算求解结果 ， 可得工作制动的总力矩表示为 M m in i M } 6 则 ， 其取值为 1 0 3 2 6 5 ． 4 N m。 获取 的数值之后 ， 即可再重新计算 得到 a 2 ． 1 6 m／ s ， s 8 ． 27 m。 5 制动盘压力的确定 车辆制动的条件是所有车轮产牛的总的制动力矩 大于或等于整机的行车制动 的总力矩 ， 即满足 4 F 。 l n ． 凡 一1 -f ‘ ≥ 7 式 中n i单个制动器 内静摩擦片的个数 ； 单个制动器 内动摩擦片 的个数 ， 通常情况 下取 n j ir t 。j 1 ； 卜为动摩擦盘和静摩擦盘之间的摩擦系数 ， 其取值区间为0 ． 0 8～0 ． 1 0 ； 卜摩擦盘上的压力 ， N。 综上可知 F 2 1 5 l 3 6 ． 2 5 N， 且 F p ‘ A 一F 8 式 中p 表示 作用 于摩擦衬块上 的压力值 ， MP a ； 1 9 3 ． 0 3 MP a ； ≤ 】 ； l p lJ ] 摩擦衬块许用压力 ， MP a ； 摩擦盘有效面积 ， m 。 A ． 盯 尺 一 尺 9 式中 尺 。 、 尺 分别表示摩擦衬块的IJ ,l b 径取 ⋯； 由结构形式和厂商的尺寸列表等决定 ； ， 表示制动器内活塞回位弹簧的相应作用 力取值 ， N； 一般取 0 ． I F； 摩擦盘 量摩擦半径 ， m。 6 松闸压力 的计算 使系统完全松闸需要满足的条件是 制动器内液 压的压力取值需要达到甚至超过松闸压力的额定取值 的0 ． 9 以上 ， 即满足 0 ． 9 p。 F 1 0 可以求得P的取值为 1 0 ． 7 MP a 。 液压系统的松 闸油压 p 不能随便选取 ， 应与脚制动 阀和充液阀性能参数相匹配。 3 制动液压系统仿真模型 C Y 一 6 型地下铲运机制动系统安装的是 MI C O公司 生产的单回路式液压充液阀系统 ， 所谓的单双回路式 系统是指相应 阀体是 同时还是各 自独立控制前桥与后 桥的制动器 ， 所研究的单回路式的系统中， 充液阀单元 能够将 蓄能器单元 和制 动阀单元连接在一起 ， 其可 以 控制蓄能器单元的重要参数充油量和压力 ， 当其压力 达到系统预设 的上 限时 ， 系统会操纵充液 阀使得其 自 动停止为系统供油； 相反的压力降到预设的下限时， 充 液阀开启继续 为系统供油 I 。 如图2 所示为充液阀单元 的充液原理图， 充液阀控 制单元包括带压力设定的先导控制阀单元 、 单向阀及 节流阀单元、 压力补偿器 主阀 单元等j部分组成 。 ，。 先 撞 制 阀 一＼ } 『I n ] 图 2 充液 阀充液原 理图 由图 2 可知 ， 充液 阀的工作实现是操纵调整 向蓄能 器充液压力的上下限数值 ， 其压力 的上下 限值在 出厂 时已经设置完成， 但仍可以微调， 通过调节上下限压力 来满足系统不 同压力要求” H o先导控制 阀和主阀的阀 芯的移动决定了蓄能器的充液范同 蓄能器充液上下 限不是由自身决定的 ， 对于充液阀中的重要单元先导 控制 阀的受力情况分析 ， 如图 3 所示 涧 E 泵 觅液状态 f 『 I1 液 出冷却等 图3充液阀充液过程中蓄能器压力变化示意图 Hy d r a ul i c s Pn e uma t i c s Se a l s ／ No． 0 4． 2 0 1 6 由图 3 可知在充液 阀充液上下限一定的情况下 ， 先 导控制阀的弹簧力 与先导控制 阀的控制油 口的面积成 正 比 。 图 4 和 图5为充液 阀充液过程 与非充液过程 中压 力补偿阀与先导控制阀阀芯位置的变化。压力补偿阀 充液 阀主阀 决定 了蓄能器 的充液能力 ， 主阀在先 导 控制 阀的作 用下使充 液 阀处 于充液状态 和非充液状 态 ， 以及这两种状态之间的切换。此外 ， 主阀还具有保 持充液阀节流 口的两端压差恒定 ， 即维持充液阀充 液 速度恒定” 。 图 4充液阀充液过程示意 图 图 5充液阀非充液过程示意 图 基于 以上 分析 ， 采用 A u t o ma t i o n S t u d i o 搭建 C Y 一 6 型铲运机制动液压系统仿真模型如图6 所示 图6 制动液压系统A u t o ma t i o n S t u d i o 仿真模型 4 仿真结果分析 图7 表示蓄能器充液过程中压力流量变化曲线， 当 发动机带动制动泵工作， 蓄能器内部压力升高， 先达到 蓄能器设定压力 9 0 b a r 。随着充液 阀为蓄能器充液 ， 蓄 能器压力从 9 0 b a r 开始逐渐升高 ， 充液过程中 ， 充液速 度 一 直 维 持 在 1 0 L ／ m i n左 右 。 当 蓄 能 器 压 力 达 到 1 8 6 b a r 充液 阀充液上 限 时 ， 压力便不再升高 ， 此时充 液阀充液速度变为0 ， 停止充液， 其中， 蓄能器的压力从 9 0 b a r 增加到 1 8 6 b a r 的过程 中， 所对应的充液时间则为 6． 5 s 。 1 一 蓄能器压力 曲线 ， b a r 2 一 充液 为蓄能器充液流苗 fl } I 线 ， L ／ mi n 图7蓄能器充液过程 中压 力流 量变化 曲线 图 8 所示为蓄能器放液过程 中压力流量变化曲线 ， 蓄能器放液为制动器提供松闸压力的过程十分迅速， 约为0 ． 5 s 的时间蓄能器压力从 1 8 6 b a r 降到 1 b a r 左右， 此后若充液 阀不及时为蓄能器充液 ， 则其 蓄能器 的内 部压力将 出现波动 ； 在地下铲运机实际工作中 ， 当蓄能 器 内部 压 力 低 于 1 5 5 b a r 时 充 液 阀便 自动 为 蓄 能器 充液。 1 一 蓄能器压力 曲线 ， b a r 2 - 充液阀为蓄能器充液流 曲线 ， L ／ mi n 图8蓄能器放液过程中压力流量变化曲线 图 9 表示制动器连续制动过程 中制动器内压力变 化 ， 当地下铲运机正常行驶不进行制动时， 制动器 内压 力 1 1 0 ． 3 b a r ， 略高于松闸压力 1 0 7 b a r 。当驾驶员操作 脚踏板进行制动操作时 ， 制动器 内的液压油流 回到液 压油箱中， 而制动器在0 ．3 5 s 内压力从 1 1 0 ． 3 b a r 迅速降 图9制动过程中制动器内压力变化曲线 4 1 液 压 气 动 与 密 封 ／2 O 1 6年 第 0 4 ． 期 到 3 2 b a r ， 此 时制动器压力小于 回位 弹簧 的弹力 ， 回位 弹簧可以使制动器内部的动摩擦片 、 静摩擦片相互压 紧从而使得整车发生制动而实现停车。 5 结论 制 动系统是 铲运 机组成 中最重要 的安 全保 障系 统， 其性能的好坏将会直接影响到整机的安全可靠性， 本文详细分析研究 了C Y 一 6 型地下铲运机的制动液压 系统 的T作原理 ， 并对动作 机构及所受 载荷进行 了相 关分析研 究 ， 并 且在此基石 f l ； 上 ， 采用 A u t o ma t i o n S t u d i o 建立 了制动液压系统仿真分析模型 ， 通 过仿 真分 析液 压系统充液过程和制动过程等工况， 获取了铲运机在 相应T况制动的性能 曲线和参数 ， 铲运机制 动系统 的 充液 阀为蓄能器充 液时间为 6 ． 5 s ， 制动的响应 时间为 0 ．3 s ， 制动器释放的时问为0 ．5 s ， 此值满足地下铲运机 实 际工作时 的安全性要求 ， 仿 真分析检验 了设计 过程 的可靠性与准确性 ， 可以作为实际设计的参考， 为实现 该种车辆制动液压系统优化设计获得理论参考和技术 支撑 ， 具有一定 的T程应用价值 。 f 2 ] 高梦雄． 地下装载机[ M] ． 北京 冶金丁业m版社， 2 0 1 1 1 2 1 ． 【 3 】 K i m S G ， K i m J H， L e e W S ． H y d r a u l i c S y s t e m D e s i g n a n d V e h i c l e Dy n a mi c Mo d e l i n g f o r t h e De v e l o p me n t o f a T i r e Ro l l e r 『 J 1． I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f C o n t r o l ， A u t o m a t i o n a n d S y s t e m s ， 2 0 0 3 ， 1 2 1 4 8 4 4 9 4 ． 『 4 14 张银彩， 苑土华， 胡纪滨． 城市公交车辆液压节能装置的研 究 『 J 1． 农业 机械学报， 2 0 0 7 ， 3 8 6 3 4 3 7 ． 1 5 l 金智林， 段博文， 土睿， 等． 基于 A ME S i m的电控液压制动系 统动态性能分析I J 1 ． 重庆理T大学学报 自然科学版 ， 2 0 l 4 ， 2 8 3 1 5 ． [ 6 】 石峰， 冯孝华， 顾洪枢， 等． 地下铲运机T作机构定量泵液 压控制系统的设 t - [ J ] ． 矿冶， 2 0 1 1 ， 1 9 3 8 5 9 0 ． 『 7 1 候惠萍， 刘混举， 牛 兵． 基于故障树 的掘进机液压系统可 靠性仿真分析l J 1 ． 液压与气动， 2 0 1 3 ， 4 7 9 8 2 ． [ 8 1 李联玉 ， 王晶， 周义清． H D E 6 0 7 型液压挖掘机常见故障诊 断及排除l J 1 ．液压气动与密封， 2 0 1 2 ， 3 2 9 5 9 6 1 ． 【 9 】 金智林， 郭立书， 施瑞康， 等． 汽车电控液压制动系统动态性 能 分析及试 验研究 l J 1． 机械 _ 1 程 学报， 2 0 1 2 , 4 8 1 2 1 2 7 1 3 2． I 1 0 l冯孝华， 石峰， 顾洪枢， 等． K C Y 一 4大型地下铲运机液压系统 设计与计算f J 1 _ 有色金属 矿【 I J 部 ．2 0 1 1 ， 6 3 1 5 1 5 7 ． 【 I 1 1 ]于淼， 石博强． 基于A ME S i m的铰接式白卸牟液压制动系统 一 。 慧 展 起 来 。 参 考 文 献 掌 妻 2 篓 篓 妻 I l】 王 峻 乔 琏 续 油 管 技 术 lJ 1-石 油 矿 场 机 械 2 0 4 大 块 碎 屑 物 较 多 ，没有成理想状态返m； 直井在钻磨过 ⋯ ’。 ⋯ ⋯’ 一 ～ 程 中很平稳 ， 返出物成理想状态返出。 [ 2 1 茹淼 ，唐佳， 袁振宇． 连续油管技术在中石油浅海修井平台上 5 结论与建议 的 应 探 邯1 ．钏r 液 与 完 液 ， 2 0 1 1 ，2 8 S 1 6 6 6 8 连 续 油 管 修 井 技 术 相 比 于 传 统 修 井 技 术 ，具 有 通 翟 茎 蒸 平 井 Ⅲ ．同 外 石 过性强、 安全风险低 、 作业效率高、 施工成本低等优势， 油机械_1 9 9 8 ， 1 8 23 ． 特别是针对水平井修井作业 ， 作用更加明显。国内连 【 5 】 贺会群．连续油管技术与装备发展综述【J I．石油机械，2 0 0 6 ，3 4