重型矿用自卸车液压制动系统建模与仿真.pdf

杠 拭 第 4 5卷 f 第2 期 总第4 8 4 期 3 结束语 本文建立的全路面起重机轴荷疲劳损伤评估系统， 使多轴车辆底盘部件的疲劳累积损伤评 估过程 变得简 单，是研究重型多轴驱动车辆零部件疲劳寿命的一个较 好的方法。 该评估系统的特点是 评估的依据是车辆生命 周期所记载的载荷数据， 对疲劳寿命的研究较有价值； 通 过 T L A B软件和 A NS Y S 软件对评估系统进行模拟仿 真 ， 证 明此系统在软件实现方面的可行性。 该评估系统的 不足之处在于未考虑载荷的加载次序对部件疲劳损伤的 影响 ， 需进一步研究和完善 。 参考文献 【 1 】 王兴东， 杨波 ． 邹光明 多轴汽车轴荷分配和转移的计算方 法研究仍． 湖北工业大学学报， 2 0 0 6 ， 2 I f3 j ， 1 6 5 1 6 7 ． 【 2 1 姚卫星． 结构疲劳寿命分析 f M1 北京国防I业出皈社， 2 D 0 3 ． [ 3 】 金丹 ， 陈旭． 多轴随机载荷下的疲劳寿命估算方法m． 力学 进展． 2 0 0 6 3 6 1 6 5 7 4 【 4 赵勇铭． 多轴疲劳寿命模型及疲劳试验谱编制方法研究 I D I ． 南京 南京航空航天大学 ． 2 0 0 9 [ 5 1 谭继锦， 张代胜． 汽车结构有限元分,p i f M1 ． 北京 清华大学 出坂 社 ． 2 0 0 9 ． 【 6 】 董长虹． MA T L A B信号处理与应踊[ M1 ． 北京 国防I业出 皈社 ． 2 0 O 5 ． 【 7 1 彭禹．郝志勇． 基于有限元和多体动力学联合仿真的疲 劳寿命预测m ． 浙江大学学报 I学皈 ， 2 0 0 7 ． 4 1 2 3 2 5 3 2 8 ， 3 41 ． 【 8 】 汪宏． 基于MAT L A B的疲劳寿命预溯研究 I D 1 ． 西安 长 安大学． 2 0 0 9 ． 1 9 1 阳光武． 机车车辆零部件的疲劳寿命预测仿真 l O 1 ． 或 都 西南交通大学． 2 0 0 2 通讯地址 山西省太原市万柏林区窳流路 6 6号太原科技 大学 0 3 0 0 2 4 收稿时间 2 0 1 3 - 1 0 - 2 6 重型矿用自卸车液压制动 系统建模与仿真 * 李小飞 ’ ， 倪文波 ’ ， 王雪梅 ’ ， 李涛 1 ． 西南交通大学机械工程学院； 2 ． 南车广州电力机车有限公司 摘要 I 以载重量为 2 2 0 t 的电动轮矿用自卸车液压制动系统为研究对象 ， 对其工作原理进行理论分析 ， 利用 A ME S i m仿 真平台， 结合各组成元件的输出特性曲线， 建立各主要组成元件的仿真模型 ， 并搭建整个液压制动系统的仿真模型 。依据 土方机械 轮胎式机器 制动系统的性能要求和试验方法 G B ， 1 - 2 1 1 5 2 2 0 0 7 ， 对行驶速度低于 8 k m ， h时的制动工况 及速度为 3 0 k m／ h且电制动失效时的制动工况进行模拟仿真 ，以达到对正在研制的 2 2 0 t 电动轮矿用自卸车制动性能的 验证和预测 目的。结果表明， 该液压制动系统的行车制动压力和电制动失效时的制动压力均满足车辆制动要求。 关键词 矿用自卸车； 液压制动 ； 仿真 基金项 目 中央高校基本科研业务费专项资金资助 S WJ T U1 2 C X 0 4 3 作者简介 李小飞 1 9 8 8 一 ， 男， 四川安岳人， 在读硕士， 研究方向 车辆制动系统研究。 2 0 ’2 I 工 敝』 2 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 试验 研究 T e s t a n d R e a s e a r c h 矿 用自卸车因具有作业效率高 、 运营成本低等优势 ， 在各矿区得以广泛运用。本文分析对象为南车广州电力 机车有限公司正在研制的电动轮矿用 自卸车， 自重约 1 7 o t ， 满载后总重达 3 9 0 t ， 最高行驶速度可达 6 0 k m ／ h 。其制 动系统在行车制动上采用电制动和液压制动两种方 式 行驶速度高于 8 k m ／ h时 ，自卸车采用电制动方式调速 ； 行驶速度低于 8 l m ／ h时 ， 自卸车采用液压制动方式调速 并停车。 本文主要研究行驶速度低于 8 l n ／ h 时的液压制 动功能以及速度为 3 0 k m／ h 且 电制动方式失效时的液压 制动功能。利用A 3 V t E S i m对车辆的液压制动系统进行建 模和仿真， 通过对仿真结果的分析， 完成对车辆液压制动 系统性能的验证和预测 。 1 液压制动系统结构原理 自卸车液压制动系统具有行车制动、 驻车制动、 装载 制动和制动 自动施加等功能。行车制动为车辆正常行驶 过程中的制动功能 ； 驻车制动用于车辆停止后 特别是车 辆在坡道停放的情况 固定车辆 ； 装载制动主要用于车辆 转 装载或卸载 的情况 ；制动 自动施加是指 当任何一个制动 蓄能器压力低于预设水平时， 系统自动施加制动功能 ， 使 车辆尽快停车。 图 1 为矿用 自卸车液压制动系统原理图 ，行车制动 工作原理为 当踏板 阀 4 处于 自由状态时 ， 电磁 比例制动 阀 9 失电， 继动阀 1 0 左侧先导口通过电磁比例制动阀9 接通油箱，右侧先导口通过电失效阀组 1 6 接通油箱， 制 动缸无制动压力输出； 当踩下踏板一定角度时 ， 电磁比例 制动阀 9 得电， 继动阀 1 0 左侧先导口通过电磁比例制动 阀 9 接通制动蓄能器 6 ，继动阀 1 0动作，制动蓄能器 6 向制动缸供油， 制动缸正常输 出制动压力， 且输 出压力与 踏板阀转动位移呈线性关系 ； 当松开踏板时， 踏板阀 4 在 复位弹簧的作用下恢复自由状态，制动缸输出压力恢复 至零 。 电制动失效时的制动工作原理为电失效阀组 1 6 失电 ，踏板阀 4 压 力输出 口通过 电失效阀组 1 6与继动 阀 1 0的先导 口接 通 ， 当踏板 阀 4 处于 自由状态时 ， 其压 力输出 口无压力输出 ， 制动缸无压力输出 ； 当踩下踏板 1 ． 踏板阀蓄能器2 ． 驻车制动电磁阀3 ． 驻车制动器4 ． 踏板阀 动器9 ． 电磁比例制动阀 1 0 ． 继动阀l 1 ． 制动 自动施加电磁阀 电失效阀组 1 7 ． 装载制动电磁阀 l 8 ． 减压阀 1 9 ． 后桥制动器 2 8 1 工 氟 械 l 2 0 14 。2 J 5 ． 单向阀6 ． 制动蓄能器7 ． 制动蓄能器放油阀8 ． 阀驱 1 2 ． 梭阀 l 3 ． 减压阀 1 4 ． 电磁阀 1 5 ． 前桥制动器 1 6 ． 图l 自卸车液压制动系统原理图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 缸 械 第 4 5 卷 I 第2 期 总第 4 8 4期 0 。 2 0 。 时 ， 踏板 阀 4的压 力输 出 口仍无压 力输 出 ， 制动 缸也无压 力输出 ； 当踩 下踏板 2 0 。 2 5 。 时 ， 踏板 阀 4 压 力 输出口向继动阀 1 0的右侧先导口输出压力， 继动阀 1 o 发生动作， 制动蓄能器 6 通过继动阀 1 0向制动缸供油， 制动缸输 出一定制动压 力； 当松 开踏板时 ， 踏板 阀 4 在 复位弹簧的作用下恢复 自由状态， 制动缸输出压力恢复 至零。 2 液压制动系统建模 本文借助 A ME S i m仿真平 台，主要运用其液压元件 库和液压元件设计库 H C D中的模块进行建模和仿真。 在 自卸车 各种液压制动方式中， 行车制动最为常用 ， 驻车制 动和装载制动都采用独立回路，较为简单。故建模过程 中， 对原液压制动系统进行一定简化 ， 不考虑驻车制动和 装载制动回路； 另外， 忽略路面条件的影响， 即简化的自 卸车液压制动系统模型中不包含路况阀组，主要由踏板 阀、 电磁比例制动 阀、 继动阀、 制动缸 、 蓄能器 、 管路和油 箱等部分组成。 2 ． 1 踏板阀的仿真模型 矿用自卸车液压制动系统所采用踏板阀为 MI C O液 压制动 阀，由于 A ME S i m 中的液压元件库中没有该踏板 阀模型， 故本文利用液压元件设计库 H C D中的模块对其 进行建模 。 所建立踏板阀的仿真模型如图 2 所示 ， 根据踏 板阀实际结构 ， 设定其阀芯直径为 2 0 1 1 1 1“1 1 ， 阀芯最大位移 取 1 0 11 1 1 1 1 。 图2 踏板阀的仿真模型 图 3为踏板阀的角度位置与输出电流的关系 ，踏板 转角与输出电流呈线性比例关系 ， 满足产品样本嗣 要求 ； 图 4 为踏板阀仿真特性曲线与产品样本特性曲线，图中 曲 1 为仿真踏板作用力， 曲线 2 为产品样本踏板作用力， 曲线 3为产品样本输出压力， 曲线 4为仿真输出压力， 据 图可知， 其仿真特性曲线与产品样本旧 特性曲线基本一致。 2 ． 2 电磁比例制动阀的仿真模型 系统所采用电磁比例制动阀型号为E B V M MS 0 8 N， 号 三 簿 苣 窿 蛰 踏板转 角／ 。 图3 输出电流与踏板转角的关系 塞 善 簿 图4 踏板阀仿真特性曲线与样本特性曲线 所建立仿真模型如图 5 所示， 根据其实际结构 ， 设定阀芯 直径为 1 0 1 T I I T I ， 弹簧刚度为 1 8 N ／ ra m， 弹簧预压力为 1 8 0 N。图 6 为所建 电磁 比例制动阀模型的特性 曲线， 即阀出 芝 董 图 5 电磁比例制动阀的仿真模型 ． ／ ／ ， l ＼ r 厂 输 入电流／ A 图6 电磁比例制动阀出口压力响应曲线 2 0 2 I 霏 杠 献 J 2 9 m 8 6 4 2 0 ∞ 加 ∞ ∞ 印 ∞ 加 O 6 5 4 3 2 ● 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 试验 - 研究 T e s t a n d R e a s e a r c h 口压力随输入电流信号变化的响应曲线，图中曲线 1 为 产品样本曲线， 曲线 2为仿真曲线 ， 据图可知， 仿真曲线 与产品样本17 1 曲线相符。 2 ． 3 继动阀的仿真模型 液压制动系统采用 MI C O液压继动阀，所建立继动 阀仿真模型如图 7 所示 ， 根据其实际结构， 设定阀芯直径 为 2 0 i n n 1 ， 弹簧刚度为 5 ． 9 N／ m m， 弹簧预压力为 5 9 N。 图 8 为所建继动阀模型的特性曲线， 即阀出口压力随先导压 力变化的响应曲线， 该曲线符合继动阀产品样本嘲 对特性 曲线的要求 p 2 ． 9 6 5 m a x p 1 ， P 2 一 8 1 ． 3 6 5 ／ 1 4 5 1 式中 为阀出口压力； p 、 P 为先导口压力。 图7 继动阀的仿真模型 先导 口压力／ MP a 图8 继动阀出口压力响应曲线 2 ． 4 液压制动系统的仿真模型 除踏板阀 、 电磁比例制动 阀、 继动阀外 ， 液压制动系 统还包含制动缸、 蓄能器、 管路及油箱等元件。根据所选 元件的实际结构 ， 采用液压元件库中的元件或利用 HC D 库模块进行建模 ， 其主要参数如表 1 所示 。 最后可得出整 个自卸车液压制动系统的仿真模型， 如图9 所示。 3 仿真结果分析 矿用自卸车的制动通过踏板阀操纵时，一种制动操 3 。 J 霏 杠 敞 J 20 f4 ．2 表 1 其他主要参数设定 元件 参数名称 参数值 活塞直径 ／ m m 8 0 前桥制动缸 阀芯质量 ／ k g 2 0 ． 0 3 排量／ e m 4 1 活塞直径 ／ m m 6 8 ．4 后桥制动缸 阀芯质量／ k g l 3 ． 8 2 5 排量 ／ e m 4 7 ． 5 体积， L 8 踏板阀蓄能器 初始压力 f MP a 1 7 体积 ／ L 8 前桥制动蓄能器 初始压力 ／ MP a 2 0 ． 7 体积 ， L 8 后桥制动蓄能器 初始压力／ MP a l 3 ． 8 作方式为 缓慢地踩下制动踏板， 即对踏板阀输入比例信 号 ， 使制动缸输出近似线性比例的制动压力； 另一种制动 操作方式为快速踩下制动踏板在一定位置并保持该踏 板角度不变， 使制动缸产生平稳的制动压力。 故仿真过程 中 ， 可用如图 1 O 所示的比例输入信号和矩形输入信号来 表示上述两种操纵 。 利用仿真模型对车辆行驶速度低于 8 k m／ h的情形 和车辆行驶速度为 3 0 k m／ h 且电制动失效的情形进行仿 真 ， 结果如图 1 1 、 图 1 2 所示。 图 1 1 为在速度低于 8 k m／ h的情形下 ，制动缸压力 随踏板转角变化的响应曲线。 其中图1 1 a 为制动缸压力 对比例输入信号的响应曲线 ， 踏板转角在 0 。 ～ 5 。 内， 制动 缸基本无压力输出，这主要是由电磁 比例制动阀的死区 所导致 ； 5 o - 2 5 。 内，制动缸压力与踏板转角呈近似的线性 关系。而 自卸车前桥制动缸工作压力为 1 6 MP a ， 最大压 力为 2 0 ． 7 MP a ， 后桥制动缸工作压力为 5 MP a ， 最大压力 为 1 3 ． 8 MP a ，此时制动缸压力对比例信号的响应曲线满 足要求。 图 1 1 6 为制动缸压力对矩形输入信号的响应曲 线， 图中曲线 1 为前桥制动蓄能器压力曲线， 曲线 2 为前 桥制动缸压力曲线， 曲线 3 为后桥制动蓄能器压力曲线， 曲线4 为后桥制动缸压力曲线。 据图可知， 在多次连续制 动过程中 ，制动蓄能器压力逐渐降低，但仍然能够保证 前 、后桥制动缸第 6 次制动压 力均大于初次制动缸压力 的 7 0 ％， 前 、 后桥制动缸压 力达到工作压 力， 车辆最大制 动减速度为 1 ． 6 7 m／ s ，车辆速度在 2 ． 0 3 S 内减小至零， 故 6 4 2 O 8 6 4 2 O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 杠 械 第 4 5 卷 I 第2 期 总第48 4期 ，_、 0 、 鬈 整 图 9 自卸车液压制动系统的仿真模型 ／ ’ ．／ ．／ ／ ‘ ．／ 0．0 0．2 0 ． 4 0．6 0 ． 8 1 ． 0 时间， s 一 埤 整 I I V L O 2 4 6 8 1 0 l 2 l 4 时 间， s a 踏板阀输入比例信号 b 踏板阀输入矩形信号 图 1 0 踏板阀输入信号 制动缸压力响应及安全制动次数能够满足 土方机械 轮 胎式机器 制动系统的性能要求和试验方法 G B ／ T 2 儿5 一2 0 0 7 。 在车辆行驶速度为 3 0 k m ／ h 且电制动失效的工况 下 ， 需要快速踩下制动踏板以实施制动， 即前文所述的对 制动踏板输入矩形信号 ， 此时 ， 制动缸压力对矩形输入信 号的响应曲线如图 1 2 所示。据图可知 ， 多次连续制动过 程中， 制动压力响应迅速 ， 随着制动次数的增加， 制动蓄 能器压力逐渐降低 ， 但经过计算 ， 前、 后桥 制动缸第 6次 制动压力均大于其初次制动缸压力的 7 0 ％， 前、 后桥制动 缸压力达到工作压力， 车辆最大制动减速度为 1 ． 6 7 m／ s 2 ， 车辆速度在 5 ． 7 S 内减小至零，故制动缸压力响应及安全 2口 ‘2 I 工 稚 献 『 3 1 加 。 m 0 加 m 5 O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 试验 研究 T e s t a n d R e a s e a r c h 2 O l 5 誉 一0 5 0 矗 塞 磊 踏板转角／ 。 I ／ I -一 1 _ _ - ●- - ●_一 声 一 ● - 一 一 ， 二 ] 一 3 _l ■ __ ．I I I - 、 一 L 0 2 4 6 8 1 O l 2 1 4 时问， s a 制动缸压力对比例信号的响应曲线 b 制动缸压力对矩形信号的响应曲线 图 l 1 速度低于 8k n d h的行车制动仿真结果 2 4 0 2 4 6 8 l 0 l 2 1 4 时间／ s 图 1 2 速度为3 0 k m／ b且电制动失效时的液压制动仿真结果 制动次数均能够满足 土方机械 轮胎式机器 制动系统 的性能要求和试验方法 G B ／ T 2 1 1 5 2 --2 0 0 7 。 4 结论 本文对南车广州电力机车有限公司所研 制矿用 自卸 车的液压制动系统工作原理进行 了详细分析。结合各元 件产品样本中的特性曲线， 建立了踏板阀、 电磁比例制动 阀、 继动阀等主要元件的 A ME S i m仿真模型， 并经过参数 调节 ，最终使各元件仿真模型的输出特性曲线与产品样 本相符。利用所建立元件模型及液压元件库中的其他元 件， 搭建了整体液压制动系统的仿真模型。依据 土方机 械 轮 胎 式机 器 制 动系 统 的 性能 要 求 和 试验 方 法 G B ／ T 2 1 1 5 2 2 0 0 7 ，分别分析了行驶速度低于 8 k m／ h 的制动工况及速度为3 0 k m ／ h 且电制动失效时的制动工 况， 仿真过程中， 对制动踏板输入的角度信号分别考虑了 比例信号和矩形信号， 仿真分析结果表明， 在蓄能器提供 3 2 l 械 I 2 0 1 4 ．2 J J 制动能源的情况下 ，该液压制动系统的制动压力及安全 制动次数均满足车辆制动要求，使白卸车在规定时间内 停车。 参考文献 【 1 1罗春雷， 赵遵平． 张友林 2 2 0 t 电传动矿用自卸车全液压制 动系统设计 ． 工程机械， 2 0 0 8 ， 3 9 3 6 6 6 l 2 】 陈卫平．徐家祥． 基于A ME S i m的 l o t 叉车液压制动系 统建模与仿真m． 起重运输机械 ． 2 0 1 2 4 7 4 7 6 ． 1 3 】 于淼．石博强． 基于A ME S i m的铰接式自卸车液压制动系 统建模与仿真m． 机床与液压． 2 0 0 9 ． 3 7 3 1 5 2 - 1 5 4 【 4 】 王展． 全液压制动系统仿真分析与实验研究p1 ． 吉林 吉林 大学， 2 0 1 2 ． [ S l付永领 ． 齐海涛． L MS I m a g i n e ． L a b A ME S i m系统建模和仿 真实侧教程[ MI ． 北京北京航空航天大学出版社， 2 0 1 1 ． [ 6 1 美国 MI C O公司 MI C O液压制动阀产品样本口 哪． 2 0 0 3 ． 美国 MI C O公司． E B V系歹 lj 电液比椤 l l翩动阀产品样本I M】 ． 2 0 0 3 ． 【 8 】 美国MI C O公司． MI C O液压继动阀产品样本I M1 ． 2 0 0 3 ． [ 9 1 G B ／ T2 1 I 5 2 _2 o 0 7 土方机械 轮胎式机器 制动系统的 性能要求和试验方法【S 】 通信地址四川省成都市金牛区二环路北一段 1 1 1 号西南 交通大学机械工程学院研 1 1 4班 2 0 9号信箱 6 1 0 0 3 1 收稿日期 2 0 1 3 - 1 0 - 1 6 加 m 5 0 跫 8 6 4 2 O 8 6 4 2 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m