矿用履带车行走限速系统液压马达制动特性分析.pdf

2 0 1 5年 4月 第 4 3 卷 第 8 期 机床与液压 MACHI NE T00L HYDRAUU C S Ap r ． 2 0 1 5 Vo 1 ． 43 No ． 8 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 0 8 ． 0 1 7 矿用履带车行走限 速系统液压马达制动特性 分析 王治鹏 ，高贵军 ，刘邱祖 ， 李胜 ， 董强 ’ 1 ．太原理工大学机械 工程 学院 ，山西太原 0 3 0 0 2 4； 2 ．山西省矿 山流体工程 实验室 研究 中心 ，山西太原 0 3 0 0 2 4 摘要以矿用履带车行走作业工况为依据 ，确定采用行走限速制动回路。采用功率键合图建立履带车行走作业时行走 限速系统数学模型，得到液压回路的状态方程。在此基础上利用 A ME S i m仿真软件建立系统的仿真模型．分析背压阀的预 紧力 、弹簧刚度和阻尼孔直径对马达液压制动特性的影响。结果表明阻尼孔直径对液压马达制动特性的影响最大，弹簧 刚度的影响次之，预紧力的影响最小。 关键词限速系统 ；功率键合图；A ME S i m仿真；液压制动 中图分类号 T H1 3 7 ． 5 1 文献标 志码 A 文章编 号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 5 8 - 0 4 9 3 An a l y s i s o n Br a k i n g Ch a r a c t e r i s t i c o f Hy d r a u l i c M o t o r f o r W a l kin g Sp e e d Li mi t i ng Sy s t e m o f M i ne Cr a wl e r Ca r WA N G Z h i p e n g ， G A O G u i j u n ，L I U Q i u z u l _ ， L I S h e n g I - ，D O N G Q i a n g ， 1 ． C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， T a i y u a n S h a n x i 0 3 0 0 2 4 ，C h i n a ； 2 ． S h a n x i P r o v i n c i a l E n g i n e e r i n g L a b o r a t o r y R e s e a r c h C e n t e r f o r Mi n e F l u i d C o n t r o l ， T a i y u a n S h a n x i 0 3 0 0 2 4 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e wa l k s p e e d l i mi t i n g b r a k e c i r c u i t wa s i d e n t i fie d t o u s e b a s e d o n t h e wo r k i n g c o n d i t i o n s o f t h e mi n e c r a w l e r c a r ． T h e ma t h e ma t i c a l mo d e l o f t h e w a l k i n g s p e e d l i mi t i n g s y s t e m wa s a d o p t e d b y u s i n g t h e p o we r b o n d g r a p h wh e n t h e c r a w l e r c a r walk e d， a n d t h e h y d r a u l i c c i r c u i t s t a t e e q u a t i o n s we r e o b t a i n e d ． T h e s y s t e m s i mu l a t i o n mo d e l wa s b u i h b y u s i n g AMES i m． Th e i n fl u e n c e s o f t h e p r e s t r e s s i n g f o r c e ，s p ri n g s t i ff n e s s a n d d a mp i n g h o l e d i a me t e r o f b a c k p r e s s u r e v a l v e o n h y d r a u l i c b r a k i n g c h a r a c t e ri s t i c s o f mo t o r w e r e a n aly z e d ．T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e c h a r a c t e ri s t i c s o f t h e h y d r a u l i c mo t o r b r a k i n g a r e a f f e c t e d b y t h e d a mp i n g h o l e d i a me t e r mo s t ，t h e s e c o n d o n e i s t h e s p rin g s t i ff n e s s ，t h e l a s t o n e i s t h e p r e s t r e s s i n g f o r c e ． Ke y wo r d sS p e e d l i mi t i n g s y s t e m；P o w e r b o n d g r a p h；AME S i m s i mu l a t i o n；Hy d r a u l i c b r a k i n g 矿用履带车行走作业时。巷道坡长一般都在几百 米 以上 。且坡度较大 。因此 在 自重 的作用下会不断 自 动加速 ，引起左右行走液压 马达的超速运转 。尤其 当 液压泵供油不及时，极易发生液压马达吸空现象 ，使 得液压行走马达的工作性能降低，而且有可能导致整 台装置超速溜坡和事故的发生[ 1 1 。顾秦怡等 分析 了大惯性负载的制动平稳性问题 ，提出了一种通过泵 控马达及阀控缸系统的液压平衡方法来实现大惯性负 载的平稳制动。许益民等_ 3 分析了超负载工况下液压 马达的传动方式 。深入探讨了液压马达制动回路的典 型故障机制以及液压制动方法。并提出了解决方案。 为了避免事故发生，需要对行走液压马达的转速 进行 限制 。在行走液压 回路 上安装背压 阀，该背压 阀 的安装可 以防止液压 马达超 速和吸空 。在复杂 的工况 下，液压马达制动时的平稳性与背压阀有关 ，液压马 达制动产生压力冲击过大会影响到其使用寿命。 1 行走限速制动系统的液压 回路 7 l 一油糖2 一滤油嚣 卜 泵4 一溢斑问 s 一抉 向阀丘 一梭目 7 、l O 一单向两8 、9 - - 臂压同 l l 一行走液压马达 l 2 一制动嚣 图 1 行走限速制动系统原理图 如图 1 所示，行走限速制动回路由梭阀 6 ，背压 阀 8 、9 。单 向阀 7 、1 0和 制动器 1 2组 成 。矿用 履带 车正常行驶 时 ，换 向阀 5处于右位 ，由于梭 阀 6 两 端 的油压不等 。压力油经梭 阀 6的右端 进入制 动器 1 2 ， 使得行走液压 马达 1 1的制动解 除 ；压力 油经 单 向阀 1 0 进入行走液压 马达 1 1 的右腔 ；压 力油 同时沿右侧 控制油路推动背压阀 8 。使其处于接通位置。以便行 收稿 日期 2 0 1 4 一 o 4 一 o 8 基金项目国家科技部 “ 十二五”支撑项目 2 0 1 3 B A K 0 6 B 0 2 作者简介王治鹏 1 9 8 9 一 ，男，硕士研究生，研究方向为机电液一体化、矿山机械。E - ma i l 4 5 4 9 2 4 5 5 4 q q ． t o m。 5 0 机床与液压 第 4 3 卷 走 液压马达 1 1 左腔 的 出油经背压 阀 8回到油箱 。 当 矿 用履带 车在巷道 内进行行走作业并在 自重作用下开 始 溜坡时 ．行走 液压 马达 1 1 超速 运转 ，这 时右腔 会 产生进油供应不及的现象，从而使行走液压马达 1 1 进油腔的压力和背压阀8的控制油压力降低，于是背 压阀 8的阀芯在弹簧的作用下右移，使行走液压马达 I I 的回油通道 被 关小 ，行走 液 压马达减 速 ，同时 由 于梭 阀 6右端 的压力减 小 ，进入 制动器 l 2的油液 压 力减小。在弹簧的作用下，制动器 1 2也使得行走液 压马达减速 ．这样就降低了矿 用履带 车在巷道 内的行 驶速度 。防止了溜坡 现象 的发 生。 2液压 回路的数学模型 2 ． 1 液压 回路 的功率键 合 图 为 了使分析方便 ，作 如下 简化 1 忽 略换 向 阀内腔液体的液容及换向阀的泄漏 ； 2 不计液压 马达 的外泄漏 ，只考虑 内泄漏液阻和液 腔液容 ； 3 只考虑液控单 向阀 、梭 阀的液阻 ； 4 由于制 动器 活塞 、连杆 、制动片为刚性连接 ，将其合并成 为一个 感性 元件 ； 5 将液压 马达转子 及连接轴 的转 动惯 量 合并成 一个转 动惯量 J 。 在简化 的基础上 ，根据液压 回路 的工作 原理和功 率键合 图的相关理论 ，建立 了如 图 2所示 的矿用履 带 车行走作业时的功率键合图。 图 2 行走限速制动系统功率键合 图 1 容性元包 括 C ，泵至 溢流 阀管 道 的液容 ； 液压马达 出油腔 的转换 系数 ；S e 为溢流 阀的调节 压 c 溢流 阀弹簧 的柔度 ；C 换 向 阀至梭 阀管道 的 力 ；S e 为制动器弹簧 的预紧力 ；s e 为液压 马达的输 液容及梭阀至单向阀的液容 ；c 梭阀至制动器及 出转矩 ；S e 为背压阀的调节压力；s e 为油液回油箱 制动器液腔的液容 ；c 制动器弹簧的柔度 ；c ⋯ 的压力 ，为0 。 单 向阀至液压 马达管道 的液 容及 液压 马达 自身 液 腔 2 ． 2液压 回路 的状 态方程 液容 ；C ， ，液 压 马 达 至 背 压 阀 的 管 道 液 容 ；c 根据 功率键合 图的相关规则 以及变量之 间的相互 背压 阀弹簧 的柔 度 ；C 背压 阀至换 向 阀的管道 液 逻辑关 系 ，由功率键 合 图 2可知 ，该 回路 有 l 3个 状 容 。 态 变量 ，它们 的物理意义分别为 液压马达 出口至溢 2 感性元包 括 ， l 1 ，溢流 阀阀芯 的质量 ；1 3 ， 制动器活塞、连杆及制动片的质量 ；1 4 4 ，液压马达转 子及 连接 轴的转 动惯量 ；1 5 ， ，背压阀 阀芯的质量。 3 阻 性元 包括 R ，泵 的泄漏 液 阻 ；R ，溢 流阀的溢 流液 阻 可变液 阻 ；R ，溢流 阀 的减压 阻 尼孔液阻 ；R R R R ，换 向 阀节流 口液 阻 ； 。 ，梭 阀液阻 ；尺 单 向阀液 阻；R ，马达 的泄漏 液阻 ；R 背压 阀的减压 阻尼 孔液阻 ； 背压 阀 的阻尼液阻 可变 液阻 。 4 A 为溢流 阀阀芯的有 效作用 面积 ；A ， 为 制 动器活塞的有效作用面积 ；A 为背压阀阀芯的有效 作用 面积 ；m， 为液压 马达进油 腔的转换 系数 ；m ， 为 流 阀阀 口用来补偿油液压缩量及管道受压变形量的液 压油的体积 ，溢流阀阀芯的位移 ． ，溢流阀阀芯 的动量 P ⋯ 换 向阀至梭 阀及梭 阀至单 向阀中用来 补 偿油液压缩量及管道受压变形量 的液压油的体积 ， 梭 阀至制动器及制动器 中用来补偿油液压缩量及管道 受压变形量的液压油的体积 ． ，制动器活塞的位移 制动器活塞 、推杆及 制动片 的动量 P 单 向 阀 至液压 马达及液压 马达 中用来补偿油液压缩量及管道 受 压变形量 的液 压油 的体积 。 ，液 压马达 转子及 连 接轴 的动量 P ，液压 马达至背 压 阀中用来 补偿油 液 压缩量及管道受压变形量的液压油的体积 ，背压 阀阀芯的位移 背压阀阀芯的动量 P 背压阀至 第 8期 王治鹏 等 矿用履带车行走限速系统液压马达制动特性分析 5 1 换 向阀中用来补偿 油液压缩量及管道受压变形量 的液 压油 的体积 。由功 率键 合 图得 出液压 回路 简化后 的状态方程 为 私 一 去 R I5 Al 1 1 1 1 3 ” ． 1 ． A。 1 R7 X2 。g 3 - 一 一 ． 1 f ，1 l l 1、 1 ,X 4 一 j 1 1 ． 1 1 A2 ． 1 ％一 一 ’ ％ ． A2 1 一 ． 1 1 f ，1 1、 m1 X8 一 C 26 R 7 一 十 ／l 一 ． ml 1 ． 1 s一一r n 2 C4 7 - oSe 3 ． 1 l A3 1 Xl O 一 m一 一 Rs 5 C6 o ” ． A 3 A 3 1 R 5 7 A ； 一 2 一 “一 1 1 1 f ，1 1 1、 ， 一 一 R 55 C 47 m 一 一 一 ／l 3 3 仿真分析 以该系统回路为基础，结合功率键合图和上述状 态方程 ，利用 A M E S i m中的液压库、机械库、信号库 和 H C D库建立系统仿真模 型 引。因为 A M E S i m 中没 有手动换 向阀 ，在不影 响仿真结果 的情况下 ，将手 动 换 向阀换 成 电磁 换 向 阀。其 中主 泵排 量 为 9 0 mL ／ r ， 发动机转 速 2 1 0 0 r ／ m i n 。马达排量 3 L ／ r 。 3 ． 1 预 紧力对 系统制动特性的影响 图 3为不 同预紧力对 液 压马达 制 动特性 的影 响 。 预 紧力 F分别取 1 4 0 、2 8 0 、4 2 0 N 。 由图 3可 知 不 同 预 紧 力对 液 压 马达 制 动压 力 时间的影 响较小 ．当预紧 力 F为 4 2 0 N时 。换 向阀 在 t 0 ～ 5 s 处 于 右位 ．液 压 马达压力 为 1 9 MP a t 5 s 后换 向阀开始 向中位移 动 ，液压 马达 处 于制 动 阶 段 ，存在压力振荡 ，压力 蒌 出 d r 0 2 4 6 8 l 0 时 间， s 图 3 不同预紧力下液压马 达的压力冲击曲线 振荡时 间约为 2 s t 7 s 之 后 ，液压马达 压力为 7 ． 5 MPa 。 3 ． 2 阻尼孔 直 径对 系统 制动特 性 的影 响 阻尼孔直径 d分别取 1 、2 、3 m m。图 4为不同 阻尼孔直径对液压 马达制动特性 的影响。 由图 4可知 阻尼孔直径对液压马达制动压力 时 间的影响较大，当阻尼孔直径 d为 3 m m时．换向阀 在 t 0 ～ 5 s 处于右位 ，液压马达压力 为 1 9 M P a t 5 s 后换向阀开始 向中位移动，液压马达处于制动阶 段，存在 压力振荡 ，压力 振荡时间约为 1 ． 5 s ； 善 。 6 ． 5 s 之 后 ．液压 马达 压 力 为7 ． 5 M P 。 阻 尼孔直 径d 器 。 于制 动 阶段 ，存 在压 力 振荡， 压力振荡时间约 若 为 2 s t 7 s 之后 液压 马 达 压 力 为 7 ． 5 MP a 。 弹簧刚度越小，压力振 荡越 大 ．其 原 因是 背压 阀阀芯受液 压 力 的大小 随着 背压 阀 弹簧 刚度 的 减小而增大 。因此降低 了 背 压 阀 工 作 的 稳 定 性 0 2 4 6 8 1 0 时问， - 图 5 不同弹簧刚度 下液压马达 的 压力冲击曲线 4结论 通过对矿用履带车行走过程中实际工况的了解． 确定了采用行走限速制动回路。文中采用功率键合图 模型对行走限速制动回路进行数学建模。在建好模型 的基础上，结合原理图，利用 A M E S i m软件建立该模 型的 A ME S i m模型 ，通过仿真分析 ，了解 了背 压阀 的 预紧力 、弹簧刚度 和阻尼 孔直 径在液 压 马达制 动时 ， 对系统动态特性的影响 。不 同的参数对液压 马达制动 下转第 5 9页