AMESim在清篩機(jī)液壓走行驅(qū)動系統(tǒng)分析中的應(yīng)用

崔艷鷺，葉賢東，王亞

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都610031)

摘要：通過對國產(chǎn)QS2-650型道砟清篩機(jī)Ⅰ端高速走行驅(qū)動液壓系統(tǒng)兩種設(shè)計方案的分析，利用AMESim建立液壓系統(tǒng)模型進(jìn)行兩種設(shè)計方案對比仿真，得出清篩機(jī)啟動過程中系統(tǒng)壓力、加速度、流量等相關(guān)參數(shù)變化情況。分析表明：變量馬達(dá)驅(qū)動設(shè)計方案更能適合清篩機(jī)加速走行工況要求，并具有良好的節(jié)能效果和操作特性。該分析方法也對其它大型養(yǎng)路機(jī)械液壓系統(tǒng)分析與優(yōu)化設(shè)計提供一定的參考。

關(guān)鍵詞:清篩機(jī)AMESim液壓系統(tǒng)仿真分析

中圖分類號：U415.52+6文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：崔艷鷺(1987-)，男，漢族，遼寧朝陽人，西南交通大學(xué)，碩士研究生。

收稿日期：2015-03-10

The application of AMESim in analysis of ballast screening machine hydraulic driving system

CUI Yanlu，YE Xiandong，WANG Ya

Abstract:Through the analysis of domestic QS2-650 type ballast screening machineⅠend driving hydraulic system, two model systems were built and the comparative analysis of simulation was carried out. The change of such parameters as system pressure, acceleration, and flow rate were gained. The analysis shows that the design scheme of variable motor driving better meets the requirements of the ballast screening machine in accelerating mode，which has good energy saving effect and operation features. This analysis method offers new reference to other mechanical hydraulic system analysis and optimization design.

Keywords:ballast screening machine; AMESim; hydraulic system; simulation and analysis

目前我國鐵路已越來越多地采用道砟清篩機(jī)來完成道砟清篩工作。QS2-650型全斷面道砟清篩機(jī)是襄樊金鷹軌道車輛有限責(zé)任公司生產(chǎn)的全液壓驅(qū)動大型清篩機(jī)[1]。在對該機(jī)走行驅(qū)動液壓系統(tǒng)進(jìn)行國產(chǎn)化升級過程中采用傳統(tǒng)試驗法對設(shè)計方案進(jìn)行更改和參數(shù)調(diào)節(jié)比較困難，要花費大量人力、物力和時間，而且一次性成功的把握很低[2]。隨著計算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，在工程系統(tǒng)設(shè)計中使用計算機(jī)建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，通過計算機(jī)數(shù)字化仿真計算研究系統(tǒng)設(shè)計的各種工況，確定最佳參數(shù)匹配。但該方法要求建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型和必要的編程工作要求設(shè)計人員具備較高的數(shù)學(xué)和軟件功底，前期處理需要花費大量時間[3]。

LMS Imagine. Lab AMESim(下文簡稱AMESim)是比利時LMS公司的一款多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真平臺。AMESim軟件可以為仿真提供圖形化建模平臺并提供豐富的元件庫，使設(shè)計人員免去建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型和編程工作實現(xiàn)快速建立模擬真實物理條件的模型系統(tǒng)，并可以方便的更改系統(tǒng)設(shè)計方案和元件參數(shù)[4]。因此可以大大的提高設(shè)計人員效率，縮短設(shè)計周期，使設(shè)計缺陷在物理成型前就得到解決，從而降低成本。

本文以國產(chǎn)QS2-650型清篩機(jī)高速走行液壓系統(tǒng)為研究對象，通過AMESim軟件平臺建立該機(jī)Ⅰ端高速走行驅(qū)動液壓系統(tǒng)仿真模型，模擬該系統(tǒng)采用不同形式的液壓馬達(dá)清篩機(jī)起動時系統(tǒng)工作情況，驗證系統(tǒng)設(shè)計是否滿足清篩機(jī)工作要求。

1QS2-650型道砟清篩機(jī)走行液壓系統(tǒng)構(gòu)成[5]

QS2-650型全斷面道砟清篩機(jī)走行部由兩個三軸轉(zhuǎn)向架組成，每個轉(zhuǎn)向架的三根車軸均可作為驅(qū)動軸由液壓馬達(dá)驅(qū)動實現(xiàn)清篩機(jī)的前進(jìn)與后退。高速走行驅(qū)動由分別位于Ⅰ端的 Ⅰ、Ⅲ軸和位于Ⅱ端的Ⅳ、Ⅵ軸驅(qū)動。Ⅰ、Ⅱ端高速走行驅(qū)動液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)相同，并由兩臺型號相同的CATC15發(fā)動機(jī)提供動力。為簡化研究本文以Ⅰ端液壓系統(tǒng)為例進(jìn)行分析。

1.1Ⅰ位端高速走行驅(qū)動液壓系統(tǒng)組成

該閉式系統(tǒng)主要由液壓泵、高速走行馬達(dá)、制動閥組、沖洗閥組、過載保護(hù)閥組和部分控制油路組成。高速走行時清篩機(jī)需要無極調(diào)速，系統(tǒng)采用變量泵驅(qū)動，當(dāng)扳動調(diào)速換向手柄時通過改變泵3的輸出流量使高速走行馬達(dá)轉(zhuǎn)速變化，最終改變清篩機(jī)的走行速度及方向。

1.2Ⅰ位端高速走行驅(qū)動液壓系統(tǒng)AMESim模型[6]

利用AMESim建立Ⅰ位端高速走行驅(qū)動液壓系統(tǒng)如圖1所示，利用軟件提供Mechanical庫建立模型模擬清篩機(jī)車體及車輪齒輪箱等傳動部件，從而減少設(shè)計人員在仿真過程中相關(guān)數(shù)值計算工作。(本文仿真研究未涉及下坡路段馬達(dá)對系統(tǒng)的作用工況、制動閥組對系統(tǒng)加速情況不產(chǎn)生影響故建模過程中省去制動閥組相關(guān)部分。)在發(fā)動機(jī)為液壓泵提供動力的傳動系統(tǒng)中分動箱及發(fā)動機(jī)性能對系統(tǒng)影響有限故將該部分簡化為一簡化信號提供給液壓泵。簡化操縱端調(diào)速手柄操作為一控制信號控制液壓泵的輸出流量控制清篩機(jī)的高速走行。

1.發(fā)動機(jī)分動箱；2.液壓泵；3.過載保護(hù)閥組；4.阻力自動加載模塊；5.模擬變量馬達(dá)自適應(yīng)調(diào)整模塊；6.清篩機(jī)重量加載及速度輸出；7.驅(qū)動馬達(dá)；8.補(bǔ)油泵；9.沖洗閥；10.Ⅰ軸齒輪箱及輪對；11.Ⅲ軸齒輪箱及輪對 圖1?、裎欢烁咚僮咝序?qū)動液壓系統(tǒng)AMESim模型圖

1.3模型主要參數(shù)設(shè)定[7]

高速走行時發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速：2 100 r/min；液壓泵排量：250 cc/r(通過調(diào)整輸入信號可雙向輸出)，調(diào)定壓力34 MPa；補(bǔ)油泵壓力：2.4 MPa；沖洗閥流量：16 L/min；四臺變量馬達(dá)排量：最大160 cc/r，最小50 cc/r，均可雙向旋轉(zhuǎn)；保護(hù)閥組溢流調(diào)定壓力：34 MPa；清篩機(jī)重量：123 t；齒輪箱減速比：7.93；車輪直徑：840 mm。

清篩機(jī)運(yùn)行阻力：QS2-650型清篩機(jī)采用兩臺柴油發(fā)動機(jī)作為動力源，計算該機(jī)高速走行阻力時參考列車牽引計算規(guī)程中DF型內(nèi)燃機(jī)車相關(guān)規(guī)定進(jìn)行計算加載。

機(jī)車單位阻力

P—清篩機(jī)計算重力(kN)；W′—清篩機(jī)運(yùn)行阻力(N)；w′—清篩機(jī)運(yùn)行單位基本阻力(N/kN)。

平直道清篩機(jī)運(yùn)行阻力。

w′=2.93+0.0073v+0.0027v2

v—清篩機(jī)運(yùn)行速度(km/h)；w′—清篩機(jī)運(yùn)行單位基本阻力(N/kN)。

清篩機(jī)啟動阻力 v<10km/h時

wq=5(N/kN)

2清篩機(jī)Ⅰ端高速走行驅(qū)動液壓系統(tǒng)運(yùn)行仿真及對比分析

仿真參數(shù)：仿真時間800 s；采樣間隔0.1 s；輸入信號，0~30 s泵排量從0增至250 cc/r，30~80 s泵排量維持250 cc/r。

采樣數(shù)據(jù)：清篩機(jī)運(yùn)行速度、加速度；馬達(dá)入口壓力、液壓馬達(dá)排量；輸入功率、過載溢流閥流量。

2.1固定排量馬達(dá)驅(qū)動液壓系統(tǒng)仿真

該工況條件下高速走行驅(qū)動液壓馬達(dá)排量固定為50 cc/r，不能根據(jù)系統(tǒng)壓力進(jìn)行排量調(diào)節(jié)仿真結(jié)果如下：

2.2變排量馬達(dá)驅(qū)動液壓系統(tǒng)仿真

圖2　定排量馬達(dá)驅(qū)動清 篩機(jī)速度與加速度曲線

根據(jù)液壓系統(tǒng)仿真結(jié)果圖2-圖 4可以確定采用定量馬達(dá)驅(qū)動清篩機(jī)行走可以滿足清篩機(jī)起動及高速走行速度要求。清篩機(jī)從0加速到100 km/h所需時間不超過4 min，但清篩機(jī)啟動加速階段當(dāng)系統(tǒng)壓力增大時馬達(dá)的排量不會根據(jù)系統(tǒng)壓力變化進(jìn)行調(diào)整。

圖3　定排量馬達(dá)入口 圖4　液壓泵輸入功率與 　壓力與馬達(dá)排量曲線 　　　系統(tǒng)溢流閥流量曲線

2.2變排量馬達(dá)驅(qū)動液壓系統(tǒng)仿真

利用變排量液壓馬達(dá)，當(dāng)清篩機(jī)走行阻力增大或加速起動導(dǎo)致系統(tǒng)壓力大于28 MPa時液壓馬達(dá)的排量自動增加，提高液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩提高清篩機(jī)的驅(qū)動力。

圖5　變排量馬達(dá)驅(qū)動清 　篩機(jī)速度與加速度曲線

根據(jù)液壓系統(tǒng)仿真結(jié)果圖 5-圖7可以確定采用自適應(yīng)調(diào)整排量馬達(dá)驅(qū)動清篩機(jī)行走同樣可以滿足清篩機(jī)啟動及高速走行速度要求。清篩機(jī)從0加速到100 km/h所需時間不超過3 min，同時當(dāng)系統(tǒng)壓力增大超過28 MPa時馬達(dá)排量自動增大提高馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩。

圖6　變排量馬達(dá)入口壓圖7　變排量馬達(dá)驅(qū)動液 力及馬達(dá)排量曲線壓泵輸入功率及系統(tǒng)溢流 　　　　　　　　　　　　　閥流量曲線

2.3兩種工況對比分析

通過仿真計算，可以判斷兩種設(shè)計均能滿足清篩機(jī)高速走行對系統(tǒng)提出的速度要求，兩種系統(tǒng)設(shè)計所能達(dá)到的最高形式速度均大于100 km/h留有適當(dāng)余量基礎(chǔ)上滿足清篩機(jī)最高速走行要求。但兩種液壓系統(tǒng)仍存在明顯區(qū)別：

如圖8所示，清篩機(jī)起動最高加速度變排量馬達(dá)液壓驅(qū)動系統(tǒng)(amax≈0.4 m/s2)明顯大于定排量馬達(dá)(amax≈0.16 m/s2)液壓驅(qū)動系統(tǒng)，前者加速性能更優(yōu)；

圖8　清篩機(jī)速度加速度圖9　馬達(dá)入口壓力及馬 對比分析圖 達(dá)排量變化對比分析圖

如圖9 所示，變排量馬達(dá)系統(tǒng)在清篩機(jī)起動瞬間排量增大至最大，保證清篩機(jī)具有最大扭矩輸出，隨著清篩機(jī)速度逐漸提高，系統(tǒng)壓力降低小于28 MPa馬達(dá)排量逐漸減小提高清篩機(jī)走行速度，最后將變量馬達(dá)排量調(diào)至系統(tǒng)設(shè)置最低使清篩機(jī)以最高速度運(yùn)行。定量馬達(dá)液壓驅(qū)動系統(tǒng)馬達(dá)的排量始終保持不變。對比兩條馬達(dá)入口壓力曲線可以看出應(yīng)用變量馬達(dá)的液壓驅(qū)動系統(tǒng)的最高壓力要低于定量馬達(dá)液壓驅(qū)動系統(tǒng)的最高壓力，且前者隨著系統(tǒng)速度的提高壓力逐漸減小，而后者在液壓泵輸出流量增大時馬達(dá)入口壓力隨之增大。清篩機(jī)高速走行工況頻繁加速啟動時顯然前者對于液壓系統(tǒng)維護(hù)更為有利[8]。

如圖10所示，對比兩條液壓泵輸入功率曲線可知，利用變量馬達(dá)驅(qū)動的清篩機(jī)在起動過程中液壓泵所需的瞬間最大輸入功率要低于驅(qū)動定量馬達(dá)所需的瞬間最大輸入功率，對發(fā)動機(jī)負(fù)荷沖擊較小，同樣可以看到當(dāng)清篩機(jī)達(dá)到最高速度時前者所消耗發(fā)動機(jī)的能量更少更高效。對比兩條系統(tǒng)安全閥組流量可知，變量馬達(dá)系統(tǒng)在清篩機(jī)加速過程中無溢流，因此無高壓油液損失，而定量馬達(dá)系統(tǒng)的溢流閥最大瞬時流量可達(dá)13.5 L/min，造成系統(tǒng)能量浪費同時增加安全閥組工作負(fù)擔(dān)，增加液壓系統(tǒng)沖擊使系統(tǒng)維護(hù)成本增加[9]。

圖10　泵輸入功率及安全閥組溢流流量對比分析圖

3結(jié)論

在對機(jī)械液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析研究時，研究人員可以通過使用AMESim平臺及其所提供的眾多元件庫快速建立仿真模型，通過設(shè)置合理的參數(shù)對液壓和機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行分析從而研究系統(tǒng)設(shè)計及各元件參數(shù)對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，該方法能夠得到與真實實驗接近的仿真結(jié)果，大大提高廣大研究人員科研效率和設(shè)計水平。

本文利用AMESim軟件分別對清篩機(jī)Ⅰ端高速走行驅(qū)動液壓系統(tǒng)所設(shè)計的定量馬達(dá)和變量馬達(dá)兩種設(shè)計方案進(jìn)行對比分析，得出變量馬達(dá)應(yīng)用于清篩機(jī)高速走行驅(qū)動液壓系統(tǒng)時能夠明顯提高清篩機(jī)起動加速性能，同時降低系統(tǒng)壓力，提高發(fā)動機(jī)輸出能量利用效率，減少對液壓元件沖擊。

AMESim軟件在清篩機(jī)走行驅(qū)動系統(tǒng)仿真分析時能夠得出與工程實際非常接近的結(jié)果?？梢灶A(yù)見該軟件將能夠在如清篩機(jī)、搗固機(jī)、打磨機(jī)等鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械設(shè)備改進(jìn)升級中有越來越廣泛的應(yīng)用。

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葉賢東(1974-)，男，四川成都人，西南交通大學(xué)，副教授。

王亞(1990-)，男，山東聊城人，西南交通大學(xué)，碩士研究生。