基于SimulationX的推土機轉(zhuǎn)向制動閥仿真研究

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(山推工程機械股份有限公司 研究總院， 山東 濟寧　272073)

引言

推土機主要應用于大型工程項目建設(shè)中，工況相對惡劣，為提高推土機的操作舒適性，要求推土機在惡劣工況條件下仍然能夠平穩(wěn)換擋、轉(zhuǎn)向，避免離合器受到較大壓力沖擊。而轉(zhuǎn)向制動閥是實現(xiàn)推土機轉(zhuǎn)向制動控制的關(guān)鍵部件，其工作性能對推土機的轉(zhuǎn)向制動操作舒適性起著關(guān)鍵作用[1]。

本研究以國外某大型推土機的轉(zhuǎn)向制動閥作為研究對象，分析其工作原理、性能參數(shù)等內(nèi)容，然后基于SimulationX軟件仿真平臺，建立閥的仿真模型，研究各參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響，為今后產(chǎn)品設(shè)計及性能優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)參考及理論依據(jù)[2]。

1　轉(zhuǎn)向制動閥數(shù)學模型的建立

轉(zhuǎn)向制動閥的主要功能是調(diào)節(jié)系統(tǒng)主油路通往轉(zhuǎn)向離合器和制動離合器的供油壓力曲線，使離合器壓力平穩(wěn)上升或下降，防止離合器受到異常壓力沖擊，提高離合器壽命[3]。其工作原理圖如圖1所示。

轉(zhuǎn)向制動閥由右轉(zhuǎn)向閥、右制動閥、左制動閥、左轉(zhuǎn)向閥和停車制動閥組成，左右轉(zhuǎn)向閥和左右制動閥為對稱結(jié)構(gòu)。本研究以一側(cè)轉(zhuǎn)向閥及制動閥進行分析，分別建立其工作中詳細數(shù)學模型。一側(cè)轉(zhuǎn)向制動閥結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于閥芯與閥體之間為間隙配合并有潤滑油膜，摩擦力相比較小，本研究所建立的數(shù)學模型忽略摩擦力的影響。

1.右制動閥　2.右轉(zhuǎn)向閥　3.左轉(zhuǎn)向閥　4.左制動閥　5.鎖車閥圖1　轉(zhuǎn)向制動閥原理圖

圖2　轉(zhuǎn)向制動閥結(jié)構(gòu)圖

1.1　轉(zhuǎn)向閥工作原理

操縱轉(zhuǎn)向桿，向左推動閥芯m1，通過彈簧k1將力傳遞到閥芯m2，閥芯m2壓縮彈簧k2，使進油腔與轉(zhuǎn)向離合器腔打開，離合器腔壓力pRC開始上升，此時閥芯m2所受作用力達到平衡，受力如下：

F2+k2x2+pRC×A2=

(1)

式中，F(xiàn)1—— 彈簧1預緊力, N

F2—— 彈簧2預緊力, N

x1—— 閥芯m1位移, m

x2—— 閥芯m2位移, m

k1—— 彈簧1彈性系數(shù), N/m

k2—— 彈簧2彈性系數(shù), N/m

pRC—— 轉(zhuǎn)向離合器壓力, Pa

A2—— 轉(zhuǎn)向活塞作用面積, m2

m2—— 閥芯2質(zhì)量, kg

閥芯m1在操縱力的作用下向左運動，此時離合器腔油液壓力pRC反饋到助力腔A1中，與彈簧1達到受力平衡。此時，閥芯m1受力分析如下：

(2)

式中，F(xiàn)C—— 轉(zhuǎn)向操縱力, N

A1—— 轉(zhuǎn)向助力腔作用面積, m2

m1—— 閥芯1質(zhì)量, kg

1.2　制動閥工作原理

系統(tǒng)工作之后，主油路油液即進入制動離合器腔，此時，制動離合器腔壓力pRB與彈簧4的作用力達到受力平衡，可得到初始狀態(tài)下制動離合器的壓力pRB。如下：

F4+k4x4=pRB×A4

(3)

操縱制動桿，向左推動閥芯m3，通過彈簧k3將力傳遞到閥芯m4，閥芯m4壓縮彈簧k4，使制動離合器腔與回油口相通，離合器腔壓力pRB開始下降，此時閥芯m4所受作用力達到平衡，受力如下：

F4+k4x4-pRB×A4=

(4)

式中，F(xiàn)3—— 彈簧3預緊力, N

F4—— 彈簧4預緊力, N

x3—— 閥芯m3位移, m

x4—— 閥芯m4位移, m

k3—— 彈簧3彈性系數(shù), N/m

k4—— 彈簧4彈性系數(shù), N/m

pRB—— 制動離合器壓力, Pa

A4—— 制動活塞作用面積, m2

m4—— 閥芯4質(zhì)量, kg

閥芯m3在操縱力的作用下向左運動，此時系統(tǒng)主壓力pTM反饋到助力腔A3中，與彈簧3達到受力平衡。此時，閥芯m3受力分析如下：

F3+k3(x3-x4)+pRB×A4=

(5)

式中，F(xiàn)B—— 制動操縱力, N

A3—— 制動助力腔作用面積, m2

m3—— 閥芯3質(zhì)量, kg

2　轉(zhuǎn)向制動閥仿真模型的建立

根據(jù)上述建立的轉(zhuǎn)向制動閥數(shù)學模型，在仿真軟件SimulationX中分別建立轉(zhuǎn)向閥及制動閥的仿真模型。除轉(zhuǎn)向制動閥模型外，還需要建立液壓泵主系統(tǒng)油路仿真模型、轉(zhuǎn)向離合器及制動離合器仿真模型。根據(jù)系統(tǒng)的側(cè)重點不同，在建立上述模型時進行了以下幾點簡化[4]： ① 用理想動力源模型代替了實際上隨不同操作有壓力波動的液壓泵； ② 用固定彈性系數(shù)的彈簧模型代替了實際上隨壓縮量變化彈性系數(shù)不斷變化的離合器中碟簧。轉(zhuǎn)向閥及制動閥的位移由信號模塊1控制，信號曲線根據(jù)實際操縱下閥芯的位移進行設(shè)定。對搭建好的仿真模型進行了封裝[5]，最終建立的仿真模型如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)仿真模型

為驗證仿真模型的正確性，首先在典型工況下對轉(zhuǎn)向離合器壓力和制動離合器壓力進行實際測量，如圖4所示。然后運行仿真模型，模擬相同工況下各離合器壓力值，如圖5所示。對比仿真曲線與實測曲線，在壓力調(diào)節(jié)階段仿真曲線波動較大，與彈簧參數(shù)選擇及系統(tǒng)模型簡化有關(guān)。

1.轉(zhuǎn)向離合器壓力　2.制動離合器壓力圖4　離合器壓力實測值

1.轉(zhuǎn)向離合器壓力　2.制動離合器壓力圖5　離合器壓力仿真結(jié)果曲線

3　系統(tǒng)仿真分析及優(yōu)化

為分析系統(tǒng)各參數(shù)對離合器壓力變化的影響及確定參數(shù)最優(yōu)值，通過調(diào)整仿真模型中各參數(shù)值大小，對比調(diào)整前后壓力變化曲線[6]。

調(diào)整仿真模型中彈簧k1參數(shù)值，分別取1 N/mm、5 N/mm和10 N/mm時，仿真結(jié)果壓力變化曲線如圖6所示?？梢姡瑥椈蒶1影響轉(zhuǎn)向離合器調(diào)壓過程中壓力值大小，k1值越大，調(diào)壓過程的壓力值越小。

圖6　轉(zhuǎn)向離合器壓力值仿真結(jié)果

調(diào)整仿真模型中彈簧k2參數(shù)值，分別取1 N/mm、5 N/mm和10 N/mm時，仿真結(jié)果壓力變化曲線如圖7所示。可見，彈簧k2影響轉(zhuǎn)向離合器調(diào)壓過程中壓力值上升速度，k2值越大，調(diào)壓過程的壓力值上升越快。

圖7　轉(zhuǎn)向離合器壓力值仿真結(jié)果

調(diào)整仿真模型中彈簧k3參數(shù)值，分別取5 N/mm、10 N/mm和15 N/mm時，仿真結(jié)果壓力變化曲線如圖8所示?？梢?，彈簧k3影響制動離合器調(diào)壓過程中壓力值下降速度，k3值越大，調(diào)壓過程的壓力值下降越快。

調(diào)整仿真模型中彈簧k4參數(shù)值，分別取6 N/mm、6.5 N/mm和7 N/mm時，仿真結(jié)果壓力變化曲線如圖9所示?？梢姡瑥椈蒶4控制制動離合器初始壓力值大小。

圖8　制動離合器壓力值仿真結(jié)果

圖9　制動離合器壓力值仿真結(jié)果

轉(zhuǎn)向制動的操縱舒適性是推土機轉(zhuǎn)向制動閥的一項重要功能要求，那么，保證轉(zhuǎn)向制動操縱力大小在合理范圍之內(nèi)就顯得至關(guān)重要。本研究通過調(diào)整仿真模型中相關(guān)參數(shù)值大小，研究其對FC轉(zhuǎn)向操縱力和FB制動操縱力變化的影響，以確定系統(tǒng)最優(yōu)參數(shù)值。

調(diào)整仿真模型中彈簧k1參數(shù)值，分別取1 N/mm、5 N/mm和10 N/mm時，轉(zhuǎn)向閥芯操縱力變化曲線如圖10所示?？梢?，彈簧k1影響轉(zhuǎn)向離合器調(diào)壓過程中操縱力值大小，對行程末端操縱力值大小無影響。

圖10　轉(zhuǎn)向操縱力仿真結(jié)果

調(diào)整仿真模型中彈簧k2參數(shù)值，分別取4 N/mm、5 N/mm和6 N/mm時，轉(zhuǎn)向閥芯操縱力變化曲線如圖11所示。可見，彈簧k2對轉(zhuǎn)向操縱力大小起著決定性作用。

圖11　轉(zhuǎn)向操縱力仿真結(jié)果

調(diào)整仿真模型中彈簧k3參數(shù)值，分別取5 N/mm、10 N/mm和15 N/mm時，制動閥芯操縱力變化曲線如圖12所示?？梢?，彈簧k3影響制動離合器調(diào)壓過程中操縱力值大小，但變化值不明顯，對行程末端操縱力值大小無影響。

圖12　制動操縱力仿真結(jié)果

調(diào)整仿真模型中彈簧k4參數(shù)值，分別取6 N/mm、6.5 N/mm和7 N/mm時，制動閥芯操縱力變化曲線如圖13所示?？梢姡瑥椈蒶4對制動操縱力大小起著決定性作用。

圖13　制動操縱力仿真結(jié)果

通過仿真各參數(shù)對離合器壓力變化曲線及閥芯操縱力的影響，為設(shè)計閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)及操縱連桿機構(gòu)提供了參考依據(jù)。

4　結(jié)論

本研究基于SimulationX軟件仿真平臺，建立推土

機轉(zhuǎn)向制動閥的系統(tǒng)仿真模型，通過對比分析仿真結(jié)果與實測參數(shù)相結(jié)合的方式，研究了各參數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響，為今后產(chǎn)品設(shè)計及性能優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)參考及理論依據(jù)。

參考文獻：

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[3]宋金寶,金軻,趙建軍.履帶式推土機轉(zhuǎn)向制動閥控制特性分析[J].建筑機械,2013,(5):119-124.

[4]溫琦,陳志,王志,等.基于AMESim的飛機牽引車轉(zhuǎn)向制動系統(tǒng)仿真及優(yōu)化[J].液壓氣動與密封,2011,(2):66-69.

[5]王麗薇,呂曉林.基于ITI-SimulationX液壓挖掘機多路閥建模與仿真[J].機床與液壓,2012,40(9):126-128.

[6]葛磊.基于SimulationX的多路閥負載補償閥建模分析[J].液壓與氣動,2013,(10):11-13.