常志強(qiáng)
(中鐵十九局集團(tuán)礦業(yè)投資有限公司,北京 100071)
礦用自卸車(chē)具有良好的機(jī)動(dòng)性、廣泛的適應(yīng)性、簡(jiǎn)便的操作性以及高效的運(yùn)輸效率,因而在礦業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-3]。但是,大多數(shù)礦用自卸車(chē)具有大噸位的運(yùn)輸特性,隨著礦業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展,礦井機(jī)械化程度不斷增加,一些小型的設(shè)備、材料使用這些大噸位的自卸車(chē)進(jìn)行運(yùn)輸反而會(huì)降低生產(chǎn)效率,增加工程成本,造成資源的極大浪費(fèi),因而現(xiàn)代礦業(yè)工程對(duì)于小噸位的礦用自卸車(chē)需求量增在不斷增長(zhǎng),小型礦用汽車(chē)質(zhì)量輕,在復(fù)雜的礦業(yè)運(yùn)輸?shù)缆窏l件下,顛簸大、坡路多、運(yùn)行速度低是常態(tài),因而對(duì)于小噸位自卸車(chē)的運(yùn)輸穩(wěn)定性具有較高的要求[4-6]。而礦用自卸車(chē)的轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、舉升的操作一般依靠液壓系統(tǒng)來(lái)控制,所以其運(yùn)輸穩(wěn)定性在很大程度上取決于液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
設(shè)計(jì)一種適應(yīng)復(fù)雜礦井環(huán)境的礦用小噸位自卸車(chē),重點(diǎn)對(duì)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和選型進(jìn)行了詳細(xì)分析,并通過(guò)AMESim仿真模擬,對(duì)轉(zhuǎn)向、舉升以及制動(dòng)工況下的液壓系統(tǒng)性能進(jìn)行了分析,以期為滿足礦業(yè)生產(chǎn)要求提供參考。
礦用自卸車(chē)一般由動(dòng)力系統(tǒng)(柴油機(jī)、通氣系統(tǒng)、冷區(qū)系統(tǒng)、供油系統(tǒng)以及排氣系統(tǒng)組成)、車(chē)架與車(chē)廂、駕駛與操作系統(tǒng)(包含換擋操作柄、自動(dòng)開(kāi)關(guān)、熄火開(kāi)關(guān)、方向盤(pán)等)、傳動(dòng)系統(tǒng)(由變柜器、變速箱以及傳動(dòng)軸等組成)、氣動(dòng)系統(tǒng)(由安全閥、電磁閥、壓力表、氣泵等裝置組成)、電氣系統(tǒng)(由發(fā)電機(jī)、電源箱、繼電箱、接線盒等裝置組成)以及液壓系統(tǒng)構(gòu)成(圖1)。整機(jī)的連接形式為鉸接式,發(fā)動(dòng)機(jī)采用防爆氣啟動(dòng)方式,其他參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 整機(jī)主要參數(shù)
圖1 礦用自卸車(chē)整機(jī)結(jié)構(gòu)示意
礦用自卸車(chē)液壓系統(tǒng)的主要作用是實(shí)現(xiàn)車(chē)輛轉(zhuǎn)向、舉升以及制動(dòng)操作功能,主要由轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)、舉升控制系統(tǒng)以及制動(dòng)系統(tǒng)三大系統(tǒng)組成。其中,轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)和舉升控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)前輪轉(zhuǎn)向和礦料的卸載,其性能優(yōu)劣關(guān)系著礦場(chǎng)的生產(chǎn)效率;制動(dòng)控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)生產(chǎn)過(guò)程中的減速、停車(chē)以及維持正常車(chē)速等功能,其性能優(yōu)劣關(guān)系著自卸車(chē)的行駛安全。
1.2.1 液壓系統(tǒng)的工作原理
液壓泵為三大系統(tǒng)提供動(dòng)力源,通過(guò)調(diào)節(jié)溢流閥來(lái)確保液壓系統(tǒng)處于可承受壓力范圍之內(nèi)。三大系統(tǒng)共用一個(gè)液壓油箱,液壓油箱作為獨(dú)立構(gòu)件,與機(jī)架等保持分離,控制回路均由同一齒輪泵供油(圖2)。在工作過(guò)程中,車(chē)輛一旦完成啟動(dòng)供油(制動(dòng)供油),齒輪泵立即為轉(zhuǎn)向舉升控制回路供油,不再零壓回油箱。
圖2 液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
1.2.2 元件選型
(1)轉(zhuǎn)向舉升系統(tǒng)元件選型。轉(zhuǎn)向液壓缸選用D16 WF63/45-435 型,額定壓力為16 MPa,液壓油缸的內(nèi)徑和活塞直徑分別為63 mm 和45 mm,液壓缸的行程為435 mm;舉升液壓缸選用2QTG-100×721 型雙級(jí)液壓缸,第一級(jí)直徑和行程分別為100 mm 和354 mm,第二級(jí)直徑和行程分別為80 mm 和367 mm;轉(zhuǎn)向器選用BZZ5-630 全液壓轉(zhuǎn)向器。
(2)制動(dòng)控制系統(tǒng)元件選型。EHV1.6-350/90 型蓄能器,6-463-720 型雙路充液閥(流量為7.2 L/min),06-466-240 型串聯(lián)雙回路制動(dòng)踏板閥。
(3)液壓泵為CBNL-F563-BFHL 型齒輪泵,額定排量和壓力值分別為63 mL/r 和20 MPa。
利用AMESim 仿真軟件建立礦用自卸車(chē)液壓系統(tǒng)仿真模型。由于本文主要討論礦用自卸車(chē)制動(dòng)控制系統(tǒng)在工作狀態(tài)下運(yùn)行穩(wěn)定性,為簡(jiǎn)化分析過(guò)程在模型搭建過(guò)程中僅考慮行車(chē)制動(dòng)回路,因此,仿真模型主要由制動(dòng)踏板閥、充液閥、蓄能器、制動(dòng)油缸、管路和油箱等部分組成(圖3)。
圖3 仿真模型結(jié)構(gòu)示意
(1)轉(zhuǎn)向工況。當(dāng)轉(zhuǎn)向過(guò)程中遇到坑洼路面或者障礙物時(shí),液壓系統(tǒng)工況負(fù)載力呈階躍變化,在此工況下的模擬情況為:0~1 s 負(fù)載力保持30 kN 不變,在1 s 時(shí)突然遇到路面坑洼,負(fù)載力增至46 kN,仿真時(shí)間為2 s,仿真步長(zhǎng)為0.01 s。
(2)舉升工況。舉升工況分為滿載舉升和空載舉升兩種,仿真時(shí)間均為16 s,仿真步長(zhǎng)均為0.01 s。
(3)制動(dòng)工況。制動(dòng)工況也分為兩種情況:一種是一次平緩施加制動(dòng),即制動(dòng)輸入信號(hào)為線性比例信號(hào),仿真時(shí)間為1 s,探班角度由0°增至25°,仿真步長(zhǎng)為0.01 s;另外一種是多次快速踩踏制動(dòng)踏板,同時(shí)保持角度不變,即制動(dòng)信號(hào)輸入為矩形信號(hào),仿真時(shí)間為14 s,仿真步長(zhǎng)為0.01 s,循環(huán)間隔制動(dòng)踩踏7次,每次踩踏時(shí)間2 s。在2 s 期間內(nèi),0~1 s 為踏板瞬時(shí)從0°增至25°,并維持1 s 不變;然后踏板迅速松開(kāi),松開(kāi)后也保持1 s不變。
階躍負(fù)載轉(zhuǎn)向工況下的系統(tǒng)響應(yīng)曲線見(jiàn)圖4。從圖4 可以看出,轉(zhuǎn)向油缸流量和速度在轉(zhuǎn)向初始階段呈逐漸增大的變化特征,當(dāng)在0.2 s 時(shí)刻,流量和速度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),穩(wěn)定值分別為38 L/min 和0.18 m/s;當(dāng)在第1 s 時(shí)刻,自卸車(chē)在轉(zhuǎn)向過(guò)程中遇到坑洼路面時(shí),轉(zhuǎn)向油缸流量和速度出現(xiàn)驟降,同時(shí)伴隨著激烈的振蕩現(xiàn)象,但這個(gè)時(shí)間持續(xù)時(shí)間極短,僅不到0.1 s 就又恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)。因此可以認(rèn)定,在坑洼路面轉(zhuǎn)向行駛過(guò)程中,自卸車(chē)控制系統(tǒng)具有快速反應(yīng)能力,能在極短時(shí)間內(nèi)將車(chē)輛恢復(fù)至平穩(wěn)狀態(tài),具有良好的轉(zhuǎn)向能力。
圖4 階躍負(fù)載轉(zhuǎn)向工況下系統(tǒng)響應(yīng)曲線
舉升工況下的系統(tǒng)響應(yīng)曲線見(jiàn)圖5。從圖5 可以看出,在舉升工況下,滿載工況和空載工況下的油缸壓力變化表現(xiàn)出巨大差異,在滿載工況下,舉升初期的油缸壓力迅速達(dá)到80 bar(8.0 MPa)以上,并在第一級(jí)舉升油缸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,油缸壓力呈先增大后減小的變化特征,當(dāng)?shù)诙?jí)舉升油缸開(kāi)始運(yùn)動(dòng)伸出時(shí),油缸壓力表現(xiàn)出短時(shí)間的振蕩變化特征,隨后呈逐漸降低趨勢(shì),在空載工況下,油缸壓力變化過(guò)程比較平穩(wěn),除了在第一級(jí)和第二級(jí)舉升油缸運(yùn)動(dòng)初期表現(xiàn)出激蕩情況外,其余時(shí)間均比較平穩(wěn),同時(shí)舉升油缸壓力較滿載時(shí)小許多,第一級(jí)舉升油缸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的穩(wěn)定壓力為2.5 bar(0.25 MPa),第二級(jí)舉升油缸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中為4.1 bar(0.41 MPa)。但是,無(wú)論是滿載工況還是空載工況,舉升油缸的運(yùn)行速度基本保持一致,雖然在第一、二級(jí)油缸運(yùn)動(dòng)初期會(huì)有短期振蕩外,第一級(jí)舉升油缸穩(wěn)定運(yùn)行速度為0.041 m/s,第一級(jí)舉升油缸穩(wěn)定運(yùn)行速度為0.065 m/s,并在14.2 s 時(shí)液壓系統(tǒng)完成舉升動(dòng)作。因此可知,舉升工況下舉升油缸運(yùn)動(dòng)初期都會(huì)造成一定幅度的波動(dòng),但是局能在短時(shí)間內(nèi)內(nèi)迅速穩(wěn)定,總體性能滿足設(shè)計(jì)要求。
圖5 舉升工況下的系統(tǒng)響應(yīng)曲線
制動(dòng)工況下的系統(tǒng)響應(yīng)曲線見(jiàn)圖6。從圖6可以看出:在線性信號(hào)輸入情況下,踏板傾角呈線性增加,踏板傾角為0°~5°時(shí),制動(dòng)壓力基本為零,踏板傾角在5°~25°時(shí),制動(dòng)壓力近似呈線性增加,并在1 s 時(shí)刻達(dá)到制動(dòng)油缸的額定壓力52.7 bar(5.27 MPa)。在矩形信號(hào)輸入情況下,踏板傾角呈現(xiàn)周期性變化特征,蓄能器壓力呈階梯型降低,每一次制動(dòng)踩踏可降低4 bar(0.4 MPa)的蓄能器壓力,但蓄能器的壓力仍遠(yuǎn)高于制動(dòng)油缸的惡性壓力,可以繼續(xù)為制動(dòng)油缸提供足夠的制動(dòng)壓力。因此,在制動(dòng)工況下液壓系統(tǒng)反應(yīng)靈敏,能夠提供充足的制動(dòng)壓力,制動(dòng)性能良好,可以實(shí)現(xiàn)特殊緊急情況下的制動(dòng)操作。
圖6 制動(dòng)工況下系統(tǒng)響應(yīng)曲線
為滿足小噸位礦用自卸車(chē)在復(fù)雜礦井工作環(huán)境下的運(yùn)輸性能,設(shè)計(jì)一種小噸位礦用自卸汽車(chē)液壓系統(tǒng),利用AMESim仿真軟件對(duì)此系統(tǒng)不同工況下的工作性能進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明,本液壓系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間短,靈敏度高,穩(wěn)定性好,具有良好的轉(zhuǎn)向、舉升和制動(dòng)性能,可應(yīng)用于礦業(yè)工程小型設(shè)備、小體積材料的運(yùn)輸。