周乾剛，胡軍科，方立志，李 杰

(1.中南大學(xué)機電工程學(xué)院，湖南長沙 410075;2.三一智能控制有限設(shè)備，湖南長沙 410000)

清篩機挖掘鏈液壓驅(qū)動系統(tǒng)壓力沖擊研究＊

周乾剛1，胡軍科1，方立志1，李 杰2

(1.中南大學(xué)機電工程學(xué)院，湖南長沙 410075;2.三一智能控制有限設(shè)備，湖南長沙 410000)

針對某型清篩機在工作過程中出現(xiàn)挖掘鏈驅(qū)動馬達(dá)大范圍頻繁損壞，利用壓力沖擊產(chǎn)生原理，分析其液壓系統(tǒng)，認(rèn)為馬達(dá)不平穩(wěn)運行時會形成沖擊，從而導(dǎo)致馬達(dá)損壞，進一步機理分析與仿真研究證實了這一結(jié)論。在此基礎(chǔ)上，提出了抑制沖擊的具體措施，仿真結(jié)果表明:在保證主泵低壓側(cè)壓力穩(wěn)定時，能有效減小閉式液壓系統(tǒng)壓力沖擊，提高馬達(dá)的壽命。

清篩機;閉式液壓系統(tǒng);沖擊;AMESim

全斷面道砟清篩機是我國鐵道有砟線路的主要大修機械，其國產(chǎn)化生產(chǎn)和大規(guī)模投入使用，標(biāo)志著我國線路機械的制造技術(shù)和鐵路大修、維修的作業(yè)機械化水平已經(jīng)發(fā)展到一個新的階段［1］。清篩機挖掘鏈通過回轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)對道床全斷面上道砟的挖掘，將臟污的道砟從軌枕底下挖出，經(jīng)篩分裝置篩分后，清潔道砟回填至道床，污土拋至規(guī)定區(qū)域。某型清篩機在“開天窗”作業(yè)期間，大范圍出現(xiàn)挖掘鏈驅(qū)動馬達(dá)頻繁損壞，導(dǎo)致整機無法正常作業(yè)，這一問題嚴(yán)重影響了鐵路線路的維修進度和軌道車輛的準(zhǔn)點運行，甚至威脅軌道車輛的安全運行。因此，找出挖掘鏈驅(qū)動馬達(dá)損壞的原因及擬定解決方案成為迫在眉睫的任務(wù)。

1 挖掘鏈液壓驅(qū)動馬達(dá)損壞問題

清篩機挖掘鏈液壓驅(qū)動回路簡化原理如圖1所示。

雙速變量馬達(dá)帶動挖掘裝置回轉(zhuǎn)，馬達(dá)由2個變量泵并聯(lián)驅(qū)動(簡圖中只畫出1個)，馬達(dá)雙速變量實現(xiàn)挖掘鏈高、低挖掘速度的變換，當(dāng)馬達(dá)排量處于最小排量時，為高速，鏈條最大線速度為3.6 m/s;當(dāng)馬達(dá)排量處于最大位置時，為低速大扭矩，鏈條最小線速度為2.0 m/s;雙速變量利用電磁鐵的通斷來實現(xiàn)最大排量和最小排量兩位控制。其中兩檔變量馬達(dá)的型號為A6VM355HZ，實際使用中，限定最大排量為290 ml/r，最小排量為210 ml/r;額定壓力和最高壓力分別為35和40 MPa。變量泵的型號為90L180－KP，最大排量為180 ml/r，實際使用中，排量設(shè)置為145 ml/r;額定壓力和最高壓力分別為42和48 MPa。補油泵的排量為34 ml/r。為了降溫，系統(tǒng)采用4個沖洗閥(簡圖中只畫出了變量馬達(dá)自帶的沖洗閥，回路中的沖洗閥沒有畫出)，每個閥沖洗流量為16 L/min。

圖1 挖掘鏈液壓驅(qū)動回路簡化原理Fig.1 The simplified schematic for hydraulic driving circuit of mining chain

在馬達(dá)維修過程中，發(fā)現(xiàn)其損壞特點表現(xiàn)為:

(1)馬達(dá)損壞時間短、范圍廣;

(2)柱塞與缸體孔之間磨損嚴(yán)重，有些缸體孔失圓為橢圓形，活塞環(huán)磨損嚴(yán)重甚至斷裂;

(3)配流盤基本完好。

從馬達(dá)損壞的特點來判斷，可以排除污染、高溫和超速等故障原因，如此大范圍和快速的馬達(dá)損壞，可能只有強烈的沖擊才會造成［2－3］。

2 閉式挖掘系統(tǒng)產(chǎn)生液壓沖擊的原因

(1)在挖掘系統(tǒng)液壓回路中，采用2個排量為34 ml/r補油泵，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時，補油泵的總流量為130 L/min左右。通過對回路分析發(fā)現(xiàn)，為了降溫，系統(tǒng)用了四個沖洗閥，每個的沖洗流量為16 L/min，故補油泵的一半流量都被沖洗閥消耗。另外考慮馬達(dá)的容積效率為95%時，需要液壓油的流量約為30 L/min，還有兩個閉式液壓泵有泄漏，這樣補油泵流量偏小，直接導(dǎo)致補油油壓力不夠，現(xiàn)場檢測的補油泵壓力在1.7～2.4 MP波動，這個范圍已屬于不正常的工作狀態(tài)

(2)由于主泵變量所需的控制壓力為6～18 bar，在伺服閥為最大開度的情況下，如果控制壓力達(dá)不到18 bar，則主泵就達(dá)不到全排量，如果補油壓力側(cè)控制壓力波動，即便在控制油泵排量電信號不變的情況下，泵的排量也會發(fā)生變化。

(3)在挖掘鏈高速運動(3.6 m/s)的工況下，若油泵排量減少，則馬達(dá)轉(zhuǎn)速下降，而挖掘鏈的質(zhì)量大屬于大慣性系統(tǒng)，會拖動馬達(dá)按勻速運行，這時馬達(dá)會被轉(zhuǎn)換角色成為泵，所以就會在馬達(dá)的高壓側(cè)會出現(xiàn)吸空。當(dāng)泵的排量發(fā)生周期性變化時，馬達(dá)也會周期性地轉(zhuǎn)換為泵。

(4)挖掘減速機的減速比為23.25，扒鏈有82節(jié)(可調(diào)節(jié))，重1 886 kg?？刂茐毫拓?fù)載壓力的頻繁變化，導(dǎo)致了馬達(dá)長期處于最惡劣的工況。使得變量馬達(dá)柱塞在傳遞轉(zhuǎn)矩的過程中頻繁擺動，破壞了油膜，使得柱塞與缸近似敲打。

因此，補油流量的不足及負(fù)載壓力的頻繁變化最終會導(dǎo)致系統(tǒng)的壓力沖擊，對泵、馬達(dá)等高速回轉(zhuǎn)元件造成巨大危害，短時間內(nèi)就可以使液壓元件損壞，由于負(fù)載因素人為可調(diào)控的范圍很小，因此閉式系統(tǒng)的關(guān)鍵是如何控制低壓側(cè)壓力的穩(wěn)定，避免系統(tǒng)頻繁出現(xiàn)峰值壓力。

3 壓力沖擊建模與仿真研究

AMESim軟件采用的建模方法類似于功率鍵合圖法，但要比功率鍵合圖法更先進一點，AMESim更能直觀反映系統(tǒng)的工作原理，而且元件之間傳遞的數(shù)據(jù)個數(shù)沒有限制，可以對更多參數(shù)進行研究，可以研究功率鍵合圖所不能處理的氣穴等復(fù)雜現(xiàn)象［4］。飽和壓力和蒸發(fā)壓力是處理氣穴現(xiàn)象必不可少的，在AMESim中，飽和壓力參數(shù)用于指定高于該壓力后，所有的空氣全部溶解，對流體的可壓縮性沒有影響。低于該壓力，流體的體積模量是混入空氣的百分比與壓力的函數(shù)。

由前面分析可以認(rèn)知，在挖掘回路中，補油泵的補油流量不足及負(fù)載壓力的頻繁變化都會造成系統(tǒng)壓力沖擊問題，由于實際工作時馬達(dá)的負(fù)載非常復(fù)雜，在仿真過程中，采用模擬信號加載的方式建立負(fù)載模型，挖掘鏈的負(fù)荷頻率一般在0.1～1 Hz之間。馬達(dá)與負(fù)荷轉(zhuǎn)矩之間的靜力學(xué)關(guān)系為

式中:p為負(fù)荷壓力;ηmt為馬達(dá)排量;Vm為馬達(dá)機械效益;Mk為負(fù)荷轉(zhuǎn)矩。

在高速挖掘過程中，負(fù)載壓力增大時，馬達(dá)保持最小排量不變，系統(tǒng)的壓力上升，變量泵相應(yīng)減小排量使得系統(tǒng)的流量減小，馬達(dá)轉(zhuǎn)速隨之減小，此過程實現(xiàn)了系統(tǒng)對負(fù)載變化的自適應(yīng)控制。反之，當(dāng)負(fù)載減小時，馬達(dá)轉(zhuǎn)速會相應(yīng)增大。但是，由于馬達(dá)轉(zhuǎn)速相對外部載荷相應(yīng)滯后以及慣性負(fù)載的存在，系統(tǒng)壓力在變化過程中不可避免出現(xiàn)壓力沖擊現(xiàn)象。在仿真的過程中，假設(shè)泵的排量不變，這樣可以消除系統(tǒng)的非線性因素。本文仿真的目的是:

(1)了解補油流量不足時負(fù)載壓力的頻繁變化引起系統(tǒng)壓力變化的情況;

(2)了解補油流量充足時負(fù)載壓力的頻繁變化引起系統(tǒng)壓力變化的情況;

(3)比較2種情況的仿真曲線，驗證前面液壓沖擊機理分析。

挖掘鏈驅(qū)動系統(tǒng)的AMESim仿真模型見圖2。

圖2 挖掘鏈液壓驅(qū)動系統(tǒng)仿真模型Fig.2 The simulation model for hydraulic system of mining chain

在補油流量不足(補油泵的排量設(shè)定為68 ml/r，沖洗閥的流量設(shè)定為64 L/min)與補油流量充足(補油泵流量不變，將沖洗閥的沖洗量由原來的64 L/min改為16 L/min)的2種情況下，馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，壓力與流量的仿真結(jié)果如圖3～圖4所示。

圖3 補油流量不足時馬達(dá)的流量(左上)、出口壓力(右上)、進口壓力(左下)與轉(zhuǎn)速(右下)的仿真曲線Fig.3 The simulation curve for motor，s flow rate，outlet pressure，input pressure when recharging oil is insufficient

從圖3的仿真曲線看以看出，補油泵流量不足時，負(fù)載的變化對馬達(dá)流量和轉(zhuǎn)速的影響不大，對系統(tǒng)壓力影響很大，其影響結(jié)果表現(xiàn)為:在0～0.5 s過程中，系統(tǒng)瞬間建立起負(fù)載相對應(yīng)的壓力值33.9 MPa，在馬達(dá)達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速之前，泵的吸油壓力一直很低。當(dāng)?shù)蛪簜?cè)開始建立壓力時，由于流量不夠，低壓側(cè)壓力波動劇烈，導(dǎo)致系統(tǒng)壓力隨變量泵吸油壓的力波動產(chǎn)生劇烈的震蕩，出現(xiàn)低壓峰值，最低壓力為13.1 MPa。在流量和轉(zhuǎn)速不變的情況下，馬達(dá)的運動副受到強烈的壓力沖擊，馬達(dá)工況變得非常惡劣。在0.5～1 s過程中，負(fù)載的每次波動導(dǎo)致了變量泵吸油壓力產(chǎn)生峰值壓力(3.42 MPa)和低谷壓力(1.48 MPa)之后，并呈現(xiàn)迅速衰減的趨勢，系統(tǒng)壓力也產(chǎn)生低頻高幅震蕩(最大幅值偏離穩(wěn)定值約10 MPa)。仿真曲線還表明:當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定值以后，負(fù)載的每一次波動都會產(chǎn)生系統(tǒng)強烈的壓力沖擊。

圖4 補油流量充足時馬達(dá)的流量、出口壓力、進口壓力與轉(zhuǎn)速的仿真曲線Fig.4 The simulation curve for motor，s flow rate，outlet pressure，input pressure when recharging oil is sufficient

圖4的仿真結(jié)果表明，當(dāng)減小沖洗閥的流量，系統(tǒng)的補油流量充足以后，當(dāng)負(fù)載變化量較大時，吸油壓力只會出現(xiàn)瞬間沖擊，系統(tǒng)壓力會出現(xiàn)劇烈的震蕩。但是，當(dāng)負(fù)載變化不大時，吸油壓力不會出現(xiàn)補油流量不足時的波動，系統(tǒng)壓力的震蕩幅值也相應(yīng)地減小很多(約為補油不足時的48%)。仿真曲線還表明:充足的補油流量能減小系統(tǒng)的壓力沖擊。

4 抑制壓力沖擊的措施

根據(jù)文獻(xiàn)［5］的綜述，補油泵給系統(tǒng)補充的流量應(yīng)大于系統(tǒng)泄漏量和沖洗量之和，補油流量一般在系統(tǒng)流量的20%左右，多余的流量通過溢流閥溢流，溢流閥的調(diào)定壓力為2.4 MPa，這樣的壓力匹配可使得補油壓力即控制壓力保持在高壓動態(tài)平衡點。由于馬達(dá)的容積效率高，油液的泄漏量不足以帶走馬達(dá)外殼的熱量，故一定需要沖洗閥。但是，過多的沖洗閥會導(dǎo)致補油泵的流量不足，導(dǎo)致主泵低壓側(cè)壓力及系統(tǒng)的控制壓力波動，使得系統(tǒng)產(chǎn)生壓力沖擊，系統(tǒng)抗干擾能力變差。在施工現(xiàn)場，關(guān)掉多余的沖洗閥以后，使得系統(tǒng)的控制壓力不低于2.0 MPa，系統(tǒng)的壓力沖擊明顯得到改善，最低控制壓力升高，達(dá)到了正常的工作范圍，但控制壓力仍然存在高頻波動，這是由于挖掘鏈復(fù)雜的工況和頻繁的負(fù)載壓力變化引起的。為了減少負(fù)載壓力對系統(tǒng)的影響，可以選擇在低壓側(cè)安裝蓄能器，用來吸收低壓側(cè)控制壓力的脈動，從而減小控制壓力的波動。

5 結(jié)論

(1)造成閉式挖掘系統(tǒng)壓力沖擊的原因有:鏈條傳動速度的不平穩(wěn)、挖掘扒鏈的非連續(xù)扒掘造成挖掘力的不平穩(wěn)、濫用沖洗閥，導(dǎo)致補油流量不足。

(2)仿真結(jié)果表明:保證主泵低壓側(cè)壓力的穩(wěn)定，能有效減小閉式液壓系統(tǒng)壓力沖擊，在很大程度上提高了驅(qū)動馬達(dá)的壽命。

(3)開式系統(tǒng)與閉式系統(tǒng)相比，其液壓油直接回油箱，變量泵和變量馬達(dá)的控制方式也可以選擇電比例控制，由操作人員事先設(shè)定排量。因此，如果挖掘鏈液壓驅(qū)動系統(tǒng)選擇開式系統(tǒng)，可以有效避免控制壓力波動給系統(tǒng)帶來的惡性循環(huán)，是解決挖掘鏈驅(qū)動馬達(dá)大范圍頻繁損壞的實驗性選擇，這種方案的弊端使系統(tǒng)的功率利用率大大減少。

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The study on pressure impact produced by the hydraulic driving systerm of mining chain

ZHOU Qian-gang1，HU Jun-ke1，F(xiàn)ANG Li-zhi1，LI Jie2

(1.School of Mechanical＆ Electrical Engineering，Central South University，Changsha 410075，China;2.Limited Equipment of Sany Intelligent Control，Changsha 410000，China)

Due to the wide－ range and frequent destruction of a certain screen scarifier’s hydraulic motor for mining chain emerged during operation，with the extensive investigation and deep analysis of hydraulic system，it is worked out that the motor destruction is possibly caused by pressure impulsion，which is produced by unstable work of motor.Then further mechanism analysis and simulation studies confirm this conclusion，and based on this foundation，the specific measures to restrain pressure impulsion are put forward.The measures point out that a stable pressure in low pressure side of main pump can effectively reduce pressure impulsion of closed hydraulic system，and improve the work life of the motor.

screen scarifier;closed hydraulic system;hydraulic impact;AMESim

TH137

A

1672－7029(2011)05－0119－05

2011－06－20

周乾剛(1985－)，男，湖南株洲人，碩士研究生，從事液壓傳動與控制研究