AMESim在清篩機液壓走行驅動系統(tǒng)分析中的應用

崔艷鷺，葉賢東，王亞

(西南交通大學機械工程學院，四川成都610031)

摘要：通過對國產QS2-650型道砟清篩機Ⅰ端高速走行驅動液壓系統(tǒng)兩種設計方案的分析，利用AMESim建立液壓系統(tǒng)模型進行兩種設計方案對比仿真，得出清篩機啟動過程中系統(tǒng)壓力、加速度、流量等相關參數(shù)變化情況。分析表明：變量馬達驅動設計方案更能適合清篩機加速走行工況要求，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)路機械液壓系統(tǒng)分析與優(yōu)化設計提供一定的參考。

關鍵詞:清篩機AMESim液壓系統(tǒng)仿真分析

中圖分類號：U415.52+6文獻標識碼：A

作者簡介：崔艷鷺(1987-)，男，漢族，遼寧朝陽人，西南交通大學，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來完成道砟清篩工作。QS2-650型全斷面道砟清篩機是襄樊金鷹軌道車輛有限責任公司生產的全液壓驅動大型清篩機[1]。在對該機走行驅動液壓系統(tǒng)進行國產化升級過程中采用傳統(tǒng)試驗法對設計方案進行更改和參數(shù)調節(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]。隨著計算機仿真技術的發(fā)展，在工程系統(tǒng)設計中使用計算機建立系統(tǒng)數(shù)學模型，通過計算機數(shù)字化仿真計算研究系統(tǒng)設計的各種工況，確定最佳參數(shù)匹配。但該方法要求建立復雜的數(shù)學模型和必要的編程工作要求設計人員具備較高的數(shù)學和軟件功底，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公司的一款多學科領域復雜系統(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，使設計人員免去建立復雜的數(shù)學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)設計方案和元件參數(shù)[4]。因此可以大大的提高設計人員效率，縮短設計周期，使設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QS2-650型清篩機高速走行液壓系統(tǒng)為研究對象，通過AMESim軟件平臺建立該機Ⅰ端高速走行驅動液壓系統(tǒng)仿真模型，模擬該系統(tǒng)采用不同形式的液壓馬達清篩機起動時系統(tǒng)工作情況，驗證系統(tǒng)設計是否滿足清篩機工作要求。

1QS2-650型道砟清篩機走行液壓系統(tǒng)構成[5]

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

1.1Ⅰ位端高速走行驅動液壓系統(tǒng)組成

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

1.2Ⅰ位端高速走行驅動液壓系統(tǒng)AMESim模型[6]

利用AMESim建立Ⅰ位端高速走行驅動液壓系統(tǒng)如圖1所示，利用軟件提供Mechanical庫建立模型模擬清篩機車體及車輪齒輪箱等傳動部件，從而減少設計人員在仿真過程中相關數(shù)值計算工作。(本文仿真研究未涉及下坡路段馬達對系統(tǒng)的作用工況、制動閥組對系統(tǒng)加速情況不產生影響故建模過程中省去制動閥組相關部分。)在發(fā)動機為液壓泵提供動力的傳動系統(tǒng)中分動箱及發(fā)動機性能對系統(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的高速走行。

1.發(fā)動機分動箱；2.液壓泵；3.過載保護閥組；4.阻力自動加載模塊；5.模擬變量馬達自適應調整模塊；6.清篩機重量加載及速度輸出；7.驅動馬達；8.補油泵；9.沖洗閥；10.Ⅰ軸齒輪箱及輪對；11.Ⅲ軸齒輪箱及輪對 圖1　Ⅰ位端高速走行驅動液壓系統(tǒng)AMESim模型圖

1.3模型主要參數(shù)設定[7]

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

清篩機運行阻力：QS2-650型清篩機采用兩臺柴油發(fā)動機作為動力源，計算該機高速走行阻力時參考列車牽引計算規(guī)程中DF型內燃機車相關規(guī)定進行計算加載。

機車單位阻力

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

平直道清篩機運行阻力。

w′=2.93+0.0073v+0.0027v2

v—清篩機運行速度(km/h)；w′—清篩機運行單位基本阻力(N/kN)。

清篩機啟動阻力 v<10km/h時

wq=5(N/kN)

2清篩機Ⅰ端高速走行驅動液壓系統(tǒng)運行仿真及對比分析

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：清篩機運行速度、加速度；馬達入口壓力、液壓馬達排量；輸入功率、過載溢流閥流量。

2.1固定排量馬達驅動液壓系統(tǒng)仿真

該工況條件下高速走行驅動液壓馬達排量固定為50 cc/r，不能根據系統(tǒng)壓力進行排量調節(jié)仿真結果如下：

2.2變排量馬達驅動液壓系統(tǒng)仿真

圖2　定排量馬達驅動清 篩機速度與加速度曲線

根據液壓系統(tǒng)仿真結果圖2-圖 4可以確定采用定量馬達驅動清篩機行走可以滿足清篩機起動及高速走行速度要求。清篩機從0加速到100 km/h所需時間不超過4 min，但清篩機啟動加速階段當系統(tǒng)壓力增大時馬達的排量不會根據系統(tǒng)壓力變化進行調整。

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

2.2變排量馬達驅動液壓系統(tǒng)仿真

利用變排量液壓馬達，當清篩機走行阻力增大或加速起動導致系統(tǒng)壓力大于28 MPa時液壓馬達的排量自動增加，提高液壓馬達的輸出轉矩提高清篩機的驅動力。

圖5　變排量馬達驅動清 　篩機速度與加速度曲線

根據液壓系統(tǒng)仿真結果圖 5-圖7可以確定采用自適應調整排量馬達驅動清篩機行走同樣可以滿足清篩機啟動及高速走行速度要求。清篩機從0加速到100 km/h所需時間不超過3 min，同時當系統(tǒng)壓力增大超過28 MPa時馬達排量自動增大提高馬達的輸出轉矩。

圖6　變排量馬達入口壓圖7　變排量馬達驅動液 力及馬達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，可以判斷兩種設計均能滿足清篩機高速走行對系統(tǒng)提出的速度要求，兩種系統(tǒng)設計所能達到的最高形式速度均大于100 km/h留有適當余量基礎上滿足清篩機最高速走行要求。但兩種液壓系統(tǒng)仍存在明顯區(qū)別：

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

圖8　清篩機速度加速度圖9　馬達入口壓力及馬 對比分析圖 達排量變化對比分析圖

如圖9 所示，變排量馬達系統(tǒng)在清篩機起動瞬間排量增大至最大，保證清篩機具有最大扭矩輸出，隨著清篩機速度逐漸提高，系統(tǒng)壓力降低小于28 MPa馬達排量逐漸減小提高清篩機走行速度，最后將變量馬達排量調至系統(tǒng)設置最低使清篩機以最高速度運行。定量馬達液壓驅動系統(tǒng)馬達的排量始終保持不變。對比兩條馬達入口壓力曲線可以看出應用變量馬達的液壓驅動系統(tǒng)的最高壓力要低于定量馬達液壓驅動系統(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入口壓力隨之增大。清篩機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，利用變量馬達驅動的清篩機在起動過程中液壓泵所需的瞬間最大輸入功率要低于驅動定量馬達所需的瞬間最大輸入功率，對發(fā)動機負荷沖擊較小，同樣可以看到當清篩機達到最高速度時前者所消耗發(fā)動機的能量更少更高效。對比兩條系統(tǒng)安全閥組流量可知，變量馬達系統(tǒng)在清篩機加速過程中無溢流，因此無高壓油液損失，而定量馬達系統(tǒng)的溢流閥最大瞬時流量可達13.5 L/min，造成系統(tǒng)能量浪費同時增加安全閥組工作負擔，增加液壓系統(tǒng)沖擊使系統(tǒng)維護成本增加[9]。

圖10　泵輸入功率及安全閥組溢流流量對比分析圖

3結論

在對機械液壓系統(tǒng)進行仿真分析研究時，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，通過設置合理的參數(shù)對液壓和機械系統(tǒng)進行分析從而研究系統(tǒng)設計及各元件參數(shù)對系統(tǒng)產生的影響，該方法能夠得到與真實實驗接近的仿真結果，大大提高廣大研究人員科研效率和設計水平。

本文利用AMESim軟件分別對清篩機Ⅰ端高速走行驅動液壓系統(tǒng)所設計的定量馬達和變量馬達兩種設計方案進行對比分析，得出變量馬達應用于清篩機高速走行驅動液壓系統(tǒng)時能夠明顯提高清篩機起動加速性能，同時降低系統(tǒng)壓力，提高發(fā)動機輸出能量利用效率，減少對液壓元件沖擊。

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

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葉賢東(1974-)，男，四川成都人，西南交通大學，副教授。

王亞(1990-)，男，山東聊城人，西南交通大學，碩士研究生。