常志強

（中鐵十九局集團礦業(yè)投資有限公司，北京 100071）

0 引言

礦用自卸車具有良好的機動性、廣泛的適應性、簡便的操作性以及高效的運輸效率，因而在礦業(yè)生產領域得到廣泛應用[1-3]。但是，大多數(shù)礦用自卸車具有大噸位的運輸特性，隨著礦業(yè)技術的不斷發(fā)展，礦井機械化程度不斷增加，一些小型的設備、材料使用這些大噸位的自卸車進行運輸反而會降低生產效率，增加工程成本，造成資源的極大浪費，因而現(xiàn)代礦業(yè)工程對于小噸位的礦用自卸車需求量增在不斷增長，小型礦用汽車質量輕，在復雜的礦業(yè)運輸?shù)缆窏l件下，顛簸大、坡路多、運行速度低是常態(tài)，因而對于小噸位自卸車的運輸穩(wěn)定性具有較高的要求[4-6]。而礦用自卸車的轉向、制動、舉升的操作一般依靠液壓系統(tǒng)來控制，所以其運輸穩(wěn)定性在很大程度上取決于液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

設計一種適應復雜礦井環(huán)境的礦用小噸位自卸車，重點對液壓系統(tǒng)的設計原理和選型進行了詳細分析，并通過AMESim仿真模擬，對轉向、舉升以及制動工況下的液壓系統(tǒng)性能進行了分析，以期為滿足礦業(yè)生產要求提供參考。

1 結構設計及選型

1.1 整機構造

礦用自卸車一般由動力系統(tǒng)（柴油機、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）、車架與車廂、駕駛與操作系統(tǒng)（包含換擋操作柄、自動開關、熄火開關、方向盤等）、傳動系統(tǒng)（由變柜器、變速箱以及傳動軸等組成）、氣動系統(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、電源箱、繼電箱、接線盒等裝置組成）以及液壓系統(tǒng)構成（圖1）。整機的連接形式為鉸接式，發(fā)動機采用防爆氣啟動方式，其他參數(shù)見表1。

表1 整機主要參數(shù)

圖1 礦用自卸車整機結構示意

1.2 液壓系統(tǒng)

礦用自卸車液壓系統(tǒng)的主要作用是實現(xiàn)車輛轉向、舉升以及制動操作功能，主要由轉向控制系統(tǒng)、舉升控制系統(tǒng)以及制動系統(tǒng)三大系統(tǒng)組成。其中，轉向控制系統(tǒng)和舉升控制系統(tǒng)主要負責前輪轉向和礦料的卸載，其性能優(yōu)劣關系著礦場的生產效率；制動控制系統(tǒng)主要負責生產過程中的減速、停車以及維持正常車速等功能，其性能優(yōu)劣關系著自卸車的行駛安全。

1.2.1 液壓系統(tǒng)的工作原理

液壓泵為三大系統(tǒng)提供動力源，通過調節(jié)溢流閥來確保液壓系統(tǒng)處于可承受壓力范圍之內。三大系統(tǒng)共用一個液壓油箱，液壓油箱作為獨立構件，與機架等保持分離，控制回路均由同一齒輪泵供油（圖2）。在工作過程中，車輛一旦完成啟動供油（制動供油），齒輪泵立即為轉向舉升控制回路供油，不再零壓回油箱。

圖2 液壓系統(tǒng)結構

1.2.2 元件選型

（1）轉向舉升系統(tǒng)元件選型。轉向液壓缸選用D16 WF63/45-435 型，額定壓力為16 MPa，液壓油缸的內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 型雙級液壓缸，第一級直徑和行程分別為100 mm 和354 mm，第二級直徑和行程分別為80 mm 和367 mm；轉向器選用BZZ5-630 全液壓轉向器。

（2）制動控制系統(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。

2 性能仿真分析

2.1 仿真模型

利用AMESim 仿真軟件建立礦用自卸車液壓系統(tǒng)仿真模型。由于本文主要討論礦用自卸車制動控制系統(tǒng)在工作狀態(tài)下運行穩(wěn)定性，為簡化分析過程在模型搭建過程中僅考慮行車制動回路，因此，仿真模型主要由制動踏板閥、充液閥、蓄能器、制動油缸、管路和油箱等部分組成（圖3）。

圖3 仿真模型結構示意

2.2 工況設計

（1）轉向工況。當轉向過程中遇到坑洼路面或者障礙物時，液壓系統(tǒng)工況負載力呈階躍變化，在此工況下的模擬情況為：0～1 s 負載力保持30 kN 不變，在1 s 時突然遇到路面坑洼，負載力增至46 kN，仿真時間為2 s，仿真步長為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，仿真時間均為16 s，仿真步長均為0.01 s。

（3）制動工況。制動工況也分為兩種情況：一種是一次平緩施加制動，即制動輸入信號為線性比例信號，仿真時間為1 s，探班角度由0°增至25°，仿真步長為0.01 s；另外一種是多次快速踩踏制動踏板，同時保持角度不變，即制動信號輸入為矩形信號，仿真時間為14 s，仿真步長為0.01 s，循環(huán)間隔制動踩踏7次，每次踩踏時間2 s。在2 s 期間內，0～1 s 為踏板瞬時從0°增至25°，并維持1 s 不變；然后踏板迅速松開，松開后也保持1 s不變。

2.3 結果分析

階躍負載轉向工況下的系統(tǒng)響應曲線見圖4。從圖4 可以看出，轉向油缸流量和速度在轉向初始階段呈逐漸增大的變化特征，當在0.2 s 時刻，流量和速度達到穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定值分別為38 L/min 和0.18 m/s；當在第1 s 時刻，自卸車在轉向過程中遇到坑洼路面時，轉向油缸流量和速度出現(xiàn)驟降，同時伴隨著激烈的振蕩現(xiàn)象，但這個時間持續(xù)時間極短，僅不到0.1 s 就又恢復至穩(wěn)定狀態(tài)。因此可以認定，在坑洼路面轉向行駛過程中，自卸車控制系統(tǒng)具有快速反應能力，能在極短時間內將車輛恢復至平穩(wěn)狀態(tài)，具有良好的轉向能力。

圖4 階躍負載轉向工況下系統(tǒng)響應曲線

舉升工況下的系統(tǒng)響應曲線見圖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到80 bar（8.0 MPa）以上，并在第一級舉升油缸運動過程中，油缸壓力呈先增大后減小的變化特征，當?shù)诙壟e升油缸開始運動伸出時，油缸壓力表現(xiàn)出短時間的振蕩變化特征，隨后呈逐漸降低趨勢，在空載工況下，油缸壓力變化過程比較平穩(wěn)，除了在第一級和第二級舉升油缸運動初期表現(xiàn)出激蕩情況外，其余時間均比較平穩(wěn)，同時舉升油缸壓力較滿載時小許多，第一級舉升油缸運動過程中的穩(wěn)定壓力為2.5 bar（0.25 MPa），第二級舉升油缸運動過程中為4.1 bar（0.41 MPa）。但是，無論是滿載工況還是空載工況，舉升油缸的運行速度基本保持一致，雖然在第一、二級油缸運動初期會有短期振蕩外，第一級舉升油缸穩(wěn)定運行速度為0.041 m/s，第一級舉升油缸穩(wěn)定運行速度為0.065 m/s，并在14.2 s 時液壓系統(tǒng)完成舉升動作。因此可知，舉升工況下舉升油缸運動初期都會造成一定幅度的波動，但是局能在短時間內內迅速穩(wěn)定，總體性能滿足設計要求。

圖5 舉升工況下的系統(tǒng)響應曲線

制動工況下的系統(tǒng)響應曲線見圖6。從圖6可以看出：在線性信號輸入情況下，踏板傾角呈線性增加，踏板傾角為0°～5°時，制動壓力基本為零，踏板傾角在5°～25°時，制動壓力近似呈線性增加，并在1 s 時刻達到制動油缸的額定壓力52.7 bar（5.27 MPa）。在矩形信號輸入情況下，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高于制動油缸的惡性壓力，可以繼續(xù)為制動油缸提供足夠的制動壓力。因此，在制動工況下液壓系統(tǒng)反應靈敏，能夠提供充足的制動壓力，制動性能良好，可以實現(xiàn)特殊緊急情況下的制動操作。

圖6 制動工況下系統(tǒng)響應曲線

3 結語

為滿足小噸位礦用自卸車在復雜礦井工作環(huán)境下的運輸性能，設計一種小噸位礦用自卸汽車液壓系統(tǒng)，利用AMESim仿真軟件對此系統(tǒng)不同工況下的工作性能進行了仿真分析。結果表明，本液壓系統(tǒng)響應時間短，靈敏度高，穩(wěn)定性好，具有良好的轉向、舉升和制動性能，可應用于礦業(yè)工程小型設備、小體積材料的運輸。