輔助運輸車輛閉式液壓行走回路特性研究

姜菁+王強+劉永紅

摘 要：煤機輔助運輸車輛主要有輕型膠輪車和支架搬運車2種。因為支架搬運車的輸出功率比較大，所以，采用閉式液壓回路。由于巷道內工況差、故障率隨機性大、檢測成本高，因此，路試安全隱患也比較大。針對此問題，簡要分析了閉式回路A4VG-125軸向柱塞泵的機械結構及其工作原理，建立回路聯合仿真模型，闡述其壓力流量特性和控制回路運行特性，并在此基礎上搭建閉式回路檢測試驗臺進行測試。結果表明，采用試驗測試與仿真分析相結合的方法能夠有效反映泵控回路的維修結果，大大提高了維修效率，降低了車輛的日常維護成本。

關鍵詞：泵控馬達；支架搬運車；變排量；閉式回路

中圖分類號：TD355+.4 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.07.012

支架搬運車具有載重和爬坡能力大、運行速度快、機動靈活等優點，所以，被廣泛應用于井下煤礦生產。但是，其工況條件惡劣，故障模糊性和隨機性大，維修路試成本比較高。目前，國外同類技術產品成熟可靠、性能穩定，但價格昂貴、采購周期長，影響實際生產應用，而國內相關液壓技術起步晚，故障率高，維修投入比較大。詹麗華、陳利東、安四元等分析了支架搬運車液壓行走回路的常見故障和診斷方法；李宏偉、馬立瑞等分析了油液溫度、管路長度對回路特性的影響。

此外，計算機仿真技術正在逐漸取代傳統的樣機制造實驗法，在產品設計階段通過仿真軟件即可全面分析設備內部機械結構和液壓耦合關系，從而獲得與樣機測試相吻合的結果。這樣做，大大縮短了設計時間，避免了重復加工和試驗造成的損失?；诖?，本文構建了柱塞泵及其控制回路的仿真模型和試驗平臺，分析了液壓泵的流量壓力特性、回路的運行特性，為搬運車液壓行走回路故障診斷、修復測試提供了仿真依據和理論基礎。

1 閉式回路工作原理

支架搬運車用A4VG型液壓泵屬于斜盤式軸向柱塞泵，其基本工作原理如圖1所示。

柱塞按圓周方向均勻分布于缸體內，缸體由花鍵軸帶動旋轉，配流盤固定于后端蓋上。通過改變斜盤的傾角θ，即可改變柱塞行程，實現對柱塞泵的排量控制。由此，在缸體連續旋轉的過程中，隨著柱塞不斷往復運動，吸入和排出的油液就匯合成為了整泵的吸、壓油流量，并作用于液壓回路。其中，斜盤角度由泵變量機構控制，其本質為閥控對稱缸回路，具體工作原理如圖2所示。

用于支架搬運車室內性能測試的試驗臺原理如圖3所示。該回路可以分析泵的動態特性、分流閥加載特性和閉式回路的運行控制特性等。

2 回路理論分析和建模

2.1 柱塞泵運動分析

柱塞泵的運動原理如圖4所示。根據圖中幾何關系可知，柱塞行程、速度、加速度分別為：

2.2 斜盤受力分析

斜盤是連接變量機構和柱塞-滑靴組件的部件，對稱液壓缸推動斜盤擺動實現泵的變排量控制。通過對斜盤的受力分析，確定變量機構驅動力矩的變化范圍，可以為閥控對稱液壓缸回路提供更加有效的控制。斜盤的受力情況如圖5所示。

斜盤所受阻力矩主要是由變量液壓缸對斜盤的力矩M、斜盤受到柱塞作用于斜盤的不平衡力矩M1、阻礙斜盤轉動的滑動摩擦力矩M2、滑靴與柱塞間球鉸摩擦力矩M3、斜盤重量產生的斜盤力矩M4組成。其中，力矩M由作用力F0的反作用力產生，斜盤擺動力矩平衡方程如下。

當斜盤擺角β增大時，變量活塞的力平衡方程為：

當斜盤擺角β減小時，變量活塞的力平衡方程為：

式（4）（5）中：J為斜盤的轉動慣量；L為變量力臂。

2.3 柱塞泵控馬達回路

根據柱塞泵、馬達運行原理可以得到柱塞泵流量方程、馬達高壓腔流量連續性方程和馬達力矩平衡方程。它們分別為：

式（6）（7）（8）中：ωp，Cip，Cep為變量泵轉速和內、外泄漏系數；pr為補油壓力；Cim，Cem，Dm，θm為液壓馬達的內外泄漏系數、排量和轉角；V0為馬達轉角；Jt為馬達等效總慣量；Bm為黏性阻尼系數；G為彈簧剛度；TL為外負載力矩。

2.4 A4VG柱塞泵聯合仿真模型

A4VG125柱塞泵的結構參數如表1所示，根據表1所示數據建立的A4VG柱塞泵整泵模型如圖6所示。

A4VG柱塞泵的9個柱塞在缸體內呈圓周分布，且依次滯后相位角40°。在建立單柱塞模型后，通過修改初始相位角即可得到其余柱塞模型，然后將9個柱塞通過直線-旋轉變換與面積復位模塊連接在一起，泄漏油口和吸油口連接到油箱，壓油口通過溢流閥連接到油箱，即在軟件SimulationX中建立了A4VG泵主泵液壓回路。進一步添加變量活塞、復位彈簧、三位四通比例閥、閥芯控制容腔、閥芯限位、閥芯阻尼等模塊，即可建立變量控制模型。但是，對于A4VG泵機械結構而言，零件結構復雜，無法直接使用SimulationX中的基礎元件搭建，它要先通過Pro/E軟件建立泵的三維模型，然后利用SimulationX軟件中的CADimport模塊導入至仿真模型中構成聯合仿真模型。利用在Pro/E三維模型中設置模型的質量、質心位置和轉動慣量等物理屬性，即可分析軟件Simulation X中的柱塞泵變量機構受力特性、泄漏機理。

2.5 搬運車液壓行走回路仿真模型

根據泵控馬達回路原理，在軟件SimulationX中添加補油泵、負載馬達和安全溢流閥，即可得到搬運車液壓行走回路的仿真模型。泵控馬達仿真模型如圖7所示。

3 結果分析

依據回路原理搭建的回路測試試驗臺如圖8所示。根據試驗要求，分別測試A4VG柱塞泵及其控制回路。

3.1 柱塞泵壓力、流量特性

將仿真模型的電機轉速設為1 500 rpm，斜盤傾角設定為15°，溢流閥加載壓力依次設為10 MPa、20 MPa、30 MPa。運行仿真模型得到的柱塞泵柱塞腔內壓力、流量曲線如圖9、圖10所示。

由圖9、圖10曲線可知，柱塞腔底部受到間歇的壓力作用，柱塞排油行程中會受到高壓油作用，吸油行程則不受油液壓力，最大壓力即為柱塞泵的排油壓力。而泵的流量脈動由2部分組成，一部分是由于柱塞正弦運動規律導致的固有流量脈動，另一部分是由于吸壓油口切換時壓力的變化產生的瞬時流量脈動。其中，固有流量脈動由柱塞泵的結構和運動規律決定，而瞬時流量脈動程度取決于油口切換過程中壓力的變化情況。在實際工作中，適當偏轉配流盤、加工過渡阻尼槽等，可以減輕瞬時流量脈動。

3.2 柱塞泵控制特性

將仿真模型的電機轉速分別設定為1 000 rpm、1 500 rpm、1 800 rpm、2 200 rpm，負載壓力設為5 MPa、15 MPa、25 MPa。運行仿真和試驗模型得到柱塞泵油口A流量曲線和柱塞腔內流量變化曲線分別如圖11、圖12所示。

從圖11和圖12的曲線中可以看出，在相同的控制壓力條件下，A4VG泵在不同轉速或負載壓力下的輸出流量是不同的。當轉速增大或負載壓力減小時，泵的輸出流量會增加。這正是DA控制的效果，它可以確保行走部分的功率不超過設定值，以便有更多的功率用于機器的工作裝置。

3.3 泵控馬達運行特性

根據電機轉速為±1 000 rpm、±1 500 rpm、±2 200 rpm改變控制壓力，測試獲得的液壓馬達轉速的特性曲線如圖13所示。從圖13的曲線中可以看出，馬達旋轉速度基本對稱，但正反向旋轉的控制壓力不同。正向旋轉啟動控制壓力為0.8 MPa，反向旋轉啟動控制壓力為1 MPa。此外，隨著控制壓力的增大，馬達轉速基本線性增大，并且隨著泵轉速的增大，馬達的轉速也隨之增大，與理論分析結果一致。

4 結論

本文采用參數化建模的方法建立了A4VG泵及其控制回路仿真模型，詳細分析了A4VG泵的流量壓力特性，同時，利用試驗平臺測試了泵控回路的控制特性。測試平臺和聯合仿真表明，泵控回路具有對稱的旋轉速度，但正、反向的控制壓力不同。采取仿真與試驗相結合的方法，反映了回路的真實運行特性，保證了支架搬運車的修復質量，降低了成本。

參考文獻

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〔編輯：白潔〕