矿用履带车行走限速系统液压马达制动特性分析

王治鹏，高贵军，刘邱祖，李胜，董强

(1. 太原理工大学机械工程学院，山西太原030024;2. 山西省矿山流体工程实验室(研究中心)，山西太原030024)

矿用履带车行走作业时，巷道坡长一般都在几百米以上，且坡度较大，因此在自重的作用下会不断自动加速，引起左右行走液压马达的超速运转。尤其当液压泵供油不及时，极易发生液压马达吸空现象，使得液压行走马达的工作性能降低，而且有可能导致整台装置超速溜坡和事故的发生［1］。顾秦怡等［2］分析了大惯性负载的制动平稳性问题，提出了一种通过泵控马达及阀控缸系统的液压平衡方法来实现大惯性负载的平稳制动。许益民等［3］分析了超负载工况下液压马达的传动方式，深入探讨了液压马达制动回路的典型故障机制以及液压制动方法，并提出了解决方案。

为了避免事故发生，需要对行走液压马达的转速进行限制，在行走液压回路上安装背压阀，该背压阀的安装可以防止液压马达超速和吸空。在复杂的工况下，液压马达制动时的平稳性与背压阀有关，液压马达制动产生压力冲击过大会影响到其使用寿命。

1 行走限速制动系统的液压回路

图1 行走限速制动系统原理图

如图1 所示，行走限速制动回路由梭阀6，背压阀8、9，单向阀7、10 和制动器12 组成。矿用履带车正常行驶时，换向阀5 处于右位，由于梭阀6 两端的油压不等，压力油经梭阀6 的右端进入制动器12，使得行走液压马达11 的制动解除;压力油经单向阀10 进入行走液压马达11 的右腔;压力油同时沿右侧控制油路推动背压阀8，使其处于接通位置，以便行走液压马达11 左腔的出油经背压阀8 回到油箱。当矿用履带车在巷道内进行行走作业并在自重作用下开始溜坡时，行走液压马达11 超速运转，这时右腔会产生进油供应不及的现象，从而使行走液压马达11进油腔的压力和背压阀8 的控制油压力降低，于是背压阀8 的阀芯在弹簧的作用下右移，使行走液压马达11 的回油通道被关小，行走液压马达减速，同时由于梭阀6 右端的压力减小，进入制动器12 的油液压力减小。在弹簧的作用下，制动器12 也使得行走液压马达减速，这样就降低了矿用履带车在巷道内的行驶速度，防止了溜坡现象的发生。

2 液压回路的数学模型

2.1 液压回路的功率键合图

为了使分析方便，作如下简化: (1)忽略换向阀内腔液体的液容及换向阀的泄漏; (2)不计液压马达的外泄漏，只考虑内泄漏液阻和液腔液容;(3)只考虑液控单向阀、梭阀的液阻; (4)由于制动器活塞、连杆、制动片为刚性连接，将其合并成为一个感性元件; (5)将液压马达转子及连接轴的转动惯量合并成一个转动惯量［4－6］。

在简化的基础上，根据液压回路的工作原理和功率键合图的相关理论，建立了如图2 所示的矿用履带车行走作业时的功率键合图。

图2 行走限速制动系统功率键合图

(1)容性元包括:C3，泵至溢流阀管道的液容;C10，溢流阀弹簧的柔度;C26，换向阀至梭阀管道的液容及梭阀至单向阀的液容;C31，梭阀至制动器及制动器液腔的液容;C34，制动器弹簧的柔度;C39，单向阀至液压马达管道的液容及液压马达自身液腔液容;C47，液压马达至背压阀的管道液容;C53，背压阀弹簧的柔度;C60，背压阀至换向阀的管道液容。

(2)感性元包括:Ⅰ11，溢流阀阀芯的质量;Ⅰ35，制动器活塞、连杆及制动片的质量;Ⅰ44，液压马达转子及连接轴的转动惯量;Ⅰ52，背压阀阀芯的质量。

(3)阻性元包括:R2，泵的泄漏液阻;R6，溢流阀的溢流液阻(可变液阻);R7，溢流阀的减压阻尼孔液阻;R15、R16、R21、R22，换向阀节流口液阻;R29，梭阀液阻;R37，单向阀液阻;R41，马达的泄漏液阻;R57，背压阀的减压阻尼孔液阻;R55，背压阀的阻尼液阻(可变液阻)。

(4)A1为溢流阀阀芯的有效作用面积;A2为制动器活塞的有效作用面积;A3为背压阀阀芯的有效作用面积;m1为液压马达进油腔的转换系数;m2为液压马达出油腔的转换系数;Se1为溢流阀的调节压力;Se2为制动器弹簧的预紧力;Se3为液压马达的输出转矩;Se4为背压阀的调节压力;Se5为油液回油箱的压力，为0。

2.2 液压回路的状态方程

根据功率键合图的相关规则以及变量之间的相互逻辑关系，由功率键合图2 可知，该回路有13 个状态变量，它们的物理意义分别为:液压马达出口至溢流阀阀口用来补偿油液压缩量及管道受压变形量的液压油的体积V3，溢流阀阀芯的位移X10，溢流阀阀芯的动量P11，换向阀至梭阀及梭阀至单向阀中用来补偿油液压缩量及管道受压变形量的液压油的体积V26，梭阀至制动器及制动器中用来补偿油液压缩量及管道受压变形量的液压油的体积V31，制动器活塞的位移X34，制动器活塞、推杆及制动片的动量P35，单向阀至液压马达及液压马达中用来补偿油液压缩量及管道受压变形量的液压油的体积V39，液压马达转子及连接轴的动量P44，液压马达至背压阀中用来补偿油液压缩量及管道受压变形量的液压油的体积V47，背压阀阀芯的位移X53，背压阀阀芯的动量P52，背压阀至换向阀中用来补偿油液压缩量及管道受压变形量的液压油的体积V60。由功率键合图得出液压回路简化后的状态方程为:

3 仿真分析

以该系统回路为基础，结合功率键合图和上述状态方程，利用AMESim 中的液压库、机械库、信号库和HCD 库建立系统仿真模型［7－8］。因为AMESim 中没有手动换向阀，在不影响仿真结果的情况下，将手动换向阀换成电磁换向阀。其中主泵排量为90 mL/r，发动机转速2 100 r/min，马达排量3 L/r。

3.1 预紧力对系统制动特性的影响

图3 为不同预紧力对液压马达制动特性的影响，预紧力F 分别取140、280、420 N。

图3 不同预紧力下液压马达的压力冲击曲线

由图3 可知:不同预紧力对液压马达制动压力时间的影响较小，当预紧力F 为420 N 时，换向阀在t=0 ～5 s 处于右位，液压马达压力为19 MPa;t =5 s 后换向阀开始向中位移动，液压马达处于制动阶段，存在压力振荡，压力振荡时间约为2 s;t=7 s 之后，液压马达压力为7.5 MPa。

3.2 阻尼孔直径对系统制动特性的影响

阻尼孔直径d 分别取1、2、3 mm。图4 为不同阻尼孔直径对液压马达制动特性的影响。

图4 不同阻尼孔直径下液压马达的压力冲击曲线

由图4 可知:阻尼孔直径对液压马达制动压力时间的影响较大，当阻尼孔直径d 为3 mm 时，换向阀在t=0 ～5 s 处于右位，液压马达压力为19 MPa;t=5 s后换向阀开始向中位移动，液压马达处于制动阶段，存在压力振荡，压力振荡时间约为1.5 s;t =6.5 s之后，液压马达压力为7.5 MPa。阻尼孔直径d越小，压力振荡越大，压力制动时间越长，其原因是阻尼孔直径d 越小，液阻越大，降低了背压阀工作的平稳性，压力振荡也就越大。

3.3 弹簧刚度对系统制动特性的影响

弹簧刚度K 分别取14 000、28 000、42 000 N/m。图5 为不同弹簧刚度对液压马达制动特性的影响。

图5 不同弹簧刚度下液压马达的压力冲击曲线

由图5 可知:不同弹簧刚度对液压马达制动压力时间有一定的影响，当弹簧刚度K 为14 000 N/m 时，换向阀在t =0 ～5 s 处于右位，液压马达压力为19 MPa;t=5 s 后换向阀开始向中位移动，液压马达处于制动阶段，存在压力振荡，压力振荡时间约为2 s;t=7 s 之后液压马达压力为7.5 MPa。弹簧刚度越小，压力振荡越大，其原因是背压阀阀芯受液压力的大小随着背压阀弹簧刚度的减小而增大，因此降低了背压阀工作的稳定性。

4 结论

通过对矿用履带车行走过程中实际工况的了解，确定了采用行走限速制动回路。文中采用功率键合图模型对行走限速制动回路进行数学建模。在建好模型的基础上，结合原理图，利用AMESim 软件建立该模型的AMESim 模型，通过仿真分析，了解了背压阀的预紧力、弹簧刚度和阻尼孔直径在液压马达制动时，对系统动态特性的影响。不同的参数对液压马达制动特性的影响不同，其中阻尼孔直径对液压马达制动特性的影响最大，弹簧刚度的影响次之，预紧力的影响最小。了解这些参数的影响对于实际应用过程和研究过程都具有指导意义。

［1］史青录．液压挖掘机［M］．北京:机械工业出版社，2011．

［2］顾秦怡，谢英俊，王庆丰．工程机械大惯性负载起制动平稳性研究［J］．工程机械，2001(2):28－31．

［3］许益民，刘建军，刘汉桥，等．液压制动回路的典型故障及其解决方法［J］．液压与气动，2006(4):79－80．

［4］王欣，宋晓光，薛林．基于Matlab/Simulink 的键合图在液压系统动态仿真中的应用［J］．机床与液压，2007，35(6):125－127．

［5］李军霞，寇子明．电液比例溢流阀特性分析与仿真研究［J］．煤炭学报，2010(2):320－323．

［6］丁问司，黄晓东．氮爆式液压冲击器的仿真建模［J］．华南理工大学学报:自然科学版，2010(2):90－94．

［7］于淼，石博强．基于AMESim 的铰接式自卸车液压制动系统建模与仿真［J］．机床与液压，2009，37(3):152－154．

［8］刘茂福，曹显利．基于AMESim 的全液压轮胎起重机行走系统仿真与优化［J］．机床与液压，2010，38(3):20－22．