AMESim在清筛机液压走行驱动系统分析中的应用

AMESim在清筛机液压走行驱动系统分析中的应用

崔艳鹭，叶贤东，王亚

(西南交通大学机械工程学院，四川成都610031)

摘要：通过对国产QS2-650型道砟清筛机Ⅰ端高速走行驱动液压系统两种设计方案的分析，利用AMESim建立液压系统模型进行两种设计方案对比仿真，得出清筛机启动过程中系统压力、加速度、流量等相关参数变化情况。分析表明：变量马达驱动设计方案更能适合清筛机加速走行工况要求，并具有良好的节能效果和操作特性。该分析方法也对其它大型养路机械液压系统分析与优化设计提供一定的参考。

关键词:清筛机AMESim液压系统仿真分析

中图分类号：U415.52+6文献标识码：A

作者简介：崔艳鹭(1987-)，男，汉族，辽宁朝阳人，西南交通大学，硕士研究生。

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

目前我国铁路已越来越多地采用道砟清筛机来完成道砟清筛工作。QS2-650型全断面道砟清筛机是襄樊金鹰轨道车辆有限责任公司生产的全液压驱动大型清筛机[1]。在对该机走行驱动液压系统进行国产化升级过程中采用传统试验法对设计方案进行更改和参数调节比较困难，要花费大量人力、物力和时间，而且一次性成功的把握很低[2]。随着计算机仿真技术的发展，在工程系统设计中使用计算机建立系统数学模型，通过计算机数字化仿真计算研究系统设计的各种工况，确定最佳参数匹配。但该方法要求建立复杂的数学模型和必要的编程工作要求设计人员具备较高的数学和软件功底，前期处理需要花费大量时间[3]。

LMS Imagine. Lab AMESim(下文简称AMESim)是比利时LMS公司的一款多学科领域复杂系统建模仿真平台。AMESim软件可以为仿真提供图形化建模平台并提供丰富的元件库，使设计人员免去建立复杂的数学模型和编程工作实现快速建立模拟真实物理条件的模型系统，并可以方便的更改系统设计方案和元件参数[4]。因此可以大大的提高设计人员效率，缩短设计周期，使设计缺陷在物理成型前就得到解决，从而降低成本。

本文以国产QS2-650型清筛机高速走行液压系统为研究对象，通过AMESim软件平台建立该机Ⅰ端高速走行驱动液压系统仿真模型，模拟该系统采用不同形式的液压马达清筛机起动时系统工作情况，验证系统设计是否满足清筛机工作要求。

1QS2-650型道砟清筛机走行液压系统构成[5]

QS2-650型全断面道砟清筛机走行部由两个三轴转向架组成，每个转向架的三根车轴均可作为驱动轴由液压马达驱动实现清筛机的前进与后退。高速走行驱动由分别位于Ⅰ端的 Ⅰ、Ⅲ轴和位于Ⅱ端的Ⅳ、Ⅵ轴驱动。Ⅰ、Ⅱ端高速走行驱动液压系统结构参数相同，并由两台型号相同的CATC15发动机提供动力。为简化研究本文以Ⅰ端液压系统为例进行分析。

1.1Ⅰ位端高速走行驱动液压系统组成

该闭式系统主要由液压泵、高速走行马达、制动阀组、冲洗阀组、过载保护阀组和部分控制油路组成。高速走行时清筛机需要无极调速，系统采用变量泵驱动，当扳动调速换向手柄时通过改变泵3的输出流量使高速走行马达转速变化，最终改变清筛机的走行速度及方向。

1.2Ⅰ位端高速走行驱动液压系统AMESim模型[6]

利用AMESim建立Ⅰ位端高速走行驱动液压系统如图1所示，利用软件提供Mechanical库建立模型模拟清筛机车体及车轮齿轮箱等传动部件，从而减少设计人员在仿真过程中相关数值计算工作。(本文仿真研究未涉及下坡路段马达对系统的作用工况、制动阀组对系统加速情况不产生影响故建模过程中省去制动阀组相关部分。)在发动机为液压泵提供动力的传动系统中分动箱及发动机性能对系统影响有限故将该部分简化为一简化信号提供给液压泵。简化操纵端调速手柄操作为一控制信号控制液压泵的输出流量控制清筛机的高速走行。

1.发动机分动箱；2.液压泵；3.过载保护阀组；4.阻力自动加载模块；5.模拟变量马达自适应调整模块；6.清筛机重量加载及速度输出；7.驱动马达；8.补油泵；9.冲洗阀；10.Ⅰ轴齿轮箱及轮对；11.Ⅲ轴齿轮箱及轮对 图1　Ⅰ位端高速走行驱动液压系统AMESim模型图

1.3模型主要参数设定[7]

高速走行时发动机转速：2 100 r/min；液压泵排量：250 cc/r(通过调整输入信号可双向输出)，调定压力34 MPa；补油泵压力：2.4 MPa；冲洗阀流量：16 L/min；四台变量马达排量：最大160 cc/r，最小50 cc/r，均可双向旋转；保护阀组溢流调定压力：34 MPa；清筛机重量：123 t；齿轮箱减速比：7.93；车轮直径：840 mm。

清筛机运行阻力：QS2-650型清筛机采用两台柴油发动机作为动力源，计算该机高速走行阻力时参考列车牵引计算规程中DF型内燃机车相关规定进行计算加载。

机车单位阻力

P—清筛机计算重力(kN)；W′—清筛机运行阻力(N)；w′—清筛机运行单位基本阻力(N/kN)。

平直道清筛机运行阻力。

w′=2.93+0.0073v+0.0027v2

v—清筛机运行速度(km/h)；w′—清筛机运行单位基本阻力(N/kN)。

清筛机启动阻力 v<10km/h时

wq=5(N/kN)

2清筛机Ⅰ端高速走行驱动液压系统运行仿真及对比分析

仿真参数：仿真时间800 s；采样间隔0.1 s；输入信号，0~30 s泵排量从0增至250 cc/r，30~80 s泵排量维持250 cc/r。

采样数据：清筛机运行速度、加速度；马达入口压力、液压马达排量；输入功率、过载溢流阀流量。

2.1固定排量马达驱动液压系统仿真

该工况条件下高速走行驱动液压马达排量固定为50 cc/r，不能根据系统压力进行排量调节仿真结果如下：

2.2变排量马达驱动液压系统仿真

图2　定排量马达驱动清 筛机速度与加速度曲线

根据液压系统仿真结果图2-图 4可以确定采用定量马达驱动清筛机行走可以满足清筛机起动及高速走行速度要求。清筛机从0加速到100 km/h所需时间不超过4 min，但清筛机启动加速阶段当系统压力增大时马达的排量不会根据系统压力变化进行调整。

图3　定排量马达入口 图4　液压泵输入功率与 　压力与马达排量曲线 　　　系统溢流阀流量曲线

2.2变排量马达驱动液压系统仿真

利用变排量液压马达，当清筛机走行阻力增大或加速起动导致系统压力大于28 MPa时液压马达的排量自动增加，提高液压马达的输出转矩提高清筛机的驱动力。

图5　变排量马达驱动清 　筛机速度与加速度曲线

根据液压系统仿真结果图 5-图7可以确定采用自适应调整排量马达驱动清筛机行走同样可以满足清筛机启动及高速走行速度要求。清筛机从0加速到100 km/h所需时间不超过3 min，同时当系统压力增大超过28 MPa时马达排量自动增大提高马达的输出转矩。

图6　变排量马达入口压图7　变排量马达驱动液 力及马达排量曲线压泵输入功率及系统溢流 　　　　　　　　　　　　　阀流量曲线

2.3两种工况对比分析

通过仿真计算，可以判断两种设计均能满足清筛机高速走行对系统提出的速度要求，两种系统设计所能达到的最高形式速度均大于100 km/h留有适当余量基础上满足清筛机最高速走行要求。但两种液压系统仍存在明显区别：

如图8所示，清筛机起动最高加速度变排量马达液压驱动系统(amax≈0.4 m/s2)明显大于定排量马达(amax≈0.16 m/s2)液压驱动系统，前者加速性能更优；

图8　清筛机速度加速度图9　马达入口压力及马 对比分析图 达排量变化对比分析图

如图9 所示，变排量马达系统在清筛机起动瞬间排量增大至最大，保证清筛机具有最大扭矩输出，随着清筛机速度逐渐提高，系统压力降低小于28 MPa马达排量逐渐减小提高清筛机走行速度，最后将变量马达排量调至系统设置最低使清筛机以最高速度运行。定量马达液压驱动系统马达的排量始终保持不变。对比两条马达入口压力曲线可以看出应用变量马达的液压驱动系统的最高压力要低于定量马达液压驱动系统的最高压力，且前者随着系统速度的提高压力逐渐减小，而后者在液压泵输出流量增大时马达入口压力随之增大。清筛机高速走行工况频繁加速启动时显然前者对于液压系统维护更为有利[8]。

如图10所示，对比两条液压泵输入功率曲线可知，利用变量马达驱动的清筛机在起动过程中液压泵所需的瞬间最大输入功率要低于驱动定量马达所需的瞬间最大输入功率，对发动机负荷冲击较小，同样可以看到当清筛机达到最高速度时前者所消耗发动机的能量更少更高效。对比两条系统安全阀组流量可知，变量马达系统在清筛机加速过程中无溢流，因此无高压油液损失，而定量马达系统的溢流阀最大瞬时流量可达13.5 L/min，造成系统能量浪费同时增加安全阀组工作负担，增加液压系统冲击使系统维护成本增加[9]。

图10　泵输入功率及安全阀组溢流流量对比分析图

3结论

在对机械液压系统进行仿真分析研究时，研究人员可以通过使用AMESim平台及其所提供的众多元件库快速建立仿真模型，通过设置合理的参数对液压和机械系统进行分析从而研究系统设计及各元件参数对系统产生的影响，该方法能够得到与真实实验接近的仿真结果，大大提高广大研究人员科研效率和设计水平。

本文利用AMESim软件分别对清筛机Ⅰ端高速走行驱动液压系统所设计的定量马达和变量马达两种设计方案进行对比分析，得出变量马达应用于清筛机高速走行驱动液压系统时能够明显提高清筛机起动加速性能，同时降低系统压力，提高发动机输出能量利用效率，减少对液压元件冲击。

AMESim软件在清筛机走行驱动系统仿真分析时能够得出与工程实际非常接近的结果。可以预见该软件将能够在如清筛机、捣固机、打磨机等铁路大型养路机械设备改进升级中有越来越广泛的应用。

参考文献

[1]周乾刚. QS2-650型清筛机挖掘装置闭式液压系统的研究[D]. 中南大学, 2012: 1-2

[2]王刚. 某清筛机挖掘机构机液系统性能分析[D]. 昆明理工大学,2013:35-46

[3]阮文捷. 某设备挖掘机构机械液压系统的分析及控制研究[D]. 昆明理工大学, 2013：33-35

[4]付永领，祁晓野. LMS Imagine. Lab AMESim系统建模和仿真参考手册.北京航空航天大学出版社[M] ,2011:1-8

[5]钟声标, 毛必显, 卢光灿.全断面道砟清筛机[M]．中国铁道出版社,2008

[6]杨超.基于AMESim的注塑机液压系统节能研究[D].西华大学，2014:12-22

[7]赵亮，丁礼磊，田文朋，杨波.液压传动车辆起步压力的仿真研究[J].现代制造工程,2014(5):129-130

[8]赵文祥 等.基于AMESim的轮式装载机工作装置建模与仿真研究[J].机床与液压,2014(1):124-127

[9]史天亮. 基于AMESim捣固车作业走行系统仿真及改进[J]. 郑州大学学报(工学版).2013(05): 89-92

[10]Hairong Gu. AMESim used in dynamics simulation on hydraulic milling machine. IEEE 3rd International Conference on Communication Software and Networks, ICCSN 2011: 620-623

叶贤东(1974-)，男，四川成都人，西南交通大学，副教授。

王亚(1990-)，男，山东聊城人，西南交通大学，硕士研究生。