基于AMESim的電液制動系統設計與仿真研究*

王青云,劉二溦,安勇強

(1.天津中德應用技術大學 汽車與軌道交通學院,天津300350;2.燕山大學 機械工程學院, 河北 秦皇島 066004;3.中國航發北京航科發動機控制系統科技有限公司,北京 102200)

0 引 言

制動系統是大型工程機械車輛最為重要的系統之一,分為行車制動系統、駐車制動系統和輔助制動系統。其功能是保證工程車輛行駛中能按照要求減速停車,保證車輛可靠停止,保障車輛和駕駛人的安全[1]。

全工況流動式架橋機屬于特種工程機械,其液壓系統是完成基本動作的控制系統與執行系統[2]。在高鐵建設中,主要工序是將梁運至橋頭,完成架梁任務。整機行走系統由閉式液壓系統驅動,雙向變量柱塞馬達作為扭矩輸出元件應用于系統中[3]。正常情況下,馬達輸出扭矩和負載方向相反;但在下坡時,由于兩者方向相同,馬達旋轉速度加快,可能會導致馬達失去控制。

流動式架橋機現有的制動系統為氣壓制動,多用于整車減速后的減速停車,由于其制動距離較長,僅能作為點剎使用;由于氣體具有可壓縮性,且容易泄漏,氣壓制動的可靠性較低。

為防止馬達超速,可以通過設置一定的背壓來平衡超越負載。回路由于設置了背壓而與超越負載相平衡,稱為平衡回路;因限制了運動部件的超速運動而被稱為限速回路[4,5]。

本文結合流動式架橋機的閉式驅動系統,研究行車制動系統的特性,設計出一種新型的應用于閉式液壓驅動系統變負載的平衡回路。

1 新型電液制動原理

1.1 超越負載特性

流動式架橋機的閉式行走系統(超越負載)如圖1所示。

圖1 超越負載示意圖

圖1中,該閉式行走系統簡化為由液壓泵、馬達和負載組成的回路。

在正常路況時,行駛驅動阻力與運動方向相反,泵吸收發動機功率將機械能轉化為壓力能,高壓油流入馬達中帶動馬達旋轉。此時泵輸出扭矩為Tp1,馬達輸出扭矩和負載扭矩關系為:Tm=TL。馬達吸收功率,輸出扭矩克服負載旋轉。

下坡時,由重力產生的扭矩Tp2與馬達的旋轉方向保持一致,馬達旋轉速度加快,高壓油PH流入泵,低壓油PL流入馬達。

此時,馬達的扭矩為:

(1)

式中:Vm—馬達排量,ml/r;Tm—馬達輸出扭矩,kN·m;ηmh—機械-液壓效率。

馬達輸出扭矩的方向與其所受負載的方向一致,在物體重力的作用下,液壓泵和馬達的作用相反,馬達為泵工況,泵為馬達工況,馬達向液壓泵提供高壓油,液壓泵的出油口和馬達進油口為低壓。超越負載作用下,馬達加速運動。

1.2 制動系統設計要求

電液制動系統的設計需要滿足以下要求:

(1)在下坡路況,整車在重力作用下產生超速現象,應設置限速回路;

(2)背壓可調,且整車在前進與后退時均可調節;

(3)下坡時,要求車輛平穩運行,否則橫梁會劇烈搖晃;

(4)下坡時,可對車輛施加緊急制動。

1.3 行車制動液壓系統原理

閉式驅動系統的制動原理圖如圖2所示(流動式架橋機行車制動液壓系統為先導式平衡回路[6])。

圖2 行車制動平衡回路液壓原理圖1—插裝單向閥;2—單向閥蓋板;3—主閥;4—先導蓋板;5—安全閥;6—先導比例溢流閥

圖2中顯示共有4個油口,PA和PB接閉式泵的壓力源油口,DA和DB接馬達油口。

電比例溢流閥作為行車制動閥,其最大控制電流為1 400 mA,最大開啟壓力為42 MPa,行車制動系統的背壓值是通過改變比例溢流閥的開啟壓力來設置的[7]。截止閥為二通插裝閥。溢流閥作為安全閥來限制平衡回路的最高壓力,防止馬達回油路中的壓力過高而損壞。

圖2中,該系統有4種工作狀態,分別為:正向行駛、反向行駛、停車狀態和緊急制動。筆者分別闡述如下:

(1)正向行駛

PA為閉式泵出油口時,截止閥1.1、插裝單向閥1.4和截止閥3.1均關閉,液壓油從PA口流出,經插裝單向閥1.3和DA口流入馬達,馬達經DB口、主閥3.2、插裝單向閥1.2和PB口流回液壓泵,系統回油路的背壓由先導比例溢流閥6.2調定,對DB口形成背壓,安全閥5.2對系統起保護作用;

(2)反向行駛

PB為閉式泵出油口時,截止閥1.2、插裝單向閥1.3和截止閥3.2均關閉,液壓油從PB口流出,經插裝單向閥1.4和DB口流入馬達,馬達經DA口、主閥3.1、插裝單向閥1.1和PA口流回液壓泵,系統回油路的背壓由先導比例溢流閥6.1調定,對DA口形成背壓,安全閥5.1對系統起保護作用;

(3)停車狀態

流動式架橋機停車時,比例溢流閥1.2設定最大開啟壓力,平衡閥系統鎖止;

(4)緊急制動

該狀態下,比例溢流閥調整為最大壓力,馬達排油使背壓升高,當壓力達到設定值時,先導溢流閥開啟,油路接通,主閥芯上端和下端形成壓差,使主閥芯開啟,主閥芯的壓力即為系統的背壓值,由于回油阻力的作用,馬達轉速逐漸降低,與氣壓制動結合,可以實現較好的制動效果[8,9]。

2 系統建模

2.1 AMESim

AMESim是一個多學科的復雜系統建模與仿真平臺。用戶可在該平臺上根據實際情況建立多學科領域的系統模型,同時進行仿真和問題的分析,還可以在該平臺上分析元件或系統的靜、動態特性。AMESim給用戶提供了豐富的、可以直接使用的元件庫。

本文應用AMESim仿真軟件中的液壓元件設計庫、液壓庫、機械庫、信號庫等,建立電液比例制動系統仿真模型;并通過信號參數的設定,對系統的動態性能進行仿真分析[10,11]。

2.2 建模

閉式驅動電液制動系統的物理模型可分為液壓系統模型和控制系統模型。閉式變量泵、補油泵、液壓馬達及相關功能元件,直接從AMESim標準元件庫中調取;對于先導閥等復雜且不標準的液壓元件,可利用HCD庫建立。搭建完成液壓系統框架后,筆者依據參數表,設置制動系統的主要參數[12]。

閉式驅動電液制動系統主要元件參數表如表1所示。

表1 閉式驅動電液制動系統主要元件參數表

馬達負載采用簡化后的等效模式,即架橋機在路面的牽引力轉化為輪胎的扭矩,扭矩經輪邊減速機等效至馬達軸輸出端,所建模型引用馬達輸出軸等效后的扭矩值。

筆者通過在馬達輸出軸上施加對應工況的等效扭矩,同時在先導閥及換向閥控制端施加相對應的控制信號,模擬不同的工況[13，14]。

在AMESim環境下,電液制動系統的模型如圖3所示。

圖3 AMESim環境下的系統模型

3 系統仿真

3.1 參數設置

筆者在AMESim中設置參數,通過設置馬達負載來模擬車輛行駛路況。其中,正向前進(0～5) s負載設定為350 N·m;下坡為超越負載路況(6 s～15 s),負載設定為-80 N·m,下坡坡度為5°;仿真時間為15 s,仿真步長為0.01 s。

信號給定值:電磁換向閥信號在0～15 s設定為50 null;先導比例溢流閥6.2信號給定最大值;先導比例溢流閥6.1信號給一定值,保證系統有一定的背壓;變量泵和變量馬達信號給一定值;負載信號在0～5 s為350 null,在6 s～15 s為-80 null。

其中,0～5 s,為正向前進工況下制動系統馬達進出口壓力;6 s～10 s,為超越負載工況下馬達進出口壓力;11 s～15 s,為增大先導比例溢流閥開口壓力曲線。

3.2 仿真分析

不同工況下馬達進出口壓力曲線如圖4所示。

圖4 不同工況下馬達進出口壓力

不同工況下馬達的轉速曲線如圖5所示。

圖5 不同工況下馬達轉速

由圖4和圖5可知:

(1)0～5 s為正向前進工況,此時馬達進油口壓力250 bar,出油口壓力25 bar,轉速328 r/min,泵和馬達處于正常工況,泵輸出的高壓油流向馬達,帶動馬達旋轉,驅動阻力與旋轉方向相反;

(2)5 s時,馬達轉向下坡路況,馬達進油口壓力突然下降到100 bar后又上升至128 bar,出油口壓力升高到100 bar,馬達轉速由328 r/min上升到500 r/min后又降為328 r/min,此時泵輸出的高壓油繼續流向馬達,帶動馬達旋轉,驅動阻力與旋轉方向相反;

(3)5 s～10 s下坡時,馬達進油口壓力逐步降低,出油口壓力逐步升高,轉速逐漸變大,在10 s時馬達出油口壓力超過進油口壓力,為超越負載工況。當檢測到壓差為負值時,增大比例溢流閥的壓力[15],來平衡馬達出油口壓力,從而增大驅動系統的背壓值,將馬達進出口壓差維持在一定范圍內,穩定馬達轉速,使馬達進行制動;

(4)10 s后,制動繼續起作用,馬達進口壓力為135 bar,出口壓力為103 bar,壓力差基本保持恒定,馬達轉速為330 r/min,也保持不變。

4 結束語

本研究根據流動式架橋機的制動要求,設計了一種制動回路,運用AMESim對其制動效果進行了仿真分析。

研究結果表明:

(1)馬達轉向下坡工況瞬間,進出油口壓力差降低了87.6%,轉速升高了52.4%,此時馬達具有較大的速度沖擊;

(2)馬達處于超越負載工況,進出油口壓力差為負值。制動系統作用后,其壓力差保持32 bar不變,轉速也維持在330 r/min不變。通過調整行車制動回路的背壓值,來平衡馬達出油口壓力,可穩定馬達進出油口壓力差和轉速;

(3)從系統檢測馬達壓差為負值到制動系統起作用,需要經過0.1 s的響應時間。

在后面的研究過程中,筆者將從減少速度和壓力沖擊的角度,對阻尼、管道體積進行優化,也可加入PID控制算法,以提高系統的動態特性;同時,氣壓制動也可加入到制動系統中,使其制動安全性能得到進一步提高[16]。