鄭建豐，馮 虎，李相鋒

(徐工集團(tuán)工程機(jī)械股份有限公司道路機(jī)械分公司，江蘇徐州 221004)

0 引言

攤鋪機(jī)作為道路筑養(yǎng)護(hù)施工中的重要工程設(shè)備之一，主要用于完成道路上基層和面層各種混合材料的攤鋪?zhàn)鳂I(yè);而液壓系統(tǒng)在攤鋪機(jī)整機(jī)系統(tǒng)中承擔(dān)著動(dòng)力傳遞及功能執(zhí)行的重要任務(wù)，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否合理不僅對(duì)動(dòng)力分配、節(jié)能降耗有直接的影響，而且對(duì)攤鋪路面的成型質(zhì)量起著關(guān)鍵的作用［1-2］。

目前，攤鋪機(jī)液壓系統(tǒng)各項(xiàng)功能主要通過(guò)單泵單馬達(dá)組成的簡(jiǎn)單節(jié)流回路實(shí)現(xiàn)，存在成本高、效率低且可靠性差的特點(diǎn)。鑒于此，本文提出一種全新單泵多馬達(dá)組成的負(fù)荷傳感多路閥液壓系統(tǒng)，并利用仿真工具對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。

AMESim是一種用于液壓、機(jī)械、電氣等多學(xué)科領(lǐng)域的仿真建模軟件，可以為用戶提供基于物理模型的圖形化建模方法，被廣泛應(yīng)用于參數(shù)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)中。鄭建豐等基于AMESim軟件分別研究了液壓元件的動(dòng)態(tài)特性及液壓系統(tǒng)中的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì) ;馮虎等基于AMESim軟件解決了攤鋪機(jī)提升液壓系統(tǒng)吸空現(xiàn)象對(duì)攤鋪路面影響的實(shí)際問(wèn)題［5］。本文基于以上研究，針對(duì)攤鋪機(jī)負(fù)荷傳感多路閥液壓系統(tǒng)的特點(diǎn)，利用AMESim軟件對(duì)其進(jìn)行仿真研究，通過(guò)與測(cè)試數(shù)據(jù)的對(duì)比，驗(yàn)證該系統(tǒng)的有效性。

1 攤鋪機(jī)液壓系統(tǒng)

攤鋪機(jī)液壓系統(tǒng)的原理如圖1所示，它主要由輸料系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和振搗系統(tǒng)組成。每個(gè)子系統(tǒng)都由相對(duì)獨(dú)立的齒輪泵、控制閥組和齒輪馬達(dá)構(gòu)成，是最基本的液阻控制回路，簡(jiǎn)稱定量泵節(jié)流閥系統(tǒng)FT。該系統(tǒng)由于液壓泵的輸出功率(壓力和流量)和負(fù)載需求不匹配，會(huì)致使油液發(fā)熱較大、系統(tǒng)溫升過(guò)高，導(dǎo)致系統(tǒng)效率下降，造成不必要的功率損失與浪費(fèi)［6-9］。圖2為攤鋪機(jī)FT液壓系統(tǒng)的功率損耗分布，其中液壓泵輸出流量為qp，壓力為Pp;負(fù)載所需流量為qf，壓力為Pf。從圖2中可以看出，系統(tǒng)的有用功率只占泵輸出功率的一小部分，尤其在控制流量較小、負(fù)載壓力較大時(shí)，系統(tǒng)功率損耗就顯得非常明顯。這種液壓系統(tǒng)所組成的元器件數(shù)量較多，不僅增加了設(shè)計(jì)及維護(hù)成本，還給液壓系統(tǒng)在整機(jī)中的布置帶來(lái)一定的困難。

圖1 攤鋪機(jī)FT液壓系統(tǒng)

分析攤鋪機(jī)液壓系統(tǒng)工作原理及整機(jī)工作特點(diǎn)可知，液壓系統(tǒng)的工作都是相對(duì)獨(dú)立的，各回路的工作壓力及流量不會(huì)相互干擾，每條支路的流量都可按比例調(diào)節(jié)且不受負(fù)載壓力變化的影響。針對(duì)此特點(diǎn)，提出一種全新的單泵多馬達(dá)組成的負(fù)荷傳感多路閥液壓系統(tǒng)(LS系統(tǒng))，如圖3所示。

攤鋪機(jī)負(fù)荷傳感多路閥液壓系統(tǒng)主要由負(fù)載敏感泵、負(fù)荷傳感多路閥、輸料馬達(dá)、發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)及振搗馬達(dá)等組成。在工作時(shí)，負(fù)荷傳感多路閥通過(guò)自身內(nèi)部的梭閥對(duì)各支路負(fù)載壓力進(jìn)行高壓信號(hào)選擇，然后將此信號(hào)傳遞至負(fù)載敏感泵中的流量控制閥FR，F(xiàn)R將泵出口的壓力信號(hào)與負(fù)載高壓信號(hào)進(jìn)行比較，判斷系統(tǒng)流量需求變化，進(jìn)而控制柱塞泵斜排動(dòng)作，使柱塞泵根據(jù)系統(tǒng)需求輸出流量;當(dāng)系統(tǒng)中的壓力升高達(dá)到負(fù)載敏感泵中壓力控制閥DR設(shè)定值時(shí)，柱塞泵斜排自動(dòng)回位，輸出流量減小并趨近于0，以更多地降低功率損耗。當(dāng)系統(tǒng)不工作時(shí)，泵出口流量為0，同時(shí)泵出口會(huì)保持較低的待命壓力，以減小系統(tǒng)能量損耗并提高系統(tǒng)響應(yīng)性。由于負(fù)荷傳感多路閥每條支路內(nèi)部都會(huì)集成定壓差閥，這樣就可以避免各條支路工作壓力及流量的相互干擾，且每條支路的流量調(diào)節(jié)也不會(huì)受負(fù)載壓力變化的影響。圖4為攤鋪機(jī)LS液壓系統(tǒng)功率損耗分布。從圖4中可以看出，系統(tǒng)的功率損耗為負(fù)荷傳感多路閥中的定壓差閥引起的節(jié)流損失，而無(wú)溢流損失，且該損失只占系統(tǒng)總功率的很小一部分，所以攤鋪機(jī)LS液壓系統(tǒng)可以起到節(jié)能降耗、提高工作效率的作用。

圖2 攤鋪機(jī)FT液壓系統(tǒng)功率損耗

2 液壓系統(tǒng)的模型建立

根據(jù)攤鋪機(jī)負(fù)荷傳感多路閥液壓系統(tǒng)的工作原理，利用 AMESim仿真軟件中的 HCD、Signal、Hydraulic、Mechanical元件庫(kù)模塊按照實(shí)際的元器件物理結(jié)構(gòu)搭建系統(tǒng)仿真模型，如圖5所示。

系統(tǒng)模型主要由負(fù)載敏感泵部件模型、負(fù)荷傳感多路閥LS部件模型及用于負(fù)載驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行裝置等組成。其中負(fù)載敏感泵部件模型主要用于體現(xiàn)泵的流量調(diào)節(jié)特性、壓力調(diào)節(jié)特性和系統(tǒng)響應(yīng)特性;負(fù)荷傳感多路閥LS部件模型主要用于體現(xiàn)各條支路壓力信號(hào)選擇特性、定壓差特性和換向比例特性;負(fù)載驅(qū)動(dòng)裝置模型主要用于模擬實(shí)際負(fù)載特性［10-12］。根據(jù)液壓元件的特性設(shè)置仿真模型參數(shù)，如表1所示［12-15］。

圖4 攤鋪機(jī)LS液壓系統(tǒng)功率損耗

3 液壓系統(tǒng)的仿真分析

表1 仿真模型參數(shù)

設(shè)置仿真運(yùn)行條件:柴油機(jī)額定轉(zhuǎn)速為2 000 r·min－1，分動(dòng)箱傳動(dòng)比為 0.85;液壓油密度為 850 kg·m－3，體積彈性模量為17 000 bar;仿真時(shí)間為10 s，采樣時(shí)間為 0.1 s。

首先，驗(yàn)證系統(tǒng)模型建立的正確性，對(duì)發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)系統(tǒng)的負(fù)荷傳感多路閥給定輸入信號(hào)0.95。圖6為發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)速的仿真曲線，圖7為發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)入口的壓力仿真曲線。從圖中可以看出，由于馬達(dá)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的負(fù)載慣性較大，在給定階躍輸入信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)的壓力沖擊較大，且存在啟動(dòng)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速超調(diào)的現(xiàn)象。與實(shí)測(cè)曲線圖8、9相對(duì)比，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較吻合。

然后，針對(duì)攤鋪機(jī)負(fù)荷傳感多路閥液壓系統(tǒng)的特點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)以下特性進(jìn)行仿真分析。

圖5 攤鋪機(jī)LS液壓系統(tǒng)仿真模型

圖6 發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)速仿真曲線

圖7 發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)壓力仿真曲線

圖8 發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)速實(shí)測(cè)曲線

圖9 發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)壓力實(shí)測(cè)曲線

(1)系統(tǒng)復(fù)合動(dòng)作的抗干擾特性。設(shè)定振搗馬達(dá)運(yùn)行時(shí)間從2 s開(kāi)始，對(duì)負(fù)荷傳感多路閥給定輸入信號(hào)1;輸料馬達(dá)運(yùn)行時(shí)間從4 s開(kāi)始，對(duì)負(fù)荷傳感多路閥給定輸入信號(hào)0.8;發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)運(yùn)行從6 s開(kāi)始，對(duì)負(fù)荷傳感多路閥給定輸入信號(hào)0.95。圖10為振搗馬達(dá)轉(zhuǎn)速仿真曲線，圖11為泵輸出與馬達(dá)輸入流量對(duì)比?？梢钥闯?在3個(gè)馬達(dá)先后動(dòng)作的過(guò)程中，振搗馬達(dá)轉(zhuǎn)速較為平穩(wěn)，幾乎不受其他系統(tǒng)負(fù)載的影響，抗干擾特性較好;而且泵輸出的流量總隨系統(tǒng)所需流量的多少而改變，并無(wú)多余流量浪費(fèi)。這再次證明了攤鋪機(jī)負(fù)荷傳感多路閥液壓系統(tǒng)可以起到節(jié)能降耗、提高工作效率的作用。(2)系統(tǒng)無(wú)動(dòng)作時(shí)泵的中位特性。將負(fù)荷傳感多路閥的所有給定輸入信號(hào)設(shè)定為0，使系統(tǒng)馬達(dá)無(wú)動(dòng)作運(yùn)行。圖12、13為泵出口的流量及壓力仿真曲線?？梢钥闯?，當(dāng)系統(tǒng)不工作時(shí)，泵出口流量為0，同時(shí)泵出口會(huì)保持較低的待命壓力(約25 bar)，以減小系統(tǒng)能量損耗并提高系統(tǒng)響應(yīng)性。

圖10 振搗馬達(dá)轉(zhuǎn)速仿真曲線

圖11 泵輸出-馬達(dá)輸入流量仿真曲線

圖12 泵出口流量仿真曲線

圖13 泵出口壓力仿真曲

圖14 振搗系統(tǒng)負(fù)荷傳感多路閥輸入信號(hào)

圖15 振搗馬達(dá)轉(zhuǎn)速仿真曲線

(3)電流-流量響應(yīng)特性。振搗系統(tǒng)的負(fù)荷傳感多路閥給定輸入信號(hào)(輸入電流與最大電流之比)為線性信號(hào)，如圖14所示。對(duì)其相應(yīng)的振搗馬達(dá)轉(zhuǎn)速進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖15所示。由此可以看出，系統(tǒng)的控制特性具有較好的線性比例控制特性。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)目前攤鋪機(jī)液壓系統(tǒng)存在的成本高、效率低及可靠性差的特點(diǎn)，提出一種全新的單泵多馬達(dá)組成的負(fù)荷傳感多路閥液壓系統(tǒng)，并從功率分配及AMESim建模仿真2個(gè)方面充分驗(yàn)證了該系統(tǒng)在攤鋪機(jī)液壓系統(tǒng)中應(yīng)用的有效性，并得出以下結(jié)論。

(1)相對(duì)于目前定量泵節(jié)流閥系統(tǒng)，攤鋪機(jī)負(fù)荷傳感多路閥液壓系統(tǒng)在功率損失上，只有很小一部分的節(jié)流損失，而無(wú)溢流損失，尤其在液壓馬達(dá)需求為小流量、高壓力的工況條件下，其能耗損失會(huì)更小。所以該系統(tǒng)可以起到節(jié)能降耗、提高工作效率的作用。

(2)AMESim仿真分析表明:攤鋪機(jī)負(fù)荷傳感多路閥液壓系統(tǒng)在各回路復(fù)合動(dòng)作的過(guò)程中，只要滿足泵的最大輸出流量大于各回路馬達(dá)需求流量的總和，各回路的壓力、流量就不會(huì)受其他回路動(dòng)作或負(fù)載的影響;而且各回路的流量控制與電流可以滿足較好的控制關(guān)系。這為該系統(tǒng)在單泵多馬達(dá)回路中的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

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