單軌吊液壓驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計與分析

李坤全、文謇

(河南工程學院，鄭州451191)

摘要：為礦用單軌吊機車設(shè)計了一套液壓驅(qū)動裝置。利用Solidworks建模軟件建立了驅(qū)動機構(gòu)的三維模型：對驅(qū)動輪運行時的受力狀態(tài)進行了分析，設(shè)計了液壓驅(qū)動回路，闡述了驅(qū)動原理：運用液壓建模軟件AMESim建立簡化了的液壓回路，按實際工況設(shè)置了主要參數(shù)；得到單向節(jié)流閥模型質(zhì)量塊位移曲線、馬達轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩變化曲線以及泵內(nèi)油液壓力變化曲線。結(jié)果表明對于驅(qū)動力為20kN的單軌吊機車，回路的響應(yīng)時間為0．7S，馬達穩(wěn)定運行轉(zhuǎn)速為82r／min、輸出轉(zhuǎn)矩以及泵內(nèi)油液壓力皆滿足單軌吊機車運行的基本要求。

關(guān)鍵詞：單軌吊；液壓系統(tǒng)；驅(qū)動裝置；AMESim；

0引言

單軌吊作為一種井下輔助運輸設(shè)備，其性能優(yōu)勢明顯。驅(qū)動部作為單軌吊的行走部分，對煤礦的生產(chǎn)和生產(chǎn)效率影響重大。由于單軌吊的行走軌道懸空固定于巷道頂部，有別于傳統(tǒng)的動力小車，加上煤礦井下特殊的工作環(huán)境，其驅(qū)動部的設(shè)計受限較大。利用液壓馬達向垂直于工字梁軌道腹板安裝的驅(qū)動輪提供扭矩，依靠摩擦產(chǎn)生前進力，是目前較為成熟的單軌吊驅(qū)動技術(shù)。

1驅(qū)動機構(gòu)模型

驅(qū)動單元提供單軌吊行駛的動力和制動力，驅(qū)動機構(gòu)三維模型如圖1所示。其中驅(qū)動輪和液壓馬達組成驅(qū)動機構(gòu)，壓力彈簧通過連桿機構(gòu)將成對的驅(qū)動輪壓緊于腹板，液壓馬達提供單軌吊行駛所需的扭矩。單軌吊需要制動時，制動彈簧伸長帶動弓形制動板旋轉(zhuǎn)，閘塊與腹板接觸發(fā)生摩擦，產(chǎn)生制動力。

在單部單軌吊機車中，驅(qū)動單元可根據(jù)實際負載安裝1組或多組，但液壓系統(tǒng)的設(shè)計原理一致。配置2組驅(qū)動單元的某單軌吊是將圖1中的驅(qū)動單元串聯(lián)安裝布置。

圖1驅(qū)動機構(gòu)三維模型

1.工字鋼2.驅(qū)動輪3.液壓馬達4.固定板5.銷軸6.弓形制動板7.制動彈簧

2驅(qū)動原理分析

2.1驅(qū)動輪受力分析

驅(qū)動輪在軌道上受力復雜。驅(qū)動輪是在驅(qū)動馬達提供的轉(zhuǎn)動力矩M0下轉(zhuǎn)動，同時受到壓力彈簧傳來的正壓力Fn,進而受到軌道作用的摩擦力Fu和支持力Fn，滾動摩阻力偶Mm0以及單軌吊驅(qū)動力均分到單個驅(qū)動輪的阻力Fzu，驅(qū)動輪受力示意圖如圖2所示。

由物體受力的平衡條件可知

M〇>M^+Fm-r 1

M^Fn-a 2

式中r 驅(qū)動輪半徑，設(shè)r=150 mm;a—滾動摩阻因數(shù),a=2.0。在單軌吊平穩(wěn)運行時，設(shè)定速度為1.0 m/s，正壓力FN=15 kN;單軌吊驅(qū)動力為20 kN，2組驅(qū)動裝置，4個驅(qū)動輪，即得Fzu=5kN。驅(qū)動輪半徑與馬達各參數(shù)的關(guān)系如表1所示。

2.2液壓系統(tǒng)原理分析

液壓系統(tǒng)中馬達個數(shù)不一，要求馬達同步性良好。由于軌道存在上下坡，為控制單軌吊速度在允許范圍內(nèi)，液壓回路要求有一定的平衡性;單軌吊機車整體質(zhì)量較大，在啟動和制動時，對回路緩沖性能要求嚴格。液壓驅(qū)動系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

圖3液壓驅(qū)動系統(tǒng)原理圖

1、6.外控式平衡閥（組成雙向平衡閥）2、5.外控式單向節(jié)流閥（組成雙向節(jié)流閥）3.補油閥組4.緩沖閥組7.三位四通換向閥8.泵A、B.對稱油路a、b.馬達組

（1)馬達正反回路 單軌吊啟動,泵8供油高壓油經(jīng)換向閥7(閥芯處于左位），依次流過平衡

閥6和單向節(jié)流閥5(同時高壓油以相同的方式通過左側(cè)油路B)，馬達組a開始運轉(zhuǎn)；同時泵8提供的高壓油使節(jié)流閥2和平衡閥1處于通的狀態(tài),馬達流出的低壓油再次經(jīng)過換向閥7回油箱。若換向閥7的閥芯換向至右位，馬達反轉(zhuǎn)，單軌吊反向運行。4個馬達并聯(lián)連接，同一組馬達并行安裝在軌道兩側(cè)，負載相同，馬達同步。

（2)平衡回路當單軌吊速度過大時，泵8供油壓力下降（以馬達正轉(zhuǎn)為例），外控式節(jié)流閥2節(jié)流口縮小，平衡閥1不通,馬達轉(zhuǎn)速降低，起到平衡的作用；同時供油壓力開始增加，先打通平衡閥1，節(jié)流閥2的節(jié)流閥口逐漸加大，直到油壓達到平衡。緩沖回路單軌吊整體質(zhì)量較大，其突然啟動、停止或者轉(zhuǎn)向產(chǎn)生的液壓振動沖擊非常大。由一個反應(yīng)靈敏的小型直動式溢流閥和4個單向閥組成的緩沖閥組4,在受到液壓沖擊時，回油或進油一側(cè)壓力激增，超過溢流閥調(diào)定的壓力，溢流閥打開溢流,緩沖液壓沖擊;同時通過單向閥向另一側(cè)補油。

3系統(tǒng)與結(jié)果分析

3.1 AMESim模型建立及參數(shù)設(shè)置

根據(jù)實際工況以及上文所述原理,按照液壓元件的實際結(jié)構(gòu)建立單軌吊液壓驅(qū)動系統(tǒng)模型如圖4所示。建模過程中，單向節(jié)流閥2采用HCD庫中模塊搭建，其余兀件從Mechani- cal和Hydraulic庫中選取。為提高模型的運算效率，在不影響系統(tǒng)特性的基礎(chǔ)上，簡化了補油閥組3、換向閥7、溢流閥以及對稱油路的1支。

圖4液壓驅(qū)動系統(tǒng)AMESim模型

在元件參數(shù)設(shè)定時，依據(jù)單軌吊實際運行工況，同時為保證的運算效率，以制動直線位移信號代替實際過程中的角位移信號，忽略液壓系統(tǒng)中管道長度、阻力及液體壓縮性的影響。設(shè)置時間為10 s,通信間隔0.1 s。整個模型元件的主要參數(shù)：電動機轉(zhuǎn)速/r-mirT1 1 500泵額定排量/mL-r-1

單向節(jié)流閥模型質(zhì)量塊/kg 2.0 單向節(jié)流閥模型彈簧剛度/N.m-i 10000 馬達黏滯摩擦因數(shù) 12 

馬達排量/mL-r1 200 液壓油動力黏度/nm^s-1 0.025 緩沖閥組溢流閥設(shè)定壓力/MPa 0.5 平衡閥組溢流閥設(shè)定壓力/MPa 3.5 

3.2結(jié)果分析

(1) 單向節(jié)流閥模型質(zhì)量塊在10 s過程中的位移變化曲線如圖5所示?？梢钥闯鲈?~5.0s過程中，質(zhì)量塊在做一定幅度的振動，大值0.13 m且幅度逐漸減小，5.0 s以后質(zhì)量塊趨于穩(wěn)定。這說明利用HCD搭建的節(jié)流閥模型建立正確，的模型基礎(chǔ)可行。

4結(jié)語

（1）U液壓馬達為驅(qū)動輪提供轉(zhuǎn)矩在工字梁腹板上行走，驅(qū)動部獨立于機架，易于安裝且數(shù)量可以根據(jù)負載具體設(shè)計。

（2）馬達成對分布于軌道腹板兩側(cè)，對于液壓系統(tǒng)主要考慮馬達的正反轉(zhuǎn)回路、平衡回路以及緩沖回路;對于驅(qū)動部數(shù)量多于1組的單軌吊，可以將其液壓回路并聯(lián)。

（3）單軌吊驅(qū)動力為20 kN，2組驅(qū)動裝置，電機轉(zhuǎn)速1500r/min，泵的額定排量400 mL/r；馬達響應(yīng)時間0.7 s，轉(zhuǎn)速80 r/min,輸出轉(zhuǎn)矩1.0 kNm,與理論值基本相符。

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