雙輪銑槽機(jī)銑削裝置液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真分析

隨著地下連續(xù)墻在基礎(chǔ)建設(shè)中的廣泛應(yīng)用，雙輪銑槽機(jī)作為地下連續(xù)墻施工設(shè)備在基礎(chǔ)施工中槽形規(guī)則、垂直精度高、防滲性好、安全環(huán)保，特別是復(fù)雜巖層條件下施工是首選的必要設(shè)備。雙輪銑槽機(jī)產(chǎn)品的核心技術(shù)之一是液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，因此深入研究雙輪銑槽機(jī)液壓系統(tǒng)，提高成槽施工效率，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1、裝置的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

銑削裝置液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求是考慮滿足銑輪銑削工作的工藝要求，即銑輪轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速都能在較大范圍內(nèi)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，并能單獨(dú)正、反方向回轉(zhuǎn)、功率損耗小。因此，銑削輪轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，實(shí)際上是液壓馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

銑槽機(jī)在進(jìn)行工作時(shí)，左右兩個(gè)銑輪馬達(dá)同時(shí)帶動(dòng)兩個(gè)銑削輪工作，兩個(gè)銑削輪馬達(dá)采用兩個(gè)主液壓油泵單獨(dú)供油。其液壓原理圖如圖1所示。由圖可知，銑削輪和泥漿液壓油泵的液壓系統(tǒng)中，主要由軸向柱塞變量液壓油泵、軸向柱塞變量馬達(dá)、溢流閥、多路閥、集成閥、平衡閥、梭閥、壓力補(bǔ)償法和蓄能器等組成的負(fù)載敏感系統(tǒng)。

銑削液壓系統(tǒng)中采用三個(gè)變量液壓油泵分別為兩個(gè)銑削輪和泥漿液壓油泵供油，變量液壓油泵7為左側(cè)銑削輪供油，變量液壓油泵12為泥漿液壓油泵供油，變量液壓油泵14為右銑削輪供油。進(jìn)行銑削工作時(shí)，液壓變量馬達(dá)1、18的進(jìn)油腔和變量液壓油泵7、14的排油腔相通，可通過(guò)調(diào)節(jié)溢流閥5、16的開(kāi)啟壓力來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作壓力。

泥漿液壓油泵液壓系統(tǒng)，變量液壓油泵12提供的高壓油經(jīng)溢流壓力控制閥8，直接流入泥漿液壓油泵馬達(dá)6。安裝在馬達(dá)外側(cè)的單向閥并聯(lián)在馬達(dá)進(jìn)出油路上，當(dāng)泥漿液壓油泵不供油時(shí)可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)制動(dòng)。通過(guò)改變變量液壓油泵12的流量來(lái)改變通過(guò)泥漿液壓油泵馬達(dá)6的流量，即改變泥漿液壓油泵馬達(dá)6的轉(zhuǎn)速，從而改變泥漿液壓油泵6的流量。變量液壓油泵12提供的高壓油經(jīng)過(guò)8溢流壓力平衡閥直接流入泥漿液壓油泵馬達(dá)6。泥漿液壓油泵馬達(dá)同時(shí)又并聯(lián)一個(gè)單向閥，可實(shí)現(xiàn)泥漿液壓油泵馬達(dá)的平穩(wěn)制動(dòng)和在泥漿液壓油泵供油充足或不工作時(shí)，流入泥漿液壓油泵的油液流向集成閥2為其他系統(tǒng)補(bǔ)油或供油。

2、于AMESim銑削裝置的液壓仿真系統(tǒng)建立

根據(jù)銑削輪液壓系統(tǒng)原理和系統(tǒng)內(nèi)各元件的動(dòng)態(tài)方程，建立銑削輪液壓系統(tǒng)模型。利用AMESim 軟件中的機(jī)械、液壓、信號(hào)控制以及HCD四個(gè)庫(kù)，建立起銑削液壓系統(tǒng)的AMESim仿真模型。

兩個(gè)銑削輪采用單獨(dú)油液壓油泵獨(dú)立供油，主油路獨(dú)立，故只對(duì)單個(gè)銑削輪液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模，根據(jù)圖1銑削輪液壓系統(tǒng)的原理圖，在AMESim仿真軟件草圖模式下建立系統(tǒng)的模型，其仿真模型如圖2所示。

3、系統(tǒng)的仿真分析

在外負(fù)載條件相同的情況下，設(shè)定液壓油泵的排量最大，改變控制換向閥閥芯開(kāi)度的信號(hào)大小，改變馬達(dá)的流量，如圖3分析對(duì)比重載和輕載兩種工況，對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。負(fù)載1變化范圍為0-35kN.m，負(fù)載2的變化范圍為35-75kN.m，設(shè)定系統(tǒng)仿真時(shí)間為10s。

換向閥輸入信號(hào)CONSO具體數(shù)值如表1所示。輸入的為電信號(hào)，該信號(hào)在除以40，得到一個(gè)在-1和1之間的數(shù)值，即表示閥口開(kāi)度，極值表示閥口全開(kāi)，正負(fù)號(hào)表示閥芯所在的位置。

（1）負(fù)載1仿真

發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始啟動(dòng)的瞬間，液壓油泵受到很大的沖擊，此時(shí)液壓油泵的出口壓力迅速增加如圖4所示，受到負(fù)載的沖擊，液壓油泵口壓力也在波動(dòng)，由此說(shuō)明系統(tǒng)中液壓油泵的響應(yīng)速度快。閥口開(kāi)度在12.5%和25%時(shí)，即曲線1和曲線2，系統(tǒng)壓力達(dá)到設(shè)定的系統(tǒng)壓力300bar，當(dāng)壓力超過(guò)300bar時(shí)，溢流閥打開(kāi)，開(kāi)始泄油，保證系統(tǒng)壓力不高于300bar。而閥口開(kāi)度在100%時(shí)，即曲線8，系統(tǒng)壓力不超過(guò)250bar。

馬達(dá)流量只有在閥芯開(kāi)口為12.5%和25%時(shí)，流量發(fā)生小范圍波動(dòng)，當(dāng)閥芯開(kāi)口逐漸增加，馬達(dá)流量一致達(dá)到最大，接近546L/min，相當(dāng)于液壓油泵的流量，說(shuō)明液壓油泵的流量損耗極少，發(fā)動(dòng)機(jī)功率的利用率高。

（2）負(fù)載2仿真

發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始啟動(dòng)的瞬間，液壓油泵受到很大的沖擊，此時(shí)液壓油泵的出口壓力迅速增加，受到負(fù)載的影響，液壓油泵口壓力也在波動(dòng)。閥口開(kāi)度在12.5%、25%、37.5%時(shí)，達(dá)到設(shè)定的系統(tǒng)壓力300bar，當(dāng)壓力超過(guò)300bar時(shí)，系統(tǒng)溢流閥打開(kāi)，開(kāi)始泄油，起到保護(hù)系統(tǒng)的作用。而閥口開(kāi)度在100%時(shí)，系統(tǒng)壓力不超過(guò)250bar。由圖6液壓油泵口壓力隨時(shí)間變化仿真曲線可以看出，在閥芯開(kāi)口較小時(shí)，對(duì)液壓油泵的沖擊較大，液壓油泵長(zhǎng)時(shí)間工作在這種環(huán)境下，會(huì)影響液壓油泵的壽命。

由圖7 馬達(dá)流量隨時(shí)間變化仿真曲線可以看出，閥芯開(kāi)口在12.5%、25%時(shí)，馬達(dá)流量遠(yuǎn)小于液壓油泵的流量，液壓油泵的排量除供給馬達(dá)外還有一部分直接流回油箱，造成能量的浪費(fèi)。

5、結(jié)論

由在高、低兩種負(fù)載的外界輸入條件下，確定系統(tǒng)壓力300bar，仿真時(shí)間10s，對(duì)比主閥口在八種不同開(kāi)度，銑輪馬達(dá)流量、液壓油泵口壓力隨時(shí)間的變化進(jìn)行分析可知，銑削輪裝置液壓系統(tǒng)采用“變量液壓油泵-變量馬達(dá)”的調(diào)速方式，可實(shí)現(xiàn)銑削輪的轉(zhuǎn)速控制、扭矩控制，實(shí)現(xiàn)功率大和功率變化范圍寬，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍廣的要求，同時(shí)可提高功率利用率。