工程车辆液压制动回油路堵塞现象分析

工程车辆液压制动回油路堵塞现象分析-1-工程车辆液压制动回油路堵塞现象分析吴远迪北京科技大学，北京(100083)摘要：本文给出了工程车辆液压制动阀的工作原理图，经过简化建立了一个液压盘式制动回油路数学模型，并通过Matlab的Simulink，搭建了其仿真模型，以首钢SGA170吨（载重）矿用车低速制动系统（防止发热过大，高速时采用电涡流制动）为例，给出初始参数并进行动态仿真，通过结果分析，找出了可行的解决措施。关键词：液压制动，回油路堵塞，Simulink仿真1.引言液压制动系统是一种可以提供更大液压力，制动反应更加敏捷，更加稳定的新型制动系统。目前国内对该系统的研究正处于起步阶段，由于进油油压高，管路阻尼对系统影响不大，而回油时油压较低，管路的阻尼对回油过程有很大的影响，容易造成回油路堵塞，所以分析回油路的管路情况是很有必要的。实际应用中，许多车常发生回油路堵塞的问题，针对这个问题，本文分析了各种因素，并通过Matlab的Simulink仿真，找出各因素如何影响回油过程，进而给出一些解决方案。2.回油过程2.1制动阀的工作原理图SGA170使用的双回路全动力液压制动阀，是制动系统的关键部件之一，制动阀的主要作用是及时控制制动压力，满足车辆对制动系统及整车制动力矩的要求。图1所示正是制动钳与制动盘松开的状态，油液流回油缸。此时脚踏板松开，输入压力油截止，制动轮缸依靠弹簧力复原。左面2根油路是来自蓄能器的高压油，制动阀上方连接制动脚踏板，踩下踏板，阀芯向下运动压缩弹簧，进油路打开，实现制动。2.2制动轮缸工程车辆自重、载重大，需要较大的制动力矩，一个制动盘上一般装有多个制动轮缸，且为柱塞缸。图2为制动轮缸与制动盘的实物图，柱塞的有效作用面积：204Sd，0d为柱塞直径。工程车辆液压制动回油路堵塞现象分析-2-图1液压制动回油路原理图图2液压制动轮缸与制动盘3.回油路阻尼分析3.1影响回油速度的因素研究长度为l，断面积为A的管路中的液流，管路中由于油液的摩擦、惯性及压缩性所引起的压力变化与流量的关系可分别描述为：1*hpRQ.（1）2hdQpldt（2）3hpCQdt（3）各式中：p—管路两端的压力差；工程车辆液压制动回油路堵塞现象分析-3-hR、hl、hC分别为管路的液阻、液感和液容；液阻hR表征管路内液体的摩擦作用，定义/hlhRRl，为单位液阻，层流时：4128hlRd；紊流时：22hlRQAd；液感hl表征管路内液体的惯性，定义/hlllhl为单位液感，/hllA；液容hC表征管路内液体的弹性，定义/hlhCCl为单位液容，/hlCAK；上述定义中：d—管路内经；、、K分别表示油液的动力黏度、密度和体积弹性模量，设其中：3900/kgm；2*50/mms；K=700MPa；为管路的摩擦阻力系数，光滑金属圆管与液体流动状态有关，雷诺数Re800vd，小于临界雷诺数Re。=2320，所以属于层流，层流时金属管的摩擦阻力系数=75/Re=0.0938。实际的回油管路长l约为5m；回油管直径d为20mm;由于管路比较短，回油时间短3p可忽略不计，所以油压损失12Ppp。由以上3式可知，造成压力损失的参数主要有：油液的黏度、密度、流动速度、加速度和管道内径。下面分析不同参数对回油速度的影响。4.回油路数学模型回油时柱塞受力图如图3所示，柱塞受到弹性元件对其施加的向左的回复力，回复过程中还受到活塞、活塞密封圈等与油液之间的阻尼力，油液与管路作用的沿程阻力，油液的惯性阻力。活塞的动力学方程为：22dxdxFPSfmdtdt（4）式中：F－回复力，与回复系数和位移x有关；f－活塞粘性阻尼系数；m－活塞质量；P－管路油压损失；S－活塞面积；工程车辆液压制动回油路堵塞现象分析-4-图3回油过程柱塞受力图5.仿真模型给出初始条件以及系统模型参数，如表一所示：经过计算化简动力学方程，并利用Simulink建立起仿真模型：Out1xvaSubtractIntegrator11sIntegrator1sConstant24000-K-0.01-K-图4活塞运动仿真模型此时得出的活塞位移与速度变化曲线图分别如图5、6所示：工程车辆液压制动回油路堵塞现象分析-5-表一：初始条件和仿真参数初始位移x(制动间隙)0.002m回复系数K40000N/mf1Ns/mm100kgP12ppS20.0154m初速度x。0m/s00.20.40.60.811.21.41.61.8200.511.522.533.54x10-3t/s活塞位移/m图5活塞位移变化图00.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5-0.1-0.0500.050.10.15t/s活塞速度/m/s图6活塞速度变化图工程车辆液压制动回油路堵塞现象分析-6-由5、6两图可见，活塞速度不大，但活塞最大位移为3.5mm，存在一定冲击，如果制动盘使用时间长，制动间隙变大后，那么回位时间长达2秒以上，比预想的回位时间长，造成以上结果主要是因为回复系数过大，将K改为1000N/m，其他参数不变，仿真结果图7所示：01234567891000.20.40.60.811.21.41.61.82x10-3t/s活塞位移/m图7回复系数过小时活塞位移变化图00.20.40.60.811.21.41.61.8200.511.522.5x10-3t/s活塞位移/m图8回复系数适当活塞位移变化图图7显示活塞回位时间大于10s，远远超出了期望值1s，此时回油路摩擦力和油液惯性力起主要作用，即油路出现堵塞现象。将K改为10000N/m，并通过加大管径d来降低P的值，结果如图8所示，在0.4秒时活塞已经稳定地回到原位，等待下一次制动，此过程则完全满足对活塞回位灵敏度的要求。工程车辆液压制动回油路堵塞现象分析-7-6.结论综上所述，回油速度由沿程油压损失、活塞粘性阻尼系数和回复力大小共同决定，活塞粘性阻尼力一般较小，所以沿程压力损失和回复力是主要影响因素。弹簧刚度不可能太高，长时间使用会使弹簧刚度降低，管道老化，摩擦系数增大。所以要尽可能降低压力损失P，由第四部分的分析可知12Ppp，加大管道内经和减小管道摩擦阻力可以有效地降低P，从而达到快速稳定地回位效果。参考文献[1]刘惟信．汽车制动系统的结构分析与设计计算[M]，北京：清华大学出版社，2004。[2]丁守福,杜长龙,刘伟等．基于Matlab计算机仿真在液压系统中的应用[J]．煤矿机械，2006.9:27~29.[3]程振东,田晋跃,刘刚．车辆全液压制动系统执行机构建模及仿真[J]．系统仿真学报.2006,3:778~780.TheAnalysisofthebackoilroadoftheConstructionvehicle’shydraulicbrakeWuYuandiTheuniversityofScienceandTechnologyofBeijing,Beijing,PRC,AbstractInthispaper,theworkschematicofaconstructionvehicle’shydraulicbrakevalveisintroduced.Aftersimplifying,amathematicalmodelofthebackoilroadofahydraulicdiscbrakewasbuiltup.ThroughMatlab'sSimulink,tobuilditssimulationmodel.WithShougangSGA170tons(Load)low-speedminecarbrakingsystem(topreventexcessiveheat,whenhigh-speed,eddycurrentbrakewillbeused)asanexample,togiventheinitialparameters.Atlastsomeviablesolutionwanfound,throughtheresultsofanalysis,afterdynamicsimulation.Keywords:HydraulicBrake,backOilRoadcongestion,Simulinksimulation.