机车冷却风扇静液压驱动系统的AMESim仿真分析*

杨 敏

（青海民族大学土木与交通工程学院（职业技术学院），青海 西宁810007）

0 引言

《机车总体及走行部》课中“冷却风扇静液压传动系统”与《液压与气动技术》课中“旁路节流调速回路”的教学，均可通过FluidSIM、AMESim等软件仿真进行辅助［1-4］，FluidSIM适于直观演示及电控（如图1所示），AMESim基于键合图，比较专业。应用AMESim，对机车冷却风扇静液压传动系统进行仿真，能够同步实现直观演示、批运行参数分析；另外，还可以对液压系统故障特征进行仿真分析。

1 基于AMESim的机车冷却风扇静液压传动系统仿真分析

1.1 AMESim软件简介

图1 旁路节流调速回路FluidSIM仿真原理图

AMESim是法国IMAGING公司于20世纪90年代推出的专用于液压及机械系统的高级建模仿真的优秀软件，已成为包括流体、机械、热分析、电气、电磁以及控制等复杂系统建模仿真的优选平台；AMESim拥有一套标准且优化的应用库，拥有4 500个多领域的模型。现有的应用库有：机械库、信号控制库、液压库（包括管道模型）、液压元件设计库（HCD）、动力传动库、液阻库、电动机及驱动库等。每一个模型提供了最基本的工程元件，这些元件可以组合起来描述任何元件或系统功能。AMESim是一个图形化的开发环境，可应用其一整套AMESim应用库来设计一个系统，可迅速达到建模仿真的最终目的并进行分析和优化设计而不需要书写程序代码，先通过在绘图区添加符号或图标搭建工程系统草图，再进行系统仿真：（1）拖动数学描述的图标元件到工作区；（2）设定元件的特征；（3）初始化仿真运行；（4）绘图显示系统运行状况。使用AMESim可以：（1）创建一个新系统；（2）修改已经存在的系统方案；（3）更改元件后台的子模型；（4）加载AMESim系统；（5）改变参数和设置批运行；（6）绘制结果图；（7）完成线性分析；（8）输出模型用于在AMESim外运行；（9）完成设计探索研究等。

1.2 机车冷却风扇静液压传动系统的原理

国产DF4D、DF8B、DF11等典型内燃机车的冷却风扇都采用了液压传动技术，即静液压传动系统，虽然从DF8B机车166号之后开始以温度控制阀作先导阀加进口4106主阀的改造［5］。在该系统的液压泵出口高压油路与液压油箱口低压油路之间，与液压马达并联安装有温度控制阀，该阀直接感应低温水温度，并能根据感应冷却水温度的高低，自动改变自身节流口的截面，改变旁泄工作油的流量，根据节流调速原理来控制进入液压马达工作油的流量，从而控制了液压马达的转速，即冷却风扇的转速，实现了冷却风扇的无级调速和自动控制，从而使柴油机机油和冷却水实现了自动恒温控制，即保证了柴油机油、水的正常温度，降低了机车辅助功率的消耗，提高了柴油机的经济性、耐磨性和寿命［6］，保证了柴油机工作的可靠性。柴油机运转后，后变速箱直接带动液压泵工作，油箱中的液压油经过油箱中喷嘴装置升压后，以一定的供油压力进入液压泵，液压泵将机械能转变为液压能送出，进入液压马达，驱动冷却风扇转动，从液压马达出来的工作油经过油－空散热器冷却后进入油箱，再经油箱中的磁性滤清器过滤后，重新进入液压泵，完成一次工作循环。机车液压系统中的温度控制阀直接感应的是柴油机机油热交换器出口的低温冷却水温度，感应范围为55℃～65℃：水温小于55℃时温控阀为全开状态，冷却风扇不转动；冷却水温高于65℃时温控阀为全闭状态，冷却风扇全速转动；冷却水温在55℃～65℃之间时，冷却风扇可实现无级调速；而高温水系统的感应范围为74℃～82℃。

在液压马达出口到油箱间串有油－空散热器，利用由主冷却风扇吸进来再经冷却水散热器V形架下的空气滤清器过滤后的冷却空气冷却液压油。运用中，若液压油温度超过70℃时应及时清洗空滤器。冬季当液压油温度低于25℃时，用挡风板取代油－空散热器前的空滤器，并用石棉布将V形架下的液压系统管道包扎绝热，使液压油温度保持在15℃～72℃范围内。起动时若液压油温低于20℃，柴油机不得进行升速。一般冬季液压油采用HC-11润滑油，夏季采用内燃机车三代柴油机机油。为了避免液压系统过载或受液压冲击，保证系统安全可靠地工作，系统中安装有负反馈减振式安全阀。液压系统中加注液压油时，因液压油平时储存在系统管路和油箱中，故不能一次注满，需甩车数次并启机，才可逐渐加满。另外，机车两侧百叶窗也随冷却风扇的转动和停止而自动开启和关闭，于冷却风扇转动后开启，停转前关闭。

1.3 冷却风扇静液压传动系统的简化设计

考虑到内燃机车柴油机的输出功率非常之精贵，而辅助功率却要占6%～10%，冷却风扇额定转速下所消耗的功率是55～59 kW，约占辅助功率的50%。为了降低辅助功率的消耗，考虑当柴油机油、水温度较低时让冷却风扇转速也降低，从而减少功率消耗。机车有两只冷却风扇，每只冷却风扇各自具有一套独立的液压传动系统，柴油机油、水由散热器散热，冷却风扇冷却散热器，冷却风扇的转速由液压马达6控制（如图2所示），液压马达与温度控制阀9并联于液压泵2和油箱1之间，所以冷却风扇的转速由温度控制阀控制，安全阀12则是为了防止系统过载和压力冲击，其调定压力为系统最大工作压力的1.1～1.2倍，是按液压泵的转速即其流量变化而自动调节。换言之，安全阀的开启压力均应高于此转速下高压油路中的正常工作压力。温度控制阀实质是温控节流阀，温度控制阀的感温元件的温包直接插入柴油机机油或冷却水的出口管路上（即温度较高处），随着油、水温度升高，感温元件伸缩部推动温度控制阀的滑阀阀口关小油路（石腊和一定粒度紫铜粉混合物从固态融为液态）；降温时则反之。

图2 机车冷却风扇液压传动系统的AMESim仿真原理图

图2 中马达与温度控制阀并联于泵和油箱之间，所以该系统实质是旁路节流调速回路，应用AMESim先搭建草图，再修改元件的子模型，设置元件的参数，最后仿真。所采用的元件有液压库的定量泵、定量马达、溢流阀、可调节流阀、油箱、四通管接头（考虑各管道的阻力损失），机械库的电动机、旋转负载，信号控制库的信号源等，其中旋转负载替代冷却风扇，信号源与可调节流阀组合替代温度控制阀；信号源的变量“constant value”需要设置批运行参数的增减规律，即温度控制阀的通流截面开度，这里设置基本值“Value”为0.6，步长“Step size”为-0.2（负号表示递减），递减次数“Num below”为2；可调节流阀的最大等效直径“orifice diameter at maximum opening”初定2.15 mm；泵排量“pump displacement”设为233.6 cc/rev（机车辅助变速箱ZB732型斜轴式轴向柱塞泵额定流量为285 L/min，额定转速为1 220 r/min），液压马达仿真运行转速如图3所示。

1.4 冷却风扇静液压传动系统仿真结果及分析

1.4.1 调速特性曲线

温度控制阀的开度分别为0.6、0.4、0.2的调速特性曲线如图3所示，从下到上，红、绿、篮曲线分别代表相应的液压马达转速，分别为880 r/min、1 011 r/min、1 159 r/min。显然，开度越大，转速越低。换言之，柴油机的油、水温度越高，温度控制阀的开度越小，液压马达、冷却风扇转速越高，体现了冷却风扇液压传动系统的特性。由于定量泵输出的流量是一定的（不考虑泄漏影响），温度控制阀开度大小可改变由此流回油箱的流量，间接控制了进入液压马达的流量，从而调节了冷却风扇的转速。

图3 AMESim旁路节流调速回路调速特性曲线Ⅰ

1.4.2 马达、节流阀和泵的出口流量特性曲线

如图4所示，马达、节流阀出口流量分别为115 L/min、170 L/min，泵的出口流量为285 L/min，即马达、节流阀出口流量之和为泵的出口流量。这里溢流阀做安全阀用，只在过载时打开。

图4 马达、节流阀和泵的出口流量特性曲线

2 机车冷却风扇静液压传动系统故障的仿真举例

机车运行中，若柴油机油、水温度太高而冷却风扇又转不起来，需敲击温度控制阀或安全阀；若感温元件失效，需临时人工顶死温度控制阀的调节螺钉，强迫关闭油路；若顶死温度控制阀的调节螺钉风扇仍转不起来，考虑安全阀滑阀犯卡不能复原。以温度控制阀故障为例，如图5所示，红、绿、篮曲线分别代表温度控制阀通流截面最大等效直径分别为2.15 mm、4.30 mm、6.45 mm时的马达转速，分别为880 r/min、154 r/min、34 r/min，6.45 mm对应的低转速34 r/min已近乎停止，为感温元件失效特征，感温元件失效对马达及冷却风扇转速的影响是致命的。

图5 AMESim旁路节流调速回路调速特性曲线Ⅱ（故障仿真）

3 结束语

（1）本论述构建了机车冷却风扇液压传动系统的AMESim仿真原理图，定量分析了柴油机不同冷却水温（即温度控制阀不同开度）下冷却风扇转速变化（即马达转速），得到了该系统旁路节流调速回路的调速特性曲线Ⅰ、Ⅱ，以及马达、节流阀和泵的出口流量特性曲线，并对该系统液压故障进行了仿真分析。

（2）仿真结果：在一定温度范围内，柴油机的油、水温度越高，温度控制阀的开度越小，液压马达、冷却风扇转速越高；温度控制阀通流截面最大等效直径6.45 mm时接近马达转速34 r/min为感温元件失效特征；马达、节流阀出口流量之和为泵的出口流量。AMESim是液压传动及相关专业课仿真教学研究的利器。