全液压推土机行驶驱动系统仿真研究.pdf

2 0 1 1 年 9月 第3 9卷 第 1 7期 机床与液压 MAC HI NE TOOL HYDRAUL I CS S e p ． 2 01 1 Vo 1 ． 3 9 No ．1 7 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 1 7 ． 0 3 3 全液压推土机行驶驱动系统仿真研究 罗诗淋， 邢普， 许瑛 南昌航 空大学航空制造工程 学院，江西南昌 3 3 0 0 6 3 摘要根据全液压推土机行驶驱动系统的工作原理 ，建立了电液比例控制的行驶驱动系统 A ME S i m仿真模型，并进行 了仿真。仿真结果表明液压马达采用 自反馈调节的行驶驱动系统，系统压力处于一个相对稳定的状态，有利于系统的高 效率运行 ；当负载突然增大，液压马达排量相应变化时，系统压力波动较大，但能迅速恢复平稳状态。 关键词 全液压推土机 ；电液比例控制；驱动系统；A ME S i m；仿真 中图分 类号 T H1 3 7 ． 3 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 1 71 0 8 3 Re s e a r c h o n Si mu l a t i o n o f Ru nn i ng Dr i v e n S y s t e m f o r Ful l Hy dr a u l i c Bul l do z e r LU0 S h i l i n， XI NG P u， XU Yi n g S c h o o l o f A e r o n a u t i c a l Ma n u f a c t u ri n g E n g i n e e r i n g ，N a n c h a n g Ha n g k o n g U n i v e r s i t y ，N a n c h a n g J i a n g x i 3 3 0 0 6 3 ， C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e o p e r a t i n g p r i n c i p l e o f r u n n i n g d r i v e n s y s t e m f o r f u l l h y d r a u l i c b u l l d o z e r ， t h e s i mu l a t i o n mo d e l o f e l e c t r o h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a l c o n t r o l r u n n i n g d riv e n s y s t e m wa s e s t a b l i s h e d b y u s i n g AME S i m，a n d t h e s i mu l a t i o n w a s c a r ri e d o u t ． T h e s i mu l a t i o n r e s u l t i n d i c a t e s t h a t u s i n g f e e d b a c k r e g u l a t i o n i n c o n t r o l o f h y d r a u l i c mo t o r o f t h e d ri v e n s y s t e m， t h e s y s t e m p r e s s u r e s t a y e d i n a r e l a t i v e l y s t a b l e s t a t e a n d i t w a s c o n d u c i v e t o t h e e ffic i e n t o p e r a t i o n s y s t e m． As t h e l o a d i n c r e a s i n g s u d d e n l y ， t h e s y s t e m p r e s s u r e f l u c t u a t e d q u i e t h e a v i l y d u ri n g c h a n g i n g o f t h e d r a i n v o l u me o f h y d r a u l i c mo t o r ． Ho we v e r ，t h e s t e a d y s t a t e c a n b e q u i c k l y r e s t o r e d． Ke y wo r d s F u l l h y d r a u l i c b u l l d o z e r ； E l e c t r o h y d r a u l i c p r o p o rt i o n a l c o n t r o l ； Dri v e n s y s t e m ；AME S i m ； S i mu l a t i o n 推土机是对土石方或散状物料进行切削或搬运的 循环式铲土运输机械，在多种繁重的土石方作业中， 发挥着重要的作用。智能化全液压推土机具有不会死 机、不用频繁换挡和能原地转向等功能 ，具有负荷 自 适应能力强、作业效率高的特点。行驶驱动系统是全 液压推土机 的核心技术 ，其匹配控制的好坏直接决定 着全液压推 土机 的整机性能 的高低 。因些 ，对全液压 推 土机行驶 驱动系统的动态特性分析具有十分重要 的 意义。 作者根据全液压推土机行驶驱动系统工作原理， 采用A M E S i m建立了由发动机 、变量泵和变量马达等 组成的电液比例控制行驶驱动系统仿真模型，并进行 动态仿 真 ，通过行驶驱动 系统 的动态 响应 ，研究 了匹 配控制的响应情况 ，为全液压推土机整 机液压 系统 的 设计和分析提供了一定的参考依据。 1 行驶驱动系统工作原理 全液压推土机的行驶驱动系统主要由变量泵、变 量马达、补油泵、溢流阀等组成 ，电液比例控制全液 压推土机行驶驱动系统单边回路如图1 所示。 1 一 变 量泵2 一 变 量马达3 一 安 全 阀4 一单 向 阀 卜 滤 油器6 _ _ 补 油泵7 、9 _ _ 溢 流 阀8 _ 梭 阀 图 1 电液比例控制全液压推土 机行驶驱动系统单边回路 发动机经减速箱带动变量泵 1 ，其输出的压力油 经变量马达 2将液压能转 回到机械能 ，传给推土机 的 链轮 。在液压系统中 ，变量泵 1通过 变量机构可 以实 现排量控制 ，变 量马达 2可进行 自反馈调节 。系统的 最大压力 由安全阀 3所 限定 ，由于为闭式系统 ，工作 中高低压油路会互换，因此设定了2个安全阀。补油 泵 6向系统 的低压管道补油，其作用主要有 1 通过单 向阀 4向系统的低压管道补油 ，以补充系统 的 泄漏量 ，并可在低压管道中建立起一定的低压，防止 气蚀现象和空气渗入系统，改善泵的吸人性能； 2 通 收稿 日期 2 0 1 0一 O 8 0 7 作者简介罗诗淋 1 9 8 6 一 ，男，硕士研究生，研究方向为机电一体化系统及控制技术。电话1 3 7 5 5 7 5 8 2 7 8 ，Em a i l s h a ng y o u l u o 1 63 ．c o m。 第 l 7期 罗诗淋 等 全液压推土机行驶驱动系统仿真研究 1 0 9 过补油路中的油液的循环，使系统温度下降； 3 给 变量控制机构控制压力油路提供压力，保证控制系统 正常工作。梭阀 8 用于系统适度泄漏，以利于换热。 2 行驶驱动 系统 A ME S i m仿真模型 A ME S i m是法国 I M A G I N E公 司开发 的高级工程 系统仿真建模环境，提供了一个系统工程设计的完整 平台，用户可以在同一平台上建立多学科领域系统的 模型，并在此基础上进行仿真计算和深入分析。 启动仿真建模软件 A M E S i m，在液压库、机械 库、信号和控制库等类库中选取适当的元件 ，建立全 液压推土机行驶驱动系统单边回路仿真模型如图2 所 示 。 毋- 一 一 一 一 蝈 1 。。 书 ； 一 峙 由 山 l 牵 一 I 一 昼} 图2 全液压行驶驱动系统单边回路仿真模型 建立模 型后 ，选 定适 当的子 模 型 ，再 进 行适 当 的参数设置。以 7 4 ． 5 7 k W 全液压推土机匹配参数 对 模 型进行设 定 根 据发 动 的转 速 与扭 矩 的外 特性 曲线 ，编辑出一个 A S C I I 文件 ，实现对发动机的实 时反馈控制 ；液压泵的额定转速为 2 2 0 0 r ／ m i n ，最 大排 量 为 5 6 m L ／ r ；液 压 马 达 的 额 定 转 速 为 1 0 0 0 r ／ m i n ，最大排量 1 0 7 m L ／ r ；系统最高压力的限定是 根据元件所能承受压力决定 ，设定为 4 0 MP a ；液压 马达负 载 的转 动 惯 量 为 0 ． 4 3 6 k g m ，黏性 阻尼 系 数 为 0 ． 0 2 6 N m ／ r a d ／ s 。 3 全液压推土机负载的确定及典型工况下系统对 负载的响应分析 全液压推土机一般分为 3个挡位工作挡 、中间 挡 、行驶挡。在建好模型的基础上 ，通过必要的参数 设定 ，可以对各个挡位的典型工况及特殊工况进行动 态仿真。 3 ． 1 驱动轮输 出扭矩的计算 驱动 轮输 出扭矩的计算公式为 M - ㈩ 式 中 F 为推 土机切 线 牵 引力 ； 为 驱 动轮 动力 半 径 ；叼 为行走机构 的效率 。 ． 其中，推土机切线牵引力 F k 包括以下几部分 1 推土机的滚动阻力 推土机 的滚动 阻力 可表示 为 F f ． G c o s 2 式 中 F 为滚动阻力系数 ；G为推土机重力 ； 为运 动表面对水平面的倾角。 2 推土机 的坡道 阻力 推土机 的坡 道阻力可用式 3 表 示 F G s i n a 3 3 推 土机的工作阻力 推土机的工作阻力可以用式 4 表示 F K h B s i n ／3 0 ． 6～ 0 ． 9 G 4 式中K 。 为单位面积的切削阻力 ；h为切削深度；B 为推土机板宽；卢为推土板回转角；G 为推土机板前 面土堆重力 。 所以，推土机切线牵引力数值上等于各阻力之 和 ，如下式 表示 F k F ， F 5 根据 7 4 ． 5 7 k W全液压推土机的匹配参数，推土机 工作时，估算扭矩变化范围为 2 1 0 0～ 2 6 0 0 0 N m。 3 ． 2 工作挡中系统对载荷变化的响应与分析 推土机在作业时，推土铲前 的土量是逐渐增加 的 ，随着土量增加 ，负载扭矩也是逐渐增加 的，可用 正弦波的一部分来模拟此种情形，如图3 所示 。由于 推土机工作环境通常是比较恶劣的，经常会遇到大石 块、树根等情形，简单地说就是负载突然增大的情 形。为了实现这种情况的模拟，可以给负载一个阶跃 信号如图4所示。由于为单边系统模型，因此，信号 设置为开始时负载扭矩为 1 2 5 0 N m，在 5 S 时阶跃， 负载扭矩为 1 3 0 0 0 N m。 l 4 百 1 2 主1 0 量 8 6 鑫 2 0 0 2 4 6 8 1 0 时 间， s 图 3 负载力矩变化曲线 百 1 1 2 4 蠢 6 0 图 4 2 4 6 8 10 时 间／ s 负载力矩阶跃曲线 1 1 0 机床与液压 第 3 9卷 系统仿真结果如图4 、5 、6 、7所示。从马达的 扭矩及系统压力的响应来看，系统从刚启动到达稳定 的状态所需时间为 1 S 左右 ，从启 动到稳 定状态 ，系 统压力极易达到峰值，所以有必要对系统压力进行限 定，以保护液压元件。负载力矩逐渐增加和减小时， 系统响应平稳 ，响应速度较快 。负载力矩阶跃时 ，系 统压力的波动是较大的，这主要是因为当负载增大 时，马达的排量比会增大 ，使系统处于高效状态。若 不采用 自反馈调节，马达的排量不变的情况下 ，其系 统响应如图9 、1 0所示。 一0 Z． 1 0O 辑 一 2 0 0 丑 薅 - 3 0 0 口 r 一4 00 45 4O 35 星 3 0 2 5 出 2 0 螺 1 5 l 0 5 0 0 2 4 6 8 l 0 0 2 4 6 8 1 0 时 间， s 时 间， s 图 5 ’ 马达输 出扭 矩 图 6 系统 压力 变化曲线 1 变化曲线 1 0 吕 Z一 1 00 辑 - 2 0 0 丑 僻 ． 3 0 0 百 『， ．40 0 45 4 0 3 5 30 县 2 2 O 15 1 O S 0 0 2 4 6 8 t O 0 2 4 6 8 1 0 时间， s 时间， s 图 7 马达输出扭矩 图8 系统压力变 变化曲线 2 化曲线 2 0 5 0 弓． 1 0 0 ． 15 0 雪 _2 0 0 锯 - 2 5 0 一300 胛 一350 25 20 要 1 5 一 0 5 0 0 2 4 6 8 1 0 0 2 4 6 8 t O 时 间， s 时 间， s 图9 马达定排量 图 1 0 马达定排量 输出扭矩 系统压力 根据 图 9 、1 0与 图 7 、8的对 比，不难 看 出 若 马达不采用自反馈调节 ，保持排量不变，系统在负载 突然增大 时 ，压力 波 动虽然 减 小 ，但 是 系统在 低 载 时 ，压力较小 ，只有 4 MP a 左右 ，这样会 造成 系统压 力过 低，影 响 系 统 的效 率；并 且，最 终 的压 力 2 3 M P a左右 ，系统压 力变 化较 大 ，对 系统 的冲击很 大。马达若采用 自反馈调节，系统压力变化较小，为 1 9～ 2 3 MP a 之间变化 ，对系统冲击较小，且系统在 适 当的压 力范围下 ，有利于系统 的高效率运行 。 4结论 根据全液压推土机行驶驱动系统 的工作原理 ，采 用 A ME S i m建立了行驶驱动系统仿真模型，并进行动 态仿真，分析了马达输出扭矩及系统压力，得出以下 结论 1 负载力矩突然增大，变量马达在排量改变 时 ，系统压力的波动是较 大的。当排量改变后 ，系统 能较快响应 ，达到平稳状态。 2 采用变量泵变量马达的组合系统 ，可以使 系统压力处于相对稳定的状态 ，压力冲击较小 ，有利 于保证系统的高效率。而若采用变量泵定量马达的组 合 ，系统压力在低载和重载时 ，压力 相差较 大 ，一方 面对系统冲击较大，不利于元件寿命；另一方面，低 载时 ，压力太小 ，影 响系统 的效率 。 3 通过对系统进行建模与仿真，可以对元件 的匹配参数进行校验，了解系统在危险状态的响应情 况 ，大大节约 了实验成本 ，同时为系统的创新设计提 供了参考。 参考文献 【 1 】 郭俊． 全液压推土机行驶静压驱动系统研究[ D ] ． 西安 长安大学， 2 0 0 3 ． 【 2 】 易小刚． 全液压推土机液压与控制系统研究[ D ] ． 西安 长安大学 ， 2 0 0 4 ． 【 3 】 王永奇 ， 郭海瑞， 王喜振． 静压推土机行驶驱动系统建模 和仿真[ J ] ． 矿山机械， 2 0 0 4 ， 3 2 02 1 ． 【 4 】 朱学超． 小功率全液压推土机行驶驱动系统研究[ D ] ． 西安 长安大学， 2 0 0 9 ． 【 5 】 付永领 ， 祁晓野． A M E S i m系统建模和仿真 [ M] ． 北京 北京航空航天大学出版社 ， 2 0 0 6 ． 上接 第 1 0 7页 【 2 】李艳军． 飞机液压传动与控制[ M] ． 北京 科学出版社 ， 2 0 0 9 ． 【 3 】G a v e l H a m p u s ， K 1 1 s P e t t e r ， A n d e r s s o n J o h a n ． Q u a n t i f i c a t i o n o f t h e E l e me n t s i n t h e R e l a t i o n s h i p Ma t r i x A Co n c e p t u a l S t u d y o f A i r c r a f t F u e l S y s t e m[ O L ] ． A I A A 2 1X ． 5 3 8 ， 2 0 0 4 ． 1 ． 【 4 】 冯震宙， 高行山， 刘永寿． 某型飞机燃油系统数值建模方 法与仿真分析[ J ] ． 飞机设计 ， 2 0 0 7 5 6 5 7 1 【 5 1列希涅尔， 乌利亚诺夫． 飞机燃油系统设计[ M] ． 第三机 械工业部第 6 0 9研究所， 1 9 7 7 ． 【 6 】C C A R 6 0燃油系统软件设计规范[ M] ． 北京蓝天航空科 技有限公司， 2 0 0 1 ． 【 7 】路甬祥． 液压与气动技术手册[ M ] ． 北京 机械工业出版 社 ， 2 0 0 4 ． 【 8 】吕亚国， 刘振侠． 飞机燃油系统计算研究[ D ] ． 西北工业 大学硕士学位论文， 2 0 0 6 ． 【 9 】B o e i n g 7 3 7 M a i n t e n a n c e M a n u al， R E V I S I O N J H J 2 2 [ M] Bo e i ng Co ．， 20 0 2．1 0． 【 1 0 】 A i r p l a n e S i m u l a t o r Q u a l i f i c a t i o n A C 1 2 0 4 0 B [ M] F e d e r a 】Av i a t i 0 n Ad mi n i s t r a t i o n， 1 9 9 1 ．