基于AMESim的飞机除冰车液压转向器的建模与仿真.pdf

2 0 1 4年 1 月 第 4 2卷 第 1 期 机床与液压 MAC HI NE T0OL HYDRAULI CS J a n ． 2 01 4 Vo 1 ． 4 2 No ． 1 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 4 ． 0 1 ． 0 3 8 基于 A ME S i m的飞机除冰车液压转向器的建模与仿真 高涛涛，唐岚 西华大学交通与汽车工程学院，四川成都 6 1 0 0 3 9 摘要依据开芯无反应式全液压转向器的机械结构和油路布置 ，利用 A ME S i m的液压元件设计库 H C D构建了转向 器的 A M E S i m模型。依据专用车总体设计要求，选取了转向器的相关参数，对其模型进行了仿真，并分析了转 向输入信号 对转向器性能的影响。仿真结果表明该模型的动态响应快 ，转向位移输出平稳 ，符合设计要求。 关键词全液压转向器 ；仿真分析 中图分类号T H1 3 7 ． 9 文献标识码A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 1 1 4 33 M o d e l i ng a nd Si mul a t i o n f o r Ful l Hy d r a ul i c St e e r i n g Ge a r o f Ai r c r a f t De i c i n g Ve hi c l e Ba s e d o n AM ES i m GA0 Ta o t a o， T ANG L a n S c h o o l o f T r a n s p o r t a t i o n a n d A u t o m o t i v e E n g i n e e r i n g ， X i h u a U n i v e r s i t y ，C h e n g d u S i c h u a n 6 1 0 0 3 9 ，C h i n a Ab s t r a c t Ba s e d o n t h e me c h a n i c a l s t r u c t u r e a n d o i l l i n e fl o w o f t h e o p e n n o n r e a c t i v e h y d r a u l i c s t e e ri n g g e a r ，t h e AMES i m mo d e l o f s t e e r i n g g e a r wa s b u i l t b y u s i n g HC D l i b r a r y o f AME S i m．Ac c o r d i n g t o t h e s p e c i a l p u r p o s e v e h i c l e o v e r a l l d e s i g n r e q u i r e me n t s ， t h e p a r a me t e r s we r e s e t r e a s o n a b l y ，t h e s t e e rin g g e a r w a s s i mu l a t e d，t h e i n fl u e n c e s o f d i f f e r e n t s i g n a l s o f s t e e ri n g o n t h e s t e e r i n g g e a r p e r f o r ma n c e we r e a n a l y z e d ．T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e mo d e l h a s c h a r a c t e ri s t i c o f f a s t d y n a mi c r e s p o n s e ，s mo o t h s t e e ri n g d i s p l a c e me n t o ut pu t ， S O i t me e t s t he de s i g n r e q u i r e me n t s ． Ke y wo r d s F u l l h y d r a u l i c s t e e ri n g g e a r ；S i mu l a t i o n a n aly s i s 中重型车辆转向时由于转向力矩较大，机械转向 装置以及带助力转向的转向机构难以提供足够大的转 向力 ，往往采用全液压转 向器为其提供足够的转 向 力。驾驶员可以通过在转向盘上作用较小的转向力轻 松实现连续无级转向目的。由于它取消了机械连接， 采用管路连接 ，便于驾驶室内布置 ，同时也降低了主 机成本。此全液压转向器广泛应用于各种大型专用车 辆上。但是由于液压传动以及转向器结构的特点 ，导 致在转向过程中会存在一个滞后性 ，因而全液压转向 器主要应用于低速行走机械中。 以飞机除冰车为研究对象 ，利用A ME S i m可视化 的 H y d r a u l i c C o m p o n e n t D e s i g n库 、H y d r a u l i c库 、M e _ c h a n i c a l 库构建全液压转向器模型。其仿真结果以图 形化的形式给出，并可以通过批处理功能 ，快速便捷 观测某个参数对系统性能的影响，有效提高了仿真研 究 、产 品开发速度 。 1 模型建立的原理 1 ． 1 全液压转向器的油路走 向 以开芯无反应式转向器为例。由图 1 可知 ，当不 转向时 转向器中位 ，液压油从 P口流入直接从 回 油 口T流出，转向器处于卸荷状态，此时转向器只是 起到连接进油口和回油口的作用。当转 向器右 左 转时，液压油通过右 左 油路进入转子泵一侧， 液压油推动转子泵将另一侧 的液压 油压 人 A B 口，进入右 左向油缸，转向油缸的回油口通过 B A口流到回油口T ，完成转向任务。 A B P T 图 1 全液压转向器的职能符号 1 ． 2 全液压转向器的基本原理 液压转向器主要 由阀体、阀芯、阀套 、联动轴、 转子 、定子 、拔销 、弹簧片、隔板等部件构成，如图 2所示 。 收稿 日期 2 0 1 21 21 2 基金项目四川省车辆工程重点学科建设基金项目 S Z D 0 4 1 0 ；四川省高校 “ 汽车工程”实验室资助项目 S G X Z D 9 9 0 2 1 01 ；四川省科技厅支撑项 目 1 0 2 0 3 0 6 1 作者简介高涛涛 1 9 8 6 一 ，男，硕士研究生 ，研究方向为汽车液压技术和专用汽车技术。Em a i l s u r i v e 2 0 0 5 h o t ma i l ． c o n。通信作者唐岚 ，Em a i l c s 5 7 6 5 1 6 3 ． e o m。 1 4 4 机床与液压 第4 2卷 l 一十字连接块2 一前盖 3 一阀体4 一弹簧片 5 一拨销6 一阀套 7 一阀芯8 一联动轴9 一转子 l O 一 限位柱1 l 一后盖 l 2 一定子 l 3 、l 6 、l 8 一 O 型 圈 1 4 一 隔 板 1 5 一钢 球 l 7 一 型 圈 图2 全液压转向器机械结构 这里根据开 心无 反 应 的全液 压 转 向器 的结 构 原 理，应用液压元件设计库等库建立A M E S i m模型 图 3所示 。当不转 向时，液压转向器处于中位，液压 油由溢流块 2低压卸荷，其余油 口均关闭。溢流阀 1 5主要作用是控制系统工作压力 ，以免工作过程 中 出现压力过高的情况导致转向器损坏。当转向器右 左转时，首先 由中位卸荷信号 3发出转向信号， 关闭卸荷块 3 ，然后由转向控制 6 输出右 左转信 号，推动 阀芯 向右 左 移动 ，分配 油槽打开 右 左油 口 图示油口1 8或 1 9 ，使油液进入配油孔 图示油 口2 0或 2 1 ，然后油液通过 配油孔 ，根据 预 定的方向 右或左油 口进入定量转子泵 l 4 ，液压 油推动转子泵运动，将另一侧的油液再次压入配油 孔，而后流至出油 口进入转向进油槽 l 0 ，根据转动方 向，进入转向缸对应的油孔。采用的是串接连接模式， 两个液压缸共同作用，推动负载运动。位于转子泵的 传感器会将转子泵的位移信号反馈到输入信号，当转 向完成时，转向器关闭，卸荷阀2打开，转向结束。 由于液压缸通过固定行程的体积和转 向器的排量 是固定的，故二者可以通过计算建立对应关系，利用 H C D库中的两个 b a p 2 元件构建的液压缸来模拟定量转 子泵的模型。信号源 5用于模拟转向器的弹簧片，确 保不转向时转阀回中，在转向结束时它就立即作用。 一 ⋯⋯ ⋯ ⋯ ． ⋯ 一 。 ⋯0 ～ l 一转向泵2 一溢流块 3 、s 、6 一信号源 4 一信号叠加模块 7 一信号比较节点8 一溢流或转 向选择块9 ～配油槽块 1 0 一转向油槽块 l 1 ～转 向油缸l 2 一质量位移限制块 l 3 一负载质量块1 4 ～定量转子泵1 5 ～系统溢流阀 1 6 一位移传感器l 7 ～模拟阀芯 l 8 、l 9 、2 0 、2 l 一油13 图 3 全液压转向器的模型 2 参数设置及仿真分析 2 ． 1 参数设置 在 s u b m o d e l m o d e 模式下 ，采用 P r e m i e r s u b m o d e l 功能 ，使用默认子模型。进入 p a r a m e t e r m o d e ，根据 设计参数 ，参数设置具体如下 转向盘设计转动 4 ． 6圈，转速为 1 0 0 r ／ m i n 。转 动 2 。 时，转向器开始工作。这里设定转 向盘 的最大 转速为 1 0 0 r ／ ra i n ，即 0 ． 6 s ／ r ，则转 向器 内部卸荷 口 开启时间为 2 ／ 3 6 0 X 0 ． 6 0 ． 0 0 3 3 s 3 ． 3 m s 。 液压缸内径 D 6 3 m m，活塞杆直径 d 3 2 m m， 设计行程 s 2 6 2 m m，许用行 程 s 2 8 0 m m，活塞 头 初始位置 1 3 4 m m。 负载质量块 l 3的质量为 8 0 0 0 k g ，静摩擦 力 2 7 8 0 0 N，库仑摩擦力 运动时才作用为2 7 7 8 5 N 。 液压泵 1 排量 1 5 m L ／ r ，转速 2 2 0 0 r ／ m i n ；溢流 阀 l 5溢流压力 1 2 MP a ； 转子泵 1 4 。根据转向器 的结构尺寸，转向器转 动一圈对应阀芯向左 右移动2 5 2 I I l m。由于转向 器排量为 3 1 5 m L ／ r 。根据公式 Q s 1 得到 D 3 9 ． 9 4 m m。 信号源 6以线性信号作为转向器的输入信号。开 始时间为0 ． 0 0 5 S ，终止时间分别为0 ． 6 、1 ． 6 、2 ． 6 S 。 输入信号起始、终止值分别为 0 、0 ． 2 5 2 。即研究不 同转速下 ，转向器转动一圈的动态性能。其余参数保 持默认值。 2 ． 2 仿真设置 进入仿真模式后 ，设定仿真起止时间为0～ 5 S 。 时间步长为 0 ． 0 0 1 S 。 2 ． 3 仿 真 结果 1 阀芯与阀套的相对位移。 由信号比较节点输出的阀芯阀套相对位移如图 4 所示。可以看出，在 0 ． 6 s ／ r 速度下，由于转向速度 过快，转子泵反馈信号跟不上输入信号 ，以至在最初 的极短时间内，阀芯阀套的相对位移继续上升，随着 时间推移 ，转向器的开 I 1 稳定 ，即图示 的平稳曲线； 而在 1 ． 6 、2 ． 6速度下，由于转 向相对较慢，转子泵 反馈信号 变化率大 于输 入 信号，以至在最初 的极 短 时间 内，阀芯 阀套 的相 对 位移减小，随着时间推移， 转 向器 的开 口稳 定 。产 生 以上情 况 的原 因主要 在于 转子泵 的反馈信号 由液压 压力和负载决定 ，而液压 4 - 0 ] } 1 一转速为0 ．6 s ， r 3 ． 04 2 一 转 速 为 1 ．6 s ，r 1_ _ ] 一 3 图4 阀芯阀套相对位移 第 1 期 高涛涛 等基于 A M E S i m的飞机除冰车液压转向器的建模与仿真 1 4 5 压力和负载相对稳定，故转速成了主要原因。 在误差范围内。 2 不同转速下转向器进口节流口过流面积 节 流 口过 流 面 积 由节 2 0 流口直径 及开度 决定 ，当 1 5 转 向 器 设计 好 之后 ， 决 定量 1 0 过流面积的因素就是开度 ， 5 0 ． 0 0 ． 2 0 ． 4 0 ． 6 t ／ s a 0 ． 6 s ／ r 转速 O ． 0 1 ． 0 t ／ s b 1 ． 6 s ／ r 转速 图7 转向液压缸压力 3 结束语 依据液压转向器的结构原理、各油路流向的相关 关系，利用 A M E S i m软件进行建模及仿真 ，结果表明 该转向器在原地转向时具有以下特点 1 该转向器响应速度较快 ，完全能够满足在 低速行驶下的飞机除冰车的工作要求。 2 在最大转向速度条件下 ，汽车基本呈线性 转向，过程平稳。 不足之处 1 转 向缸 以及转 向器压力有一定波动，可 以 通过安装转 向器阀块组减轻这种波动，延长使用寿 命 。 2 该转向器并未添加手动转 向模块 ，无法模 拟在转向器压力失效下手动转向的性能。 参考文献 【 1 】 付永领． A M E S i m系统建模和仿真[ M] ． 北京 北京航空 7 8 6 重 i ．0 ． 0 1 ．O ． 0 2 ．O ． 0 3 ．0 ． 0 4 ．0 ． 0 5 -0 ． 0 6 l 一 转 速为 0 ． 6 s ／ r 0 ． 0 1 ． 0 2 ． 0 3 ． 0 4 ． 0 S ． 0 t ／ s 7 0 8m 8 2 1 m 6 5 3 6m 图6 负载质量块位移 4 转 向液压缸压力流量响应 如图7所示 在 0 ． 6 s ／ r 的转速下，由于速度很 快 ，转向器内部油槽开口瞬间全部打开，故油液流到 转向油缸时，压力波动较大；随着转速的降低 ，在 1 ． 6 、2 ． 6 s ／ r 速度下 ，由于转速相对较小 ，转向器内 部油槽打开速度较慢 ，因而 ，转向缸压力波动较小 ， 最终都会趋于平稳。另外 ，从图8中可以看出转向 速度越快，转向油槽开 口越大 ，流量就越大，故液压 缸位移变化率就越大。由图7 、8可知在最初的时 间段内，转速越快 ，流量和压力就越大 ，就能在最短 时间内推动负载质量块。因此，转速越快，负载质量 块 的反应 时间越短 。 O ． 0 1 ． 0 2 ． 0 t ／ s c 2 ． 6 s ／ r 转速 图 8 转向缸总流量 航天大学出版社， 2 0 1 1 ． 【 2 】 成大先． 机械设计手册 [ M] ． 北京 化学工业出版社， 2 0o 4． 【 3 】 李锦， 刘金龙． B Z Z系列全液压转 向器的工作原理及故 障排除[ J ] ． 煤矿机械， 2 0 0 7 ， 2 8 1 1 4 41 4 6 ． 【 4 】 李远慧， 陈新元． 基于 A M E S i m的液压缸动态特性仿真 与优化 [ J ] ． 武汉科技大学学报， 2 0 1 1 ， 3 4 3 2 1 5 21 8． 【 5 】贺海洋， 李建朝． 基于 A M E S i m的全液压转向系统的仿 真与分析[ J ] ． 农业装备与车辆工程， 2 0 1 1 1 0 3 6 3 9 ． 【 6 】王星． 液压转向器的建模与仿真研究 [ J ] ． 南京工业职 业技术学院学报， 2 0 0 6 ， 6 2 6 76 9 ． 【 7 】S C H A L K G ， B R U N N E R P ， G E R H A R D T L A ， e t a 1 ． B r a i n c o mp u t e r I n t e r f a c e s B C I s D e t e c t i o n I n s t e a d o f C l a s s i fi c a t i o n [ J ] ． J N e u r o s c i Me t h o d s ， 2 0 0 8 ， 1 6 7 1 5 1 6 2 ． 【 8 】候友山， 石博强， 谷捷． 负荷传感转向液压系统优先阀的 稳健设计[ J ] ． 农业工程学报， 2 0 1 0 ， 1 0 1 0 1 2 91 3 3 ．