FW-6型地下工程服务车全液压转向系统设计与仿真.pdf

2 0 1 0年 1 0月 第 3 8卷 第 2 O期 机床与液压 MACHI NE T0OL HYDRAUL I CS 0c t ． 2 01 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 2 0 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 2 0 ． 0 2 1 F W一 6型地下工程服务车全液压转向系统设计与仿真 郭朋彦 ，谭小峰。 ，石博强 ，侯友 山。 1 ．华北水利水电学院机械学院，河南郑州 4 5 0 0 1 1 ；2 ．北京科技大学土木与环境工程学院，北京 1 0 0 0 8 3 ； 3 ．北京劳动保障职业学院，北京 1 0 2 2 0 0 摘要F w． 6地下工程服务车是一种井下用铰接式车辆 ，其转向系统采用全液压转 向形式。简要介绍该车转向液压系 统的工作原理；提出该车转向液压系统的组成方案，详细阐述该车液压转向系统的设计计算以及关键液压元件的选型；建 立该车全液压转向系统的数学模型，利用 S I MU L I N K工具建立其仿真分析模型，并对其进行动态特性仿真。仿真结果表明 F W． 6 地下工程服务车转向液压系统的设计方案是合理可行的。同时，该仿真模型对铰接车辆转向液压系统的设计也具有 重要的参考价值。 关键词地下工程车；铰接车辆；全液压转向系统；机械设计；动态仿真 中图分类号T H 1 3 7 ． 7 文献标识码B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 2 0 0 5 9 4 De s i g n a n d Dy na mi c a l S i mul a t i o n o f Hy dr a u l i c St e e r i ng S y s t e m f o r FW - 6 Un de r g r o un d M ul t i f un c t i o n a l S e r v i c e Tr uc k GU0 Pe n g y a n ’ ， T AN Xi a o f e n g ， SHI Bo q i a ng ， HOU Yo u s h a n 1 ． N o r t h C h i n a I n s t i t u t e o f Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d H y d r o e l e c t r o n i c P o w e r ，Z h e n g z h o u H e n a n 4 5 0 0 1 l ，C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f C i v i l E n v i r o n m e n t E n g i n e e r i n g ，U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y B e i j i n g ，B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ； 3 ． B e i j i n g V o c a t i o n a l C o l l e g e o f L a b o u r a n d S o c i a l S e c u ri t y ，B e i j i n g 1 0 2 2 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e F W 6 u n d e r g r o u n d mu l t i f u n c t i o n a l s e r v i c e t r u c k i s a k i n d o f u n d e r g r o u n d mi n e u s e d a r t i c u l a t e d t ru c k ． I t s s t e e r - i ng s y s t e m i s f u l l p o we r hy d r a u l i c s t e e rin g s y s t e m． The wo r ki n g p rin c i p l e o f t h i s hy d r a u l i c s t e e ring s y s t e m f o r t hi s v e h i c l e wa s i n t r o - d u c e d ． T h e c o mp o s i t i o n o f h y d r a u l i c s t e e rin g s y s t e m o f t h e t ruc k wa s p u t for w a r d ． T h e d e s i g n c a l c u l a t i o n o f t h e s t e e ri n g h y d r a u l i c s y s t e ms a s we l l a s t h e s e l e c t i o n s o f t h e k e y h y d r a u l i c e l e me n t s wa s e x p o u n d e d i n d e t a i l ． Th e ma t h e ma t i c a l a n d s i mu l a t i n g mo d e l we r e e s t a b l i s h e d o n t h e b a s i s o f a n a l y z i n g t h e k e y e l e me n t s o f t h e h y d r a u l i c p o we r s t e e r i n g s y s t e m． T h e d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s o f h y d r a u l i c s t e e ri n g s y s t e m w e r e s i mu l a t e d and a n a l y z e d wi t h S I MUL I NK． T h e s i mu l a t i n g r e s u l t s h o ws t h a t t h e d e s i g n p r o p o s e d f o r t h e s t e e ri n g h y d r a u l i c s y s t e m o f t h e F W 一 6 u n d e r g r o u n d mu l t i f u n c t i o n a l s e rvi c e t ruc k i s r e a s o n a b l e a n d f e a s i b l e ． T h i s s i mu l a t i n g mo d e l p r o v i d e s r e f e r e n c e for t h e d e s i g n o f a rti c u l a t e d v e h i c l e ’ S h y d r a u l i c s t e e ri n g s y s t e m． Ke y wo r d s Un d e r g r o u n d v e h i c l e ； Art i c u l a t e d t ru c k ； Hy d r a u l i c s t e e r i n g s y s t e m ；Me c h a n i c a l d e s i g n； D y n a mi c a l s i mu l a t i o n F W一 6地 下工 程 服 务 车是 一 种 井 下用 铰接 式 车 辆，其由通用底盘和工作机构两大部分组成。底盘部 分负责车辆的前后行驶 、转向及制动 ，同时为工作机 构提供支撑和动力。通用底盘由前、后两个车体组 成 ，其 间采用铰接折腰式转 向，因此 F w- 6地下工程 服务车对转弯半径小的井下环境具有良好的机动性和 通过性。同时，该车通过配装不同的工作装置及工作 机构，例如搭载液压吊臂、液压升降平台、乘员车厢 或油罐等装置，可实现相应的各种功能。因此，这种 服务车具有一机多用 、设备使用率高等优点，是一种 具有良好发展前景的矿山车辆- ． 。作者对该车的转向 液压系统进行了设计计算 ，并建立了仿真模型，对其 动态特性进行了仿真分析。 1 转向液压系统设计 F W． 6 地下工程服务车转向系统采用中间铰接折 腰式转向，通过两个转向油缸推拉动作使前后车体相 对运动 ，从而实现车辆转 向。采用负荷传感式全液压 转 向系统 ，其工作原理如图 1 所示 齿轮泵 2排 出的 油液经过单 向阀 4 、优先阀 5和转 向器 6到达转 向油 缸 7 ，实现整车的转向；转向油缸排出的油液经过转 向器 回油 口以及截止 阀 3和 回油 过滤器 I回至 油箱。 齿轮泵 2为转 向系统供油 ，保证车辆行驶时转 向流量 的需求 ；优先阀5和转向器 6 配套使用。优先阀作用 在于行车转向时系统流量优先供应转向，而且通过 L s口与转向器 6连接，实时感应转向负载。转向器 6 控制着转 向的方 向、速度和角度 。转 向器 6上集成有 收稿 日期 2 0 0 91 01 9 作者简介郭朋彦 1 9 8 1 一 ，男，博士 ，讲师，主要研究方 向为特种车辆设计 研究。电话1 5 8 9 0 6 5 3 7 5 2 ，Em a i l g u o p e n g y a nl 1 6 3．c o rn。 6 O 机床与液压 第 3 8卷 组合阀块，阀块上的溢流阀能限定转向器的最大工作 压力，从而保护系统，阀块上的单向阀在车辆转 向 时 ，能 自动为转 向油缸补油 ，防止液压 系统吸空 ，当 液压缸一侧 的压力大于系统供油压力时 ，能够 防止油 液倒流 ，从而保证方 向盘不会抖动 ；单 向阀 4用于保 护齿轮泵 ，防止系统过载时，油液倒流冲击泵。 滤器 转 向器 缸 图 1 全液压转向系统液压系统图 1 ． 1 转 向 系统 压 力 P的确 定 根据液压手册 ，小型工程机械液压系统的工作 压力一般 为 1 0～1 8 MP a ，再参 照类 比国 内外 同类 型 井下工程车液压 系统压力 ，初选转向油缸 的工作压力 为 P1 2 MP a 。 1 ． 2最 大转向 阻力矩 的确定 铰接式 车辆转 向时 ，最大转向阻力矩是原地静态 转向时的转 向阻力矩 ，行走时的转 向阻力矩 比静态时 的阻力矩小 2～ 3倍。铰接车辆的转向阻力矩不仅与 车桥 负荷 的大小有关 ，而且 与转角 0 有关 ，转 向阻力 矩随着 0 角的增 大而增 大 。根据 经验公式 进行估 算 ， 原地转 向阻力矩 为 0 ． 1 L 0 ． 6 ． 0 ． 3 0 2 0 ． 1 0 2 ． 6 1 式中G 为前桥上负荷，为 4 9 0 0 0 N；0为偏转角 ， 为0 ． 7 r a d ； f为驱动轮上的滚动阻力系数，取 0 ． 0 6 ； 为车辆的轴距，为 3 ． 4 IT I ；叼为效率，一般取 0 ． 9 考虑转向机构和差速器的摩擦 。将相关数据代人 式 1 ，计算得出 M口1 1 4 6 2 N m。 静态转向时，转向油缸最小转向作用力臂为转向 角处于最大位置时对应的值，如图2所示。图2中点 0为前后车体铰接中心点，4 和A 为转向油缸与后车 架的联结点，曰 和 B 为转向油缸和前车架的联结点。 前后车体的相对位置处于最大转角 O 1． O l 4 0 。 时，转向油缸 与前 车 架 的联结 点 由点 B 和 分别移动到点 和 B 。图 中 O C 1 和 O C 2 为转 向油 缸 作 用力 臂 令 O C r I ， 0 l “ 2 ， Al Bl A2 Bz9 0 1 ． 4 mi l l ， O B． O B 2 3 0 0 m m，经 群 - 、 一 D／ ， 图2 铰接车油缸转向示意图 计算，r 2 2 4 m m，r 2 2 3 3 n l m。故转向油缸提供的 最小转 向力矩为 M ⋯ p A c 1 r l Ac 2 r 2 2 式 中 。 为转 向油缸无 杆腔 面积 ， 为转 向油缸 有 杆腔面积。 1 ． 3 转 向油缸缸 径 的确 定 铰接式车辆在原地静止转向时必须满足 i ≥ 研 l ，即 p A c l r 1 A c 2 r 2 ≥ 阻 3 在满 足转 向要求 的前提下 ，转向油缸 的尺寸应尽 量小，取油缸速比 1 ． 4 6 ，油缸 的总效率为 0 ． 9 。 经计 算 和 查 阅油 缸 标 准 尺 寸 ，选 定 油 缸 缸 径 D 8 0 m m，活塞杆径 d 4 5 m m，则转向系统实际工作 压力 为 6 M P a 。 1 ． 4转向油缸 行程 的确 定 如 图 2 所示 ，油 缸缩 短与伸 长极 限位置为 与 日 4 ，经计篼， 4 l B 3 7 0 7 m m， A 2 B 4 1 0 9 4 m m， 所以 转向油缸的工作行程为 z 3 8 7 m m，考虑到油缸转到 极 限位置时 ，避 免活塞顶 到缸底部 ，两端各 留出一定 的余量 ，因此 转向油缸 总行程不大于 4 2 7 m i l l 。 1 ． 5全液 压 转向 器的确 定 全液压转向器选用负荷传感型，负荷传感转向器 上配有防止系统过载起缓冲和补油作用的组合阀块以 及优先阀 ，这种转 向组合配置能够保证泵排出的流量 优先供 给转 向需要 ，而且能够 自动调节流量以满 足转 向的实际需要 。 最 大转 向时所需油液容积为 V Z A ， A ∞ ，经 计算 V 3 ． 6 L 。工程 机械 中，方 向盘 从一个 极 限位 置到另一个极限位置所转的总圈数为 3～ 6圈，初步 设定圈数 n5 。在最大转 向情况下转 向器排出油液 量与方 向盘转数是对应的 ，取司机转动方 向盘 的转速 为 6 0 r ／ ra i n ，所 以全 液压 转 向器 的 排量 向 器7 5 8 m L ／ r ，经查标准样本 ，最终选用排量为 8 0 0 m L ／ r 的 转向器。经核算，方向盘实际所转的圈数为 4 ． 7圈， 用时 4 ． 7 S 。 1 ． 6 转 向泵排 量的 确定 转向泵安装在发动机上，由发动机直接驱动，传 动比为 1 ，该车选用 D e u t z F 6 L 9 1 2 W型发动机，其怠 第2 0期 郭朋彦 等 F w一 6型地下工程服务车全液压转向系统设计与仿真 。 6 1 速为 n 6 5 0 r ／ m i n ，额定转速为 ／ Z 额 2 3 0 0 r ／ m i n 。 转 向泵 流量 Q 泵 6 0 。 向 器 4 8 L ／ m i n 转 向泵 的排量 m a x 7 8 m L ／ r 式 中 叼 为转 向泵容 积效率 ，取 0 ． 9 5 。发 动机 额定 转速时 ，转向泵 的排 量 i 2 2 m L ／ r ；所 以所 选转 向泵的排量范围为 2 2～ 7 8 m L ／ r 。兼顾经济性，所 选用的转 向泵至少应满 足整车在额定转速下原地转 向 要求，故选用排量为2 5 ． 4 m L ／ r 的齿轮泵。 1 ． 7 转向液压 系统功率 P 的确定 在最大压力条件下，P p Q 转 向 泵 9 ． 6 k W，即转 向液压系统瞬时最大功率为 9 ． 6 k W。 2 全液压转向系统的动态特性仿真分析 2 ． 1 仿真模型的建立 地下工程服务车转 向系统采用 铰接 式转 向模式 ， 该转 向液压系统 由齿轮泵 、优 先 阀、全 液压转 向器 、 转向油缸等组成，通过对系统内的优先阀、转向器及 转向油缸等关键部件进行流量及力学分析，建立液压 转向系统的动态数学模型 ，并对其进行拉氏变换，结 果如下 Q 一 K o P 。 4 Q D m s o m c t m 尸 l J I 十 P L l 5 P L l D ．， s s 肋 6 Q A p s X p c 【p P 茜 P 7 Q D s O 8 P L 2 A p m p s p B p s X p K X F L 9 式中 Q 为转向器输 入流量 ，m 。 ／ s ； d为转 向器转阀阀芯直径 ，m； 为转向器转阀的流量增益，m ／ s ； 为方向盘转角，r a d ； 为转 向器计量马达的输出转角 ，r a d ； P 为计量马达压差 ，P a ； c 为转向器 总泄漏 系数 ，m s 一 P a ～； 为油液体积弹性模量，P a ； 为转向器计量 马达 的油腔容积 ，m ； 为优先阀弹簧刚度，N ／ m； | ， 为转 向器计量马达转动惯量 ，k g 1 1 1 ； ．为方 向盘输入扭矩 ，N m； B 、B 。 为黏性阻尼系数 ， N s ／ m； Q 。 为转向油缸输入 流量 ，13 1 ／ s ； 为油缸的总有效面积，m ； 为油缸活塞 的位移 ，m； c 。为油缸 的总泄漏 系数 ，m s ～ P a ～； P 。 为转向油缸压差 ，P a ； l ， n 为转 向油缸有效容积 ，1T I ； F I ． 为作用在活塞上 的干扰负载 ，N； D 为转向器计量 马达弧度排量 ，m ／ r a d ； m 。 为负载质量 ，k g ； 为转向器转阀的流量 一 压力增益 ，n l s ～ P a～。 其中式 4 、 5 、 6 为转向器的数学模型， 式 7 、 8 、 9 为转 向油缸 的数学模型 。根据上 式绘 出负荷传感全液压转向系统的方块 图 ，如 图 3所 示 。 图 3 油缸活塞位移传递函数方块图 根据图 3油缸 活塞位 移传递 函数 方块 图，在 S i m u l i n k中建立仿真模型方块图如图 4所示 。 图4 液压转向系统方块图仿真模型 6 2 机床与液压 第 3 8卷 2 ． 2 动态特性仿真分析 通过给方向盘输入角位移阶跃信号来分析油缸活 塞位移 X 。 及 计量 马达输 出转角 0 随时间的动态变化 曲线 。按照表 1 参数对该系统进行仿真，仿真结 果如图 5所示 。 表 1 液压转向系统仿真参数 系统压力／ M P a 1 2 C ,m ／ f m s ～ P a 1 0 活塞直径／ m m 8 0 C 。 ／ m 。 s 一 P a 一 7 ． 3 5 1 0 一 活塞杆直径／ ra m 4 5 ／ 3 e ／ P a 6 ． 5 1 0 油缸行程／ ra m 4 2 7 ／ 1 73 s 1 ． 8 油缸负载／ k g 5 2 2 1 K c ／ m s 一 P a 一 1 ． 2 3 1 0 一 。 最大转向角度／ 。 4 0 A ／ m 0 ． 0 0 8 4 6 油液密度／ k g m。 8 3 0 O ／ r a d 0 ． 1 8 言 5 0 ．1 2 0． 1 ．08 ．06 ．04 ．02 0 t | s t ／ s a 转 向油缸 输 出位 移 b 转 向器马 达输 出转 角 图5 方向盘阶跃输入仿真结果 从图 5 a 可知，方 向盘在输入一角度阶跃信号 0 ． 1 r a d后 ，油缸输 出位移 响应 曲线初始 阶段有振 荡现象 ，经过 0 4 s 左右 的衰减振荡之 后达到稳定 状 态 ，稳态值为 3 ． 91 0 ～m，系统的上升时间 t 0 ． 0 2 8 S ，峰值时 间 t 。 0 ． 0 5 S ，调节 时间 t 0 ． 4 S 。从仿真结果来看 ，系统趋于稳定状态，故该 车的全液压转向系统是稳定的。 3 结束语 液压转向系统是地下工程服务车的重要组成部 分，其性能的好坏直接决定车辆的操纵稳定性、使用 效率和维修成本。该设计采用了负荷传感式转 向方 式，效率更高 、系统更节能。同时对转向系统的优先 阀、转向器及转向缸进行了详细的分析，建立了较详 尽的仿真模型，并对转向系统进行了仿真分析。仿真 结果表 明 ，该转 向系统 的设计是成功的 ，可以满足实 际使用要求 。 参考文献 【 1 】 潘社卫． J Y - 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