全液压转向系统的动态特性仿真.pdf

2 0 1 2年 9月 第4 0卷 第 1 7期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAU[ I CS S e p ． 2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 1 7 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 1 7 ． 0 3 6 全液压转向系统的动态特性仿真 王小明 ，张海 ，邓建明。 ，包晓敏 1 ．华东交通大学机 电学院，江西南昌 3 3 0 0 1 3；2 ．南昌铁路局 南昌车辆段 ，江西南昌 3 3 0 2 0 0 摘要分析了双向缓冲负荷传感大流量放大全液压转向系统的工作原理及系统的元件组成。根据系统的工作原理 ，在 M S C ． E a s y 5 仿真软件中，建立了各个元器件的仿真模型，并根据各组成部分的关系建立了整个转向系统的仿真模型。结果 表明该转向系统可以使转向器输出流量放大4倍 ，并且具有双向缓冲和转向稳定的良好性能。这些结论对进一步的产品 升级和优化设计具有非常重要的指导意义和参考价值。 关键词 全液压转向器；动态特性 ；仿真 中图分 类号 T H1 3 8 ． 9 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 1 71 2 3 4 Dy na mi c Ch a r a c t e r i s t i c s o f Do ub l e Bu ffe r i n g Lo a d Se n s o r La r g e - flo w Ampl i fic a t i o n Hy d r a ul i c S t e e r i ng S y s t e m WANG Xi a o mi n g ，Z HANG Ha i ，DEN G J i a n mi n g ，B AO Xi a o mi n 1 ． S c h o o l o f Me c h a t r o n i c s E n g i n e e r i n g o f E a s t Ch i n a J i a o t o n g U n i v e r s i t y，Na n c h a n g J i a n g x i 3 3 0 01 3，C h i n a ； 2 ． N a n c h a n g R o l l i n g S t o c k D e p o t o f N a n c h a n g R a i l w a y B u r e a u ，N a n c h a n g J i a n g x i 3 3 0 2 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e wo r k i n g p r i n c i p l e o f b i d i r e c t i o n a l b u f f e r l o a d s e n s o r l a r g e - fl o w a mp l i f i c a t i o n h y d r a u l i c s t e e ri n g s y s t e m a n d t h e s y s t e m’ S c o mp o n e n t s w e r e i n t r o d u c e d ． Ac c o r d i n g t o t h i s s y s t e m’ S w o r k i n g p ri n c i p l e ， t h e s i mu l a t i o n mo d e l s o f e v e r y c o mp o n e n t s w e r e b u i l t a n d t h e y w e r e c o mp o s e d t h e s i mu l a t i o n mo d e l o f wh o l e s t e e ri n g s y s t e m b a s e d o n t h e r e l a t i o n s h i p o f e v e r y c o mp o n e n t s b y u s i n g MS C ． E a s y 5 ． F h e s i mt d a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h i s s y s t e m c a n r e a l i z e t h e f u n c t i o n e n l a r g i n g 4 t i me s fl o w a n d h a s g o o d p e r f o r ma n c e s o f d o u b l e b u f f e ri n g a n d s t a b l e v e e rin g ．T h e r e s u l t s are v e ry i mp o r t a n t t o u p g r a d e a n d o p t i mi z a t i o n d e s i g n ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c s t e e rin g g e ar ； D y n a mi c p e r f o r ma n c e；S i mu l a t i o n 全液压转向器作为一种输出功率较大的全助力 转 向器 ，广泛应用 于小 型汽 车 、铰 接工 业 车辆 如 装载机 、平地机、木材搬运车等 、自行式农业机 械 如拖拉机、联合收割机等以及各种船舶。该 转 向器可以使驾驶人员用较小的操纵力控制较大 的 转 向力 ，并且在 转 向性 能上具 有 安全 、可靠 、操 纵 灵 活 、轻便 的独 特 优 势 ，因而 有 较 大 的 市 场需 求 。 而全液压转向系统主要 由液压泵 、全液压转向器、 优先阀、转 向动力油缸和组合阀块等部分组成 ，其 中至少有两部分之间没有机械联系。目前 ，对液压 系统动态特性的研究，一般先建立表征系统动态性 能的数学模型 即动态模型 ，然后展开数学模型 求解，最后通过相应的软件进行 仿真分析。 目前 ， 主要的建模方法有 以下几种解析法建模、状态空 间法建模、功率键合图法建模 、电液模拟建模 、模 块化 建模 。 文中将详细介绍如何利用模块化建模方法建立双 向缓冲负荷传感大流量放大全液压转向系统油路的模 型，并对其进行仿真研究。 1 双向缓冲负荷传感大流量放大全液压转 向系统 结构分析 双向缓冲负荷传感大流量放大全液压转向系统是 由双向缓冲负荷传感大流量放大全液压转 向器 简 称 S H T L F型全液压转向器 、优先阀、转向泵、转向 油缸、组合阀块及液压油源单元等元件组成，是一种 既具有流量放大功能，又具有转向负荷传感功能，并 能实现双 向缓冲的液压 转向系统 。该系统转 向过程稳 定 ，又能通过提高流量放大倍数 ，减小液压泵的排 量 ，实现节 能的 目的。 1 S H T L F型全液压转向器如图 1所示 ，由控 制 流量放 大的转 阀和计量 马达组成 。该转向器的控制 转阀由阀盖2 、阀体 l 3 、阀套 l 5 、阀芯6 、联轴节 5 、 组合扭转弹片 l 6等零件组成。阀芯 6在方向盘 1的 带动下转动，阀套 1 5在组合扭转弹片 1 6的作用下与 收稿 日期 2 0 1 1 0 9 0 1 基金项目2 0 0 8年科技部创新基金资助项目 0 8 C 2 6 2 1 3 6 0 0 9 1 5 作者简介王小明 1 9 5 9 一 ，男，高级工程师，主要从事工业 自动化控制研究。E～m a i l z h a n g h a i r i p ． s i n a ． c o rn。 1 2 4 机床与液压 第4 0卷 阀芯建立连接。如剖视 图 A A所示 ，计量马达 即摆线 计量装置的定子 1 8固定在阀体上，转子 1 7在联轴节 5和销轴 3的作用下与阀套建立连接。在阀体 l 3上 的进油 口 P 、回油 口 T 、右转 向油 口 R和左转 向油 口 L ，P P油口为主控油 口、L s为负荷传感 口。在阀体 的圆柱工作面上设有与之对应的T口油槽 l 4 、L口油 槽 1 2 、R 口油槽 1 1 、P口油槽 1 0 、P P口油槽 9 、L S 口油槽 8 ，摆线计量装置的进回油孔7 。P P口油槽与 P口油槽及进油 口 P相通 ，为避免 P口油槽 的油 反 串 到 P P口油槽 ，在进油 口 P与 P口油槽 间设置 了一个 单向阀4 。阀套 l 5和阀芯6上开有多条油槽和多组油 孔。阀芯 6与阀套 1 5的槽和孔相互配合组成转向器 的内部油路 ，并在各油路的端口形成相应的节流口。 方向盘转动时，通过改变阀套和阀芯之间的相对转 角，可使各个节流口处于不同的通流面积，使得转向 器具有变流量输出的特性。 j r 向 l 一 方 向盘 2 一 阀盖 3 一 销轴 4 一 单 向 阀 5 - _ 联轴 节 阀芯 7 一进 回油 孔 B ．L S 口油 槽 9 一P P 口油 槽 l o _ - P 口油 槽 l l R口油槽 1 2 一 L 口油槽 1 3 -- 阀体 l 4 一 _ T口油槽 1 5 -- 阀套 1 6 一 组 合扭 转 弹片 1 7 一转 子 1 8 一 定子 图 1 双向缓冲负荷传感大流量放大全液压转向器的装配图 2 优先阀由阀体、阀芯、控制弹簧 、安全阀 移动 ，使车轮向右倾斜转动。在文中，为了使建模 组成。设有 P 、C F 、E F 、L S 、P P 、T油口。P口为进 更加简便 ，将转向油缸装置等效为如图 3 b 所示 油 口，与油泵连接；C F口为出油 口，与组合阀块的 的双出杆缸。 进油 口P相连接；E F口为去工作液压系统油 口，接 主机工作油路；L S口为传感 口，与转 向器传感 口相 连 ；T口为回油 口，与 液 压油箱 相 连接 ；P P口为主 控 口，与转 向器 P P口相连 。由 P P口与 L S口的压差 来控制阀芯的工作位置，可以根据铰接工业车辆转向 及作业的实际需要进行油源的流量分配，并能按轴向 油路要求优先分配流量，如图2所示。 p 图2 优先阀的结构原理图 3 液压动力油液从 S H T L F型全液压转 向器输 出，输入给转向油缸 ，液压能转化成推动转 向轮转 动的动能。如图 3 a 所示 ，为两个单出杆缸对称连 接组成的液压转向油缸的连接形式。当向右转动方 向盘时，液压动力油液进入左边转 向油缸的有杆腔 和右边转向油缸的无杆腔，推动转 向油缸活塞向右 a 转 向油缸 结构 图 b 转 向油缸 工 作等 效 图 图 3 转 向油缸图 2 基于 MS C ． E a s y 5的 S H T L F型全液压转 向系统 动态仿真模型的建立 液压转向系统仿真模型的建立包括以下几个方 面创建模型、选择模型的类型、设置模型参数。作 者将先对液压元件进行建模 ，然后对整个系统进行模 型连接。 2 ． 1 建模具体步骤 1 从 MS C ． E a s y 5软 件 的液压库 中选 取相 应 的 液压元件模型；若没有合适的模型，可以根据液压元 件的原理，在各个库中选取原理级部件进行搭建。 2 用 MS C ． E a s y 5软件中的相应信号代替系统 中的负载。 3 按照液压转向系统原理图，用管道将液压 元件模型和负载信号连接起来 ，形成整个液压转向系 统的仿真模型，并参照设计要求设置各个管道的具体 第 1 7期 王小明 等 全液压转 向系统 的动态特性仿 真 1 2 5 参数。 4 系统的动态仿真模型建好之后 ，设置不同 的参变量进行反复仿真并记录结果。 2 ． 2主要模块建模 1 液压源模 型 液压 转向系统的工作动力 由液 压源提供 。如 图 4 所示 ，在 MS C ． E a s y 5液压库 H y d r a u l i c L i b r a r y 中选 用定排量液压单元模型 P D，能够提供稳定的压力与 流量。该模型与溢流阀 R F 、油箱 T N 、滤油器 F I 等元件模型搭建组成整个液压转向系统的液压 油源。液压油源通过液压油管与工作元器件连接。 转 向器模 型 图4 液压转向系统 E a s y 5仿真模型 2 优 先阀模 型 选用 M S C ． E a s y 5中的液压元件库模型，建立优 先 阀的模型 ，如 图 4所示 。模 型 中共有 1 、4 、5三个 输入通口，2 、3两个输出通 口。输入通 口 1为容性 通口，与液压源供油油路相连；通 口4 、5为信号通 口，通 口4外接转 向器 的 C 2变节 流 口的输 出端 ，将 压力信号传递给优先阀负荷敏感腔 L S口；通 口5外 接转向器的 c l 节流 口的输出口，将压力信号传递给 优先阀的P P口。 3 转 向器的模型 模型由控制油路、放大油路、双向缓冲油路以及 负荷传感油路的模型搭建而成。其中右边两个变截面 节流孔单元中间的输出端 口6连接优先 阀的 L S 传感 口，输出端 口5连接优先 阀的 P P油 口。上述两条油 路组成负荷传感油路 ，将转向器压力流量变化传递给 优先阀，如图4所示。 3 S H T L F型全液压转向系统动态仿真分析及改进 S H T L F型全液压转向系统的动态特性研究是在方 向盘不同的转动隋况下，分析转向器的流量放大性能、 转向系统负荷传感、双向缓冲性能及系统的稳定性。 仿真时设定方向盘以 n6 0 r ／ m i n的转速带动转 向器 阀芯转动 时，在模型中以其角速度 06 ． 2 8 3 r a d ／ s 为阶跃输入信号，则可得转向系统阶跃输入信 号 0曲线 如 图 5所示 、 出流量曲线 如图6所示 6 ． 51 6 ． 2 5 r一 晴 毛 6 ． 01 5．75 j 嫒 j 5 ’ 1 T 1 r 1 S H T L F型全液压 转 向器输 。 一 2 - s 2 。 1 ． 5 2 1 ． 0 0 ． 5 o ．0 ． 5 l r 0 0 ． 2 0 ． 4 0 ． 6 0 ． 8 1 ．0 0 0 ． 1 0 ． 2 0 ． 3 0 ． 4 m5 时 间， s 时 间， s 图 5 转 向系统 阶 跃输入信号 图 6 S H T L F型全液压 转向器输出流量 机床与液压 第 4 0卷 由图6可以看出在转向起始阶段 ，仿真曲线都 会出现剧烈振荡。分析其原因为控制节流口和放大 节流 口的通流面积增加过快，造成转向起始阶段节流 口的开度变化幅度过大，转向器内部流量和压力产生 冲击和振动。同时当方向盘以 r ／, 6 0 r ／ m i n的转速转 动时，该转向器额定排量可以达到 1 2 5 0 m L ／ s ，已知 优先阀的额定排量为 2 5 0 m L ／ s ，其流量输入给转向 器 ，可知该转向器的排量提高了4倍。 为了消除这一影响，在保证转向器额定输出流量 为 1 2 5 0 m L ／ s 和4倍流量放大的基础上，经过反复修 改尺寸和计算，对 c 8节流 口的结构进行优化设计。 改进后阀芯上的槽 4 5宽度增加为5 m m，阀套上的孔 3 8由两个半圆孔和一个长方形孔组合而成。 再次进行仿真 ，得到 S H T L F型全液压转向器输 出流量曲线 如图 7所示和液压油缸活塞位移速 度 如 图 8所示 。对 比图 6和 7可得 改进后 的转 向系统在转向起始阶段振动明显减弱，表明该转向器 的结构改进在理论上是可行的。 一 2 5 。 L5 2 1 ． 0 0． 5 。 一 0． 5 l 厂 0 0． 1 0． 2 0． 3 0． 4也 5 时间／ s 图7 改进后 S H T L F型全液 压转向器输出流量 3 2 。 l 0 -2 3 0 0 ． 1 0 ． 2 0 ． 3 0 ． 4 m5 时 间， s 图 8 液压油缸活 塞位移速度 4总结 液压转向系统是工程机械中重要的组成部分，其 流量放大倍数 、缓冲能力和稳定性等静动态特性直接 影响到整机的工作性能。以双向缓冲负荷传感大流量 放大全液压转向系统为研究对象 ，基于 M S C ． E a s y 5 仿真软件，建立了各个元器件的仿真模型，并根据各 组成部分的关系建立了整个转向系统的仿真模型。通 过仿真结果分析论证了转向器可以实现4倍流量放大 的功能，并且具有双向缓冲和转向稳定的良好性能。 这些仿真分析结论对进一步的产品升级和优化设计具 有非常重要的指导意义和参考价值。 参考文献 【 1 】斐兰华． 全液压转向器及其运用[ J ] ． 工程机械与维修， 1 9 9 6 1 3 7 ． 【 2 】吴继飞， 李福荣． 国内外大排量全液压转向技术水平对 比[ J ] ． 工程机械与维修， 2 0 0 1 1 2 8 3 0 ． 【 3 】 刘胜荣， 王小明， 熊国良 双向缓冲负荷传感高流量放大 全液压转向系统[ J ] ． 流体传动与控制， 2 0 0 7 4 2 7 3 O ． 【 4 】王小明． 双向缓冲负荷传感高流量放大全液压转向系 统 中国， Z L 2 0 0 6 2 0 0 9 8 1 2 1 ． 5 [ P ] ． 2 0 0 7 0 71 8 ． 【 5 】雷天觉． 液压工程手册 [ M] ． 北京 机械工业出版社， 1 9 9 0 3 4 12 0 0 0 ． 【 6 】杨尔庄． 我国液压气动技术的现状与展望[ J ] ． 液压与 气动， 1 9 9 8 6 4 5 4 8 ． 【 7 】K I M J i H o o n ， S O N G J a e B o k ． C o n t r o l L o g i c f o r a n E l e c t r i c P o w e r S t e e r i n g ， S y s t e m U s i n g A s s i s t Mo t o r [ J ] ． Ma c h a t r o n i c s ， 2 0 0 2 ， 1 2 3 4 4 7 4 5 9 ． 【 8 】陆倩倩． 流量放大全液压转向系统的仿真分析及试验 [ D] ． 杭州 浙江大学机械工程系， 2 0 1 0 ． 【 9 】 景军清． 双泵合分流符合传感型全液压转向系统的应用 [ J ] ． 建筑机械， 2 0 0 5 1 3 4 3 7 ． 【 1 0 】 P E A R S O N J ． E A S Y 5 U s e r G u i d e[ M] ． B o e i n g C o m p a n y ， 2 0 0 5 ． 【 l 1 】 盛东初， 冯淑华． 液压传动技术教程[ M ] ． 北京 北京理 工大学出版社， 1 9 9 5 ． 【 1 2 】 杜轩， 陈柏鸿 ， 彭立炎， 等． 叉车转向系统的全性能优化 建模及求解 [ J ] ． 机械科学与技术， 2 0 0 1 2 2 1 1 21 4． 上接第 1 2 9页 【 3 】 杨国桢 ， 王福天． 机车车辆液压减振器[ M] ． 北京 中国 铁道出版社 ， 2 0 0 3 ． 【 4 】丁问司， 巫辉燕． 铁道车辆油压减振器三维流场动态仿 真[ J ] ． 机械工程学报 ， 2 0 1 1 6 1 3 01 3 7 ． 【 5 】 梁志杰， 于兰英 ， 陈留， 等． s s 机车一系垂向减振器仿真 系统的研究[ J ] ． 机车电传动， 2 0 0 2 3 2 4 2 7 ． 【 6 】N A G A S H I M A T ． D e v e l o p m e n t o f a C A E S y s t e m B a s e d o n t h e N o d e ． b y ． N o d e M e s h l e s s Me t h o d f J ] ． C o m p u t Me t h o d s Ap p l Me c h En g r g ， 2 o o o， 1 8 7 13 4 ． 【 7 】 中华人民共和国铁道部． T B ／ T 1 4 9 1 - 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