转向液压管路对多轴转向响应特性的影响.pdf

2 0 1 5年 2月 第 4 3卷 第 3期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAU 『 L I CS F e b ． 2 01 5 Vo 1 ． 4 3 No ． 3 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 0 3 ． 0 3 1 转向液压管路对多轴转向响应特性的影响 庞 文 杰 ．王 云 超 集美大学机械与能源工程学院，福建厦 f 1 3 6 1 0 2 1 摘要通过三轴液压转向实验平台，利用 A ME S i m软件，建立了转向液压系统模型。分析了压力、流量、管路长度、 管路内径以及管路材料等单因素对转向油缸响应特性的影响规律．并针对压力、流量、管路内径等非线性影响因素以及系 统 P I D参数进行了正交仿真实验 ，给出了优化结果和 P I D参数。结果表明压力升高、响应速度加快 ，但在 1 0 ～1 1 MP a 范 围内较为稳定；流量在 1 4 L ／ ra i n时响应速度最快且最不稳定 ；管路内径在 1 1 ～1 7 mm范围内有较好的响应速度和稳定性； 管路长度增加，响应滞后 ，稳定性减弱；比例系数 P对响应时间的影响比较敏感 、积分系数 ， 对平滑性影响较大 、微分系 数 D对稳定性较为敏感。 关键词三轴转向；A ME S i m；管路特性；转向特性 中图分类号 U 4 6 1 ． 6 文献标 志码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 5 3 1 1 9 4 I n flu e nc e o f St e e r i ng Hy dr a ul i c Pi pe l i ne o n M u l t i - a x i s S t e e r i n g Re s p o ns e Cha r a c t e r i s t i c s P ANG We n j i e ．WANG Y u n c h a o C o l l e g e o f Me c h a n i c a l a n d E n e r g y E n g i n e e r i n g ， J i m e i U n i v e r s i t y ， X i a m e n F u j i a n 3 6 1 0 2 1 ，C h i n a Ab s t r a c t T h r o u g h t h e t h r e e a x i s h y d r a u l i c s t e e ri n g e x p e rime n t p l a t f o r m ， 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 mo d e l wa s e s t a b l i s h e d b y u s i n g AME s i m s o f t w a r e ． T h e i n fl u e n c e r u l e s o f t h e p r e s s u r e ，fl o w，p i p e l e n g t h，p i p e i n n e r d i a me t e r a n d ma t e ria l a n d s u c h a s s i n g l e f a c t o r o n s t e e rin g c y l i n d e r r e s p o n s e c h a r a c t e ris t i c s we r e a n a l y z e d ． T h e o r t h o g o n a l s i mu l a t i o n e x p e rime n t w a s p e r f o r me d b y a i me d a t t h e n o n l i n e a r i n fl u e n c e f a c t o r s s u c h a s p r e s s u r e， fl o w，p i p e i n n e r d i a me t e r a n d t h e s y s t e m P I D p a r a me t e r s ，a n d t h e o p t i mi z a t i o n r e s u l t s a n d t h e PI D p ara me t e r s w e r e p r e s e n t e d ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t wi t h i n c r e a s i n g o f p r e s s u r e， t h e r e s p o n s e s p e e d i s a c c e l e r a t e d，b u t i t i s r e l a t i v e l y s t a b l e wi t h i n t h e r a n g e o f 1 0 1 1 MP a ． Wh e n t h e fl o w i s a t 1 4 L ／ mi n，r e s p o n s e i s f a s t e s t a n d mo s t u n s t a b l e ． I t h a s h i g h r e s p o n s e s p e e d a n d s t a b i l i t y f o r p i p e d i a me t e r i n t h e r a n g e o f 1 1 t o 1 7 mm． W i t h i n c r e a s i n g o f p i p e l e n gth，t h e r e s p o n s e i s l a g g e d wi t h l o w e r s t a b i l i t y ． P r o p o r t i o n c o e f f i c i e n t P i s s e n s i t i v e t o t h e r e s p o n s e t i me ，i n t e g r a l c o e f fi c i e n t ，h a s l a r g e r i n fl u e n c e t o t h e s mo o t h n e s s ，a n d d i f f e r e n t i a l c o e f f i c i e n t D i s q u i t e s e n s i t i v e t o s t a b i l i t y ． Ke y wo r d s T h r e e a x l e s t e e rin g ；AMES i m；P i p e l i n e c h a r a c t e ri s t i c ；S t e e rin g c h ara c t e ris t i c s 0前 言 当今世界技术 的发展 突飞猛进 。其中液压技术 占 有重要的地位。因其可以在运行过程中实现大范围的 无极调速、在 同等输 出功率下液压传动装置的体积 小、质量轻、惯量小，无间隙传动等优点 ，越来越广 泛的应用到现代设备当中 ] 。然而，液压系统存在着 响应慢 、震荡性较大等不足 限制 了其在精 确系统中的 应用 。而稳定 和快速响应是现代系统 的基本要求 。因 此有必 要对液压系统 的动态 响应特性进行研究 ．而在 影响液 压系统响应特性 的因素 当中 ，液压管路 占有很 大 比重 。 目前 ，对 于液压管路的研究主要集 中在建立 基于 功率键合图的数学模型[ 2 ] 、基于 M a t l a b ／ S i m u l i n k的 仿真模型_ 4 等，这些研究定性地给出了系统响应与各 影响因素的关系，并没有定量地说明各个因素对系统 动态响应特性的影响 ．因而很难应用到实际 的具体 的 系统当 中。以搭建 的三轴 转 向试 验 台为 原 型 ，通 过 A M E s i m软件建立仿真模型．分析了液压系统主要参 数 对转 向响应特 性的影响 。 1 转向系统仿真建模 对于多轴转 向的大型工程车辆，车辆转向系统对 于整 车的安 全性 、稳定 性 和灵 活性 有 至关 重要 的 作 用 。因此 ，要求转 向液压 系统有较快 的响应 速度 、精 确 的响应精度 。 1 ． 1 转 向 系统 工作 原理 在多轴转 向车辆 当中 ，通 过阀控 液压缸来推动转 向横拉杆 的运动 ，通过转 向摇臂来驱 动车轮转动 ，其 工作原理如图 1 所示。 收稿 日期 2 0 1 3 1 2 1 0 基金项 目国家 自然科学基金项 目 5 1 1 0 5 1 7 1 作者简介庞文杰 1 9 8 8 一 ，男 ，硕士研究生 ，主要从事多轴转向技术的研究。E - m a i l P wJ XM 1 63 ．c o r n。 1 2 0 机床与液压 第 4 3 卷 2 1 、2 m 左 右 轮胎3 、4 -- 左 右主 销轴5 、6 - - 左右 转 向摇臂 7 一转向横拉杆8 一驱动油缸 图 1 液压驱动转向结构简图 1 ． 2 转向液压系统建模 1 ． 2 ． 1 工作原理 三轴转 向试验台是通过方 向盘的转角输入 ．控制 三轴车轮 的转 向，第 1 轴采用机械转 向 ，第 2 ／ 3 采用 液压转 向，其液压系统的工作原理如图 2 所示 。 6 1 、2 一 油 缸 3 、4 一 伺 服 阀 5 一 比例 阀 6、l l 卜 安全 阀 7 、8 一 过 滤器 流量 调节 阀 二 僖 臂 霎 Y 山 1 3 一 压 力 表L -L J L L I 4 一温 度 计 图 2 三轴转向液压系统 1 ． 2 ． 2 液压系统主要参数 伺 服 阀以 Q D Y 6型 喷嘴 挡板 式 电液伺 服 阀为 基 础 ．设 定模型 中的参数如表 1 所示 。 表 1 Q D Y 6伺服阀性能指标 项 目 参数 供 油压力／ MP a 流量 Q ／ L m i n 压降 7 MP a 滞 环／ ％ 非线 性度／ ％ 分辨率／ ％ 压力增益 △ p ／ MP a mA 零偏／ ％ 1 ． 5～21 1 ． 2 ≤ 3 ≤ 1 0 ≤0． 5 30 ≤ 3 驱 动油缸参 数如表 2 所示 。 表 2 驱动油缸参数 参 数 数值 活塞直径／ ram 杠杆直径／ mm 进 口静容 c m 出口静容 , ／ c m 泄漏 系数／ c m。 mi n 5 0 2 5 23． 7 l1 ． 5 0． 00 5 液压泵 、过滤器等其他装置参数相对对仿 真影响 不大 ，不再一一给 出 1 ． 2 ． 3 转向系统等效负载 通过构建 三轴 转 向实验 台双侧轮 胎 、转 向摇 臂 、 转向横拉杆等 机构 的几何关 系 ，计算转 向油缸负载 的 等效惯 量。 表 3 转向油缸负载数据 质量参数 数值／ k g 轮胎 转向横拉杆 转 向摇 臂 刹 车部件 轮毂 链 结构件 1 9- 3 3 ． 7 1 ． 4 22． 1 1 0． 2 0 ． 8 通过表 3给出的油缸转 向机构各构件 的质量 ，利 用理论力学知识 ，将转 向机构的质量等效到油缸 输出 位移 的轴线上 。 J D ．， D h 1 式中 为等效质量 ；．， ． 为绕 主销 轴的转动惯 量 ；J 为绕转 向摇 臂轴 的转 动惯 量 D 为 油缸轴 线 对 主销 轴平均力臂 ；M 为横拉 杆链接件 等 的质量 ；D 、 ， 为油 缸轴线对转向摇臂轴 的平均力臂 。 轮胎的转 向阻力矩 和机械结构 中的摩擦力通过设 置的阻尼器来模 拟。通过式 2 得 出轮胎 的原 地转 向阻力矩与机械结 构中的干摩擦在油缸输 出位移轴线 上的等效阻力 f M D 2 式 中 为轮胎 原地转 向 阻力 矩 ；D 为主销轴 相对 油缸轴线 的力 臂 ； 、 、 分 别 为主 销摩擦 力 、摆 臂轴摩擦力 、链接球副摩擦力 式 中 ，轮胎原地转 向阻力矩 由式 3 确定 l 5 ] F， ，P ， 丛 s i n c t a n E p 。 3 式 中 F为垂直轮 荷 ；P为轮胎 气压 ； 为路 面摩 擦 因数 ；b为待 拟合 参数 ；D 为 曲线峰 值 ；C、E分 别 为曲线 的刚度 和形状 ；O L 为 曲线初始值 。 U n i T i r e 是半物 理轮 胎模 型 ，可用 较 少参 数精 确 表达 轮胎 的力 学 特 性 ．广 泛 应 用 于 车 辆 动 力 学 研 究 [ 6 。 ] 。U n i T i r e 模 型 中侧 偏 回正 力 矩 M 的 表 达 式 为 F y 。 D ， 4 【 D Dx 0一D e x p 一D 咖一D2 咖 D 式 中 F 为侧偏 刚度 ，D 为 回正力 臂 ，D 。 为初始 力 臂 ，D 为全滑力臂 ，D 为一次 曲率 因子 ，D 为二次 曲率因子 _ 8 j 。 一山 第 3 期 庞文杰 等 转向液压管路对多轴转 向响应特性 的影 响 1 2 1 根据表 4和式 4 来 确定 的轮胎 回正力 矩 ，并 依 此来近似确定模拟 弹簧 的弹性模量 。 表 4 轮 胎回正力矩参数 参 数 D x f 1 D Dl D 1 ． 2 ． 4 AME S i m模 型 根据图 2 ，利用 A ME S i m建 立 图 3 所 示单 轴液 压 转 向模 型 。在该系统 中弹簧阻尼 系统来模拟 转 向系统 的受力 ，阻尼来模拟转向阻力、弹簧来模拟轮胎的回 正力矩 。通过液压缸质量块来模拟轮胎 、转 向摇臂 和 横拉 杆的质量 。 舞 。 呻 。 一～ 图 3 转 向液压系统 的 AM E S i m模 型 2仿真 分 析 在诸多影响转 向响应特性 的因素 中．选 取主要 的 压力 、流量 、管路 内径 、管体弹性模量 、管路长度进 行仿 真分析 。 为了探讨各 因素对 响应特性 的影 响 ，采 用单 因素 和正交实验相结合的方法进行了优化分析。 2 ． 1 单 因素仿 真 在 单因素仿真当 中，以搭建 的三轴转 向试验 台为 基础设定相应 的参数 。来分析主要 因素对转 向相应特 性 的影 响。 从 图 4可知 ，在其他条件一定 的条件 下 ，系统压 力超过 1 0 M P a 后 。管 路压力对 于 响应 时 间几乎 无影 响。因此 ，系统压力对转 向响应的影响规律 当系统 压力增大到一定值后 ，系统压力对转向响应无影响。 其他条件一定 ，不 同流量 下的响应曲线如图 5所 示 ，可知在流量小 于 8 L ／ m i n时 ，表 现出来 了明显 的 滞后 ，8 1 2 L ／ m i n的范 围 内系统 响应 时 间较短 ．大 于 1 2 L ／ m i n时转 向响应时间缓慢增加 。 图 4 系统压力对转 向响应 的影 响 差 2．2f 、 一 其他条件一定 ，不 同管路 长度下的响应 曲线如图 6所示 ．可见 ，管 路长 度对 响应 的影 响几 乎 成线性 ， 管路 长度每增加 1 1／ 1 系统响应时间滞后 0 ． 0 1 s ，因此 验证 为满足实 际工程 当中的最小 长度为最优。 其他条件一定 ，不 同管路 内径下 的响应 曲线如图 7 所示 ，内径小 于 1 0 m m时 ，随着 内径 的增大 ，转 向 响应加快 。从在 1 1 ～1 7 m m的范 围具有 较快 的响应 。 大于 1 8 n l m后转 向响应 时间逐渐增 加。 墨 厘 营 趔 耳 震 蟋 1 蚝 望 2 墨 善 1 蒸 1 o Z 4 6 8 lUl2l 4 l 6182o 5 lI J l 5 Zo 25 U 管 路 长度， m 管 路 内径， mm 图 6 管路 长度对转 图 7 管路内径对转 向响应 的影响 向响应 的影 响 图 8 所示为不 同材 料的不 同杨 氏弹性模 量下表现 出来的响应特性曲线 ，不 同杨 氏模量下 的曲线几乎重 合 ，故此认 为管 路的杨 氏弹性 模量对系统的响应特性 影 响不大。 图 8 管路材料的杨氏模量对转向响应的影响 通过对 比仿真结果 发现 ．当以油缸 2 0 0 m m行程 为 响应 目标位 置 时 ，分析 各 个参 数对 系 统 响应 的影 响 ，主要 的影响参数为 压力 、流量 、管路 内径 、管 路长度 ；而限于工程实际 中的应用和线性影 响 ，管路 长度不在讨论 的范 围内。 2 ． 2正 交仿 真 实验 在单因素讨论中，各个参数对转向响应特性的影 响为非线性 的相互耦合 的。且各个构件 的参数变化导 致系统特性的变化，而对应控制器的 P I D参数也对 系统的响应产生显著影 响。因此 ，为 了尽可能地排除 一 一 一 ～ 一 0 0 0 0 加 5 日目、 遐 蛋 丑簿塔舞 1 2 2 机床与液压 第 4 3卷 各因素耦合作用的影响和更 加准确 的给出各个参数对 响应特性的影响 ，选取 主要 的参数 压力 、流量 、管 路内径、P I D三参数进行正交仿真分析。P I D三参数 通过批 处理确定的大概范 围是 比例 系数 P在 1 0 0 0 0 ～ 2 0 0 0 0 、积分 系数 ， 在 5 0 ～1 0 0 、微分 系数 D在 1 0 0 ～ 2 0 0 。选择相应 的水平进行正交仿真实验 。 表 5 所示 为 L 2 7 2 5 ． 6的实验 表格 ．选 取 6个 影 响因素即为 压力 、流量 、内径 、P I D三参数 ，每个 因素选 取 5 代表性 的数值为水平 。以满足系统稳 定性 的前 提下响应时间最短为 目标 ，通过仿真实验对参数 进行优化。 表 5 正交仿真实验 仿真实验结果如表 6所示 。 表 6 正 交仿 真试 验结果 编号 响应时间／ s 响应波动／ ％ 编号 响应时 间／ s 响应波动／ ％ 1 2 ． 1 0 1 _ 8 1 4 1 ． 7 7 2 2 2． 1 1 2． 2 1 5 1 ． 8O 1 ． 4 3 2 ． 0 2 2 ． 0 1 6 1 ． 6 5 3 ． 2 4 2． 01 2． 4 1 7 1 ． 70 1 ． 6 5 2． 0 3 2． 4 1 8 1 ． 67 1 ． 4 6 1 ． 8 9 2 ． 4 1 9 1 ． 6 6 1 ． 4 7 1 ． 8 7 2． 6 2 0 1 ． 71 3． 2 8 1 ． 9 0 1 ． 4 21 1 ． 60 2． 2 9 1 ． 85 2． 6 2 2 1 ． 5 9 2． 2 1 0 1 ． 8 3 2 ． 2 2 3 1 ． 5 9 3 ． 4 11 1 ． 8 O 1 ． 6 2 4 1 ． 5 7 1 ． 4 1 2 1 ． 73 2 ． 8 2 5 1 ． 5 7 2． 2 1 3 1 ． 70 3． 0 下转第 7 1页 第 3 期 刘周林 等 S MT零件的视觉遍历定位与抓取方法 7 1 零件重心位姿所耗费的时间。 表 1 零件 搜索时间 ms 由表 1可知算法所需要的时间为 8 ． 2 3 ～1 8 ． 6 7 m s 。算法 的时效性 比较好 ，能够满 足工业生产 需 求 。 5结论 通过水平 的 、】 ， 轴 的运动控制和上 C C D的视觉 定位 ，采用螺旋启发式算法遍历工作 台，使上 C C D 视野覆盖整个贴装 工作 台 。根据形状匹配和零件像素 面积为判断条件．实现了上 C C D获取全部待贴装零 件与贴装工位的位姿信息。应用编程语言中数据库链 表存储和指针技术 ，完 成了位姿矩阵信息 的存储与读 取。采用快速排序算法 ，将位姿数据重新排序 ，以矩 阵 A 和 为边界 条件 ，最终实 现 了 “ 数 据 获取一零 件抓取～ 零件 贴 装一判 断 贴 装 ”4个 环 节 的贴 装 过 程 。针对表面贴装 S MT 的定位 和贴装效 率 ，提 出 了由上 C C D的 “ 粗定位 ”实现数据 获取和零件抓取 ， 到 由下 C C D的 “ 二次定 位 ” 实现贴装 的定位 策 略。 文中所提出的算法与方法 ，为提高表面贴装效率和减 少贴装错误提供 了一定 的指导 。 参考文献 [ 1 ]WU L ， P E N G Q ． R e s e a r c h a n d D e v e l o p m e n t o f F r i n g e P r o j e c t i o n b a s e d Me t h o d s i n 3 D S h a p e R e c o n s t r u c t i o n[ J ] ． J o u r n a l o f Z h e j i a n g U n i v e r s i t y S c i e n c e A S c i e n c e i n E n g i n e e fi n g ， 2 0 0 6 ， 7 6 1 0 2 6 1 0 2 7 ． [ 2 ]S U X， Z HA N G Q， L I J ， e t a 1 ． O p t i c a l 3 D S h a p e Me a s u r e m e n t f o r V i b r a t i n g D rum h e a d [ C] ． P r o c e e d i n g s o f 2 0 t h C o n g r e s s o f t h e I n 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系数 P 对 响应 时间的影响 比较敏感 、积分 系数 ， 对平滑性 影 响较大、微分系数对稳定性较为敏感 其他因素如管 壁材料 、内壁粗糙度等对响应特性影响不大。 2 通过 A M E S i m的批处理和正交实验相结合 的方式确定 出了三轴转 向试验 台的最佳参数 。给类似 装置参数的设置提供了依据和方法。 参考文献 [ 1 ]田树军， 胡全义 ， 张宏． 液压系统动态特性 的数字仿真 [ M] ． 2 版． 大连 大连理工大学出版社 ， 2 0 1 2 ， 7 卜2 ． [ 2 ]葛振亮， 侯友山， 姜勇． 工程车辆全液压转向系统管路特 性分析[ J ] ． 振动与冲击， 2 0 1 1 ， 3 0 3 6 0 6 3 ． [ 3 ]照弟， 陈焕明， 韩俊伟， 等． 液压管路分布参数输入势输 出势键合图模型的研究 [ J ] ． 机床与液压， 1 9 9 8 ， 3 0 5 l 1 1 3 ． [ 4 ]田树军 ， 张宏 ． 液 压管 路动 态特 性 的 S i m u l i n k仿真 研究 [ J ] ． 系统仿真学报． 2 0 0 6 ， 5 1 8 1 1 3 6 - l 1 4 6 ． [ 5 ]王云超， 高秀华， 张小江． 重型多轴转 向车辆轮胎原地转 向阻力矩 [ J ] ． 农业工 程学 报 ， 2 0 1 0 ， 2 6 1 0 1 4 6 1 5 0 ． [ 6 ]G U O K o n g h u i ， L U D a n g ， C H E N S h i h k e n ， e t a 1 ． T h e U n i T i r e Mo d e l a No n l i n e a r a n d N o n s t e a d y s t a t e T y r e Mo d e l f o r V e h i c l e D y n a mi c S i mu l a t i o n[ J ] ． V e h i c l e S y s t e m D y n a m i c s ， 2 0 0 5 ， 4 3 1 3 4 1 3 5 8 ． [ 7 ]G U O K o n g h u i ， L U D a n g ． U n i T i r e U n i fi e d T i r e Mo d e l f o r V e h i c l e D y n a m i c S i m u l a t i o n [ J ] ． V e h i c l e S y s t e m D y n a m i c s ， 2 0 0 7 ， 4 5 1 7 9 9 9 ． [ 8 ]D A N G L u ， G U O K o n g h u i ． Mo d e l o f P r e d i c t i n g T i r e A l i g n i n g Mo m e n t fo r D i f f e r e n t P r e s s u r e [ C] ． 2 0 1 0 3 r d I n t e rna t i o n al Co n f e r e n c e o n Co mpu t a t i o nal I n t e l l i g e nc e a n d I nd u s t r i a l A p p l i c a t i o n P A C I I ， 2 0 1 0 ．