铰接式装载机非线性阻尼液压转向系统转向稳定性分析.pdf

铰接式装载机非线性阻尼液压转向系统转向稳定性分析 杜艳霞 ， 李振通 ， 杜彦亭 1 ． 河南交通职业技术学院； 2 ． 西安交通大学机械 学院 蕾 七 - 6 “ 七 七 - 6 弋 - 6 “ 七 K - “ - 6 “ 七 -K - “ - 6 “ 七 - 6 “ - - 七 弋 - 6 “ 4 - “ 七 摘 要 在分析了薄壁阻尼孔或短孑 L 非线性阻尼特性的基础上， 推出了铰接式装载机 奎 转向回油非线性阻尼系数的计算公式 ，并将此阻尼力引入到转向液压缸活塞的受力分析 中。建立了非线性负荷传感液压转向系统的数学模型， 以国产某 Z L 5 0 G型装载机为实物模 型， 用实际参数计算了加入非线性阻尼后系统的阻尼比为 4 ． 6 3 ， 增大到原来的4倍多， 有效 地改善了铰接式装载机这种大惯性负载由于阻尼严重不足所产生的转向稳定性差的问题。 利用 MA T L A B软件以阀 转角为阶跃信号输入，以转向液压缸活塞位移为输出建立动态 仿真模型， 对比实际参数的仿真结果， 与所计算的阻尼比增大结果相一致， 证明了该项研究 的正确性， 对铰接式装载机转向稳定性的设计和改善具有一定的指导意义。 七 关键词 铰接式装载机 ； 非线性阻尼； 液压转 向系统 I 转 向稳定性 -I 动态仿真 对于前后轴距对中布置的铰接式装载机转 向系 统的分析及实际使用来看 ， 不管采用哪种转 向系统 ， 在转向过程中普遍存在着不同程度的液压冲击 、 摇 摆等不稳定因素 ，造成转 向启动或停止时的整机稳 定性差。产生这一现象的原因是转向液压缸的回油 腔压力太低 ， 使 回油腔的油液刚度大为下降 ， 在较大 负载质量作用下 ， 使活塞及活塞杆失去稳定性 ， 不能 保持前后车体之间的连接刚度。 在转 向过程中， 由于 转向液压缸回油经转 向器后直接通油箱 ，液压缸出 油 口压力几乎为零 ，因此在转向启动或停止时会有 压力冲击， 转向液压缸活塞向出油侧的运动， 除外负 载的阻尼外 ，无 限制地放大了转 向传动机构的间隙 及负载弹性等不利因素对转向稳定性的影响 ，尤其 是在转向停止过程中， 由于转向机构的负载质量大 、 惯性大 ， 对转向稳定性 的影响更大。因此 ， 对出油侧 压力的控制是大惯性负载减速及制动过程控制的关 键【 ” 。在转向液压缸出油侧增加节流阻尼 ， 以增大转 向液压缸出油腔压力抵阻这种惯性的冲击 ，并且惯 性越大 ， 阻尼产生的背力越大 ， 可有效地阻止惯性产 生的活塞摆动 ， 同时液压缸出油腔压力的增加 ， 也增 大了油液刚度 ， 改善了活塞运动的稳定性 ， 从而提高 了转 向机构运动的稳定性。 1 非线性阻尼的特性分析 在液压系统的参数中， 有些功能参数是可变的， 如粘性阻尼系数 、阻尼阀流量 一压力系数和油液有 效弹性模量等，在设计中应尽量使这些参数向有利 的方向变化 ， 当它们不能完全满足要求时 ， 可采取一 些动态补偿方法[ 2 1 。对于轮式铰接机构来说 ， 如果不 考虑风力及特殊情况下轮胎陷入泥泞路基的影响 ， 外负载力由轮胎所受地面滚动阻力 、静动滑动摩擦 力及轮胎侧偏力等产生 ，由负载决定 的轮胎弹性阻 力也基本一定。因此要增大系统和负载的粘性阻力 使系统稳定性增大 ，则必须在液压系统中通过油液 的节流阻尼来产生补偿。 1 ． 1 阻 尼孔形 状 对于 5 t 装载机 ，转向系统的最大流量一般为 6 0 L ／ mi n ， 如果阻尼孔直径 D 为 4 m m， 取装载机常 用的4 6 号抗磨液压油 4 0℃时的粘度中心值／ z 4 6 c ． S t ， 则雷诺数为 如 大于层流与紊流的临界判据 2 0 0 0 ， 即油液处于 紊流状态。若按 R e 2 0 0 0 ， D 4 X 1 0 m， 这时流量 作者简介 杜艳霞 1 9 6 4 一 ， 女，工程师， 副教授， 研究方向 工程机械设计、 教学。 一 58 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m Q 仅为 1 7 L ／ rai n ， 说明直径 41 0 m以下的阻尼孔 在转 向系统工作时 ， 基本上都处于紊流状态 ， 不能用 阻尼长孔层流时来计算 阻尼产生的背压 ，而装载机 液压系统油温高并且温差变化也大 ，对细长孔产生 的阻尼会影响较大 ， 并且细长孔容易堵塞 ， 所以确定 阻尼孔的形状采用薄壁孔或短孔 。 1 ． 2阻尼系数 节流 阻尼可 以应用在很多场合以吸收冲击 、 减 小振动和增大系统的稳定性及运动精度等 。当用 于液压缸出油 口以增大 出油压力 时，则可求得 由薄 壁阻尼孑 L 或短孔对活塞产生 的阻尼力[4 1 2 F a B 1 式中 誓 黼 阻 尼 系 数 ， N m一 ； C d 阀 V I 流量系数 ； 阻尼孔 的直径 ， m； P油液密度 ， k g ／ m ； A 。 活塞的等效面积 ， r n ； 活塞位移 ， r n 。 从式 1 中可以看出， 通过阻尼孔对活塞造成背 压而产生阻尼力 ， 故也称为阻力阻尼 ， 也称阻力阻 尼系数。 粘性阻尼系数与流速成正比， 这是薄壁阻尼 孑 L 或短孔 的特性 ， 通过的油液流速越高， 产生的油液 粘性阻力越大， 并且是非线性变阻尼的。 1 ． 3阻尼孔 大 小 在转向液压缸回油路增加单向阻尼，转向速度 越快或在转向启 动、 停止时产生的油液冲击越 大 ， 则 由阻尼孔产生的背压越大 ，正符合转向过程 中对转 向稳定性的要求。 因为转动惯性越大 ， 也需要更大的 阻尼力 。但增加系统回油阻尼 ，节流损失也相应加 大 ， 这就要求在系统油温许可的条件下 ， 设计合适 的 阻尼孔尺寸 ， 以达到所需的阻尼效果 ， 改善系统的稳 定性 。 本着使 回油路在低速转向时产生一定 的背压 ， 而在 高速转 向时 回油背压 又不致 过大 的原则 ， 取 c O ． 6 5 [8 ] ， p 8 9 0 k g ／ m ， 分别计算 在高 速 、 中速 和低 速转 向时不同大小阻尼孔产生的背压如表 1 所示 。 从表 1中可 以看 出 ，阻尼孔大小 为 41 0 m 时，在转向系统最大流量高速转向时，背压为4 ． 1 9 MP a ， 不致因太大而造成过大的压力损失 ， 并且在低 速低流量转向时 ， 背压为 0 ． 4 7 MP a ， 又不至于因过低 而造成油液失去刚度 ，因此确定系统所用单 向阻尼 表 1 不 同流量下不 同大小 的回油 阻尼孑 L 产生 的背压 比较 MPa Dd ／ m ／ m3 ／ s 31 0- 3 3． 5] 0 - 3 4 1 0 - 3 4． 51 0- 3 5 1 0- 3 6 0 1 0 - 3 ／ 60 1 3 ． 2 4 6 65 4． 1 9 2 6 2 1 ． 7 2 4 0X 1 0 - 3 ／ 60 5 ． 88 2 96 1 ． 8 6 1 ． 1 6 0 ． 7 6 2 0 1 0 - 3 ／ 60 1 ． 4 7 0．74 0．47 0． 2 9 0 ． 2 O 阀的阻尼孔直径为 41 0 ～m。 2 非线性阻尼液压转向系统数学模型的建立 在转 向液压缸出油侧设计使用非线性 阻尼 ， 增 大了回油阻力 ， 相当于增加 了负载阻力 ， 并且随着转 向速度加大造成的油液冲击增大 ，阻尼阀产生 的阻 尼力与活塞运动速度的平方成比例增大，有效地增 加了转向稳定性。 将式 1 计算的节流阻力计人到活 塞 的受力分析中， 由转阀、 转向缸 的流量连续性方程 和转向缸活塞的力平衡方程 ， 消去中间变量 ， 并经拉 氏变换 ， 不考虑转向时轮胎弹性的影响 ， 则可以得 到 非线性阻尼负荷传感转向系统转向液压缸活塞位移 变化量的运动方程式同 2 非线性阻尼负荷传感转向系统的阻尼比为 等 等 每悟 每悟 式 中 AX p I活塞位移 ， m； 无阻尼液压 固 一 59一 一 △ 一 愕 ’土 一 广 一 斗 丁 一， P 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 有频率 ， r a d ／ s ； 6 h 一阻尼 比； K 一总流量 一压力系 数 ， m N 一 S - I ； a 广一 阀芯转 角 ， r a d ； d 厂阀芯直 径 ， m； g 马达 的理论弧度排量 ， m 3 ／ r a d ； K 广一 转 阀流量增 益 ， m a ／ s ； B 广活塞 总粘性 阻尼系数 ， N s ／ m； ，油腔 总容积 ， m ； 广一 等效 负载 质量 ， k g ； A _一作用在活塞上 的外负载力 ， N； 一有 效体积弹性模量 ， P a 。 在非线性阻尼转向系统 中， 以 Z L 5 0 G型装载机 负荷传感转向系统为例计算 ，若不计液压缸内泄及 油液弹性 ， 按转 向系统最大流量为 6 0 L ／ mi n ， 则活塞 运动速度为 0 ． 0 7 5 m ／ s ， 由式 3 可得 出 Z L 5 0 G型装 载机 的非线 性 阻尼负 荷传 感 转 向系统 的阻尼 比 ’ 4 ． 6 3 。可见 ， 与没有阻尼阀的阻尼比 0 ． 9 4相 比 ， 阻尼 比增长 了将近 4倍 ， 效果显著。 3 非线性阻尼液压转向系统仿真模型的建立 在 MA T L A B环境下 ， 根据式 2 所 建立的数学 模型， 调用基于 S i m u l i n k 工具箱内的各仿真模块， 在 模 型窗 口上构造出液压转向系统 的仿真模型 图 1 ， 在模型中， 定义各模块参数如下 A ／ 2 ， B ，C K 。 P ， D ／ B p K ， E o l K d ， F K 凡， H A K t | q m ／ 2 ， c t V t ／ 4 8 e 。 在中位空载 隋况下 ， 进行分析和计算有关参数。 输人为阀芯转角的阶跃信号，并分为大小不同的三 种情况 ， 分别模拟转 向时的高速转向、 中速转向和低 速转向。在所要的输出信号转向液压缸位移的 节点是连接着模拟示波器，以观测其随阀芯位移变 化的响应情况，来分析阀芯输入转角对活塞输出位 移 的响应 。 以 Z L 5 0 G型装载机为例 ， 汇总仿真输入初始参 数 ， 如表 2 所示。 按表 2等参数计算上述定义的各参 数后输人到各模块 ，可得到如图 1 所示的以 Z L 5 0 G 型装载机参数为仿真原始参数的非线性阻尼负荷传 感液压转向系统仿真模型I 7 l。 表 2 Z L S O G非线性阻尼液压转向系统仿真参数计算结果汇总 ／ P a K g m S 一 K √m N 一 s 一 AJ m △ ， N d f ／ m q J m ‘ r a d 一 ∞ l l／ } I z 8 h ’ 7 X l 0s 0 ． 98 3 2 1 ．4951 0一 “ 1 ．33 3 2 1 0 - 2 201 2 70 3 ． 4X 1 0 - 2 1 ． 5 9 X 1 0 63 ． 2 0．94 图 1 Z L S O G型装载机非线性阻尼负荷传感液压转向系统仿真模型 4 非线性阻尼液压转向系统的仿真及结果 分析 在中位空载工况下， 输入仿真控制参数， 并分别 一 6 O一 以模 拟实 际转速 的 3种 不 同输入 阶跃 参数 嘶值 0 ． 1 0 、 0 ． 1 6和 0 ．2 6 ， 作为输入信号， 按下仿真开始按 钮 ， 即可得到仿真结果 中位空载时 3种不同转速转 向工况下的活塞位移响应 曲线 ， 如图 2所示。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 0 Z E 『 0 a5 l l | 5 2 2 5 时间 ／ s a 低速左正转向工况时活塞位移的动态阶跃响应 1 0。 1 厂 ＼ ／ ～ 0 l - 5 2 Z 5 时间 ／ s b 中速左正转向工况时活塞位移的动态阶跃响应 1 0 一 。 一 j ‘ J k ／ v - h ￡ } l O 2 Z 5 时 间 ／ s 12 高速左正转向工况时活塞位移的动态阶跃响应 图 2 Z L 5 0 G 有阻尼 中位空载时不 同转 向速度工况下 活塞位移的动态仿真 曲线 从 z L 5 O G 有阻尼 中位空载时活塞位移的仿真 结果图 2看 ， 随着阀芯阶跃输入 的增加 ， 活塞输 出位 移的峰值依次为 1 ．6 8 m m、 2 ． 8 1 m m和4 ．7 7 m m， 达到 稳定 的时间依次为 1 ． 3 1 S 、 1 ． 4 7 s 和 1 ． 6 8 S ， 说明随着 阀芯位移的输入增大，输出的活塞位移摆动量也变 大 ，也即方向盘转速越快 ，转 向稳定性越差。但与 Z L 5 0 G 无阻尼 中位空载时 相比， 各工况下的峰值 均有一定的下降， 降幅分别为 9 ％、 8 ％和 2 ％， 而最为 明显 的是达到稳定 的调整时间均有大幅度的减小 ， 减幅分别为 7 0 ％、 7 1 ％和 6 8 ％， 说明非线性转向系统 的阻尼效果提高非常明显。 5 结论 对于前后轴距对中布置的铰接式装载机 ，转向 机构 的负载质量大 、 转动惯性大 ， 转向稳定性差 ， 而 在转向液压缸出油侧增加合适的节流阻尼，可有效 增大阻尼 比从而阻止负载惯性产生的活塞摆动 ， 使 转向启动或停止时 ，转 向趋于稳定的调整时间降低 至 1 ． 5 s 左右 ， 改善了活塞运动 的稳定 性 ， 从而提高 了转向机构运动 的稳定性。 参考 文献 【 1 】顾临怡 ， 王庆丰， 路甬祥． 液压驱动的大惯性负载加减 速特性研究[ J 】 ． 机械工程 学报 ， 2 0 0 2 ， 3 0 1 0 4 6 4 9 ． [ 2 ]宋俊 ， 殷庆文． 液压系统优化[ M] ． 北京 机械工业 出版 社 ， 1 9 9 6 i 1 8 0 2 1 2 ． 【 3 】3 卢长耿． 液压控制系统的阻尼特性及阻尼技术[ j ] ． 机 床与液压， 1 9 9 2 4 1 6 3 1 6 8 ． [ 4 ]王钧功． 液压阻尼器研究 【 J 】 _ 液压与气动密封 ， 1 9 9 8 1 1 5 1 7 ． [ 5 】彭光正 ， 赵彤 ， 许耀铭． 液压阻尼器的压差流量非定常 特性[ J ] ． 机床与液压， 1 9 9 2 3 1 1 8 1 2 3 ． [ 6 ]曹建伟 ， 顾临怡 ， 周宏． 基于进油和回油节流协同调节 原理的低阻尼液压伺服系统高精度压力控制研究[ J 】 ． 机床与液压 ， 2 0 0 3 4 1 2 6 1 2 8 ． 【 7 】李振通． 铰接式装载机转向稳定性 的仿真分析与试 验研究【 D ] ． 西安 西安交通大学， 2 0 0 7 5 9 6 0 ． [ 8 】盛敬超． 液压流体力学 【 M 】 ． 北京 机械工业出版社， 1 9 8 3 1 1 1 9 8 ． f 9 】 李振通 ， 杜艳霞， 王长胜． 铰接式装载机转向稳定性分 析U 】 ． 工程机械 ， 2 0 0 8 3 2 6 2 9 ． 通信地址 郑州市航海 中路 1 6 5号河南 交通 职业技术学 院 4 5 0 0 0 5 收稿 日期 2 0 0 9 0 1 0 9 一 6l一 5 5 5 5 5 5出43 2 L l Q 茸～ 5 5 5 5 5 5 4 43 2 2 L l 蕈～ 。 c 5 5 5 5 5 5 t 43 2 2 L l n 目 ＼． 司 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m