履带车辆液压储能式制动系统制动性能仿真研究.pdf

2 0 1 1 年 1 1 月 第 3 9卷 第 2 1 期 机床与液压 MACHI NE T 0OL HYDRAUUCS NO V ． 2 01 l Vo 1 ． 3 9 No ． 21 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 1 ． 2 1 ． 0 3 8 履带车辆液压储能式制动系统制动性能仿真研究 赵广俊 ，吕建刚，宋彬，滕飞 军械 工程 学院火炮工程 系，河北石 家庄 0 5 0 0 0 3 摘要为了实现对履带车辆制动能量的回收利用，针对某型履带车辆建立其液压储能式制动系统 ，分析系统工作模 式；在 A M E S i m下建立液压储能式制动系统及车辆模型，在 Ma t l a b ／ S i mu l i n k下建立控制系统模型；提出基于踏板行程逻辑 门限值的模糊控制策略；在驾驶员不同的制动意图和系统负荷能力条件下，对履带车辆的制动工况进行联合仿真研究。结 果表明，在该控制策略下液压储能式制动系统实现了对履带车辆的稳定制动和对制动能量的有效回收。 关键词液压储能；履带车辆； 逻辑门限值 ； 模糊控制 ； A M E S i m模型 中图分类号T H 1 3 7 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 l 2 0 1 1 2 1 1 3 2 4 S i mu l a t i o n Re s e a r c h o n Br a k i n g P e r f o r ma n c e o f Tr a c k e d Ve h i c l e Hy d r a ul i c En e r g y S t o r a g e Br a king S y s t e m Z H A O G u a n g j u n ，L V J i a n g a n g ，S O N G B i n ，T E N G F e i D e p a r t me n t o f A r t i l l e r y E n g i n e e r i n g ，O r d n a n c e E n g i n e e r i n g C o l l e g e ，S h i j i a z h u a n g H e b e i 0 5 0 0 0 3 ，C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o a c h i e v e t h e t r a c k e d v e h i c l e b r a k i n g e n e r g y r e c o v e r y a n d u t i l i z a t i o n，a c e r t a i n t y p e o f t r a c k e d v e h i c l e h y - d r a u l i c e n e r gy s t o r a g e b r a k i n g s y s t e m w a s e s t a b l i s h e d，a n d t h e wo r k i n g mo d e wa s a n a l y z od． T h e mo d e l o f h y d r a u l i c e n e r gy s t o r a g e b r a k i n g s y s t e m a n d t h e v e h i c l e wa s e s t a b l i s h e d i n AME S i m，a n d t h e c o n t r o l s y s t e m mo d e l wa s e s t a b l i s h e d i n Ma d a b ／ S i mu l i n k ．F u z z y l o g i c c o n t r o l s t r a t e g y b a s e d o n p e d M o p e n i n g t h r e s h o l d w a s p r o p o s e d ． Un d e r t h e d r i v e r s d i ff e r e n t b r a k i n g i n t e n t i o n a n d c o n d i t i o n s o f s y s t e m l o a d c a p a c i t y ，t h e t r a c k e d v e h i c l e ’ S b r a k i n g p r o c e s s wa s r e s e a r c h e d u n d e r c o s i mu l a t i o n ．Th e r e s u l t s s h o w t h a t wi th t h e c o n tro l s t r a t e g y i n t h e h y d r a u l i c e n e r gy s t o r a g e b r a k i n g s y s t e m ，t h e s t ab l e b r ak i n g o f t r a c k e d v e h i c l e an d the e ff e c t i v e r e c o v e ry o f b r a k i n g e n e r g Y we r e a c h i e v e d ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c e n e r gy s t o r a g e ； T r a c k e d v e h i c l e ； Ga t e l i mi t ； F u z z y c o n t r o l ； AMES i m mo d e l 有关研究表明履带车辆 由于质量和惯性较大， 在目前的单一机械摩擦制动条件下 ，制动过程所消耗 的能量占总驱动能量的 3 0 ％ ～ 4 0 ％ 。可见，如果 对履带车辆 ，尤其是军用履带车辆的制动能量进行回 收和利用，将会大大提高履带车辆的动力性和战场生 存能力 ，具有十分重要的经济价值和战略价值。而且 车辆在下长坡及滑行过程中，为了消除多余的动能 ， 保持车速的稳定 ，机械摩擦制动器必须连续工作，此 时制动器的热衰退性成了车辆在这些工况下的安全隐 患 。对于履带车辆，液压储能式能量再生制动系统 在有效回收利用车辆的制动能量转换为车辆的启动能 源和辅助动力源 ，提高履带车辆的燃油经济性和动力 性方面有着不可比拟的优越性。 由于液压储能装置能量密度适 中，功率密度大， 短时间内完成能量释放和存储能力强 ，能量储存时间 较长，所以特别适合履带车辆的制动能量再生。同 时，作者采用基于踏板行程逻辑门限值的模糊控制策 略，实现了履带车辆制动过程稳定性和对制动能量的 有效 回收 。 1 系统工作原理 履带车辆液压储能式制动系统结构如 图 1所示。 其中，动力耦合装置由一对锥齿轮组成，其主要作用 是将发动机的动力和液压储能系统的输出动力进行混 合后输出，其传动比根据变速箱主轴转速的最大值和 液力偶合器额定最高转速的比值，以及车辆发动机经 济运行的要求等条件来确定；液力偶合器为一带有闭 锁离合装置的可变充液型液力偶合器 ，该型液力偶合 器带有散热装置；增速器的作用为增大液压泵对履带 车辆的制动力和驱动力，增加液压储能式制动系统吸 收和输出功率的能力 ，由增速齿轮箱组成。液压能量 再生制动系统实现对制动能量的转换和储存，主要由 液压 马达、蓄能器和各类阀装组件构成。电子控 制系统 E C U 包括车辆联合制动控制系统、车辆 混合动力控制系统和各类传感器、控制器。如制动 踏板角位移传感器、油门踏板角位移传感器、蓄能器 压力传感器和车速传感器 ，以及对液力偶合器充液 收稿 日期 2 0 1 01 0 0 8 基金项目军内科研计划项目 作者简介赵广俊 1 9 8 4 一 ，男，硕士研究生，主要从事车辆机电液一体化控制与技术研究。E m a i l 1 g 1 2 3 s i n a ． e o m。 第 2 l 期 赵广俊 等履带车辆液压储能式制动系统制动性能仿真研究 1 3 3 量、液压 马达排量和电磁离合器进行控制的控制 装置 。 图 1 履带车辆液压储能式制动系统结构图 对履带车辆进行制动时 ，液压储能式制动系统和 机械制动系统组成联合制动系统 ，能量再生制动力矩 和机械摩擦制动力矩经动力耦合装置进行力矩耦合后 输出联合制动力矩。紧急制动情况下 ，离合器 1结 合，液力偶合器涡轮被抱死，和机械制动器对车辆进 行联合制动；非紧急制动情况下，驾驶员踩下制动踏 板 ，控制系统根据制动信号计算制动力矩 ，依据联 合制动控制策略对制动力矩进行分配。若 系统压力 高于溢流阀调定压力 3 1 ． 5 M P a ，油液经高压溢 流阀溢流。 2 制动过程动力学分析 履带 车辆制动过 程 中受 到的外力 主要 包 括 重 力 G ，地 面 行驶 阻力 ，空气动 力阻力 R ，坡道阻力 R 重力沿坡面的分 力和地 面法 向反作 用力 Ⅳ。车辆 沿坡道 图2 履带车辆制动过程 受力情况示意图 制动过程中受力情况如图2所示 。 由牛顿第二定律，履带车辆沿坡道制动过程中的 动力学方程为 6 g 城 。 其中 艿 为质量增加系数，对于简单机械传动车辆， 其经验公式为 1 ． 2 0 ． 0 0 2 i ； ，iT 为车辆按某档行 驶时传动装置的传动比；W为车重力；g为重力加速 度，取值 9 ． 8 1 m ／ s ； 为车辆位移；P 为车辆制动 系统制动力； 。 。 为车辆侧传动效率；R 为坡道阻力 ， 是车辆重力沿坡面向下的分力 ；R为地面行驶阻力 ； R 为空气动力阻力。 下面，从能量的角度分析履带车辆制动过程中的 功率平衡方程。 假设，d 为车辆动能的变化率；d A 为行驶阻力 制动功率；d A 为空气阻力制动功率；d A ， 为坡道阻 力制动功率 ；d A 为车辆制动系统制动功率； d s 为车 辆在 时间内位移；r z 为履带车辆主动轮半径； 为 坡道倾角； f 为履带车辆地面行驶阻力系数；C 为空 气动力阻力系数；A为车辆在行驶方 向上的投影面 积 。 车辆的动能变化率为 d 8 0 w - g a 地面阻力耗损功率为 d A 1 R d s W f c o s a d s 风阻耗损功率为 C． A t ， d A Rk d d 坡道阻力耗损功率为 d A3R d sWs i n ad s 假设 Ⅳ 为机械制动功率 ；N o z 为能量再生制动 功率 ； 。 。 为侧减速传动比； 为偶合器至主动轮的传 动 比，i 。 i o e i 。 ， 为动力耦合系数，则车辆制动器 总制动功率为 。 叼。 。 1 “z 。 。 ． 因此 ，根据能量守恒定律 ，履带车辆制动过程中 的功率平衡方程为 dTd A1d A2d A3d A4 代入得 W f c o s a d s ‰ Z I眦 。 T o z i ⋯ rz叼c e 将上式两端同除以出，整理后得 啪 ⋯ Ws a 3系统控制策略 在对制动能量进行回收的同时，保证履带车辆制 动过程的平稳性和对制动能量最大限度的回收，是履 带车辆制动过程控制策略的目的。根据履带车辆液压 储能式制动系统的工作原理，建立的履带车辆制动工 况基于踏板行程逻辑门限值的模糊控制策略流程图如 图3所示 。 当驾驶员踩动制动踏板 ，踏板角位移传感器将制 动踏板的角位移信号，即制动强度信号输送给控制系 统。控制系统依据制动信号的大小及变化 的剧烈程 度，判断是否为紧急制动 ，对制动需求进行分类。当 制动踏板开度所对应的制动强度大于2 m ／ s 的逻辑 门限制时，则控制系统将驾驶员制动意图判断为紧急 机床与液压 第3 9 卷 制动。紧急制动时，制动器 1 结合由液力制动和机械 摩擦制动组成对车辆的联合制动，履带车辆制动能量 不进行回收。若为非紧急制动，控制系统根据制动强 度和车速的大小计算制动力分配系数，调节制动油缸 压力和液压泵／ 马达的排量，同时调整液力偶合器的 充液量 ，在使液压泵的转速低于额定最高转速情况 下 ，保证液压泵提供的制动力和液力偶合器的力矩传 递能力均能满足车辆制动需要。 Y ● _ _ ● 。 。 。 。 _ ● _ _ _ _ _ ． ． ．． ． ． ． ．． ． ． ． ．． ． ． ．j I ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． 一 利 用液 力制 动 器制动车辆 ■ 动 加速 兰 ． 上 ． 1 制 动 停 车 } 制动信号输入 量 ] I确定制动力分配系 l 数并分配制动力 N N 增加机械制动力 动 加速 月 否满足要 jE 一 制动停车 图3 履带车辆制动工况控制策略流程图 模糊控制系统是以模糊集合化、模糊语言以及模 糊推理为基础的控制系统。对于非线性以及控制对象 没有精确模型的系统，模糊控制都能取得较好的控制 效果 。因此 ，履带车辆紧急制动工况和非紧急制动 工况均采用模糊控制策略。在不同行驶条件下进行制 动时，为保持制动过程的平稳，控制系统必须时刻根 据驾驶员的意图，即制动踏板开度的大小，调节车辆 制动力 。 紧急制动模糊控制器设计的主要原则为在一定 的制动强度下 ，随着液力制动力的变化 ，制动减速度 偏差较大、偏差变化率较大时，脚制动阀输入电压 值较大 ，反之 ，则较小。 非紧急制动模糊控制器设计的主要原则为机械 摩擦制动和能量再生制动组成联合制动，出于制动安 全以及保护机械制动器的目的，二者在总制动力中所 占的比重应该随车速和制动强度的变化而改变。在车 辆速度较高以及制动强度不大时，为了保护机械摩擦 片，并尽可能多地回收制动能量，主要利用能量再生 制动系统进行制动。在车速较低情况下制动时 ，由于 能量再生制动效率和制动强度下降，为保证停车的安 全性和可靠性 ，主要使用机械制动系统进行制动。车 辆制动强度较高时，为获得较高的制动加速度和保证 制动安全性，主要采用机械摩擦制动 ，较少或不使用 能量再生制动系统。 4 仿真与结果分析 依据履带车辆制动工况控制策略 ，分别在 A M E s i m和 M A T L A B ／ S i m u l i n k中建立的控制系统联合仿真 模型如图4 、5示 。 图4 履带车辆制动工况 A ME s i m仿真模型 第 2 1期 赵广俊 等 履带车辆液压储能式制动系统制动性能仿真研究 1 3 5 图5 履带车辆制动工况 S i m u l i n k仿真模型 仿真中，取车辆质量 m 2 0 t ，履带车辆主动轮 半径 r l 0 ． 2 6 4 m；侧减速传动比 i 。 5 ． 8 5 ；偶合器 至主动轮的传动 比 。 ；液力偶合器循环圆直径 D 3 2 0姗 ；增速器传动比i 3 ． 2 ；坡道倾角 0 ； 地面行驶阻力系数厂 0 ． 0 5 ，液压泵最大排量 q 。 1 0 6 m L ／ r ，蓄能器容积 V6 0 L ，最高工作压力 p 一 3 1 ． 5 MP a ；地面附着系数 0 ． 7 5 ；风阻系数 C d 0 ． 8 ；车体迎风面积 A5 ． 2 m 2 ；质量增加系数 6 1 ． 2 ；侧传动效率 。 。 0 ． 9 。 1 紧急制动工况仿真 下面，在初速t J 。 分别为 6 0 、4 0 k m ／ h ，制动强度 信号 分别为 5 、 3 m ／ s 的情况下 ，对履带车辆的紧 急制动过程进行仿真 ，得到各制动力矩的变化曲线。 仿真结果如图6 7示。 6 ． 0 5 ． 0 昌 主4 ． 0 n。 3 ． 0 2 ． 0 裔 1 ．0 O ． 0 0 ． 0 1 ．0 2 ． 0 3 ． 0 f ， s 图 6 V 0 6 0 k m ／ h ， z 5 m ／ s 时制 动力曲线图 0 ． 0 l Io 2 ． 0 3． o 4 ． o t 图 7 V O 4 0 k m ／ h ， 3 m ／ s 时制 动力曲线图 2 非紧急制动过程仿真 下面，分别在初速 V o 6 0 、4 0 k m ／ h ，制动强度 信号分别为 z 1 ． 5 、1 ． 2 、0 ． 8 m ／ s 情况下，对履带 车辆的非紧急制动过程进行仿真，得到蓄能器压力的 变化曲线。仿真结果如图8 _ 一 9示。 一 窆 专 图 8 6 0 k m／ h时蓄 能器压力曲线图 图 9 4 0 k m ／ h时蓄 能器压力曲线图 从紧急制动工况的仿真结果图可以看出随着充 液量的增加，液力制动力迅速达到峰值 ，随着车速的 降低，其制动力急剧下降，在不同的初速条件下 ，其 变化趋势大致相同；在车辆初速较大及车辆制动减速 度较大时，机械制动系统在制动初期提供较小的制动 力，且变化较缓，为满足车辆制动的要求 ，随着液力 制动力的下降，机械制动力迅速升高，这对于高速制 动时保护机械制动器起着积极的作用；在车辆初速较 小及制动减速度较小时，制动初期机械制动力增加较 快；两种制动状况下，总制动力的变化都较为平稳。 履带车辆非紧急制动过程中，在车速较高时，由 于液压泵额定最高转速的限制 ，液力偶合器的充液量 下转第8 6页 8 6 机床与液压 第3 9卷 D o段为系统起压阶段，曲线斜率取决于系统的 参数，斜率越大系统起压性能越好 ； ． n 6 段为系统加压过程，其长短取决于加压泵组 的排量与功率及工作体 胶囊体流速 ； 点 b 表示囊体完全充满点，如果不换向，系统将 延着虚线方 向急剧增压 ； 6 c 段为系统卸压 的起始段，斜率 同样取决于系 统参数，斜率越大 负值系统起压性能越好 ； O d段表示一个冲程。 通过理论计算与试验，可以寻找出系统的最佳参 数，尽可能缩短 0 d段，即减少每一个 冲程 的时间， 以提高产量 。 2 ． 2 ． 3 流量与时间关系分析 图4为流量 一 时问分析示意图。 图4 流量 一 时间分析示意图 在一个排液周期中，由于受管道阻尼、阀门开启 等因素的影响，Q ． t 曲线近似为一条抛物线。 0 n 段表示系统卸压初始阶段 ，流量逐步增大 ， 到达点 n时为系统排量最大； o 6 段表示系统卸压排量到达最大值以后将逐步 减小； ． 点 b 表示橡胶囊液体全部排出点； D c 段表示一个冲程。 通过理论计算与试验 ，可以寻找出系统的最佳 参数，在 n 6 段 的某一点 换 向加压 ，即减少每一 个冲程的时间 此时囊体也许残存部分液体，提高 计算 ，可以找出最合适的点 进行换 向 ，以提高 产量 。 3 结束语 。 该控制系统的设计方案是综合考虑抽油泵的工作 特点及控制要求而做出的。综上分析，对系统进行全 面调试，通过控制系统来转换时间间隔，尽可能减少 停滞时间，可以有效地提高 “ 冲次” ，从而提高深井 泵系统的产液量。力求系统结构简单 ，可靠性高，充 分适应现场环境，有较强的抗干扰能力和较低的成 本。当然 ，文中提出的控制系统设计方案还需完善， 使控制流程更加顺畅和有效。地面控制部分要有控制 台和控制柜。控制柜要合理摆放 ，控制台应是一个直 观的人机界面，便于操作人员操作。 参考文献 【 1 】吴石 ， 吴云鹏． 压力波传递速度的测量办法[ J ] ． 黑龙江 科技学院学报， 2 0 0 4 4 1 4 ． 【 2 】何立民． 单片机应用技术选编[ M] ． 北京 北京航空航天 大学出版社， 2 0 0 7 5 0 9 0 ． 【 3 】王霖． 机电设备的单片机控制系统的开发研究[ J ] ． 科 技创新导报， 2 0 1 0 1 6 2 3 ． 【 4 1 林红， 杨国平， 王习兵， 等． 液压冲击器机电液控制系统 研究[ J ] ． 煤矿机械， 2 0 0 8 1 1 3 ． 【 5 】 孙卫， 马全华 ， 何娟， 等． 注采控制系统组成及控制原理 分析[ J ] ． 西北大学学报 自然科学版， 2 0 0 0 3 1 5 ． 上接 第 1 3 5页 不同导致了转速比和传递效率的不同，进而决定了能 量再生制动系统的能量回收效率的高低；在相同制动 初速的情况下 ，履带车辆以较大制动减速度制动时， 蓄能器压力升高较快 ，回收的能量相对较多，但由于 液压泵最大排量的限制 ，不可能无限制增大制动减速 度；在相同制动减速度的情况下，制动初速越高 ，回 收的能量越多 ，但能量回收效率相对较低。 因此 ，对履带车辆进行非紧急制动时，应尽量选 择在车速的高速阶段进行制动；制动减速度较大时， 蓄能器压力升高较快，在蓄能器压力达到一定水平后， 为保护蓄能器，要么对蓄能器进行卸荷 ，要么采取较 小的制动减速度，或者采用紧急制动。 5 结论 对基于踏板行程逻辑门限值的模糊控制策略下的 履带车辆制动过程仿真结果表明逻辑门限值控制简 单有效，保证了液压储能式制动系统运行的可靠性； 模糊控制鲁棒性强，稳定性好 ，可以减少系统响应时 间，减小系统超调，保持总制动力矩的稳定和各制动 力矩的平稳变化，在对制动能量有效回收利用的同 时 ，实现履带车辆制动过程的稳定。 参考文献 【 1 】吕 建刚， 何忠波， 张培林 ， 等． 车辆结构与原理[ M] ． 北 京 国防工业出版社， 2 0 0 7 ． 【 2 】 何仁， 王永涛， 赵迎生． 汽车联合制动系统的性能仿真分 析[ J ] ． 兵工学报， 2 0 0 7 ， 2 8 1 0 1 1 5 31 1 5 8 ． 【 3 】L U X 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