叉装车行走液压系统特性分析与优化匹配研究.pdf

液压 - 液力 H y d r o s t a t i c s a n d H y d r o d y n a mi c s 杠 械 第 4 5 卷 I 第7 期 总第 4 8 9期 叉装车行走液压系统 特性分析与优化匹配研究 王文艺 ’ ． 刘凯磊 1 ． 徐州徐工铁路装备有限公司 2 ． 燕山大学河北省重型机械流体动力传输与控制试验室 摘要 I 液压传动广泛应用于工程车辆的行走驱动系统， 其驱动特性与系统参数的匹配密切相关。基于伸缩臂叉装车行走液 压系统的负载特性和工作原理进行理论分析与试验测试， 建立了行走液压系统仿真模型， 并对伸缩臂叉装车的最高车速和爬坡 性能作出仿真优化分析， 得出了影响最高车速和爬坡性能的关键因素， 提出了性能优化匹配方案。通过对伸缩臂叉装车液压驱 动系统的整车试验研究， 验证了所提方案的可行性， 并为同类机器液压驱动系统的设计与参数匹配提供了参考。 关键词 伸缩臂叉装车 ； 液压特性； 仿真； 优化 伸缩臂叉装车的行走系统的传动方式主要采用液力 传 动和液压传动 ， 液压传动相比于液力传动， 具有结构紧 凑 ， 功率重量比高， 控制方式多样 ， 传动性能好 、 效率高等 优点。但在实际应用中 ， 会出现车速偏低 、 爬坡度有限等 一 些故障问题 ， 因此 ， 对叉装车行走液压系统的匹配特性 进行研究 ， 保证其动 力性能 ， 得尤为迫切_1 _ 。 目前 ，对伸缩臂叉装车行走液压系统匹配特性 的研 究主要有实物试验法和理论分析法。 传统的实物试验法 ， 主要是依靠经验来替换相关液压元件或调节液压元件性 能参数 ， 试验其行走性能 ， 这种方法具有很大的盲 目性 ， 而且费工费时， 其匹配结果也很难达到最优。 而理论分析 法 ， 是指根据 目标要求 ， 利用理论公式对液压元件参数进 行匹配计算 ， 此种方法只限定于线性分析 ， 而行走液压系 统中的变量泵 、变量马达和换向阀等都存在着大量的非 线性环节 ， 分析出来的结果往往与实际相差较远 ， 从而无 法达到液压系统优化匹配的 目的。 本文以某型伸缩臂叉装车的行走液压系统为研究对 象 ， 利用计算机仿真与试验测试相结合的方法 ， 采用液压 仿真软件 6 d V l i i m对伸缩臂叉装车行走液压系统进行建 模与仿真测试 ， 得出了影响叉装车动力性能的关键因素， 作者简介 王文艺 1 9 6 5 一 ， 男 ， 江苏丰县人 ， 高级工程师， 硕士， 研究方向 工程机械可靠性设计。 2 0 似 ’7 l 工 稚 缸 敞 I 5 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 液压 液力 H y d r o s t a t i c s a n d H y d r o d y n a mi c s 提出了液压系统性能匹配的优化方案 ，并对优化前后的 整车做对比试验 ， 在液压系统匹配优化后 ， 整车的动 力性 能得到了较大提升。 1 静液压驱动车辆的负载特性 伸缩臂叉装车行驶过程 中所受的阻力有滚动阻力 、 惯性 力和爬坡时的坡道阻力，行走系统利用马达提供的 牵引力克服这些阻力后 ， 为伸缩臂叉装车提供行驶动力。 车辆行驶作业时的受力方程 为 m0 1 式 中 F为车辆驱 动力 ， N 为车辆行驶产 生的滚动阻 力， N 为坡道行驶过程中的坡道阻力， N 为自身重力 产生的惯性力， N； m为车体质量， k g ； o 为车体加速度， m／ s 。需要行走马达提供的输出转矩 为 M 2 n 1 _n 2 3 式 中 r 为车 轮 半径 ， m；i 为减 速 比 ； n 为车 轮 转速 ， r ／ mi n ； n 2 为马达转速 ， r ／ m i n 。 2 行走液压系统工作原理 叉装车行走液压系统如图 1 所示 ， 发动机 1 带动变 量泵 5 ， 变量泵输出流量带动变量马达 4 ， 马达将动力传 1 ． 发动机2 ． 电磁阀组3 ． 换向阀4 ． 变量马达 5 ． 变量泵 图 1 伸缩臂叉装车行走系统液压原理图 6 0 I 工 杠 拭 1 2 0 似 ．7 递给变速器， 变速器具有一、 二挡两个挡位， 一挡输出低 速大转矩 ， 二挡输出高速 小转矩 ， 然后通过驱动桥传递 至车轮 ， 从而驱动车辆行走 。电磁阀组 2 可以控制换 向 阀 3使其换 向 ， 从 而控 制马达正 反转 ， 进而控制车辆前 进和后退 。 图 1 所示的液压传动系统的工作输出取决于液压马 达的负载阻力矩。液压马达的输出转矩 4 1 T n 。 一 l 5 1 Q n 3 川 2 6 式中 P为系统压力 ， MP a ； V 。 为马达排量， m L ／ r ； r ／ 为马 达效率； V 为泵排量 ， mL ／ r ； Q为系统流量 ， L ／ ra i n ； n ， 为发 动机转速， r ／ m i n ； 为马达容积效率 ； 仇 为泵容积效率。 由式 3 和 5 可知 ， 通过调节 系统的流量 Q和马达 排量 I ， 可以控制车辆的行驶速度。由式 6 可知， 当泵的 排量 达到最大 ， 而马达排量 最小时 ， 可获得一个较 大的传动比， 从而获得较高的行驶速度。从式 2 和 4 可 以看出 ， 车辆行驶的最大牵 引力由马达排量 。 和系统压 力P共同决定。 3 行走液压系统建模与仿真 3 ． 1 行走液压系统建模 伸缩臂叉装车行走液压系统主要元件包括发动机 、 变泵 、 行走换向阀、 电磁阀组和变量马达等 。 将所构建的变量泵 1 、 换向阀 4 、 变量 马达 6 、 发动机 2 和车体 5 进行组合 ， 构成伸缩臂叉装车行走液压系统仿 真模型， 如图 2 所示 。 3 - 2 行走液压系统仿真分析 3 ． 2 ． 1 最高车速仿真 最高车速是伸缩臂叉装车关键参数之一 ，将行走液 压系统仿真模型中的电磁阀组给定阶跃信号模拟换向过 程 ， 在车体模型中设置为二挡传动比， 仿真时问为 6 0 s ， 运 行仿真。 仿真结果如表 1 所示， 变量马达压力区间在 8 ． 5 2 1 ． 5 MP a 时最高车速为 2 3 ． 9 8 k m／ h ，当适当增大压力调节区 间后， 车速有明显提高 ， 当调节到 1 4 ． 5 2 7 ． 5 MP a 时 ， 最高 时速可达 3 0 k m／ h 。实际液压系统调试的过程 中， 应 当把 变量马达变排量压力区间调节到适当位置 ，方能满足设 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 液压 液力 H y d r o s t a t i c s a n d H y d r o d y n a mi c s 2 调定溢流阀压力，保证溢流阀压力值在 2 8 MP a ， 避免提前溢流。 4 ． 2 最高车速试验测试 二挡最高车速测试 ，先对原行走液压系统进行试验 测试， 再对优化改进后的系统进行试验测试 ， 试验结果如 图 4 图 6 所示。 l ， 一、l { 1 兰 l 商 1 口 由I 墨 一 0 l 0 2 0 3 0 4 0 5 O 6 O 7 0 试验时间／ s 图 4 原系统马达入 口流量变化 0 l 0 2 0 3 O 4 0 5 O 6 0 7 0 8 O 试验时间， s 图 5 系统优化后马达入 口流量变化 分析图 6 可知 ， 在最高时速的测试过程中 ， 马达入 口流量均达到了最大值 1 6 0 L ／ m i n左右。 优化后相比于优 化前的液压系统 ， 最高时速有了较大改善 ， 从原来 的不到 2 5 k m ／ h提升到 了 3 0 k m／ h ， 整车的性能得 到提升 ， 满足 了设计要求。 4 ． 3 爬坡能力试验测试 一 挡爬坡性能测试 ，由于试验现场最大坡度 为 1 5 。 ， 所以测试 1 5 。 爬坡时 ， 行走液压系统性能 ， 试验结果如图 7 ～图 8所示。 6 2 f 工 霏 杠 敞 1 2 0 仲 7 0 l 0 2 0 3 0 4 0 5 O 6 0 7 O 8 O 试验 时间， s 图6 优化前后车速对比 0 1 0 2 0 3 0 4 0 试验时问／ s 图 7 爬坡试 验测试中马达入 口流量变化 O l 0 2 O 3 O 4 O 试验 时问， s 图 8 爬 坡试验测试中马达入 口压力变化 从 图 7和图 8可 以看 出 ，马达 的入 口流量在 1 3 0 L ／ ra i n 左右 ， 马达入口压力稳定在 1 9 MP a 左右 。由仿真 下转第 6 8页 们如 m O I{ ， 【 I J 、 卅 ∞ ∞ 加 ∞ ∞ ∞ ∞ O u I l 厂 1 一、 蛹避 七 】 、 ， 回 加 m 5 0 蕊、 ， 回 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 质量 - 管理 - 营销 Qu a L i t y， Ma n a g e me n t a n d Ma r k e t i n g 5 结束语 本文基于可维护『 生 指数 ，通过对工程机械维护保养 操作过程中维护人 员身体所处位置 、 接近维护点的方式、 具体维护操作 以及操作过程 中相关其他项进行严格的打 分 ， 最终得出客观的可维护性评价结果， 可用于评价工程 机械产品的可维护性 ， 即维护保养便利性水平 。 实践表明，按照此方法对工程机械产品进行可维护 性 ， 即维 护保养便利性评价 ， 可以得出较为客观的评价结 果。 本文所述方法不仅能够为用户选择产品时直接采用， 而且可为工程设计人员进行产品改进提供参考 如某个 维护项 目在打分过程中发现所处位置或接近方式评价分 值偏高 ， 就可从设计上考虑部件的布置， 使其尽可能处于 最便于维护或最易于接近的位置。 可维护性指数特别适用于某机型新旧版本机器的对 比 ， 或同一产品线上不同型号机器间对比， 或不同制造商 间相似机型的比较。 为保证打分的一致性 ，在比较不同机器的可维护性 指数时， 建议 由同一 组 评审者对不同机器实施评审。 参考文献 l l 1 s A E T 8 l 7 - 1 - 1 9 9 1 E NG I NE E RI NG DE S I G N s E RvI CE AB匝 Ty G【 删9E【 砸 S C0NS TRUCTr o N AND工 N D US TR L M ACⅢ NER yS ER vJ CE B上 L I Ty DEF j NI Tl oNs oFF RoAD W oRK MACHI NE sl S 1 ． f 2 1 s AE 1 8 l 7 2 1 9 9 1 E NGI NEERI NG DES I GN S ERVI CE ABl L I TY GU I DEL I NEs CoNS TR UCTI oN AND I N DUs TRl AL M ACHI NERYs E RvI CEABI L I TY DE F I N I T l oNs 一 0P F RoAD W oRK MACHI NE s f S 1 ． 通信地址 广西柳州市柳太路 1 号 柳工机械股份有限公司 装载机事业部装载机研究院 5 4 5 0 0 7 收稿日期 2 0 1 4 0 2 0 6 上接第 6 2 页 数据可知 ， 坡度为 1 5 。 ， 系统压力为 1 9 ． 5 7 MP a ， 当系统压 力为 2 7 ． 7 MP a ， 坡度 可达 2 9 。 ， 由于试验压力比仿真压力 略低 ， 因此， 可推测爬坡能力可达到 3 O 。 。 5 结论 对伸缩臂叉装车行走液压系统进行了仿真与试验研 究后 ， 得出以下结论 1 对于伸缩臂叉装车行走液压系统优化匹配 ， 计算 机仿真与试验相结合的研究方法具有较 高的可靠性 ， 优 化改进后整车性能得到较大提升。 2 影响整车最高车速的关键因素是变量马达变排量 压力区间， 随着变量马达变排量压力区问的增大 ， 整车最高 车速速逐渐增大。 3 伸缩臂叉装车的爬坡能力取决于系统压力和马达 排量 ， 坡度达到一定值后， 变量马达变为最大排量， 最大爬 坡能力取决于系统压力， 系统压力越高， 爬坡能力越强。 6 8 l 工稚缸拭 l 2 l0 “’7 参考文献 f l 1 聂崇嘉． 液压传动与液力传动f M1 ．重庆 西南交通大学出皈 社 ， 1 9 9 1 ． 【 2 j 田晋跃 于英_ 车辆静液压传动特性研究 农业机械学报 ． 2 0 0 2 ， 3 3 4 3 2 3 4 I 3 1 彭熙伟 ， 杨会菊． 液压泵效率特性建模的神经网络方法l 】 l 机械工程 学报， 2 0 0 9 ， 4 5 8 1 0 6 一 I I I ． [ 4 1 谷立臣． 张优云 E大谋． 等 液压动力系统运行状态识剐技 术研究m．机械I程学报 ． 2 0 0 1 ． 3 7 6 6 1 6 5 刘忠． 钠灯。 金耀， 等． I程机械臂新型液压驱动技术研究与 仿真m中国机械I程， 2 0 1 2 ， 2 3 2 3 2 8 3 0 2 8 3 4 ． I 6 l 壬书翰 ． 徐向阳． 液力变矩器液压系统设计与动态特性仿真 ．农业机械学报， 2 0 0 9 ， 4 0 5 2 0 - 2 3 通信地址 河北省秦皇岛市河北大街西段4 3 8号燕山大学 机械工程学院 0 6 6 0 0 4 收稿日期 2 0 1 4 - 0 3 - 0 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m