基于AMESim的矿用汽车全液压转向系统建模与仿真.pdf

2 0 1 4年 5月 第 4 2卷 第 l 0期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I CS Ma v 2 01 4 Vo I ． 4 2 No ．1 0 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 1 0 ． 0 3 4 基于 A M E S i m的矿用汽车全液压转向系统建模与仿真 盂兆磊 ，姜勇 ，王娟 ，何建成 1 ．北京科技 大学资产管理处 ，北京 1 0 0 0 8 3 ；2 ．北京矿 冶研究总院，北京 1 0 0 1 6 0 摘要以 S G A1 7 0矿用汽车全液压转向系统为研究对象，利用 A ME S i m仿真软件对全液压转向系统进行机械 一液压耦 合建模，并进行动态特性仿真分析，获取了各种工况下的全液压转向系统与转向执行机构之间的动态特性及其仿真曲线 ， 为大型矿用汽车全液压转向系统的合理设计和分析提供理论参考与技术支持，具有重要的工程应用价值。 关键词全液压转向系统；A ME S i m；动态特性；建模与仿真 中图分类号T P 2 4 2 ． 6 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 1 01 1 1 3 M o d e l i ng a n d Si mul a t i o n o f Ful l Hy dr a u l i c St e e r i ng Sy s t e m i n M i n i n g Tr uc k Ba s e d o n AM ES i m MENG Z h a o l e i ，J I ANG Yo n g ，WANG J u a n ，HE J i a n c h e n g 1 ． A s s e t s Ma n a g e me n t D e p a r t me n t ，U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y B e i j i n g ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ，C h i n a 2 ． B e i j i n g G e n e r a l R e s e a r c h I n s t i t u t e o f Mi n i n g＆Me t a l l u r gy，B e i j i n g 1 0 0 1 6 0 ，C h i n a A b s t r a c t T h e f u l l h y d r a u l i c s t e e ri n g s y s t e m o f S G A1 7 0 m i n e t r u c k w a s u s e d a s r e s e a r c h o b j e c t ，i t s d y n a m i c c h a r a c t e ri s t i c s w a s s i mu l a t e d b y AME S i m，t h e c h a r a c t e ris t i c s a n d s i mu l a t i o n c u r v e s o f t h e s t e e rin g s y s t e m an d t h e s t e e ri n g me c h a n i s m u n d e r v a rio u s c o n d i t i o n s we r e o b t a i n e d，wh i c h p r o v i d e d t h e o r e t i c a l r e f e r e n c e a n d t e c h n i c a l s u p p o r t t o t h e d e s i g n a n d a n a l y s i s o f f u l l h y d r a u l i c s t e e r i n g s y s t e m o f t h e h e a v y - d u t y mi n e t r u c k， a n d h a d i mp o rt an t v a l u e i n e n g i n e e rin g ． Ke y wo r d s F u l l h y d r a u l i c s t e e ri n g s y s t e m ； AMES i m； Dy n a mi c c h a r a c t e ri s t i c ；Mo d e l i n g a n d s i mu l a t i o n 转 向系统是矿用 自卸汽 车最为重 要 的系统之一 ， 其功用是操纵车辆的行驶方向，既要能保持车辆沿直 线行驶的稳定性 ，又要能保持车辆转向的灵活性⋯。 转向性能是保证车辆安全行驶的重要因素。矿区道路 状况一般都 比较恶劣 ，为了减轻驾驶人员 的劳动强 度 ，在重型矿用 自卸汽车上 ，全部都采用全液压动力 转向 圳 。 文中以 S G A 1 7 0矿用汽车全液压转向系统为研究 对象 ，利用 A M E S i m软件对全液压转 向系统进行机 一 液耦合建模和仿真，获取全液压转向系统与转向执行 机构之 间的作用机制 和动态特性 ，为全液压转 向系统 的设计和分析提供理论参考和技术支持。 1 S G A 1 7 0矿用汽车全液压转 向系统设计 1 ． 1 典 型全 液压 转 向 系统 全液压转向是在转向盘与转向操纵机构之间，不 需要用连杆连接的一种液压动力转向型式 ，具有操纵 轻便灵活、结构简单 、价格便宜、整机安装布置方便 等优点 一 ] 。全液压转向系统由液压泵、转向器 及 配用阀块 、安全阀、双向缓冲阀、单向阀和导向轮 等部分组成 。全液压转向系统与其他转向系统相 比 较 ，具有如下特点 1 用来操纵方向盘的力矩小，操纵轻便灵活， 可大大减轻驾驶员的劳动强度。 2 转向系统组成元件少 ，元件尺寸小 ，质量 轻，使整个转向系统结构紧凑。 3 转向器与转 向油缸之间仅用油管连接，布 置灵活方便，不受机构位置的限制。 4 能在发动机熄火的情况下实现人力转向。 图 1所 示 为 4种 典 型全 液 压转 向系 统 回路 图。 可根据 实际需 要 进行 选 择 。 图 a 为 开 芯 无 反应 式转向回路；图 b 为 闭芯无反应 式转 向回路； 图 C 为静态信号型负载传感转 向回路 ，必须同 时采用静态信号型负载传感转 向器和静态信号型优 先阀；图 d 为动态信号型负 载传 感转 向回路， 必须同时采用动态信号 型负载传感转 向器和动态信 号型优先阀。 收稿 日期 2 0 1 3 0 41 7 作者简介盂兆磊 1 9 7 9 一 ，硕士，助理研究员，研究方向为资产管理、实验室管理等。Em a i l m z l u s t b ． e d u ． c n 。通 。 信作者姜勇，E ma i l j i a n g y o n g 2 3 1 6 3 ． c o rn。 1 1 2 机床与液压 第 4 2卷 方 皇 a 开芯无反应式 童 一 厂 开 方 向 盘 b 闭芯无反应式 c 静 态 信 号型 d 动态 信 号型 图 1 典型全液压转向系统回路图 1 ． 2 S G A 1 7 0矿用汽车全液压转向系统 S G A 1 7 0型电动轮矿用 自卸汽车转 向系统采用的 是全液压转 向系统 ，系统液压原理如 图 2所示 。 l 一转 向泵 2 -- 转 向卸 荷 阀 阀芯 3 一转 向卸 荷 阀盖 板 4 _ 一 转 向卸荷换向阀 5 一油 箱 充 液单 向阀 阀芯 7 一充 液 单 向阀 盖板 8 一转 向控 制 阀块 9 _ 一 全 液压 转 向器 1 o 一 _ 转 向器 阀 块 l 1 一 转 向动 力液 压缸 1 2 一 转 向蓄 能 器 图2 典型全液压转向系统回路图 该系统流量大压力高 ，采用插装阀，同时插装阀 还具有结构紧凑 、集成化程度高等特点。为实现应急 转向，采用常压式转向液压系统，不转向时，转向液 压泵 1向蓄能器 1 2中充液；转向时，蓄能器向转向 器供油 ；发动机不工作 时 ，蓄 能器 中的油液 可以实 现 应急转向。转向器阀块 1 0中的双向缓冲补油阀保证 当转 向轮受到较大 冲击 时 ，转 向动力 缸中的油液及 时 溢流 ，保护转向机构不受破坏。由于转 向系统流量 大 ，充液阀不能满足要求，这里采用压力继电器对蓄 能器充液进行控制。当蓄能器压力低于 1 4 MP a时蓄 能器充液 ；待蓄能器压力达到 1 7 M P a时，自动停止 充液 。 2 基于 A ME S i m的全液压转向系统建模与仿真 2 ． 1 全液压转向系统模型的建立 S G A1 7 0全液压转 向系统大致分为转向器模块、 转向机械执行部分模块 、控制元件类模块和压力源类 模块等 4个模块。根据 S G A 1 7 0全液压转向系统原理 图，建立基 于 A ME S i m 的全液 压转 向系统 仿真 模 型 ⋯，如图3所示。 ④ 图3 全液压转向系统仿真模型图 2 ． 2 全液压转向系统模型仿真分析 对全液压转 向系统仿真模型中各个参数进行设 置 ，对每个元件 采用 A M E S i m 中的优 先模 型子 模型 ， 总 时 间 为 4 s ， 间 隔 为 0 ． 0 0 1 s ；选 择 标 准 步 长 积 分器，单 信号仿 真，其他 都采取 系 统 默认 的条 件 ， 模拟方 向盘给 出的信号是 阶跃信号 ，即模拟 驾驶员 在突然转动方 向盘 时整个 系统 的动 态响应。输入信． 图4 输入信号大小随 号如 图 4所示。 时间变化曲线 2 ． 2 ． 1 转 向器 动态特性及其 仿真分析 全液压转向器的4个节流口由输入的信号决定开 口状态 ，从而通过不同形式的输入信号来替代转向器 不同的工作方式。图5 _7所示分别为转向器节流口 在 不考 虑蓄能器和胶管弹性 、不考虑蓄能器作用但考 虑胶管弹性、同时考虑蓄能器作用和胶管弹性下的进 油 口压力变化 曲线 。 ‘ 机械连接 第 1 0期 孟兆磊 等 基于 A ME S i m的矿用汽车全液压转向系统建模与仿真 1 1 1 _ 1 皇 宣 图 5 转 向器 节流 口进 油 口压力 随时间变 化曲线 不考虑蓄 能器和胶管弹性 1 1 1 日 1 皇 茜 图 6 转 向器节流 口进油 口 压力 随时 间变化 曲 线 不考虑蓄能器作 用但考虑胶管弹性 图7 转向器节流口进油口压力随时间变化 曲线 考虑蓄能器作用和胶管弹性 从图5 可以看出考虑胶管的弹性对进油 口 的压力波动有非常明显的改善，再加上蓄能器的缓冲 作用使压力波动很小。当然同时不考虑液压管和蓄能 器的作用只是理论的状况 ，在现实中不存在。同时通 过这3个图还可以看出在考虑了胶管的弹性和蓄能 器的缓冲作用后 ，响应出现了一定的延迟 ，即液压系 统的响应速度降低 。 2 ． 2 ． 2 转 向缸 动态特性及其仿 真分析 转向缸是全液压转向系统的机械执行部分 ，转向 过程中转向缸内各个参数的变化是非常复杂的。通过 转向系统仿真模型可以看出液压缸工作腔和转向器节 流 口1 之间由一根液压管相连 ，所以可以得出两者的 压力变化情况也是一样的，因此在 3种条件下 不 考虑蓄能器和胶管弹性 、不考虑蓄能器作用但考虑胶 管弹性、同时考虑蓄能器作用和胶管弹性转 向缸 工作腔 的压力变化情况如 图 8 1 O所示 。 图 8 转向拉杆受力随时 间变化曲线 不 考虑蓄能器和胶管 弹性 图9 转向拉杆受力随时 间变化曲线 不 考虑蓄能器作用但 考虑胶管弹性 35 30 25 可。 2 0 1 5 l O 5 O 图 1 O 转向拉杆受力随时间变化曲线 考虑蓄能器作用和胶管弹性 从 图 8 1 0可 以看 出3种状 态下 不考 虑蓄 能 器和胶管弹性、不考虑蓄能器作用但考虑胶管弹性 、 考虑蓄能器作用和胶管弹性呈现类似 的变化 ，不 同的是在 t 1 s 左右出现波动后在 t 2 S时再次出现 波动，主要原因是转向缸工作腔内出现了第二次压力 的上升，所以引起了转向拉杆受力的波动。 2 ． 2 ． 3 轮胎动态特性及其仿真分析 图 1 1 1 3为 矿 车轮 胎 加 速度 随 时 间变 化 曲线 ， 这 3张图的曲线 变化规 律原理 等同上 一节的转向拉 杆 受力情况 ，不 同的是在这 3 张 图的对 比中 ，轮胎加 速 度值出现第二次波动的延迟现象非常明显。 0 ． 0 1 ． O 2 ． 0 3 ． 0 4 ． 0 0 ． 0 1 ． 0 2 ． 0 3 ． 0 4 ． 0 t l s t l s 图 1 1 轮胎转向加速度随 图 1 2 时间变化曲线 不 考虑蓄能器和胶管 弹性 4 e 2 0 ．6 ．8 轮胎转向加速度随 时间变化曲线 不 考虑蓄能器作用但 考虑胶管弹性 1 ． O 2 ． 0 3 ． 0 4 ． 0 t l l 图1 3 轮胎转向加速度随时间变化曲线 考虑蓄能器作用和胶管弹性 ． 3结论 液压系统对转向系统性能的影响是两方面的一 方面可以缓冲汽车行驶过程中转向机构受到的冲击载 荷 ；另一方面又会引起转向响应速度的迟缓。进行转 向液压系统设计时，要权衡这两个方面对液压胶管的 要求 ，通过试验选用液压胶管合适的尺寸和性能参 下转第 1 1 7页