（机械电子工程专业论文）平板车转向轮组液压系统参数优化与仿真.pdf

大连理工大学硕士研究生学位论文 摘要 平板车是一种运输重型设备和构件的专用车辆，普遍用于运输大型船舶分段、工业 主机设备等重载场合。转向轮组液压系统作为平板车的重要组成部分，对整个车辆的运 载性能起到了至关重要的作用。 平板车涉及的液压和机械构件较多，在运载和转恕过程中，需要多桥、多轮组有良 好的协同性，各个轮组要求有快速的瞬态响应。本文根据实际载荷情况，对平板车转向 阻力矩进行了计算，确定了转向液压缸的最大推力，为转向液压系统的设计及优化提供 了前提基础。 伺服阀控制液压缸是转向轮组液压系统的核心机构，本文通过传递函数法建立了系 统动态方程，并由压力建立起液压缸位置方块图。根据选定的伺服阀和液压缸型号，运 用m a t l a b 语言中的s i m u l i n k 功能模块建立了机构仿真模型，针对三阶微分传递函数， 编制了p i d 控制程序，通过仿真，调整控制参数，实现了对响应特性和控制精度优化的 目的。 在液压转向系统建模过程中，以液压原理图为原始模型，完成对各液压元件参数的 设置及函数的定义。关键元件选用r e x r o t h 和m o o g 产品，并做了具体分析，从理论和 实际两个方面确定模型关键件选型的正确性，确保能得到较为实际的仿真结果。在建模 过程中，根据液压元件性能参数及其物理方程，编制了有效的仿真函数，设置了各元件 初始状态和工作状态下的性能参数。对构建的液压模型进行仿真、结果分析及系统的优 化。通过对仿真步长及仿真时间的设置，可以精确地观察仿真曲线变化规律，对诸如油 缸运行速度、系统压力及阻尼等进行了分析和优化。 关键词：伺服；p i d 控制；传递函数：仿真 平板车转向轮组液压系统参数优化与仿真 p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o na n di m i t a t i o no f t h es h i p y a r dt r a n s p o r t e r c y c l i c a lw h e e lg r o u ph y d r a u l i cs y s t e m a b s t r a c t s h i p y a r dt r a n s p o r t e ri s as p e c i a lk i n do fv e h i c l e sf o rt r a n s i t i n gh e a v ye q m p m e n ta n d c o m p o n e n t s ；i ti sw i d e l yu s e di nt h eo v e rl o a d i n ga r e a , s u c ha sc o n v e y i n gp a r to fb i gs h i p ， i n d u s t r i a lm a i n f r a m ea n de t c a sa ni m p o r t a n tp a r to ft h es h i p y a r dt r a n s p o r t e r t h ec y c l i c a l w h e e lg r o u ph y d r a u l i cs y s t e mp l a y sak e yr o l ei nt h ea s p e c to fc a r r y i n gp e r f o r m a n c e as h i p y a r dt r a n s p o r t e ri sc o m p o s e db ym a n yh y d r a u l i ca n dm e c h a n i c a lc o m p o n e n t s ， d u r i n gt h ec o u r s eo fc a r r y i n ga n dv e e r i n g ，t h ed i f f e r e n tb r i d g e sa n dw h e e lg r o u p ss h o u l d c o o p e r a t ew i t he a c ho t h e r ，a n dr e s p o n df r e q u e n t l y a c c o r d i n gt ot h ef a c m a lc a s eo f t h el o a d ， t h er e s i s t a n tm o m e ma b o u tt h es h i p y a r dt r a n s p o r t e r v e e r i n gi sc a l c u l a t e d ，a n dm e a n w h i l e t h eb i g g e s tf o r c eo f t h ev e e r i n gc y l i n d e ri sc o n f i r m e d ，a l lo f t h e s ec a np r o v i d eap r e c o n d i t i o n f o rt h ed e s i g na n do p t i m i z a t i o no f t h ec y c l i c a lh y d r a u l i cs y s t e m t h eo r g a n i z a t i o no fs e r v oc o n t r o l l e dh y d r a u l i cc y l i n d e ri st h ec o r ep a r to ft h ec y c l i c a l h y d r a u l i cs y s t e m ，i nm i sa r t i c l e ，t h ed y n a m i ce q u a t i o no f t h es y s t e mi se s t a b l i 出e dw h i c hi s b a s e do nt h em e t h o do f t h et r a n s f e rf u n c t i o n t h e nt h ep o s i t i o nd i a m o n d sf i g u r eo f t h ec y l i n d e r i se s t a b l i s h e db ys y s t e mp r e s s u r e b e c a u s et h et y p eo ft h es e r v ov a l v ea n dc y l i n d e ra r e s e l e c t e d ，t h ei m i t a t i o no r g a n i z a t i o nm o d e lc a nb ee s t a b l i s h e db yt h es i m u l i n kf i m c t i o n m o d u l eo ft h em a t l a b t h e nt h ec o n t r o lp r o g r a mo fp i di se d i t e db a s e do nt h et h r e e - r a n k d i f f e r e n t i a lc o e f f i c i e n tt r a n s f e rf u n c t i o n ，a c c o r d i n gt ot h ei m i t a t i o n ，t h ec o n t r o l sp a r a m e t e ri s r e c t i f i e da n dt h es y s t e mi so p t i m i z e d d u r i n gt h ec o u r s eo f t h ew h o l ec y c l i c a lh y d r a u l i cs y s t e mm o d e l i n g ，t h eo r i g i n a lm o d e l i s t h eh y d r a u l i cp r i n c i ! c ) l ed m w i n g ，t h es e t t i n go ft h eh y d r a u l i cc o m p o n e n t sp a r a m e t e ra n dt h e d e f i n i t i o no ft h ef u n c t i o nt h e nc a l lb ed o n e 也ek e yc o m p o n e n t sa r et h ep r o d u c t so fr e d o 血 a n dm o o g ，a n da r ea n a l y z e dp a r t i c u l a r l y ，t h ec o r r e c t n e s so f t h ec h o o s ef o rt h ei m p o r t a n tp a r t s i si d e n t i f i e dn o to n l yi nt h e o r yb u ta l s oi nf a c t ，a l lo f t h e s ec a ni n s u r eaa c t u a li m i t a t i o nr e s u l t i nt h ec o u r s eo f m o d e l i n g ，t h ee f f e c t i v ei m i t a t i o nf u n c t i o ni se d i t e da c c o r d i n gt ot h ec a p a b i l i t y p a r a m e t e ra n dp h y s i c a le q u a t i o no ft h eh y d r a u l i cc o m p o n e n t s t h e n ，t h e1 1 y d r a u l i cm o d e li s i m i t a t e d 、a n a l y z e da n do p t i m i z e d b e f o r et h ei m i t 砒i o n ，t h es t e pa n dt i m ei ss e t ，w h e nt h e i m i t a t i o ni sd o n e ，t h ec h a n g e dc h i v ec a nb eo b s e r v e da c c u r a t e l y ，t h ev e l o c i t yo ft h ec y l i n d e r 、 t h ep r e s s u r eo f t h es y s t e ma n dd a m pc a nb ea n a l y z e da n do p t i m i z e dt o o k e yw o r d s ：s e r v o ；p i dc o n t r o l ：t r a n s f e rf u n e t i o m i m i t a t i o n 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：选垫： 导师答名压翼鼍厂磁k 导师签名：丝墨丝坠 大连理工大学硕士研究生学位论文 1 绪论 1 1 平板车转向系统概述及液压伺服仿真 1 1 1 平板车转向系统概述 平板运输车是“机一电一液”一体化产品。全车采用液压驱动、液压悬挂、全轮独立 转向和车架液压调平等技术。该车转向液压系统的控制由微控制器来完成，系统的液压、 机构参数、控制算法等对系统的工作性能起决定性作用。 转向轮组液压系统作为平板车的重要组成部分，对整车运行起到至关重要的作用。 图i j 为单个转向轮组简图。当系统发出转向指令后，差动液压缸通过伸缩，推动轴承 转盘旋转，实现车轮的转弯。升降液压缸一般不与转向液压缸同时动作，当平板车驶进 货架后，整车处于静止状态，开启升降泵系统，整个平板车车架被提升，托起载荷，锁 定升降液压缸，平板车驶出货架后，停住车辆，使升降液压缸回归原位，完成载荷提取。 图1 i 转向轮组简图 f i g 1 1t h es i m p l i f i e df i g u r eo f t h ew h e e lg r o u p l 一旋转轴承：2 一升降架；3 - 升降支架l4 一升降液压缸；5 一车轮；6 - 悬挂轴；7 一制动气缸 平板车在运输载荷过程中可能需要诸如直行、斜行、横向蟹行、圆行等转向，主要 通过操纵室中的方向盘和控制面板发出指令信号来控制转向轮组液压系统完成这些动 作。 平板车转向轮组液压系统参数优化与仿真 国外从二十世纪三十年代开始研制重型平板车，并着手于液压转向系统的设计。经 过几十年的研究，目前的大型平板车 1 4 】均采用全轮液压伺服转向系统，实现了高度自 动、全液压、计算机控制。主流的应用是电子液压转向系统。典型代表是意大利的 c o m e t t 0 ( 图1 2 ) 和德国k a m a g 、s c h e u e r l e ( 图1 弓) 平板车系列的转向系统。 s c h e u e r i 甩的s h t 系列平板车的全方位电子转向系统s a d e s s 是一个功能强大的高精 度转向系统：有两台液力马达直接作用于每根轴轮组的两个转盘，实现高精度的角度控 制：每根轴的转向角为1 6 5 。，可转到3 6 5 。内的任意角度；转向程序，如标准、横行、 斜行和旋转，以及绕车辆内外某点旋转，都可以通过模式选择预先设定；车辆各部分间 的转向协同距离可达到1 0 0 m 。该公司在1 9 9 4 年2 月研制的自升式平板车在有效转向的 情况下，创造了1 0 0 0 0 吨的有效载荷运输。 图1 2c o m e t t os y t i o 6 平板车 图1 多s h t 系列平板车 f i g ，1 2 t h es h i p y a r d t r a n s p o r t e r o f c o m e t t os y t t o 6f i g 1 _ 3 t h es h i p y a r d t r a n s p o r t e r o f s h t 随着我国造船工业的迅速发展，各大船厂陆续从国外引进一些大型的平板车，以解 决船体分段及大型设备陆上运输和平移问题，这样就为国产平板车的研发进行了铺垫。 1 9 9 6 年上海7 0 4 研究所对原进口的尼古拉斯大型平板车转向系统进行全面改造，并取得 成功。这标志着国内对平板车的研发踏上了一个新的台阶。 未来的平板车在转向系统在自动驾驶、障碍物避碰、自动导航引路等功能方面都可 以实现仿真。这将大大节省人力、物力，提高设备的安全性，体现人机工程的完美结合。 l 1 1 2 液压伺服仿真定义及发展现状 仿真技术是以相似原理、控制理论、计算机技术、信息技术及其应用领域的有关专 业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用数学模型或部分实物对实际 的或设想的系统进行动态实验进行研究的- - 1 7 综合性技术【6 _ 8 1 。随着计算机技术的迅速 发展，仿真的发展也经历模拟仿真( a n a l o gs i m u l a t i o n ) 、数字仿真( d i g i t a ls i m u l a t i o n ) 、 大连理工大学硕士研究生学位论文 混合仿真( h y b r i ds i m u l a t i o n ) 的历史过程 9 】。数字仿真技术以其相对周期短、经济性好、 精度高等诸多优点而获得了快速的推广，已成为各个仿真研究领域的主要研究手段。 所谓液压仿真是指通过建立液压系统的数学模型并在计算机上解算，用以对系统的 动态特性进行研究的过程i l o - 1 3 j 。其研究的主要内容包括系统的稳定性和动态过渡过程品 质两方面。液压仿真一般包括建立液压系统动态数学模型、求解数学模型及仿真结果分 析等几个步骤。其中建模是仿真的前提和基础，建立数学模型的过程是否简洁而清晰， 所建立的数学模型是否能准确、恰当地体现系统的动态特性，在很大程度上决定着仿真 是否成功。良好的建模方法可以对所研究的液压系统以简捷的形式进行准确的描述，并 可方便地使之转化为计算机所接受的数学模型形式。因液压仿真信息主要来自人类的先 验知识，数据往往用于结果的分析与验证，故演绎法是其主要的建模方法，最常用的是 状态空间法和传递函数法。状态空间法适合比较复杂的非线性系统分析。传递函数法适 用于对线性定常系统分析，现代平板车液压转向系统均为单输入单输出形式，该方法能 较好地对输入和输出信号进行比较，通过系统优化和参数整定，得到理想仿真结果。 液压系统伺服控制【1 4 ”】是- - f 7 新兴的科学技术。伺服控制是液压技术的一个重要分 支，而且也是控制领域中的一个重要组成部分。早在第一次世界大战前，液压伺服控制就 开始应用于海军舰艇中的操舵转向装置。第二次世界大战前后，武器和飞行器控制系统的 研究得到进一步的发展。液压伺服控制因响应快、精度高和功率一重量比大等特点而受 到特别的重视。 液压仿真是仿真技术在液压技术领域的一种应用，其起步较航空、航天、武器等领 域要晚一些，但其在液压系统性能的改进与提高方面却日益发挥着越来越重要的作用， 己经引起了国内外液压领域学者的普遍重视，对其研究也从理论和应用两方面逐渐朝着 更深的层次拓展。 早在上世纪五十年代，h a n p u n ( 1 9 5 3 ) ； - i n i g h t i n g a l e ( 1 9 5 7 ) 就分别作了液压伺服系统动 态性能分析，采用的就是传递函数法【l6 ”，分析了系统的稳定性和频率响应。这是一种 理论成熟、简单实用的方法，他们的研究起到了首开先河的作用。上世纪六十年代中期， 应用于液压系统的动态特性研究的数字仿真技术已经成型。七十年代后期以来，国外开 发了许多精度高、速度快、功能方便的液压系统静动态特性通用仿真软件。第一个直接 面向液压技术领域的专用液压仿真软件是由美国俄克拉合玛州立大学于1 9 7 3 年推出的 h y d s i m 1 8 1 。该软件首次采用了液压元件功率口模型方式进行建模，并且所建模型可以 重复使用。上个世纪八十年代初期德国亚深工业大学推出了液压系统仿真软件包 d s h 19 1 ，该软件具有面向原理图建模，包含非线性模型等优点。不久，英国巴斯大学也 开始研制液压系统仿真软件包h a s p ，它充分考虑了液压系统中复杂交互作用的静态和 平板车转向轮组液压系统参数优化与仿真 动态效应问题。d s h 和h a s p 的共同特点是可以实现由计算机来完成液压系统动态仿真 模型的自动建模，均采用预建模型库的方法将各种常用典型元件的动态模型( h a s p 还包 括静态模型) 进行预先设计，并各有功能完善的建模管理程序。根据用户输入的以特定 规则( 或称仿真语言) 编制的研究对象的描述文件( 或称用户文件) ，程序系统可自动从模 型库中调出各相应模型子项，并将其归并为研究系统的数学模型即系统状态方程，完成 自动建模。同时，也支持模型求解计算、结果数据处理与输出等后续仿真实验的自动处 理。可以说，d s h 和h a s p 的问世，标志着液压技术领域内仿真技术的发展进入了一个 新的阶段。另外，美国麦道公司也推出了颇具影响的用以预测液压元件和系统工作性能 的a f s s l 2 q 仿真软件包。随后一批液压系统仿真软件包相继问世，有美国俄克拉合玛州 立大学的p e r s i m i ，芬兰坦培尔工业大学的c a t s i m i ，瑞典林平大学的h o p s a n l 等。 这些软件虽然各具特点，但是从建模原理、程序结构与功能上均未超出d s h 与h a s p 的 基本模式。我国液压领域对仿真技术的应用开始于上世纪七十年代末到八十年代初，而 液压系统动态通用软件包的开发研究大约从1 9 8 4 年开始。浙江大学流体传动与控制研 究所于1 9 8 1 年引进德国亚深工业大学的d s h ，对其进行了消化、移植和软件的二次开 发工作，并在此基础上推出了s i m u i j z d 液压仿真专用软件。该软件扩充了原d s h 所不 具备的基于分布参数的管道仿真模块、静态特性仿真模块及优化模块：改进了积分算法， 实现了变步长龙格库塔法，扩展了模型库。在前端模型信息输入方面，该软件没能提供 液压原理图输入功能，而是采用了类似于液压专用术语的仿真语言，由人工编写被仿真 液压系统的描述文件。此外，该所还与国营1 8 3 厂合作开发了液压系统及元件仿真软件 系统d l y s i m ，该软件包具有从微机屏幕显示液压原理图图形并直接生成仿真数学模型 的功能，它在液压仿真技术与图形c a d 结合方面开创了良好的范例。华中理工大学研制 开发的c h i s p 2 l - 2 3 1 复杂液压系统仿真软件，采用了面向液压原理图的液压系统自动仿真 技术，以a u t o c a d 的a d s 编程实现液压原理图的绘制，通过读取中间交换文件即d ) ( f 进行图形的识别，在后台元件模型库的支持下，通过组装方式实现自动建模。哈尔滨工 业大学也以a u t o c a d 开发了液压系统原理图智能仿真软件，不同的是其引入了智能技 术，利用一个媒介系统，将信息推理与数值上的仿真有机的结合起来，为建立液压领域 仿真专家系统莫定了一定的理论基础。此外，北京航空航天大学、太原重型机械学院、 武汉汽车工业大学等都先后开展了液压系统的自动建模研究，并取得了较好的成果。 1 。2 选题背景及意义 在当今的工程机械行业中，重型运输设备越来越发挥着不可替代的作用。国内目前 还没有自主研发制造的平板车，液压转向系统的设计也只是局限于借鉴国外同类产品， 大连理工大学硕士研究生学位论文 液压转向轮组的响应特性没有理论依据可供参考。基于以上，本课题将着手于平板车轮 组转向液压系统进行动态仿真和参数分析。通过仿真实验，得出动态响应曲线及优化参 数，为平板车液压转向系统的设计提供依据。 1 3 本文主要研究工作 在全面了解和总结国内外同类研究现状和水平的基础上，本文主要做了以下工作： ( 1 ) 平板车转向力矩的研究。在对液压转向系统设计之前，首先要根据系统的受力 情况来确定液压系统的整体工况及元件选型。本文分析了液压转向系统的转向方式及转 弯关系，提出转向系统转弯阻力矩算法。 ( 2 ) 转向动力机构分析。由系统工作原理引入伺服阀控制液压油缸这种动力机构， 给出了活塞位移对阀位移的传递函数、活塞位移对外负载力的传递函数，并对系统的动 态刚度和稳定性进行了分析，判断出系统的稳定性。 ( 3 ) 对称阎控制非对称液压缸位置伺服系统的研究。本文以某实际2 0 0 t 平板车液压 转向系统为原型，通过传递函数法，建立系统动态模型，运用m a t l a b 软件中的s i m u l i n k 对该系统进行仿真，在控制方式中引入p i d 算法，以一种简单有效的方式来调节系统。 ( 4 ) 系统的a d a m s 仿真。鉴于对系统局部的优化，对整个液压转向进行了仿真， 得出仿真曲线。并进行了分析和优化。 ( 5 ) 在本文的最后，总结了前述的研究工作，对有关研究工作的进一步开展作了设 想和展望。 平板车转向轮组液压系统参数优化与仿真 2 轮组转向系统阻力矩计算 在港口、船厂等场合广泛使用的自升式液压平板运输车由于车身较长，作业时转向 频繁，使用空间小，要求转向半径小，转向灵活。重型平板车采用的是全轮转向的方式， 利用静液压驱动系统，减小了平板车工作时的转向半径，控制性能好、尺寸小、便于布 置，并可实现直行、斜行、横向蟹行、圆行等转向方式，实现了零转向，提高了作业时 的机动性。 2 1 全轮转向的转向方式分析 常用汽车都是通过在水平面内偏转车轮实现行驶转向，对于平板车来说，转向是车 轮不得发生侧向滑移，否则增加转向阻力、加速轮胎磨损。为此，应使转向时所有车轮 均绕一个共同的瞬时中心并各沿不同的半径作弧形滚动。此瞬心即为转向中心，应是各 转向轮轴线的交点。由转向中心到外前轮中心的距离，称为转向半径。转向半径越小， 转向所需场地面积就越小。因此，对转向系的基本要求如下： ( 1 ) 形成统一的转向中心。无论哪种转向型式，在转向时各轮都必须形成一个统一 的转向中心，以期达到无侧滑的纯滚动状态，否则，除了增加转向阻力、消耗功率外， 还增加了轮胎的磨损。 ( 2 ) 工作可靠。在工作中要避免出故障，这对整机性能的发挥和安全关系重大，因 此选用材料和具体结构都要求工作可靠。 2 1 1 一桥转向分析 以五桥平板车的典型转向工况为例，其它多桥转向方式的分析可以类推。如图2 1 所示，为平板车绕第一桥轴线的转向示意图。 s ： a 。土莎 j 、 、 、 v 、l 、遵 图2 2 三桥转向图 f i g 2 2v e e ro f t h e t h i r db r i d g e 当瞬时转向中心位于三桥轴线的延长线上时，如图2 2 ，各轴的内外轮组的转角关 系为： 大连理工大学硕士研究生学位论文 卢”2 伽增f 瓜而 i 元- 3 1 i , l 丽i = 1 ，2 ，4 ，5 ) ( 2 8 ) 当i = 3 时，口邱2 岛s2o ；令2 a r c t g 志，此种工况下的最小转向半径为： 月。3 = l i r l l = ：= 一十r 符 ( 2 9 ) “ z s i n a 口5 即当瞬时转向中心位于三桥中心时，平板车具有最小的转向半径。 由式2 5 、2 7 与2 9 以及图2 1 和图2 2 的几何关系，可以得到： r 。m i n 3 褰麓灸h 口b ，v , 7 、 a缆 蒸墓害 口， g d 图2 8 轮胎滑动速度分布图 f i g ，2 8t h ef i g u r eo f t i r os l i pv e l o c i t yd i s t r i b u t i n g 轮胎滑动速度分布为梯形a b c d ( 如图2 8 ) ，假如地面的切向反力与滑移距离成 正比，则切向反力的分布与梯形a b c d 相似，切向反力的合力f 必通过梯形的形心。 这样该轮组转向行驶时阻力矩为： m ，。= f q _ z 。f 口， ( 2 1 9 ) 式中 f 一滚动阻力系数； a 一梯形形心与轮组中心距离。( 净1 ，2 ) 根据梯形面积形心公式可得： 比：堡吆二盟：垡! ! 二虫 6 ( v d 3 + v j 2 )1 2 6 r f b ；( 1 一占) g ( v d 4 十v 日)1 2 积 由公式得每个轮组的转向行驶时相对地面的阻力矩为：z f y q 。根据图2 3 中 几何关系可以分别算出每个轮组的转向半径r ，这样可求出每个轮组的阻力矩，整机转 向行驶的阻力矩依然是各轮组阻力矩之和，即：m = m 。，。 2 2 4 转向液压缸推力 转向阻力矩可以通过不同的方法求得，确定之后，即可以求出转向液压缸的推力。 设转向液压缸的最大推力为t ，则 t l r l m( 2 2 0 ) 式中 吖一一个轮组的转向阻力矩； l 一液压缸轴线与转向轮组轴线间的距离； 大连理工大学硕士研究生学位论文 n 一机械效率。 以实际系统为参考，载荷压力为2 0 0 吨，最小的转向力臂为o 1 7 m ，机械效率取0 9 5 。 根据塔布莱克公式，带入数据，取最大的m 为设计参考。由式2 1 1 得到系统的单个轮 组最大转矩为8 4 x 1 0 5 n m ，通过式2 2 0 ，计算出的单个转向液压缸最大输出推力为 4 3 x 1 0 5 n 。 根据梯形法，由式2 1 9 得到单个轮组的最大转矩为1 8 5 x 1 0 5 n m ，通过式2 2 0 ，计 算出的单个转向液压缸最大输出推力为1 1 4 x 1 0 - 5 n 。 综合以上算法，选择液压缸的最大输出推力为4 3 x 1 0 5 n 为设计参考。 2 3 本章小结 转向系统阻力矩计算是设计和分析转向系统的基础。 本章首先分析了全轮转向系统的转向方式，根据几种典型的转向方式，确定系统转 向的可行性。在转弯阻力矩算法一节中，介绍了系统的转向原理，同时对转向阻力矩进 行了分类，着重讨论了非行驶状态原地转向阻力矩和从非行驶状态到行驶状态瞬时的摩 擦阻力矩。考虑到滑移因素对整车摩擦阻力转矩的影响，引入了轮胎滑移速度理论。最 后，通过比较，计算出系统的最大转向阻力矩以及单个液压缸的最大输出推力，为转向 轮组液压系统的仿真以及转向系统的设计提供了理论依据。 平板车转向轮组液压系统参数优化与仿真 3 转向动力机构分析 阀控缸伺服系统是一种液压动力机构，主要由液压控制元件( 伺服阀) 和液压执行 元件( 液压油缸) 组成。在液压伺服系统中，液压动力元件是一个关键性的部件，直接 影响系统的动、静态品质。本章将就轮组转向原理、稳定性和动态品质进行介绍和分析， 为平板车转向液压伺服系统的设计提供基础。 3 1 轮组转向系统工作原理 驾驶员转动方向盘后，通过皮带齿轮同步带动输入电位器旋转，给出方向指令信号， 送入主放大器。同样，车轮位置信号通过反馈电位器，给出反馈信号，送入主放大器。 两者在主放大器内进行比较。若有偏差时，偏差信号经放大后输入电液伺服阀，然后转 换成流量输出而推动液压缸工作，驱动车轮向消除偏差方向转位。此时，车轮保持了由 方向盘给出的方向，从而实现了方向控制。 图3 1 轮组转向系统工作原理图 f i g 3 1w h e e lg r o u pv e e r i n go r g a n i z a t i o np r i n c i p l ed r a w i n g 轮组转向系统工作原理如图3 。1 所示，从而得到如图3 2 所示转向控制系统方块图。 大连理工大学硕士研究生学位论文 反馈电位器 图3 2 轮组转向控制系统方块图 f i g 3 2w h e e lg r o u pv e e r i n gc o n t r o lo r g a n i z a t i o nd i a m o n d sd r a w i n g 根据某实际2 0 0 吨平板车液压转向系统，选用型号为g 6 7 1 3 0 0 3 h 1 9 j o f m v p l 的m o o g 伺服阀，液压缸参数为1 3 0 8 0 - 1 0 0 0 。该伺服阀具有高速反应能力，喷嘴挡板每毫米小于 1 0 行，无电信号时阎芯处于中位，阀泄漏方式为内泄，电流不超过2 0 m a 。图3 3 为伺 服阀的理论频响特性曲线。 图3 3 伺服阀理论频响特性曲线 f i g 3 3t h et h e o r yf i - e q u e n c yr e s p o n s ec u r v eo f s e r v ov a l v e 本系统采用的伺服阀为5 9 d m ，从给出电信号到伺服阀做出响应时间为6 微秒。额定 流量是在额定电流和规定阀压降下所测得的流量，额定流量表明阀的规格，是选择伺服 阀的标准。本系统中伺服阀的额定流量为1 9 l m i n 。图3 4 为阀的流量特性曲线，从中 可以看出阀的额定流量、零偏和滞环等。 平板车转向轮组液压系统参数优化与仿真 “( l r a i n ) + 1 9 l n i n 壮b 形 ，一1 夕 夕，鼍义流量自线 产了千觏 顿定电流 额定电流 f i , i f 2 0 ， + 2 0 乡一 形辔 啊 一1 9 l 1 图3 4 伺服阀流量特性曲线 f i g 3 4t h ef l u xc t m m c t c r6 u r v eo f s e r v ov a l v e 由于力矩马达磁路的磁滞现象和伺服阀芯游隙的存在，伺服阀的流量回归曲线呈现 出磁滞回环。伺服阀的磁滞回环规定为输入电流缓慢地在正、负额定电流之间作一个循 环时，产生相同输出流量的两个输入电流的最大差值与额定电流的百分比。该伺服阀的 零偏电流为0 2 5 m a ，通过计算，滞环为2 5 。 由于放大器采用深度电流负反馈形式，输出阻抗极高，可以看成是一个比例环节， 其传递函数为： 彬( s ) = 石1 = 量 式中 ( 3 1 ) 墨一放大器的增益。 通常，伺服阀具有很高的响应特性，与其他液压动力元件相比，其动态特性可以忽 略。在大惯量、低频率系统中亦可作为一个比例环节，其传递函数为： w 2 ( s ) = 等喝 ( 3 2 ) 式中 疋一电液伺服阀流量增益a 在此位置控制系统中，考虑到阀控液压缸作为功率输出元件，忽略弹性负载，在外 部负载力为e 时，传递函数为： 大连理工大学硕士研究生学位论文 牛一kq s ( 二+ 2 1 生s + 1 ) 磊寄怦音厩 岬，= x 墨_ _ l = s 。乓k + q 甄a p 哪，：鲁：筵 ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) 平板车转向轮组液压系统参数优化与仿真 图3 5 系统传递函数方块图 f i g 3 5t h ed i a m o n d sd r a w i n go f s y s t e mt r a n s f e rf u n c t i o n 3 2 系统稳定性和动态品质分析 由图3 5 可得到系统开环传递函数为 吣) = 1 s c 罢c o h + 2 鲁洲， 式中 k ，= n k l k q a p 电压输入位移输出的闭环响应为： x 。 l 挖 u 1 + 了s ( 罢+ 堕+ 1 ) k v 、o ) ? h 1 这个三阶方程可以用一阶和二阶因子表示： x 。 1 h u ，( 曼+ 1 ) ( 篓+ 盗+ 1 ) 0 9 b n ； ” 式中 一闭环一阶因子的转折频率， k 一闭环二阶因子的转折频率， 。一二阶因子阻尼比。 当磊和置值都较小时，可以近似：= ( o h ， 负载干扰对输出的响应为： fl ( 3 8 ) ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) 蛾= k ，2 矗。= 2 彘一k ，c o h 。则 大连理工大学硕士研究生学位论文 鲁一百1 k c - + 去踟丢邶c 等+ 等洲， 慨 上式为系统闭环柔度特性，其倒数为闭环刚度特性： 粤：兰鲎垂望：! 乃 ( 1 + 去回 因为玄与可为i 比较接近，故可以近似认为这两个环节相互抵消，上式可以简化为： 专一警c 芸+ 等洲， 以上分别给出了阀控缸在输入信号和干扰信号下的动态特性传递函数，以下对具体 影响系统性能的几个参数进行分析。 ( 1 ) 速度放大系数足。4 。 阀控缸传递函数中包含一个积分环节，对于慢输入信号来说，液压缸的输出速度与 伺服阀的输出位移成正比，比例系数就是速度放大系数。它表明伺服阀对液压油缸控制 的灵敏度。速度放大系数直接影响闭环系统的稳定性、响应速度和静态精度。提高放大 系数可以提高系统的响应速度和静态精度，但使系统的稳定性变差。由于a 。是常量， 主要由系统的负载特性决定，所以速度放大系数主要由阀流量增益疋决定。疋随着工 作点发生变化，在零位时疋最大，随着负载增大，丘减小。本伺服系统中，速度放大 系数降低不会对系统稳定性产生不利影响，在计算稳定性时，采用空载流量增益，在计 算静态特性时采用最小流量增益。 ( 2 ) 液压固有频率纯 液压固有频率是负载惯性与液压缸中油液压缩性相互作用的结果。由于液体具有压 缩性，当液压缸受到外力作用时，则一腔压力将升高，另外一腔压力将降低，被压缩的 液体的作用相当于一个线性弹簧。自动控制系统的响应速度受到系统中组成元件的最低 固有频率所限制。液压固有频率通常是系统中最低的频率，其大小就决定了系统响应的 快速性。要提高系统的响应速度，就要提高液压固有频率。由式3 4 可知，通过调整各 个参数，可以达到相应的目的：适当减小负载质量可以提高液压固有频率，本系统中， 质量参数已经确定，不能做大幅度调整：减小系统的总压缩容积k 。其方法是在设计中 尽量减小液压缸无效容积和连接的管路容积，使伺服阀靠近液压缸，采用短而直的管道， 平板车转向轮组液压系统参数优化与仿真 也可以将伺服闼和液压缸连接在一起；在设计液压缸时，尽量减小液压缸的有效横截面 积；忍值受油液的压缩性、管道以及液压缸工作腔的柔性和油液中所含空气影响，在设 计时可以适当提高系统压力可以减少油液中空气含量。 ( 3 ) 液压阻尼比己 液压阻尼比彘几乎是系统所有参数的函数，但真正起作用的是屯和b 。两项。由于 泄漏系数比阀的流量一压力系数小得多，所以液压阻尼比在丘。项中主要取决于k 。的 值。足，值随工作点不同会有很大的变化，在零位时足，最小，从而给出最低的阻尼比。 在计算系统稳定性时，取零位时的k ，值，此时的系统稳定性最差。当工作点远离零位 时，此时阀输入位移和负载压差较大，由于e 值增大使阻尼比急剧增大，甚至超过l ， 使二阶振荡环节变成两个惯性环节，其中一个转折频率低于，另外一个高于。计 算时所得的阻尼比通常比较小，而实际测得的阻尼比要比计算值大一些。零位阻尼比小， 阻尼比变化大是伺服系统的一个特点。液压阻尼比表示系统的相对稳定性，常规的液压 系统是低阻尼的，所以提高阻尼比对于改善系统的性能十分关键。在液压缸的两腔之间 设置旁路泄漏通道以增加系统的泄漏系数，但系统的功率损失增大了，系统的总压力增 益和系统的刚度也降低了；正开口阀的零位流量一压力增益系数大，可以增加阻尼；设 置阻尼器，可以增加系统的粘性阻尼；压力反馈增加阻尼。以上方法可以综合进行考虑。 下面分析系统的刚度特性。 在阀控缸液压伺服系统的设计中，外负载对液压缸的输出位移产生的动态响应不会 明显影响到系统的稳定性，但是工程上比较关注负载变化对液压缸输出位移的影响，这 种影响适合用动态刚度来表示。 通过式( 3 1 3 ) 得到动态刚度： i 专卜警 从式3 1 4 不难看出，系统的动态位置刚度和速度增益成正比，最低值发生在谐振 频率处，近似值为 一争掣 ( 3 1 5 ) 对于刚度要求较高的系统，相应的增益要求也较高。在瓦为零处，得到系统的静 态刚度。在外负载作用下，由于泄漏的影响，稳态时，阀控缸失去了液压弹簧作用，所 以在低频段，动态刚度由液压缸的泄漏决定。在中频段处，由于外干扰力频率较高，液 大连理工大学硕士研究生学位论文 压缸工作腔的油液来不及泄漏，可以看成是封闭的，此时比例环节、惯性环节和理想微 分环节同时起作用，动态刚度可以近似认为是常值。在高频段处，二阶微分环节起主要 作用，动态刚度特性由负载惯性决定，随着频率的增高，惯性负载的作用就越显著。 系统的稳定判据为 矿 ! 符号表示，离开模块，输入端也有一个表示输入的 符号，进入该模