（机械电子工程专业论文）装载机制动控制系统的研究.pdf

浙江夫筝颐士学位论文 摘要 制动系统在轮式工程机械中起着非常重要的作用，是保证人身安全，确保轮 式工程机械正常运行的关键所在，同时，制动性能的好坏还直接影响工程机械的 作业效率。随着工业的现代化，轮式工程机械向高速、重载、自动化等方向发展， 对其制动系统的可靠性、可控性、稳定性等提出了越来越高的要求。动力制动系 统以其优越的制动性能及可靠住被广泛应用于轮式工程机械，目前，国内轮式工 程机械上大部分使用的是气液动力制动系统，而国外普遍采用了全液压动力制动 系统。本文对轮式装载机上的这两种制动系统进行了研究。 第一章，首先介绍了装载机的分类、构成及其发展历程，然后较为详细地总 结了制动系统的作用、分类、构成、制动系统性能的评价指标以及国内外的研究 状况，最后论述了课题的研究意义和研究内容。 第二章、第三章，分别对气液制动系统、全液压制动系统的工作原理以及两 个系统中重要元件的结构和工作原理进行了详细的分析，并建立了两个系统的数 学模型。 第四章，基于前面的数学模型，利用a t e s i m 仿真平台建立了气液制动系统与 全液压制动系统的仿真模型，并对他们进行了仿真研究。通过对仿真结果的分析， 初步得出了在紧急制动时全液压制动系统的制动压力响应快于气液制动系统的 结论。此外，仿真研究了制动管路对制动性能的影响。 第五章，分别在c g 9 3 5 i t 型和z l 4 0 f 型装载机上对两种制动系统进行了实验研 究，实验结果与仿真结果基本吻合，验证了仿真模型的正确性，仿真模型可用于 后续的研究工作，最后对两种制动系统进行了综合比较。 第六章，对全文进行了工作总结，并对后续工作进行了展望。 关键词：气液制动系统；全液压制动系统；建模；仿真；制动压力响应 制动性能 浙江大学硕上学位论文 a b s t r a c t b r a k es y s t e mp l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei nw h e e le n g i n e e r i n gm a c h i n e i ti sa k e yp a r tf o re n s u r i n gp e r s o n a ls a f e t ya n dn o r m a lo p e r a t i o no fw h e e le n g i n e e r i n g m a c h i n e a tt h es a l l et i m e ，b r a k i n gp e r f o r m a n c ed i r e c t l yi n f l u e n c e s t h ew o r k i n g e f f i c i e n c yo fe n g i n e e r i n gm a c h i n e w i 也t h em o d e r n i z a t i o no ft h ei n d u s t r y , w h e e l e n g i n e e r i n gm a c h i n ei sd e v e l o p i n gt o w a r d sh i g l l s p e e d ，h e a v yd u t ya n da u t o m a t i o n s ot h ed e m a n df o rr e l i a b i l i t y , e o n t r o l l a b i l i t y , s t a b i l i t yo fw h e e le n g i n e e r i n gm a c h i n e s b r a k es y s t e mi sm o r ea n dm o r eb j i g h p o w e rb r a k es y s t e mi su s e dw i d c l yi nw h e e l e n g i n e e r i n gm a c h i n ed u et oi t se x c e l l e n tb r a k i n gp e r f o r m a n c e a tp r e s e n t ，m o s to f d o m e s t i ce n g i n e e r i n gm a c h i n ea d o p ta i r - o v e r - h y d r a u l i cb r a k es y s t e m ，w h i l eg e n e r a l a p p l i c a t i o no ff u l lp o w e rh y d r a u l i cb r a k es y s t e mi nf o r e i g nc o u n t r y t h i st h e s i s r e s e a r c h e so nt h et w ob r a k es y s t e m sw h i c ha r ea d o p t e db yw h e e ll o a d e r i n c h a p t e rl ，f i r s t l y i n t r o d u c e sl o a d e r s c l a s s i f i c a t i o n , c o m p o s i t i o n a n d d e v e l o p m e n tc o u r s e 。t h e n , d e t a i l e d l y s u m m a r i z e sb r a k es y s t e m sf u n c t i o n c l a s s i f i c a t i o n ，c o m p o s i t i o n , e v a l u a t i n gi n d i c a t o ro fb r a k i n gp e r f o r m a n c ea n dt h e r e s e a r c hs t a t u si nd o m e s t i ca n d 南r e i 髓a tl a s t , d e s c r i b e st h er e s e a r c hs i g n i f i c a n c e a n dr e s e a r c hc o n t e n t so f t h i st h e s i s i nc h a p t e r2a n d3 ，t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fa i r - o v e r - h y d r a u l i cb r a k es y s t e m ，f u l l p o w e rh y d r a u l i cb r a k es y s t e m , t h es t r u c t u r ea n dt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fi m p o r t a n t c o m p o n e n t si nt w os y s t e m sa r ea n a l y z e dr e s p e c t i v e l yi nd e t a i l t h e n , m a t h e m a t i c m o d e l so f t h e s es y s t e m sa r eb u i l t i nc h a p t e r4 ，b a s eo i lt h em a t h e m a t i cm o d e l s ，t h es i m u l a t i o nm o d e l so ft h o s et w o s y s t e m sa l es e tu po nt h ea m e s i ms i m u l a t i o np l a t f o r ma n ds o m es i m u l a t i o ns t u d y i s d o n e i tp r i m a r i l yc o n c l u d e st h a tt h eb r a k i n gp r e s s u r er e s p o n s eo ff u l lp o w e r h y d r a u l i cb r a k es y s t e m i sf a s t e rt h a na i r - o v e r - h y d r a u l i cb r a k es y s t e m t h r o u g h a n a l y z i n go nt h es i m u l a t i o nr e s u l t s b e s i d e s ，t h ee f f e c to nt h eb r a k i n gp e r f o r m a n c e w i t hb r a k ep i p ei ss t u d i e d i nc h a p t e r5 e x p e r i m e n t so f t h et w os y s t e m sa r ed o n eo nt h ec g 9 3 5 ha n dz i m o f l o a d e rr e s p e c t i v e l y t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ei nb a s i ca g r e e m e n tw i t l lt h e s i m u l a t i o nr e s u l t s 1 1 1 es i m u l a t i o nm o d e l sa r ev a l i d a t e db ye x p e r i m e n t sa n dc a l lb e u s e df o rf u t u r ew o r k a tl a s t , c o m p r e h e n s i v ec o m p a r i s o no f t h et w os y s t e m si sd o n e i nc h a p t e r6 ，s u m m a r i z e st h er e s e a r c hw o r ko ft h ew h o l et h e s i sa n dg i v e sa p r o s p e c to f t h en e x ts t e p sw o r k k e yw o r d s ：a i r - o v e r - h y d r a u l i cb r a k es y s t e m ；f u l lp o w e rh y d r a u l i cb r a k es y s t e m ； m o d e l i n g ；s i m u l a t i o n ；b r a k i n gp r e s s u r er e s p o n s e ；b r a k i n gp e r f o r m a n c e 学号丝塑塑 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，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过的研究成果，也不包含为获得迸垄盘茔或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：硝，百乏 签字日期：妒椤年7 月罗日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解澎鎏盘茔有关保留、使用学位论文的规定， 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工作装置以及驾驶操作系统的布置等提出特殊要求后在露天用装载机基础上变 形设计而成的【2 1 。国内外生产和使用的绝大多数是露天轮胎式装载机，在2 0 0 6 年的b a u r n ac h i n a 上，只展出了一台履带式装载机，可见，履带式装载机在国内 是没有市场的f 3 t 。轮胎式装载机由动力装置、车架、行走装置、传动系统、转向 系统、制动系统、液压系统和工作装置等组成，如图1 1 所示【2 】。 浙江大学硕士学位论文 1 一柴油发动机2 一液力变矩器3 一变速箱4 一前、后桥5 一车架铰链 6 一动臂提升油缸7 一转斗油缸8 一铲斗9 一驾驶室1 0 一燃料箱1 1 一滤清器 图1 1 轮式装载机结构示意图 1 1 2 国内外装载机技术及行业的发展 装载机发展至今已有七八十多年的历史了，最初的装载机是由农用拖拉机改 装而成的。1 9 3 9 年由美国霍克公司制造的斗容为0 2 5 5 m 3 的p a y 型装载机，尽管 其性能较差，但是已经具备了轮胎式装载机的雏形。1 9 5 0 年出现了第一台带有 液力变矩器的轮胎式装载机，使装载机能够很平稳的插入料堆并且使工作速度增 快。1 9 6 0 年出现了第一台铰接式装载机，大大改善了装载机的转向性能，增加 了机动性和纵向稳定性。随着液力变矩器和铰接转向技术的革新，装载机的斗容 量迅速增加，1 9 6 5 年出现了斗容7 5 m 3 的铰接式装载机。目前世界上的大型装载 机的斗容量已达2 4 5 m 3 ，发动机总功率达1 4 7 9 8 3 k w 【4 】。 到2 0 世纪9 0 年代中末期国外轮式装载机技术已达到相当高的水平，基于液 压技术、微电子技术和信息技术的各种智能系统已广泛应用于装载杌的设计、计 算操作控制、检测监控、生产经营和维修服务等各个方面，使国外轮式装载机在 原来的基础上更加“精制”，其自动化程度也得以提高，从而进一步提高了生产 效率，改善了司机的作业环境，提高了作业舒适性，降低了噪声、振动和排污量， 保护了自然环境，最大限度地简化维修、降低作业成本，使其性能、安全性、可 靠性、使用寿命和操作性能都达到了很高的水平。国外轮式装载机的发展趋势是 系列化，微型以及特大型化，进一步普及应用液压技术、微电子、信息技术，增 强安全性，舒适性、可靠性，向节能与环保方向发展f 2 j 。国外著名的装载机制 造厂家有美国的卡特彼勒，日本的小松、j | i 崎重工、日立，德国的利勃海尔，韩 国的大宇等等忡l 。 我国的轮式装载机行业起步较晚，1 9 5 8 年，上海港口机械厂首先测绘试制 了6 7 k w ，斗容量l m 3 的z 4 3 5 型装载机，是我国自己制造的第一台装载机【7 】。 2 浙江大学硕学位论文 我国的装载机制造技术是陆续从美国、德国和日本等国家引进的。目前，我国轮 式装载机生产技术水平只相当于发达国家2 0 世纪8 0 年代的生产制造水平。虽然 目前国内轮式装载机生产厂家群雄并立，并且有增无减，但国内的企业自主开发、 创新能力较弱，产品更新换代以适应市场需求的能力较差，不能及时适应市场的 需求。在生产制造上，工艺装备水平和生产能力低，造成关键零部件技术不过关， 整机可靠性，故障率，使用寿命，机、电、液一体化水平，外观质量，操作的灵 活性和舒适性方面与先进国家产品相比差距较大，产品质量不稳定，档次低，缺 乏高科技含量。尽管国产轮式装载机的技术发展水平与西方发达国家存在着很大 的差距，但应该考虑到历史和国情的原因。目前国产轮式装载机亦正在从低水平、 低质量、低价位、满足功能型向高水平、高质量、中价位、经济实用型过渡。从 仿制仿造向自主开发过渡，各主要厂家也不断进行技术投入，采用不同的技术路 线，在关键部件及系统上技术创新，摆脱目前产品设计雷同，无自己特色和优势 的现状【2 】 目前，国内的装载机主要生产商有柳州工程机械集团公司、厦门工程机械有 限公司、龙工控股有限公司、山东l 临工工程机械有限公司、徐州工程机械集团公 司、成都成工工程机械股份公司等【s 1 。其中柳工、厦工、龙工从2 0 0 4 年起年销 售量均超过1 万台，这三家企业形成了国内装载机阵营，2 0 0 6 年占据了市场总 份额的4 4 【9 1 。我国装载机机型主要集中在3 t 级( 包括3 5 t 级) 、4 t 级和5 t 级3 种机型上，6 t 级以上，特别是8 t 级以上的大吨位机种，国内成熟的产品不多， 主要是使用进口或合资、独资企业产品。进口的装载机以卡特彼勒、小松、沃尔 沃等公司的产品为主。 近几年，国内基础设施项目不断增多，对装载机的需求量大，世界装载机巨 头纷纷盯着中国的市场，但是国内的装载机市场主要集中在1 5 6 o t ，国内这些 型号装载机在性价比、配件、服务等方面，特别是性价比占据了绝对优势，国外 装载机由于价格太高，配件、服务等方面不具备优势，因此在中小型装载机市场， 国外装载机无法进入中国市场。国外装载机为了进驻国内，采取收购国内装载机 生产商，如2 0 0 4 年卡特收购山工，沃尔沃收购临工大部分股份，神钢收购成工等 等【9 1 fo o l 。 1 2 制动系统概述 1 2 1 制动系统的作用与分类 制动系统在行使车辆中起着非常重要的作用，是保证人身安全，确保车辆正 常运行的关键所在，对车辆起制动作用的只能是作用在车辆上且方向与车辆行驶 方向相反的外力，丽这些外力的大小都是随机的、不可控制的，因此车辆上必须 装设一系列专门装置以实现上述功能，这一系列装置就组成了制动系统。 浙江大学硕士学位论文 由于划分标准的不同，制动系统有不同的分类，大致有如下几种分类： ( 1 ) 按制动系统的作用划分【l l 】【1 2 】 按制动系统的作用划分，制动系统可分为行车制动系统、驻车制动系统、应 急制动系统及辅助制动系统等。 1 行车制动系统：用以使行驶中的车辆降低速度甚至停车的制动系统，不 论车速高低、载荷大小、上坡还是下坡，行车制动系统均必须能控制车辆的行驶， 并且能使车辆安全、迅速、有效的停止。 2 驻车制动系统：用以使已停驶的车辆驻留原地不动的制动系统，它依靠 纯机械装置锁住，即使在驾驶员不在的情况下，也能将车辆停留在一定角度的坡 道上。 3 应急制动系统：在行车制动系统失效的情况下，保证车辆仍能实现减速 或停车的制动系统。 4 ，辅助制动系统：在行车过程中，辅助行车制动系统降低车速或保持车速 稳定，但不能将车辆紧急制停的制动系统，它是为在下长坡时保持稳定车速，避 免超速失事，并减轻行车制动装置负荷的系统。 上述各制动系统中，行车制动系统和驻车制动系统是每一辆车辆都必须具备 的。 ( 2 ) 按制动操纵能源划分i l l 】【1 2 】 按制动操纵能源划分，制动系统可分为人力制动系统、动力制动系统和伺服 制动系统等。 1 人力制动系统：仅靠驾驶员提供唯一制动能源的制动系统，它是最原始 的制动系统，驾驶员操纵一组简单的机械装置向制动器施加作用力，动力由驾驶 员提供，驾驶员所施加的力直接控制制动强度，因此只适用于车辆的质量比较小， 速度比较低的情况。它有机械式、液压式制动两种形式，机械式制动主要用于驻 车制动系统中，驻车制动系统中要求用机械锁止方法保证车辆在原地停止不动， 在任何情况下不至于滑动。液压式制动是通过制动踏板推动制动主缸，进而使制 动器进入制动状态。 2 动力制动系统：完全靠由发动机的动力转化而成的气压或液压形式的能 量进行制动的系统，制动能源是发动机所驱动的油泵或者气泵，人力仅作为控制 作用，通过控制传给制动器的动力的大小来控制制动强度。它包括气压制动、气 项液制动、全液压制动等。当动力消失肘，笨动失效。 3 伺服制动系统：兼用人力和发动机动力进行制动的制动系统，又称为助 力制动系统，正常情况下制动能量由动力伺服系统供给，当动力伺服系统失效时 可由人力供给制动能量，这时伺服制动就变为人力制动。它可用气压能、真空能 ( 负气压能) 以及液压能作为伺服能量，形成各种形式的助力器装置。 4 浙江大学硕士学位论文 ( 3 ) 按制动能量的传输方式划分1 2 j 按制动能量的传输方式划分，制动系统可分为机械式、液压式、气压式、电 磁式等。同时采用两种以上传能方式的制动系称为组合式制动系统。 1 机械式：通过杆系、钢丝绳、软轴等传力，但布置困难，传动效率低， 易磨损、锈蚀、产生间隙，工作不可靠，仅用于驻车制动系统中。 2 液压式：通过液压传动，管路连接设计布置方便，工作压力大，驱动机 构各元件结构紧凑尺寸小，液体压缩性差，作用滞后时间短，制动响应好， 3 气压式：管路连接设计布置方便，工作压力小，驱动机构各元件尺寸和 体积大，比较笨重，气体具有可压缩性，制动气压上升和排除较慢，作用滞后时 间较长，制动响应慢，制动强度容易控制，制动缓和。 综上所述，制动系统的分类总结如表l 所示。 表l 制动系统的分类【1 3 1 划分标准类型特点 行车制动系统车辆正常行驶中使用。 使 应急制动系统行车制动系失灵时，保证车辆实现 用 减速或停车。 目 辅助制动系统用以完成行车制动系的部分任务。 的 驻车制动系统车辆驻车时使用。 使人力制动系统 以人力作为动力源。 用 伺服制动系统通过外力强化人力作为动力源。 能 动力制动系统人力只起控制作用，外力作为动力 源 源。 制动装 单回路制动系统一个地方出现故障，整个系统失 置布置灵。 形式 双回路制动系统 某一制动回路发生问题，另一回路 仍能正常工作。 1 2 2 制动系统的构成 制动系统主要由下面的4 个部分构成，见图1 2 所示【1 4 1 1 1 5 】： ( 1 ) 供能装置：也就是制动能源，包括供给、调节制动所需能量以及改善 传能介质状态的各种部件，产生制动能量的部分称为制动能源，图中的制动系统 是靠人力来提供制动能源的： ( 2 ) 控制装置：包括产生制动动作和控制制动效果的部件，图中的控制装 置为制动踏板； ( 3 ) 传动装置：包括把制动能量传递到制动器的各个部件，如图中的制动 浙江大学硕士学位论文 主缸4 、制动轮缸6 、管路5 等； ( 4 ) 制动器：产生阻碍车辆运动或者运动趋势的力的部件，也包括辅助制 动系统中的缓速装置，如图中的蹄式制动器。 现代的制动系统还包括制动力调节装置和报警装置，压力保护装置等辅助装 置。 1 一制动踏板2 一推杆3 主缸活塞4 一制动主缸5 管路6 一制动轮缸7 一轮缸活塞 8 一制动鼓9 一摩擦片1 0 一制动蹄1 1 一制动底板1 2 一支承销1 3 制动蹄复位弹簧 图1 2 简单制动系统 供能装置、控制装置、传动装置组成了制动系统的制动驱动机构，制动器为 执行机构，由制动器产生制动力矩，对车辆实施制动。由于划分标准不同，制动 器的分类有如下两种方法： 1 、根据制动器的结构形式划分，可分为带式制动器、蹄式制动器、盘式制 动器等。它们都是机械制动形式，属于摩擦制动器，利用固定元件与旋转元件工 作表面的摩擦而产生制动力矩。带式制动器是依靠挠性钢带上的摩擦衬带与制动 轮间产生的摩擦制动力矩，带式制动器包角较大，产生的制动力矩较大，但是受 力和磨损不均匀，只适用于结构紧凑，制动力矩大的场合；蹄式制动器的制动是 靠衬片和制动轮的外表面或制动鼓内表面的接触摩擦而形成的，包角比带式制动 器的小，可在任一个方向有效制动；盘式制动器的摩擦副是在轴向受载后相互紧 压而产生制动力矩，具有结构简单、制动可靠、散热性好、抗热衰退性较高的优 点，而且它是轴向加载，对轴无附加弯矩【1 6 j 【1 7 j 。 2 、根据制动器所在的制动系统划分为车轮制动器、停车制动器、紧急制动 6 浙江大学硕士学位论文 器、辅助制动器。车轮制动器也称为主制动器，一般用于行车制动，安装于车辆 的四个车轮上，是由司机用脚操纵的，所以也叫脚制动器，主制动器一般采用摩 擦制动器。停车制动器多用于场地，尤其在坡道上停车后防止车辆滑移，一般装 在装载机变速箱后的传动轴上，也有的装在车轮轴上，一般由手来操作，所以也 称手制动器。紧急制动器通常也是装在变速箱后的传动轴上，具有独立的驱动机 构，供紧急制动或主制动系发生故障时备用的，辅助制动器一般是装在传动轴上 的液压制动或装在发动机排气管上的排气制动，以便于下长坡时作为辅助制动。 一般小吨位工程机械仅有车轮制动器和停车制动器两种，大吨位工程机械才具有 上述全部制动装置【2 】。 1 2 3 制动系统的基本要求与性能评价指标 由于制动系统是保障安全的关键所在，它在车辆中的地位非常重要，因此对 于车辆的制动系统的基本要求如下【2 】： ( i ) 具有足够的制动力，确保行车安全，制动器在一定的外廓尺寸下，充分 利用传力，助力机构传来的力，产生尽可能大的制动力矩。 ( 2 ) 操作轻便省力，以减轻驾驶员的疲劳强度。 ( 3 ) 制动时制动力应迅速平稳的增加，而在解除制动时能迅速彻底的松开车 轮。 ( 4 ) 制动器的摩擦片材料应具有较大的抗热性能及较大的摩擦系数和耐磨寿 命，磨损后能调整，最好能自动调整，报废后能方便的更换。 ( 5 ) 制动器在结构上应具有良好的散热性，以延长其使用寿命。 制动系统的性能评价指标主要包括制动效能、制动效能的恒定性、制动时的 方向稳定性等。制动效能是指车辆制动时迅速降低行驶速度直至停车的能力，评 定制动效能的指标有制动减速度、制动距离、制动时问等，通常以与行车安全有 直接关系的制动距离作为衡量制动效能的指标，表2 是建筑工业行业标准中对制 动距离的规定，它适用于所有的轮胎式土方机械( 如轮式装载机、牵引车、平地 机、挖掘装载机、铲运机、挖掘机等等) 。制动效能的恒定性是指制动器抵抗热 衰退、水衰退的性能，热衰退是指制动器温度升高后，制动器摩擦片的摩擦系数 降低，导致摩擦力矩下降的现象，水衰退指摩擦片浸水后后，水起到一定的润滑 作用，使摩擦系数降低的现象。希望车辆无论在直道行驶还是弯道行驶中，制动 时维持按预定的方向减速或停车，这种保持方向的能力称为制动时的方向稳定 性，制动时常见的方向不稳定现象有跑偏和侧滑【i i j 【1 8 】。 浙江大学硕士学位论文 表2 轮胎式土方机械的制动性能1 9 】 车辆类型最大质量 行车制动系统的辅助制动系统的制 ( 埏)制动距离( m ) 动距离( m ) 在公路上行驶的轮 v 2v 2 胎式土方机械 _ _ ，_ 6 8 3 9 不在公路上行驶的m 3 2 0 0 0 6 81 2 4 3 2 0 0 0 。4 43 91 3 0 。3 2 0 0 0 13 0 注：如果最高车速低于3 2 k n g h 时，制动距离公式都应加修正值+ o 1 ( 3 2 - v ) 。 1 2 4 国内外对制动系统的研究状况 据有关资料表明，1 9 9 9 年，由于车辆本身原因而引起的交通事故中，2 8 3 是由于制动系统故障所引起的【2 0 】。由于制动系统的重要性，国内外对制动系统 的研究较多，特别是国外，f i s h e r 【2 、k h a n t 2 引、r a z a t 2 、h i m i l i k o 2 4 1 、s u h l - a m a n i a n | 2 5 1 、 a c a r m a n 2 6 1 等都对制动系统做过较深的研究，建立过系统的模型，但都是针对气 压制动或者气液制动系统的研究，对全液压制动系统的研究较少，k e y s d ”。o j 对全液压制动系统的原理、应用做过详细的阐述。国内有关介绍制动系统的书籍 也较多，但是大部分只是对制动系统及制动元件原理性的介绍，以及制动系统的 应用和维修的介绍，没有深入的研究。王兴东等【3 1 1 分析了用于多轴车制动系气 液混合型执行机构各元件的动态特性，提出了一种鼓式制动器的弹性特征模型， 建立了用于整个执行机构的动态特性分析的数学模型。虽然模型己比较精确，但 是由于其模型复杂，参数多，每个参数对制动性能的影响不甚明确，故在工程实 际中应用起来非常不方便。田晋跃3 2 1 等人建立了简化的全液压制动系统的数学 模型，利用m a t l a b s i m u l i n k 对其进行了初步的仿真研究，但是缺少实验验证；林 慕义p 3 1 等人通过仿真与台架实验相结合，分析了各种制动工况变化对系统动态 响应特性的影响，在仿真时将蓄能器简化为了恒压供液，存在不足。因此有必要 建立一种简单合理的模型，并进行现场实验。 在生产领域，国外比较著名的制动元件生产厂家有m i c o 、b e n d i x 、m i d l a n d b r a k e 、m a x i b r a k e 、t s eb r a k e 、k e l s e y - h a y e s 等等，其中美国m i e o 公司是专业 从事设计、生产工程机械上的制动元件的厂家，产品覆盖面广，从气液制动系 统元件、双流体制动系统元件到全液压制动系统元件、a b s 制动元件等都有。 国内大部分制动元件生产厂商的产品主要以气压、气液制动元件和低端的全液 压制动元件为主，少数企业能够生产较先进的全液压制动元件，如海宏集团生 产的h b v - l i o f 液压制动阀和a c v - l 2 5 f 充液阀。 浙江大学硕士学位论文 1 3 课题的研究意义与研究内容 1 3 。l 研究背景及意义 随着我国生产力与国民经济的迅速发展，国家对铁道、公路、机场、码头和 城市公用基础设施等项目投资力度的加强，特别是我国近几年大型工程项目较 多，如三峡水电站，南水北调，西部大开发等，为了保证各种工程建设的高速度、 高质量和低成本并减轻劳动强度，需要提高现代化生产程度，因此越来越多的工 程机械已投入到生产建设中，在各行业中发挥着重要的作用，表3 列出了近几年 国内工程机械主导产品的大致产量口“。 由表3 可以看出工程机械主导产品的产量基本逐年增加，特别是2 0 0 0 年以来， 随着经济的快速发展，对工程机械的需求量飞速增加，工程机械的产量因此猛增， 各工程机械的产量从2 0 0 0 年至2 0 0 3 年翻了近三倍。 表3 工程机械部分主导产品的产量p 4 1 年份 1 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 12 0 0 22 0 0 3 产品 液压挖掘机 4 0 0 0 6 2 0 08 2 0 01 3 0 0 02 0 3 0 03 4 0 0 0 装载机 2 0 0 0 02 2 0 0 02 4 0 0 03 0 0 0 05 5 0 0 08 0 0 0 0 推土机 3 3 0 03 3 0 02 8 5 03 1 0 05 0 0 07 7 0 0 平地机5 6 0 1 2 0 0 7 8 06 5 01 2 0 0 1 8 0 0 工程起重机2 6 2 8 3 03 5 0 0 4 1 5 0 6 8 0 01 0 0 0 0 叉车 1 2 0 0 01 3 0 0 01 8 0 0 02 0 0 0 02 6 0 0 04 8 0 0 0 压路机5 0 0 0 6 0 0 05 9 0 0 6 3 0 0 9 3 0 01 3 0 0 0 摊铺机 3 0 03 5 04 5 04 8 0l 1 0 01 2 0 0 轮式装载机是工程机械中发展最快，产销量、市场需求量最大的机种，国民 经济的快速发展与国家基建规模及资金投入的增大，促进了装载机行业的发展， 生产企业由1 9 8 0 年的2 0 家发展到现在的1 0 0 多家，初步形成了0 8 1o c 的1 9 个系列 型号品种，并已成为工程机械的主力机种【7 1 。近年来，无论是销售收入还是销售 量，装载机都在我国工程机械行业中占据相当大的比例，1 9 9 7 2 0 0 4 年装载机年 销售收入占工程机械年销售收入的比重见表4 所示，从表中可以看出，装载机的 年销售收入占工程机械行业的比重除2 0 0 0 年、2 0 0 1 年稍低外，其余年份部在2 8 左右1 3 5 1 。从表3 可以看出装载机的年销售量也占绝对优势，2 0 0 3 年已达8 0 0 0 0 辆， 最新统计数据表明，2 0 0 5 年装载机的年销售量突破了1 1 万台，占据了世界装载机 市场的大半壁江山，中国已成为世界上最大的装载机产销副3 5 l 。 2 0 0 6 年是。十一五”的开局年，装载机的销售量已达1 3 万辆f 9 】，国家和各地 9 浙江大学硕土学位论文 方政府都在“十一五”规划中明确要加大基础设施建设的投资力度，这将进步 刺激市场对土石方施工机械需求。由于装载机价廉物美，比同吨位挖掘机产品价 格低得多，且装载机维修方便、操作简单、配件充足，因此许多可用挖掘机，也 可用装载机的用户更倾向于购买装载机。此外，矿产、能源及水电建设等工程的 大量增加，也给装载机提供了新的用武之地。 表41 9 9 7 2 0 0 4 年装载机销售收入占工程机械销售收入的比重( 亿元) 1 3 5 项目1 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 1 2 0 0 2 2 0 0 32 0 0 4 工程机械 1 6 3 6 1 6 8 4 2 0 7 72 3 82 6 4 73 6 7 45 6 4 17 4 6 7 销售收入 装载机 4 6 84 7 15 65 3 56 5 71 0 7 41 6 2 21 9 6 4 销售收入 比重( ) 2 8 6 2 8 2 72 2 5 2 4 8 2 9 2 2 8 82 6 _ 3 由于装载机的产销量越来越大，在各个行业中广泛使用，因此它在社会生产 中的地位越来越重要，为了减小由于装载机的故障所带来的损失，需要不断提高 装载机的整机性能，而制动性能是装载机各项性能中比较重要的一项，它担负着 装载机以及人身的安全，同时，只有保障了装载机的安全运作，各工程建设才能 顺利进行，轮式装载机的安全主要是指行驶时的安全，这部分由制动系统保障。 因此制动系统是轮式工程机械中不可缺少的组成部分。此外，制动性能的好坏还 直接影响装载机的作业效率，因此也影响经济效益。制动系统最突出的问题是制 动响应滞后和制动拖滞，制动响应滞后是指从开始实施紧急制动至制动加速度达 到最大所需要的时间较长，制动拖滞是指释放制动后，制动器存在分离不彻底或 者分离较慢的现象，制动响应滞后的后果是增大了制动距离，容易引发安全事故， 制动拖滞的后果是制动器发热严重，减短了制动器的使用寿命，同时有可能使装 载机再次起步时产生起步困难或者起步时发动机熄火。随着轮式装载机吨位的增 加以及行驶速度不断的提高，制动时的惯性相应增大，结果使制动距离增长，需 要配备优越的制动系统来保障行车安全，因此对制动系统的研究是十分有意义 的。 1 3 2 研究内容 本论文主要以c g 9 3 5 h 型及z i a o f 型装载机的制动控制系统为研究对象， 对两种系统进行了对比研究，其中以z i a o f 型装载机的制动控制系统为研究重 点。c g 9 3 5 h 上采用气液制动系统，z l 4 0 f 采用全液压制动系统，制动器均为湿 式盘式制动器，这两种系统都是动力制动系统，目前应用较广泛，它们不仅可用 于轮式装载机，同样适用于所有的轮式工程机械。本论文对这两种制动系统以及 1 0 浙江大学硕士学位论文 系统中重要元件的工作原理做了详细的分析，建立了这两种制动控制系统的数学 模型与仿真模型，对其进行了仿真研究与实验研究，对两种系统进行了比较，得 出了一些有意义的结论。 1 4 本章小结 本章第一节阐述了装载机的基本知识以及国内外装载机行业的发展状况。 第二节介绍了制动系统的作用、分类、组成以及对制动系统的基本要求、性 能的评价指标等内容，通过查阅文献资料了解了国内外的研究状况。 第三节论述了课题的研究意义与研究内容。 浙江大学硕士学位论文 第二章气液制动系统的原理与数学模型 2 1 概述 目前，国内轮式装载机大多采用气顶油盘式制动系统，即气液盘式制动系统， 它是动力制动系统中的一种。由于该系统结构简单，使用年代较久，技术较为成 熟，且各元件均有许多成熟的产品，价格低廉，因此在有气源的工程机械上使用 较为广泛。 本章以c g 9 3 5 i t 型装载机的气液制动系统为例，全面阐述气液制动系统以 及系统中主要元件的工作原理，并建立其数学模型。 2 2 气液制动系统的原理 c g 9 3 5 h 型装载机的气液制动系统原理如图2 1 所示。 空气压缩机浊水分离器组合词储气倚【水闶气日靠 伺葡盘 妯路 图2 t 气液制动系统原理图 此制动系统用于行车制动，主要由空气压缩机、油水分离器组合阀、储气筒、 放水阀、脚制动阀、气液加力器、湿式盘式制动器及制动管路等组成。 其工作原理为：由空气压缩机产生的压缩空气经过油水分离器分离出油与水 1 2 浙江大学硕士学位论文 后，进入储气筒，油水分离阀上有安全阀，当储气简中压力高于o 7 8 m p a 时， 安全阀打开；当需要制动时，踩下脚制动阀，储气罐中的压缩空气进入前后驱动 桥的气液加力器，推动加力器中的气缸活塞和油缸活塞，油缸内的制动油受压形 成压力油进入前后桥制动缸实施制动。由于该结构较为简单，因此旧机型上大多 采用这种系统1 3 6 1 1 37 1 。该系统中的关键元件有气液加力器、脚制动阀等，加力嚣 的结构图如图2 2 所示，它由气缸活塞、活塞杆、气缸体、气缸活塞复位弹簧、 油杯、油缸体、油缸活塞等组成，气液加力器把制动系统的气路与油路分隔开来， 气缸活塞与油缸活塞通过活塞杆连接，气缸活塞的运动通过活塞杆传递到油缸活 塞。制动时，压缩气体从迸气口进入加力器，推动气缸活塞往右移动，继而推动 油缸活塞右移，由于加力器油缸通过管路与制动缸相连，形成密闭容腔，因此油 缸内油液被压缩，从而实现把气压能转换成液压能，压紧制动器中的动摩擦片与 制动盘，使车轮制动。由于气缸活塞与油缸活塞存在a ：l ( 其中a i ) 的面积 比，因此在忽略复位弹簧的影响时，油压与气压存在a ：1 的压力放大比，将低 压转化为高压，较低的气压产生了较大的制动力。解除制动时，在压力油与复位 弹簧的共同作用下，使气缸活塞与油缸活塞复位，油液压力释放，车轮解除制动。 1 一气缸活塞皮圈2 一气缸活塞复位弹黄3 ，6 一。形密封圈 4 一中心密封圈5 一骨架矩形圈7 回油阀门8 一油缸话塞皮圈 9 一放气螺钉l o 一出油孔1 1 一油缸活塞1 2 气缸活塞1 3 - 进气孔 图2 2 气液加力器结构图 3 浙江大学硕士学位论文 脚制动阀的三维外观图和剖面图分别如图2 3 和2 4 所示，进气口l 与储气筒通 过管路连接，压缩空气由此输入，出气腔1 6 与气液加力器进气口相连，通道1 2 处装制动灯开关，支撑板6 上装有脚踏板7 。当制动时，脚踏板上的力通过顶杆8 ， 橡胶弹簧1 1 传递给活塞3 ，克服活塞复位弹簧4 下行，活塞3 末端顶开阀门1 4 ，使 阀门1 4 与阀座1 3 形成孔道，进气口l 的压缩气体流向出气腔1 6 ，从而进入加力器， 面活塞3 末端与阀f 1 4 端面贴合，关闭出气腔至外界的排气通道2 ，于是开始制动。 加力器中以及制动阀出气腔1 6 中的气体的压力逐渐升高，此压力作用在活塞3 上， 使活塞3 受到一个向上的反馈压力，压缩橡胶弹簧1 l ，使活塞3 上升，直至阀f 1 4 在阀门复位锥弹簧1 7 的作用下抵住阀座1 3 的台阶，关闭进气通道，同时活塞3 与 阀门1 4 端面贴合，封闭排气通道，这时制动阔使压缩空气不迸不出保持平衡， 并使脚踏板感触到一定的制动效果。在平衡状态下，阀f 3 1 4 与阀座1 3 始终是关闭 的。由于开始制动时加力器中的气压低，故产生的制动强度不大，如需加强制动， 可增大作用在踏板上的外力，使踏板继续下行，重复上面的过程。当减小施加在 脚踏板的力时，活塞3 在活塞复位弹簧4 和下端面反馈气压的作用下上升，活塞3 末端与阀门1 4 脱离开来，因此活塞3 末端与阀门1 4 的上端面形成通道，出气腔和 加力器中的压缩气体经阎下部的排气道排出，于是解除制动【扪。由于活塞3 受到 一个反馈的气体压力，它通过橡胶弹簧、顶杆传递到踏板上，与施加在踏板上的 外力相比较，使踏板上的外力或者踏板的行程与制动强度保持着一定的比例关 系，从而使驾驶员有良好的脚感，即感觉到制动的强度。 图2 3 气液制动系统脚制动阀的外观图 4 浙江大学硕j ：学位