（机械电子工程专业论文）ht25j型全液压装载机行驶驱动系统研究及控制仿真.pdf

杭州电子科技大学硕+ 学位论文 摘要 近年来液压传动技术不断成熟，使得液压传动技术在装载机上的应用越来越普及，发展 液压传动装载机已成为一种趋势。液压传动装载机自重轻、作业平稳、噪音小、操作强度低、 舒适性好，可实现无级调速，且方便实现各种调节控制。 本论文以课题组与浙江濠泰机械有限公司合作开发的h t 2 5 j 多功能铰接式装载机为研究 对象，对其液压行驶传动系统进行设计，并提出系统功率匹配与控制实现方式。主要进行以 下工作： ( 1 ) 对h t 2 5 j 型多功能装载机行驶装置的机械系统和液压系统进行设计。根据h t 2 5 j 多功能 铰接式全液压装载机几何结构特征建立车辆行驶装置主要部件的p r o e 机械三维模型， 利用p r o e 二次开发工具p r o t o o l k i t 实现车辆行走系统的参数化设计；通过对各种调速回 路、压力控制回路、马达驱动方式的比较，结合装载机实际作业要求，设计出以变量泵 定量马达控制的液压行走传动系统回路：根据所设计液压回路建立行驶液压传动系统各环 节数学模型，并推导出整个行驶液压驱动系统开环、闭环传递函数。 ( 2 ) 对装载机用柴油机的速度特性、负荷特性、万有特性及调速特性进行分析，建立h t 2 5 j 型装载机用f c c x l1 2 5 型柴油机的功率扭矩一速度方程；根据柴油机的调速特性曲线及万 有特性曲线选择柴油机最佳工作点，根据最佳工作点负荷率对柴油机与液压系统进行合理 匹配计算；分析并确定实现柴油机与液压系统的匹配控制方案，选择电液比例控制方式对 行驶液压系统排量进行控制调节。 ( 3 ) 对装载机各工况下行驶阻力、作业阻力进行分析；建立车辆牵引特性方程，根据牵引力计 算确定驱动马达负载扭矩进而确定液压系统工作压力；根据最大、最小作业阻力与液压元 件的匹配计算，完成对变量泵、液压马达的选型及校核验证；根据车辆动力学分析结果， 完成对各液压元件的选型并确定数学模型中各环节具体参数值；根据系统传递函数绘制系 统开环函数b o d e 图，对系统稳定性进行分析。 ( 4 ) 分析装载机行驶液压系统的常规p i d 控制原理与模糊自适应p i d 控制原理及设计过程；根 据液压传动系统数学模型建立系统仿真模型，并对两种p i d 控制方式下系统对输入信号的 响应以及对负载干扰信号的响应进行仿真试验；通过仿真试验结果比对，对常规p i d 控制 与模糊自适应p i d 控制下液压行驶驱动系统的响应性能、系统稳定性能、对外界干扰抑制 效果进行分析。 关键词：装载机；行驶液压系统；功率匹配；模糊p i d 控制；仿真； 杭州电子科技大学硕士学位论文 a bs t r a c t a st h em a t u r eo f h y d r a u l i ct r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y , t h ep h e n o m e n o no f d e v e l o p i n gt h e h y d r a u l i ct r a n s m i s s i o nl o a d e rb e c o m e sm o r ea n dm o r ep o p u l a r h y d r a u l i ct r a n s m i s s i o nl o a d e rh a s m a n ya d v a n t a g e s ，f o ri n s t a n c e ，i t sl i g h tw e i g h t ，i t ss m o o t ha n ds t e a d yw o r kc o n d i t i o n s ，i t sl o wn o i s e a n di t sc o m f o r t a b l e n e s s w h a t sm o r e ，i tc a nr e a l i z et h es t e p l e s ss p e e dc h a n g e t h i sd i s s e r t a t i o ni sb a s e do nt h em u l t i - f u n c t i o na r t i c u l a t e dl o a d e rh t 2 5 jw h i c hi sd e v e l o p e d t h r o u g hc o l l a b o r a t i o nb yh d us t u d y i n gt e a ma n dz h e ji a n gh e r o t i m em a c h i n e r yc o r p o r a t i o n t h i s d i s s e r t a t i o n sp u r p o s ei st od e s i g nt h eh y d r a u l i cw a l k i n gt r a n s m i s s i o ns y s t e ma n dp u tf o r w a r dt h e m e t h o dt om a t c ht h es y s t e mp o w e ra n dc o n t r o ls t r a t e g y t h em a i np e r f o r m a n c eo ft h i sd i s s e r t a t i o n i sa sf o l l o w i n g ： ( 1 ) t h em e c h a n i s ms y s t e ma n dh y d r a u l i cs y s t e mo ft h el o a d e r sw a l k i n gd e v i c es y s t e mw a s d e s i g n e d t h e3 d m o d e l so ft h em a i nc o m p o n e n t so ft h ew a l k i n gd e v i c ew a sb u i l d e da c c o r d i n g t ot h el o a d e r sf e a t u r e so fg e o m e t r i cc o n s t r u c t i o nb yt h es o f t w a r eo fp r o e n g i n e e r t h e h y d r a u l i cw a l k i n gt r a n s m i s s i o nc i r c u i tb a s e do nt h ec o n t r o lo f v a r i a b l ep u m p q u a n t i t a t i v em o t o r w a sd e s i g n e db a s e do nt h ea n a l y s i so fd i f f e r e n tk i n d so fs p e e dc o n t r o lc i r c u i tp r e s s u r ec o n t r o l c i r c u i ta n dt h em e t h o do fd r i v i n gm o t o r , a n dc o m b i n i n gt h ea c t u a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n r e q u i r e m e n t d e r i v e dt h et r a n s f e rf u n c t i o n so fo p e n - l o o pa n dc l o s e dl o o po ft h ew h o l eh y d r a u l i c w a l k i n gs y s t e mb yb u i l d i n g t h em a t h e m a t i c a lm o d e l so fe a c hl i n ko fh y d r a u l i cw a l k i n g t r a n s m i s s i o ns y s t e m ( 2 ) t h ep o w e r - t o r s i o n - v e l o c i t ye q u a t i o no ff c c xl12 5d i e s e le n g i n ew a se s t a b l i s h e dw h i c hw a s e q u i p p e di nt h el o a d e rb ya n a l y z i n gi t sv e l o c i t yc h a r a c t e r i s t i c s ，l o a dc h a r a c t e r i s t i c sa n dv e l o c i t y r e g u l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c t h e nt h ec o n c l u s i o no ft h eo p t i m u mw o r k i n gc o n d i t i o nw a sr e a c h e d a c c o r d i n gt h ed i e s e le n g i n e sc u r v eo fv e l o c i t yr e g u l a t i o nf e a t u r e c a l c u l a t ea n dm a t c ht h ed i e s e l e n g i n ea n dh y d r a u l i cs y s t e mb a s e do nt h ea b o v eo p t i m u mw o r k i n gc o n d i t i o n a n a l y s i st h e c o n t r o lp r o g r a mo f m a t c h i n gb e t w e e n d i e s e le n g i n ea n dh y d r a u l i cs y s t e mt h e nv a l i d a t et h ef i n a l p r o g r a m , a n dr e g u l a t eo u t p u tv o l u m eo ft h eh y d r a u l i cw a l k i n gs y s t e mt h r o u g he l e c t r o h y d r a u l i c p r o p o r t i o n a lc o n t r o l ( 3 ) t h ew a l k i n ga n dw o r k i n gr e s i s t a n c eu n d e rd i f f e r e n tw o r kc o n d i t i o n sw a sa n a l y z e d t h e nt h e l o a d e r st r a c t i o ne q u a t i o nw a sb u i l d e d ，a n dt h el o a dt o r s i o no fd r i v i n gm o t o rw a sd e t e r m i n e d a c c o r d i n gt h et r a c t i o ne q u a t i o nc h i v ea n dv a l i d a t et h eh y d r a u l i cs y s t e m sw o r kp r e s s u r eb a s e d o nt h ea b o v et o r s i o n b yc a l c u l a t i n gt h em a x i m u ma n dm i n i m u mw o r kr e s i s t a n c ew h i c hi s i i 杭州电子科技大学硕士学位论文 m a t c h e dw i t hh y d r a u l i cc o m p o n e n t s ，c o m p l e t et h et y p es e l e c t i o no fv a r i a b l ep u m pa n d h y d r a u l i cm o t o ra n dt h e nc h e c ka n dv e r i f yi t t h et y p eo f e a c hh y d r a u l i cc o m p o n e n ti ne a c hl i n k c i r c u i ta n dv a l i d a t et h ec o r r e s p o n d i n gs p e c i f i cp a r a m e t e r sw a sc h o s e nw i t ht h ea i do fr e s u l t so f v e h i c l ed y n a m i c s a n dt h es t a b i l i t yo ft h es y s t e mw a sa n a l y z e da c c o r d i n gt op r o c e s so fd r a w i n g t h eb o d eg r a p h i c so fo p e n - l o o pt r a n s f e rf u n c t i o n ( 4 ) t h et h e o r ya n dd e s i g np r o c e s so ft h ec o n t r o ls t r a t e g i e so fc o n v e n t i o n a lp i da n df u z z y s e l f - a d a p t i v ep i da p p l i e di nt h el o a d e rh y d r a u l i cw a l k i n gs y s t e mw a sa n a l y z e d t h er e s p o n s e s t ot h ei n p u ts i g n a lu n d e rt h i st w oc o n t r o ls t r a t e g i e sa n dl o a dd i s t u r b a n c es i g n a lw a ss i m u l a t e d b a s e do nt h eh y d r a u l i cs i m u l a t i o nm o d e l a n dt h er e s u l t so fs i m u l a t i o na b o v ew a sc o m p a r e d ， t h e nt h e h y d r a u l i cs y s t e m sp e r f o r m a n c e o ft r a n s i e n t r e s p o n s e ，s t a b i l i t yo fs y s t e ma n d i n t e r f e r e n c es u p p r e s s i o nu n d e rt h ec o n v e n t i o n a lp i da n df u z z ya d a p t i v e c o n t r o lp i dw a s a n a l y z e d k e y w o r d s ：l o a d e r , w a l k i n gh y d r a u l i ct r a n s m i s s i o ns y s t e m , p o w e rm a t c h i n g ，f u z z yp i dc o n t r o l , s i m u l a t i o n m 杭州电子科技大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 选题背景 装载机作为一种工程领域常用的高效率作业工程机械，主要用于对松散堆积物料的铲挖、 装运，以及对场地进行整理、刮平等作业；换装上相应的工作装置后，还可以执行挖土、起 重与棒料装卸等作业。随着经济的发展及工业化水平的提高，装载机在建筑、铁路、公路、 水电、港口、农场、环卫、物流、矿山及国防工程中得到广泛使用，对工程建设速度的加快、 劳动强度的减轻、工程质量的提高、工程成本的降低都发挥着非常重要的作用【lj 。 装载机传动系统作为装载机总体系统中的一个重要组成部分，对装载机动力性能和经济 性能的发挥起着关键作用。传动系统将发动机的动力传递给驱动轮和其他操纵机构，驱动装 载机行走或作业。传统的工程机械传动系统类型应用较为广泛的有机械式、液力机械式、电 动轮式、电动式。近年来，随着科学技术的发展，现代工业对机械装备要求的不断提高，而 传统的以机械式传动、液力机械式传动控制的装载机由于作业效率低、操作繁琐复杂，对操 作人员要求较高，导致劳动强度大、舒适性低、作业过程中噪音大、对环境污染较为严重、 系统发生故障频率高等缺点，已不能很好的满足现代工业生产的要求【2 】。随着液压传动技术 的发展和液压元器件生产水平的提高，液压传动技术( 又被称之为h s t ) 被越来越多的应用 到装载机等工程机械中，出现了全液压式传动系统的装载机。 使用液压传动代替机械装置控制工程车辆的行走、转向及工作装置作业，可以有效减轻 车辆车重，增强车辆稳定性，提高发动机燃油经济效率与功率利用率，并且能通过对液压驱 动元件( 液压缸或液压马达) 的流量调节实现对执行机构动作速度的连续控制。用液压泵、 多路控制阀、液压马达等液压元器件构成装载机的液压行走驱动系统，代替常规的以变速箱 离合器差速器轮边减速器等机械装置构成的行走传动控制系统控制装载机的行走，可以实 现对装载机行驶速度的无级调速，车辆可以在其允许的最大行驶速度与最小行驶速度范围内 连续变化，相比机械系统控制的调速系统，车速调节平稳，且作业噪音小，同时液压传动系 统微动性能好，系统本身具有一定制动效果，在小坡度坡道下坡行驶时可以不使用刹车制动， 也能控制车辆在安全速度范围；此外，相比与机械部件，液压元件空间结构小，可独立布置， 车辆柴油机可布置在车架后端，平衡车重，且方便维修保养；车辆行驶、作业平稳、低噪音， 能有效改善操作人员的劳动强度与操作舒适度p j 。 由于全液压装载机具备如此多的优点，发展液压传动装载机已成为一种趋势。 1 2 液压装载机国内外发展现状 近年来，液压传动在工程车辆中的应用日趋普及，采用液压传动与p l c 、单片机、微电子 杭州电子科技大学硕士学位论文 控制器等其他控制装置合理配合，可以构成发动机转速、转矩适应外部负载变化而连续调节的 动力传动系统，使得发动机的动力性能与功率利用率得到更加充分发的利用。目前，液压传动 控制在装载机行走、转向装置的应用已逐渐从小功率、小吨位车型向大功率、大吨位装载机 车型发展。随着工程机械与液压传动匹配技术的发展及液压元器件的完善，采用液压传动装置 的工程机械将会越来越普及，市场前景广阔。 工程机械上使用液压传动传递动力的驱动方式已经有几十年的发展历史，在2 0 世纪6 0 年代开始，国外一些大厂商已开始开发采用液压技术与机械传动相结合的方式设计开发出液 力机械式挖掘机的传动系统，并使得车辆寿命、质量得到提高，操作舒适性加强，产品节能 效果得到改善。在2 0 世纪9 0 年代，随着计算机技术、传感器技术、电子控制技术及机电液 一体化技术的发展，液压传动技术在挖掘机、路面机械等工程机械上的应用日趋成熟，工程 机械行走系统采用液压驱动方式愈来愈普及【4 】。而作为牵引型工程机械，由于对传动系统更 高的要求，液压传动技术在装载机及推土机上的应用起步要晚于挖掘机上的研究应用。 最初，液压传动技术还仅仅是在控制装载机工作装置动作过程中得到应用，通过液压缸 驱动装载机动臂升举、铲斗翻转、挖掘作业。伴随电子技术的发展，各种电子控制技术逐渐 融入到液压传动控制中，德国力士乐、l i n d e 、意大利s a m 等大公司开始推出电液比例控制 阀、电液比例变量泵变量马达等电控液压元器件1 5 j ，液压元器件的控制精度、可靠性都得到 了显著提高，极大推动了液压控制技术的发展1 6 j 。近年来，电液比例技术开始应用到装载机 转向控制系统中，出现了用电液传动控制代替传统机械转向装置的全液压转响控制系统。而 在行走系统传动控制中，由于车辆行走、作业过程中所受行驶及作业阻力过大，受液压元器 件额定压力及液压系统工作压力的限制，液压传动控制行走驱动的技术在装载机上发展较慢。 目前国外部分大厂商( 如美国卡特彼勒公司、德国利勃海尔、蔡特曼公司、日本的小松、日 立公司) 在全液压控制的中小型装载机生产技术上已较为成熟，德国蔡特曼( z e t t e l m e y e r ) 公司生产的静液压传动轮式装载机斗容范围多在o 5 , - - 4 0 立方米，其旗下生产的z l 4 0 1 w e b 多功能小型全液压式装载机，功能丰富，可靠性高，在交通公路系统应用广泛：此外利渤海 尔生产的l 5 0 8 、l 5 2 2 、l 5 5 1 b 小型轮胎式静压传动装载机，也都有着较高的可靠性以及广泛 的市场。而在6 t 以上的大中型装载机的发展研究上，国内外已有的应用全液压控制的车型还 很少，主要限制还是液压元件的额定工作压力、可靠性能不足以满足大吨位工程车辆在剧烈 变化的波动载荷工况下的作业要求，而液压系统能够提供的最大作业压力达不到要求，不能 提供足够的动力驱动大吨位装载机的行走作业：同时发动机液压泵液压缸液压马达执行机 构组成的是一个复杂的负荷驱动系统，特别是在大功率、大吨位的工程车辆中，系统输出动 力受到每个液压元件的本身的限制，同时受液压元件之间性能参数匹配的影响也较大，目前 这方面研究还不够完善。然而借助于液压传动在大吨位挖掘机上面的应用技术经验，大吨位 液压传动装载机的开发业取得了一定突破，目前国外已有开发出液压系统正常工作压力达到 4 0 5 0 m p a 的液压传动式装载机车型。可以预计，随着液压元件设计水平的不断提高，智能化 2 杭州电子科技大学硕士学位论文 液压传动技术的继续进步，液压传动控制技术将在装载机各种吨位、各种大小的车型上得到 越来越广泛的应用。 我国装载机行业从6 0 年代开始起步，发展到今天全国装载机生产厂家可统计的有近9 0 家，其中专业生产厂有3 0 多家，工业总产值达3 0 多亿元。主要生产厂家为：柳工、厦工、 徐工、常林、成工、宜工、山工等。而在全液压装载机发展领域，由于受国内液压传动技术 及生产水平的限制，关键液压元件如变量液压泵、液压马达等关键液压元件质量差，控制精 度不够，不能与机械装置配套使用，而引进成本又过高，国内设计开发全液压传动完全替代 机械传动控制的装载机车型基本很少，已有产品动力性能不足，实用性较差，管理与工艺水 平落后，基本处于研发试制阶段。 1 3 研究目的及意义 由于液压传动控制装载机拥有自重轻、作业平稳、噪音小、操作强度低、舒适性好、可 实现无级调速、且方便实现各种调节控制等诸多优势，卡特彼勒、利勃海尔、小松等世界各 大生产厂商均己开始致力于开发、生产智能化控制液压式装载机，并已经取得很大成果，在 中小型液压控制装载机上已经开发出全液压控制( 工作装置、行走系统、转向系统均全部采 用液压传动控制) 式的车型，并已经投产使用。 而由于国外技术理论对中国实行严格保密，我国在智能化控制液压传动技术方面的研究 才ha j 冈u 起步，理论知识滞后，在工程机械全液压智能化研发上缺乏理论指导。国内部分厂家 虽然已经试制出全液压系统的装载机车型，但基本上是对国外大厂商产品的简单模仿，设计 过程缺少理论验证，牵引性能过差，车辆动力性能及燃油经济性能与国外产品差距过大，不 能满足装载机实际作业要求 4 1 。因此，对装载机类的工程车辆液压驱动理论展开研究，解 决车辆作业过程中发动机与液压传动系统功率合理匹配；液压系统动力元件一液压泵与执行 机构驱动元件一液压缸、液压马达之间的动力匹配与参数匹配；车辆牵引特性与动力性要求 的合理匹配；行驶液压传动系统精确、灵敏、可靠的控制方式；提高国内装载机的设计质量 和效率，并进一步开发出节能、高效、环保的多功能装载机的一种设计方法，为国内全液压 传动控制装载机的研发设计提供一种理论依据对国内液压装载机的发展有着至关重要的意 义，也是课题研究的出发点与研究内容的主要方向。 对装载机行驶液压驱动系统进行分析，针对不同作业工况下的负荷要求，提出发动机和 液压系统的合理控制方式，实现液压驱动系统与发动机及外部负荷之间的合理匹配，是论文 研究的主要目的。 1 4 论文主要研究内容 ( 1 ) 建立h t 2 5 j 型多功能全液压装载机的行走装置机械结构三维模型，利用p r o e 二次开发工 具p r o t o o l k i t 实现车辆行走系统的参数化设计：通过对各种调速回路、压力控制回路、马 达驱动方式的比较，结合装载机作业要求，设计出以变量泵定量马达控制的行走液压传 动系统回路：根据回路特征建立液压传动系统各环节数学模型，并推导出整个行走液压驱 杭州电子科技大学硕士学位论文 动系统开环、闭环传递函数； ( 2 ) 对装载机用柴油机的速度特性、负荷特性、万有特性及调速特性进行分析，建立h t 2 5 j 用柴油机的功率扭矩速度方程；根据柴油机的调速特性曲线及万有特性曲线选择柴油机 最佳工作点，根据最佳工作点负荷率对柴油机与液压系统进行合理匹配计算；分析确定柴 油机与液压系统匹配实现的控制方案； ( 3 ) 对装载机各工况下行走阻力、作业阻力进行分析；建立车辆牵引特性方程，根据牵引力计 算确定驱动马达负载扭矩进而确定液压系统工作压力，进而完成对变量泵、液压马达的选 型及验证校核；根据车辆动力学分析结果，完成对行驶液压系统各液压元件的选型并确定 数学模型中各具体参数值，并对系统稳定性进行分析： ( 4 ) 设计出装载机行驶液压驱动系统的常规p i d 控制器与模糊自适应p i d 控制器控制系统；根 据液压传动系统数学模型建立系统仿真模型，并对两种p i d 控制方式下系统对输入信号的 响应以及对负载干扰信号的响应进行仿真试验；根据试验结果对模糊p i d 控制与常规p i d 控制方式下液压行驶驱动系统的响应性能、与系统稳定性能进行比对分析。 4 杭州电子科技大学硕士学位论文 第2 章装载机行驶驱动系统设计及建模 本课题设计的h t 2 5 j 多功能轮式装载机为全液压式装载机，其能量传递及控制由液压传 动代替传统的机械传动，车辆传统的离合器、变速器、差速器等机械传动机构被液压元件替 代，车辆行驶速度由变量液压泵、液压马达的排量大小调节控制，使得整车结构简化，减轻 了车重，且液压调速过渡平稳，可实现无级调速。其整车结构如图2 1 所示： 一 图2 1h t 一2 5 3 多功能装载机 本文主要研究车辆的行驶驱动系统，按结构组成主要分为机械系统和液压传动系统两大 部分。 2 1 机械系统设计 轮式装载机行走机构部分一般包括车轮、车架、驱动桥与悬架【7 】，而本论轮研究的h t 2 5 j 型多功能装载机为全液压传动系统，车轮由液压马达直接驱动，而不需由驱动桥控制车轮差 速、减速。因此车辆行走机械部分主要为车轮、车架及悬架组成。 2 1 1 车辆行走系统参数化设计 在建立装载机p r o e 三维模型过程中，为实现对不同型号不同尺寸的车辆车轮、车架等零 部件的快速实时更改，将车辆各主要零部件尺寸参数化，零件间尺寸关系用参数方程表示， 结合p r o e 二次开发工具p r o t o o l k i t 程序设计开发，即可实现对车辆三维模型的参数化设计， 当零部件型号、尺寸发生更改时，只需在原有的零部件模型中对相应参数进行更改，即可再 生快速得到新尺寸下的p r o e 模型。 p r o t o o l k i t 是p r o e n g i n e e r 自带的功能最为强大的二次开发工具，它提供了应用程序接口 ( a p i ) 使客户或第三方具有扩展p r o e n g i n e e r 功能的能力。通过对p r o t o o l k i t 与v c 的接1 ：3 设 置，可将v c 可视化编程工具m f c 与p r o e n g i n e e r 进行无缝连接。用户可在v c 环境下对p r o e 杭州电子科技大学硕士学位论文 各零部件进行自主设计编程，实现各个零件、零部件之间、组件之间设计参数的检索、修改， 根据新的参数值生成新的三维模型。 p r o e 通过p r o t o o l k i t 与m f c 的接口调用v c 中所编程序，p r o t o o l k i t 应用程序与m f c 应用程序的通信方式是接口实现的关键。本文采用动态链接库( d 1 1 ) 方式实现三者之间的通信， 在v c m f c 环境下完成后缀名为“d l l 的参数化驱动程序编程后，即可通过p r o t o o l k i t 程 序接口在p r o e 中打开该应用程序。打开p r o e2 0 软件，在工具菜单中选择辅助应用程序选项， 弹出辅助应用程序对话框，点击注册，弹出对话框，选择p r o t k d a t ，选择之前m f c 中编写的 程序，在p r o e 中注册运行后，可得到h t 2 5 j 型装载机的行走机构参数化设计界面如图2 2 所示： 奠篡：? 篓。翌? 。鬻篓登”。! ：翟篓麓謦翌! 登登! 翟翟鬻孥篓黧篓! ：! ! 璺墓堕 件r !礓! 穗蜀叫曩，暑? 所憾，值僵5 蔑桎咩仨i 苦d l ，工且一口毽1 靖砖研j _ 图2 2装载机行走系统零部件参数实时修改 2 1 2 行走系统各部件三维建模 1 、车轮建模 h t 2 5 j 型装载机车轮采用工程车辆通用车轮，由轮胎、轮毂、轮盘及轮辋组成。车轮直 接与路面接触，通过轮胎与路面的附着作用产生驱动力与制动力，是实现行走过程的具体执 行部件。同时车轮还起到支撑整车、缓冲路面传递的冲击等作用。为实现对车轮的参数化设 计，在车轮建模过程中对其各主要尺寸用参数关系进行驱动。在p r o e 菜单栏中依次单击工具 参数，将弹出参数对话框，添加图2 3 中所示参数，并建立其参数关系方程。 6 杭州电子科技大学硕士学位论文 e j _ _ 圈避鳃豳鬣蕊黧甏麓鬣：l 曩i _ j 丑i 。_ 矗 一瞄露鬣0 。t j = l 斟1 立1 阵蝴参蠹工置昱示 兰竺麟插入张实用工具昱示 f 7 重瞄i 圈 一一t 一重授艳圈 l 零件 一0 l m i- _ j l 零件 一_ l i i 眦虹 过澹饿蠢 全帮z d ：f - 1 i 1 名称i 羹墨i 值l 指定i 访舟i 谭i 说明 日a3 6 黾岛 ；： 日? i - 1 i 穗办【) 国 1 冈 i 宴獭 5 9 00 8 0 0 0 0 厂6 l p 完全 毛。| = ，董 j j 黜 1 2 8 伽。广瞬全i 筏。，： +b l ：b ( 卜s i n t ) i ： 霉势b 10 0 0 0 0 0 厂6 苗完全 丰”：乏芦 一d z = d l 一2 h c o h 一 一 _d y = d f 以 _ j ： 鳓 4 8 40 8 0 0 0 0 厂瞬全f 毛曩 “= d 2 一c i ： 张 3 h0 3 0 0 0 广唣奔生 葛? 一 ， 卜 张3 1 40 8 0 0 0 0 广唣痒皇f 乏；。 ( ) i ， 黜 l t s0 8 0 0 0 0 广唣一全j 一； c 】 | | 黜 i 50 0 8 0 0 0 广协全p i 拿，f _ 1 l， i 初始v l + i - i j 主 _ 壁。 圳到 靛f 艘i 取蔫确定l 重量i 取泊 图2 4轮胎p r o e 参数设置及其三维模型 2 、车架建模及装配过程 车架是整车的结构和装配基础，装载机上车轮、柴油机、工作装置等其他零部件都是以 车架为基体，直接或间接与车架装配，液压系统各液压元件、油管也是以车架为支撑来搭建 的。同时车架也是整车的主要重量承受机构，装载机工作、行走过程中所受载荷也主要由车 架承受，在各种大的载荷作用下，车架若发生变形较大，将会引起装配在车架上其他部件之 间相对位置发生错位，而影响其他机构正常工作【8 】。因此，车架是装载机最为重要的机械机 构之一，其强度、刚度的好坏直接影响车辆行驶和工作过程中是否具有足够的稳定性。 本文研究h t 2 5 j 为铰接式轮式装载机，整车车架由前车架及后车架两大部分组成。后车 架主要与后车轮、柴油机、驾驶室等装配，前车架与前车轮、工作装置装配，前后车架由铰 杭州电子科技大学硕士学位论文 链连接，车辆行走过程中转向油缸控制前车架与后车架铰接角度来控制车轮转向。按上一节 中车轮参数驱动建模过程建立车架各零部件三维模型，在p r o e 组件中按尺寸位置关系对各 部件进行组装，如图2 5 所示： 图2 5车架各零部件装配过程 图2 6 为p r o e 中所建立后车架三维组装件模型： 图2 6h t 2 5 j 后车架三维模型 图2 7 为前后车架铰接装配总体模型： 杭州电子科技大学硕士学位论文 图2 7h t 2 5 j 整车车架三维图 由前后车架、发动机、车轮及其他零部件组装后，构成下图所示h t 2 5 j 行走系统的机械 结构部分。行走机械系统与变量泵、补油泵、压力阀、流量阀、液压马达等液压元件组成的 行走液压系统相配合，构成装载机的整车行驶系统。图2 8 为h t 2 5 j 整车的行走机械结构图。 r t ? 0 ：t 童，。 图2 8 h 1 2 5 j 行走系统机械结构图 2 2 液压系统设计 全液压式装载机的液压传动系统主要由液压动力元件( 液压泵) 、液压执行元件( 液压缸 或液压马达) 、压力调节阀、流量调节阀等控制元件及其他液压辅助元件由油管相互连接构成。 液压泵与发动机连接，发动机运转驱动液压泵转动，液压泵吸收发动机的转速与扭矩，并将 发动机输出的机械能转换为液体压力能，经油液传递将能量输送到液压缸或液压马达，由液 压缸驱动装载机转向或铲斗翻转、铲掘物料，由液压马达驱动轮胎转动克服行驶阻力及工作 阻力实现行走，实现直线往复运动或回转运动例。 9 杭州电子科技大学硕士学位论文 装载机作业时整个过程由车辆高速行驶、油缸推动铲斗低速插入料堆、铲掘物料、铲斗 翻转或提升动臂举升物料、倒车至卸料地点翻转铲斗完成物料卸载、铲斗放平组成的一个v 型循环作业过程。通常装载机工作环境较差且复杂多变，所受阻力也是随时变化，并且阻力 变化波动很大。例如车辆在平坦路面上行驶时，车辆滚动阻力会比较小，而当装载机爬坡行 走且路面较差时，所受到总的阻力就会很大，加上装载机在起动加速时车辆受到惯性阻力， 同时装载机在铲掘物料时会有很大的工作阻力。为了保证装载机能够正常作业，必须要求在 各种不同运行工况下车辆具有合适的速度与牵引力。因为装载机负载随不同工况而变化，要 求装载机的牵引力及行驶速度也必须随外界负载而相应变化。其次要求装载机能够反向行驶， 以便于在不同作业情况下前进后退。此外，还要求装载机运行时起步平稳，在弯道行驶时能 协调地将转矩按比例分配到左右驱动轮。综合上述情况，装载机液压系统应满足如下要求： ( 1 ) 可对装载机行驶速度连续调节，实现无级变速。 ( 2 ) 保证装载机行走、转向及工作装置能够独立运行，又可以同时配合实现复合动作。 ( 3 ) 左右轮由两个液压马达分别驱动，保证装载机行走方便、转向灵活，并能够就地转 向，以提高装载机的灵活性。 ( 4 ) 保证装载机安全可靠，液压缸、液压马达等各执行元件有很好的过载保护；行走机 构与回转机构制动、限速可靠。 全液压装载机动力传动系统全部由液压系统传递能量，即除了工作装置由液压系统驱动 液压缸带动臂、铲斗动作外，转向系统及行走系统也均由液压缸或液压马达驱动，如图2 9 所示。其传动系统具有以下优点：( 1 ) 通过柴油机带动液压油泵转动，能同时驱动车辆行走、 转向、铲斗翻转、铲掘卸载物料、动臂升降等动作，一结构简单高效；，( 2 ) 车辆行走由液压泵 直接驱动轮边低速液压马达的方式，省去了变速器、离合器、驱动桥等中间机构，使整车重 量减轻1 0 以上，而且降低了车辆成本；( 3 ) 能够连续调节输出转速与扭矩，实现无级调速； ( 4 ) 系统采用液压制动的方式，制动距离短、可靠性高；( 5 ) 可使用多种变量控制方式，提 高能量利用率l l o j 。 卜发动机2 一变量泵3 一液压马达4 一车轮 图2 9 装载机静压传动系统 1 0 杭州电子科技大学硕士学位论文 2 2 1 液压系统组成 工程车辆常用液压传动系统包括定量系统与变量系统两种形式 ( 1 ) 定量系统 定量系统一般由定量泵一定量马达组成，其优点是：定量泵价格低廉，系统结构简单可靠： 系统流量稳定，执行元件动作平稳：系统通常在低于额定载荷工况下运行，泵的使用寿命长【l l 】。 其控制特性如图2 1 0 所示： ( a ) 定量泵流量特性 n 图2 1 0 定量泵系统特性 在定量液压系统中，由于液体流量固定，在负荷变化时流量不能作出相应的变化，功率 不能得到充分利用。为了满足装载机作业需求，定量系统中发动机要根据车辆最大外载荷来 确定，单泵定量系统的平均负荷一般为最大负荷的6 0 左右，所以系统中发动机功率平均利用 率只有6 0 左右。此外，液压装载机不同机构的动作也要根据作业要求调节动作速度，为了 获得不同的速度，常依靠液压阀来进行调速，导致液压系统发热量过高，能量浪费严重，并 且造成液压系统温度过高而需频繁更换液压油液。 ( 2 ) 变量系统 变量系统液压动力机构为变量泵，其系统构成一般有变量泵一定量马达变量泵一变量马达 等两种形式【l 列，图2 1 l 为单泵变量系统的流量功率特性曲线，压力p 与流量q 的变化情况如 曲线a b c d 所示，其中直线a b 段特性由液压泵最大摆角限定，直线c d 段特性由系统安全阀设 定的调定压力所决定，曲线b c 为恒功率特性曲线，对应图b 中的e f 段，在曲线段范围内的 压力值p 与流量值q 的乘积理论上为一常数k 。由上所知，变量系统具有以下特点：( 1 ) 作 业动力与作业速度能够实现自动调节，当外负载荷较小时，作业力减小，作业速度增大，提 高作业效率；外负载荷较大时，通过降低作业速度，增大作业力，以克服大负载；( 2 ) 液压 泵经常工作在满负荷工作状态下，发动机功率得到充分利用，通过密闭容积变量调节可实现 无级调速，在装载机中得到广泛运用。 杭州电子科技大学硕士学位论文 ( a ) 变量泵流量特性 n 图2 1 1 变量泵控系统特性 2 2 2 行驶系统控制回路设计 装载机的作业特点为：边行走边进行作业，移动中作业；行走机构和工作装置要求能同 时动作；循环作业，不断起步和前进后退，加减速频繁；挖掘时低速大驱动力，转移时在路 上需高速行驶，所需驱动力和速度变化范围广。为了满足装载机在不同作业状态下均能够进 行复合作业，本课题设计的h t 2 5 j 型号装载机的液压传动系统采用两个液压泵分别向行走机 构与工作机构供油，如图2 1 2 所示。采用这种结构能够更好的保证装载机在作业过程中工作 装置及行走装置均能获得足够的动力，使各机构能够协调动作，互不干扰。 图2 1 2h t 2 5 j 全液压装载机动力传动系统组成框图 2 2 2 1 系统控制回路的选择 装载机等工程车辆的行走液压驱动系统按回路特征可分为闭式系统与开式系统。其中闭 式系统如图2 1 3 所示，系统由单变量泵控制单定量马达，泵出口与马达进口相连，泵入口与 马达出口相连，系统中油液可不经油箱交换而实现自动循环，系统吸油性能好。闭式系统优 点为：结构紧凑，自重小，油液成闭式循环，不易出现空气、粉尘的混入；系统通常为双向 变量泵直接调节排量及方向实现对车速及行驶方向的控制，能有效避免系统的流量损失与换 向冲击【13 1 。其缺点有：油箱小，自然冷却效果差，需曾加冷却器保持油温，油液中的油污不 易沉淀，对滤油器要求较高；双向变量泵价格高，维修麻烦。 1 2 杭州电子科技大学硕士学位论文 图2 1 3闭式系统液压传动图 开式系统是由单定量泵通过多个换向阀，泵出口与马达进口相连，泵入口及马达出口与 油箱相连；可控制多个执行元件，噪音高效率低，油温低，油清洁度高：液压泵完全由油箱 供油，油液推动执行元件实现目标动作后又流回油箱，油液循环过程始终经过油箱交换，如 图2 1 4 所示，开式系统具有如下主要优点：系统简单结构灵活；供油油箱体积大，不仅能起 到很好的自然散热作用，还具有对油污进行沉淀的作用【l 副：既方便使用节流调速控制，也方 便采用容积调速控制，或两者结合实现复合调速，调速范围更广。开式系统也有油箱过大， 接触空气过多容易导致油液质量下降；为提高系统稳定性而在回油路中增加背压阀使得回路 阻力增加；系统中需要另外设置比主泵流量大数倍的补油泵而造成较大的流量损失等缺点。： 图2 1 4 开式系统液压传动图 鉴于以上对开式系统与闭式系统的分析，在装载机行驶液压驱动系统中最终选择了闭式 系统，主要是因为其效率高，对于装载机等工程车辆的行驶驱动系统无需离合器、变速箱等 变速装置即可实现车辆的前进、倒退操作，同时能进行无级调速。由于有背压且系统对称工 作，加上柱塞式变量泵、马达都具有很高的容积效率，系统内部泄漏随压力变化很小，能平 稳地实现从正转向反转过渡并且可以在任意方向实现全液压制动，保证输出轴有足够的刚度。 闭式系统以上这些特点使其能很好的适应于装载机这种负荷变化剧烈、制动频繁的负荷工况。 2 2 2 2 功率控制回路选择 液压装载机双作用泵式调节系统的功率控制回路可分为分功率变量控制与全功率变量控 制【1 4 】。分功率变量控制回路中两个液压泵均有其各自单独的功率调节机