（机械制造及其自动化专业论文）工程机械跑合试验台二次调节加载系统的研究.pdf

硕十学位论文 摘要 工程机械跑合试验台是对工程机械进行整车跑合、试验的一种大型设备。加载系统 是试验台的核心系统，构成试验台的主体，它的性能直接影响到工程机械跑合一试验时 的稳定性、快速性和控制精度。二次调节静液传动技术不但具有效率高、可控性好的特 点，而且可以将制动的能量转换成电能回馈到电网。本文在满足工程机械跑合的稳定性、 快速性要求的基础上，将二次调节静液传动技术应用到工程机械跑合试验台加载系统， 采用机理建模的方法分别对二次调节加载子系统及恒压油源子系统建立数学模型，并对 二次调节加载系统进行仿真研究。 本文以工程机械跑合试验台二次调节加载系统为研究对象，具体完成了以下工作： 首先，针对传统加载装置的加载力矩小，能量不能回收等缺陷，研究了二次调节静液传 动技术，分析总结了二次元件的机构工作原理及二次加载系统的控制方式，将二次调节 静压技术应用到跑合试验台。其次，根据工程机械跑合、试验时的加载要求，拟定出了 基于二次调节静压传动技术的跑合试验台原理图，并计算出试验台架的结构参数，为二 次调节加载系统提供了理论依据。最后，建立了加载子系统( 二次元件、电液伺服阀、 变量油缸) ，恒压油源子系统( 恒压变量泵、蓄能器) 的数学模型。应用m a t l a b 软 件分别对加载子系统，恒压油源子系统进行仿真分析，分析了加载子系统的稳定性、安 全性及蓄能器对恒压系统的影响。 本文通过对二次调节加载系统研究，丰富了二次静液传动理论的应用。建立了二次 调节加载系统数学模型，为加载仿真分析提供了理论支持。仿真结果表明二次调节加载 系统具有良好的稳定性，快速性及控制精度。节约了能源，实现能量回收，达到节能环 保的目的。 关键词：工程机械跑合；跑合试验台；二次调节系统；蓄能器；能量回收 _ 程机械跑合试验台_ 二次调节加载系统的研究 a b s t r a c t e n g i n e e r i n gm a c h i n e r yr u n n i n g i nt e s ts y s t e mi sak i n do fl a r g es c a l ee q u i p m e n t ，w h i c h c a nr u na n dt e s tf o r t h ee n g i n e e r i n gm a c h i n e r y l o a d i n gs y s t e mi st h ec o r eo ft e s t b e ds y s t e m ， w h i c hc o n s t i t u t e st h em a i nb o d yo ft h et e s t b e ds y s t e m i td i r e c t l ya f f e c t st h ep e r f o r m a n c eo f t h es t a b i l i t ya n dp r o p e r t yo fe n g i n e e r i n gm a c h i n e r yd u r i n gn m n i n g t e s t i n g h y d r o s t a t i c t r a n s m i s s i o nw i t hs e c o n d a r yr e g u l a t i o nt e c h n o l o g yh a sm a n ya d v a n t a g e s ，i n c l u d i n gh i g h e f f i c i e n c y , g o o dc o n t r o l l a b i l i t y , r e c y c l i n ga n dr e u s i n gt h eb r a k i n gd y n a m i ce n e r g yt o 鲥d t h i sp a p e rp r o p o s e dt h ei d e at h a ta p p l y i n gh y d r o s t a t i ct r a n s m i s s i o nw i t hs e c o n d a r yr e g u l a t i o n t e c h n o l o g yt ot e s t i n gs y s t e mf o re n g i n e e r i n gm a c h i n e r yo nt h eb a s i so fr u n n i n gs t a b i l i t y r e l i a b i l i t y t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h es y s t e mi sf o u n d e db ym e c h a n i s mm o d e l i n g t e c h n o l o g y , w h i c hc o n s i s t so ft h es e c o n d a r yr e g u l a t i o nl o a d i n gs u b s y s t e m c o n s t a n tp r e s s u r e o i ls o u r c es u b s y s t e ma n ds t u d yo ns e c o n d a r yr e g u l a t i o nl o a d i n gs y s t e ma r ep e r f o r m e db y s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t t h ef o l l o w i n gw o r kw a sc o m p l e t e dw h i c ht o o kt h es e c o n d a r yr e g u l a t i o nl o a d i n gs y s t e m f o re n g i n e e r i n gm a c h i n e r yr u n n i n g - i nt e s ts y s t e ma st h eo b j e c to f s t u d y f i r s t l y ，a i ma tt h e f l a wt h a tt h et r a d i t i o n a ll o a d i n gd e v i c eo fl o a dt o r q u ei ss m a l l ，e n e r g yc a n tb er e c o v e r e de t c r e s e a r c h e dt h et e c h n o l o g yo fh y d r o s t a t i ct r a n s m i s s i o nw i t hs e c o n d a r yr e g u l a t i o nt e c h n o l o g y ， c o n c l u d e dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ei n s t i t u t i o n so ft h es e c o n d a r yc o m p o n e n ta n dc o n t r o lm o d e o ft h es e c o n d a r yr e g u l a t i o n l o a d i n gs y s t e m a n dt h e np r o p o s e dt h ei d e at h a ta p p l y i n g h y d r o s t a t i ct r a n s m i s s i o nw i t hs e c o n d a r yr e g u l a t i o nt e c h n o l o g yt oe n g i n e e r i n gm a c h i n e r y r u n n i n g i nt e s ts y s t e m s e c o n d l y ，a c c o r d i n gt ot h el o a d i n gr e q u i r e m e n t so fe n g i n e e r i n g m a c h i n e r yd u r i n gr u n n i n g - t e s t ，f o r m u l a t e dt h es t r u c t u r ed i a g r a mo fe n g i n e e r i n gm a c h i n e r y r u n n i n g 。i n t e s t s y s t e m b a s e do n h y d r o s t a t i c t r a n s m i s s i o nw i t hs e c o n d a r y r e g u l a t i o n t e c h n o l o g y ，a n dc a l c u l a t e dt h es t r u c t u r ep a r a m e t e r so fr u n n i n g i nt e s tb e n c h ，o f f e r e dt h e t h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h es e c o n d a r yr e g u l a t i o nl o a d i n gs y s t e m a tl a s t ，f o u n d e dm a t h e m a t i c a l m o d e lo ft h e s e c o n d a r yr e g u l a t i o nl o a d i n gs u b s y s t e m ( t h e s e c o n d a r yc o m p o n e n t ， e l e c t r o _ h y d r a u l i cs e r v ov a l v e ，av a r i a b l eo i lc y l i n d e r ) ，c o n s t a n tp r e s s u r eo i ls o u r c es u b s y s t e m ( c o n s t a n tp r e s s u r ev a r i a b l ep u m p ，a c c u m u l a t o r ) ，u s i n gm a t l a bs o f t w a r et os i m u l a t et h e s e c o n d a r yr e g u l a t i o nl o a d i n gs u b s y s t e m c o n s t a n tp r e s s u r eo i ls o u r c es u b s y s t e m ，a n d a n a l y z e dt h es t a b i l i t yr e l i a b i l i t yo ft h es e c o n d a r yr e g u l a t i o nl o a d i n gs u b s y s t e ma n dt h e 硕十产何论文 i n f l u e n c eo fa c c u m u l a t o rt oc o n s t a n tp r e s s u r es y s t e m t h er e s e a r c ho nt h es e c o n d a r yr e g u l a t i o nl o a d i n gs y s t e me n r i c h e dt h ec o n t e n ta n d e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n so fh y d r o s t a t i ct r a n s m i s s i o nw i t hs e c o n d a r yr e g u l a t i o nt e c h n o l o g y b u i l dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h es e c o n d a r yr e g u l a t i o nl o a d i n gs y s t e mt o s u p p o r tt h e d e t e r m i n i n go fe n g i n e e r i n gm a c h i n e r yl o a d i n gs i m u l a t i o na n a l y s i st h e o r e t i c a l l y s i m u l a t i o n r e s u l t si n d i c a t et h a tl o a d i n gs y s t e mw i t hs e c o n d a r y r e g u l a t i o nh a sg o o ds t a b i l i t y ，a n ds e c u r i t y s a v ee n e r g ya n da c h i e v ee n e r g yr e c o v e r y ，a n da c h i e v et h e g o a l o fe n e r g ys a v i n ga n d e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n k e yw o r d s ：e n g i n e e r i n gm a c h i n e d ，r u n n i n g ；r u n n i n g - i nt e s ts y s t e m ；s e c o n d a r yr e g u l a t i o n s y s t e m ；a c c u m u l a t o r ；e n e r g yr e c o v e r y i i i 硕十学f _ 7 = 论文 量鼍曼曼曼皇舅曼舅曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼皇曼曼曼曼曼舅曼曼 ；i i 一 一i i i 皇鼍 1 1 课题研究背景及意义 第1 章绪论 随着近年来能源价格上涨和能源危机的出现，世界上越来越多的国家都在陆续推出 节能降耗的发展战略，并初步取得成效。据欧盟委员会调查统计，2 0 0 0 年至2 0 0 8 年间、 英国的能源使用量在8 年间下降了超过5 。目前，我国的经济粗放型增长方式还没有 发生根本行的转变，经济快速增长在很大程度上靠大量消耗资源来实现，浪费大，污染 重，资源利用率低。我国人均资源的占有量越来越少，2 0 1 1 年我国g d p 总量大概相当 于全球g d p 的1 0 4 8 ，但消耗了世界能源的2 0 3 。这样巨大的资源消耗，以及所带 来的环境影响，是难以支持中国实现长期可持续发展的。因此转变发展方式，提高能源 的利用率已经时不我矧。 我国基础工业总体水平较低，大部分企业规模较小、技术工艺落后，产品质量同欧 美国家相比故障率高、可靠性差、一次装配合格率低。如若工程机械在出厂前没有进行 必要的跑合，而直接交予用户进行生产作业，在重载下势必对工程机械传动系统造成剧 烈的磨损。为了解决这些问题，一些工程机械厂家大都采用跑合试验台对工程机械进行 整车跑合的方法。加载系统是试验台的核心系统构成试验台的主体，其性能直接决定着 工程机械跑合的效果。因此，寻找既能满足工程机械跑合的稳定性、快速性要求又能节 约能源的加载方式就显得尤为重要。 本论文提出的二次调节静液传动加载系统不仅能够驱动负载对工程机械进行跑合， 而且能够根据载荷谱( 功率，速度，加载时间) 的大小通过实时的调整二次元件的倾角 的大小来调节其排量的大小，以满足实际加载功率的需要。最重要的是对工程机械进行 加载跑合制动的过程中，势必要消耗大量的能源，而有二次调节系统能量回收的技术特 点，能够将吸收的能量通过发电机送回到电网中，实现功率回收，达到节能环保的目的， 同时加载系统可省去冷却装置，减少设备的总投资，并省去冷却装置费用。 1 2 国内9 1 $ f l 关研究综述 1 国外研究现状 6 0 、7 0 年代国外已广泛使用水力测功机对发动机进行加载测功，如英国费罗特公司， 西德的s c h e n c k 公司、z o l l n e r 公司【2 1 。由于水力测功机存在着调节滞后现象，给实现 遥控及自动控制带来困难。又因低转速时，吸功能力小，使转速的适应范围受到限制。 丁稃机械跑合试验台= 次调节加载系统的研究 在此期间国外一些厂家也生产直流电力测功机，由于直流电力测功机有电刷整流子摩 擦，转矩不能太高，寿命短，造价高，维护困难等缺点，很难推广。比较有代表性的生 产厂家有日本小野公司，德国西门子公司。 1 9 7 8 年随着德国f e v 发动机公司的成立，为了提高发动机的性能，该公司研究出了 电涡流测功机【3 1 。电涡流测功机具有高精度、高稳定性、机构简单等特点被广泛应用。 但电涡流测功机不能用于整车加载测功。 随着整车测功及自动化控制的需要，由a v l 和e l i n 公司联合生产的a p a 系列交流 电力测功机具有一定的代表性，以计算机为中心，进行数据采集、处理与工况自控。另 外德国申克、西门子、日本小野公司都开始生产交流电力测功机。交流电力测功机基本 实现了自动控制，有较好的综合性能，但价格昂贵。 随着二次调节技术的不断成熟，1 9 9 3 年w b a c k e 教授和c h k o e g l 提出了基于二次 调节技术的转矩伺服加载的思想【4 1 。日本学者h n a k a z a w a 、s y o k o t a 和y k i t a 提出了将 二次元件一飞轮组合应用于汽车刹车装置，从而达到节能的目的 s , 6 1 。特别是力士乐公司 的r k o d a k 先生已成为将二次调节静液传动技术应用到工程领域的杰出代表人物。 2 国内研究现状 我国南通市启东测功设备厂在1 9 8 5 年引进了西德策尔纳公司技术，首先在国内开发 生产水力测功机【2 】。目前该测功机几何被淘汰。 3 6 图1 1 传统液压测功器原理图 1 转鼓；3 一左半轴；4 一主减速器总成；5 一主传动轴 我国于1 9 8 5 年成功研制了1 0 0 马力和2 0 马力的液压测功器，他解决了当时拖拉机 在不拆卸的情况下的动力测试问题。后又经过研究、分析，在此基础上设计了一种新型 的液压测功器口l 。该液压测功器已经有厂家批量生产。该液压加载系统如( 图1 1 ) 是由 2 硕十学位论文 曼i ii ii 一鼍曼皇曼曼曼曼曼亭鼍曼曼曼皇曼鼍曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼寰 发动机驱动油泵输出高压油，压力由控制阀组调节，高压油经过控制阀组后变成低压油， 大部分液压能变成热能，使油温升高。低压油再经过油马达，驱动其旋转，油马达带动 风扇工作，风扇对流经散热器的高温油进行散热，最终使热能由热空气带走，散入大气 中。 天津大学内燃机研究所开发的立式直流电力测功机是以计算机为核心，集转速、扭 矩和油耗检测为一体的发动机性能检测设备。由于直流电力测功机本身的特点，在国内 很少应用。 1 9 9 3 年第一台电涡流测功机进入中国后被应用于深圳市新永通实业有限公司研发 的风冷式底盘测功机，从此替代了中国市场原用的水冷式测功机及直流电力测功机【2 1 。 但与水力测功机一样只能够吸收能量，并将吸收的能量转化为热能消耗而不能进行能量 回收。目前国内生产小功率电涡流测功机的企业主要有启东测功器厂、湘仪动力测功器 有限公司。 近年湖南大学电力测功机研究所与湘潭电机厂合作，研究交流变频电力测功机【2 1 。 1 9 9 7 年哈尔滨工业大学田联房博士设计、安装了国内第一台应用二次调解原理的静 液驱动扭矩伺服加载试验台，应用神经模糊p i d 控制策略取得了满意的仿真与实验结果 【7 8 】。2 0 0 0 年长安大学在工程机械多功能综合试验台上采用y - - 次调节技术，并对控制 特性及节能进行了分析【9 】。 目前常用的几种加载检测装备性能对比见表1 1e 1 0 1 。 表1 1 几种加载装置的性毹比较表 点涡流测功器 电力测功机 二次调节柱塞单元 参趴 转动惯量 3 08 01 加载装置体积 5 5 2 1 0 1 0 0 用途不可模拟整车试验可模拟整乍试验可模拟整车试验 转动方向双向双向双向 转矩方向阻力矩( 两缘限)四象限四象限 动态响应适中高 能量回收热能电能液压或电能 同收能量品质好 取决变换装置取决于控制装置 价格3 0 1 2 0 1 0 0 综上所述，水力测功机工作时噪音大，而且在转速高、制动扭矩小的区段几乎不能 稳定工作，应用较少。电涡流测功机技术水平偏低，只能吸收功率，将其全部转化为热 丁程机械跑合试验台二次调节加载系统的研究 能消耗而不能回收。直流测功机结构上存在机械转向器和电刷，造价偏高，维护困难， 寿命短。交流电力测功机测功范围宽，在对原动机进行测量的同时，还能以发电的形式 回收能量，转矩控制响应迅速而且测量精度高，但由于在跑合测量试验台中反复启停， 对电力测功机危害较大，所以很少用在跑合试验台中。目前，国内对二次调节静液传动 技术进行了一定的研究，但将此技术应用到实际工程的研究方面与国外相比还存在较大 的差距。基于二次调节技术本身能量回收的特点，将此技术应用在跑合试验台中具有很 大的实际意义。 1 3 论文的研究内容 跟据国内外加载设备的研究现状和发展趋势，以满足工程机械跑合试验台用于对工 程机械测试试验时能够模拟实际工况的要求，对工程机械跑合试验台及加载系统设计时 主要考虑以下两方面因素： i 试验台能够对工程机械前后桥同时分别加载。 2 在试验台上能够模拟工程机械的实际路况( 转弯及坑洼) 。 本论文以金川公司生产的j c c y - 2 铲运机为对象，来研究工程机械跑合试验台的加 载系统的动态性能。本文研究内容主要有以下几点： 1 ) 根据工程机械跑合、试验时的具体工况要求，拟定出了工程机械跑合试验台结 构原理图，并对工程机械跑合过程进行了运动学和动力学分析，计算出了跑合试验台架 结构参数。 2 ) 基于二次调节静液传动技术与工程机械跑合要求，拟定出二次调节加载系统原 理图，并合理选择加载子系统的元件，计算出在负载作用下各执行元件所需流量、压力 及运动速度和时间。 3 ) 建立二次调节加载系统的数学模型和传递函数并对其动态特性进行分析，最后应 用m a t l a b 仿真软件加载子系统，及油源子系统( 恒压变量泵、蓄能器) 进行动态仿 真。 1 4 本章小结 本章简要的介绍了本论文的研究背景及研究意义，并综述了国内外加载装置、二次 调节技术及二次调节技术在加载装置上发展历程。最后详细介绍了论文的主要内容。 4 硕t 学1 _ 7 = 论文 2 1 引言 第2 章工程机械跑合试验台结构设计 传统工程机械加载跑合试验台大都是粗放性的，加载设备是通过皮带传动来对工程 机械进行跑合加载。这种传动方式不能保证精确的传动比，从而使结果缺乏客观的唯一 性；也无法满足工程机械跑合试验台对工程机械测试试验时能够模拟实际工况的要求。 本章根据跑合试验时的实际工况要求，将主减速器总成作为试验台传动系统从而代 替带传动，设计跑合试验台结构原理图，并对试验台的传动系统进行理论分析。 2 2 工程机械跑合试验台结构原理与方案 2 2 1 试验台建设的目的与研究内容 跑合试验台可以代替传统的现场跑合方式，以更加合理的加载方式对工程机械进行 跑合，还可以通过检测系统及时检测出装配缺陷。也可以开展对工程机械各方面课题的 模拟试验研究，与现场的实物试验研究对比，试验台模拟试验的优点可以严格的控制试 验条件和改变系统参数，对某一参数的作用展开单因素的试验分析。 试验台可以研究的内容如下： ( 1 ) 通过加载跑合，可以定性研究由发动机、传动轴、主减速器总成到驱动轮之 间的装配质量。也可研究由发动机到驱动轮在工程机械负荷下各元件参数的合理选 择与匹配。 ( 2 ) 可以研究工程机械制动能力：如发动机反拖制动、长坡制动、等制动方式。 ( 3 ) 可以模拟实际工程，研究工程机械各个方面的课题。 2 2 2 试验台主要功能 根据跑合加载试验的要求及试验台安全性能要求，系统应具备的功能如下： 1 控制功能 a 载荷谱自动加载和调节控制，用于模拟不同道路的行驶情况，如模拟各种路面的 行驶阻力、转弯及坑洼路面。 b 举升装置，使被试车辆能方便地上下台架。移动装置，使前转鼓总成能够前后移 动而适应不同轴距车辆。拉紧装置，防止在大负荷运转时车辆冲出转鼓台。 t 程机械跑合试验台二次调1 ，加载系统的研究 2 检测功能：系统能自动检测和实时显示试车的有关数据为： a 施加载荷 x x 千瓦 b 车速 x x 公里4 , 时 c 变速箱轴颈及壳体温度 d 传动轴颈及壳体温度 e 各轮边温度 3 显示功能 采用双屏幕显示，其中一个大屏幕挂在驾驶员前方的试验现场，用于提示驾驶员应 做的操作及车辆运行主要参数的报警信息，另一彩色显示屏放在机房操作人员面前，以 表格形式显示车辆全部运行参数，并以汉字菜单形式提示操作人员应输人的参数及载荷 ；韭 p 日o 4 报警功能 为保证被试车辆及试车台重要设备的安全，在运行中自动检测的参数传给计算机 后，计算机发现达到或超过临界值时则立即报警，操作员根据超限值及其增长率来判断 是否要立即停车，若要立即停车则计算机一方面给驾驶员发出上车关机命令，同时控制 车辆按一定速率减载，以防飞车 5 打印报表功能 试车完成后或因故中途停车，均按要求的格式打印出试车报告单，经驾驶员及操作 员签字后交有关部门此外还用于打印各种统计报表 6 建立试车数据库 根据每次试车的检测参数及故障情况建立试车数据库，以便统计产品的单项指标及 综合指标，考核装配质量及有关部件总成的装配质量，为提高产品质量提供依据， 并按要求打印出各种统计报表及随时查阅已试车辆的有关数据。 2 2 3 跑合试验流程 1 根据不同车辆轴距不同，启动转鼓台移动油缸调节试验台前后转鼓总成之间的 距离。 2 启动举升器油缸，试验车辆就位后落下举升板，使转鼓支撑车辆轮胎。车辆的 前后两端用拉紧油缸和钢丝绳固定。 6 硕士学位论文 3 发动车辆，按预定的速度行驶。同时，计算机测控系统按预定的负荷通过加装 系统对车辆进行加装，直至各工况试验完毕。在这过程中，系统应不断的测试车辆行驶 速度和负荷、定期检测车体各部分温度并发送测试数据和指挥操作员、实验员的操作命 令。 4 车辆熄火，加装设备去掉负荷，松开拉紧油缸，举起举升器，车辆驶出。 2 2 4 试验台结构原理 根据工程机械跑合的功能要求及工作流程，拟定出工程机械跑合试验台结构原理图， 如图2 1 所示，主要是由转鼓台总成，模拟加载系统，能量回收系统，数据采集与处理 4 部分组成的。 能量回收系统模拟加载系统 图2 1 工程机械跑合试验台结构原理图 其中转鼓台总成主要包括转鼓、主减速器总成、辅助设备如图2 2 所示。 图2 2 转鼓台总成示意图 t 秤机械跑合试验台二次调节加载系统的研究 1 转鼓 其中4 组转鼓主要是对工程车辆起到支撑，并对车辆施加牵引载荷的作用。由于车 轮与转鼓间的附着系数将直接影响制动跑合试验台所能测得的制动力的大小，为了增大 转鼓与车轮之间的附着系数，在转鼓外圆表面沿轴向开有若干间隔均匀、有一定深度的 沟槽，使转鼓表面附着系数最高可达到o 6 5 】。而后转鼓总成固定于地面不动，前转鼓 总成安装在铸铁平板t 型槽内，可以通过2 套转鼓台移动液压缸的伸缩来推动前转鼓总 成在t 型槽内移动，使前后转鼓总成中心距发生变化，从而适应不同轴距的车辆。 2 主减速器总成 转鼓试验台传动系统中的主减速器总成是由差速器与主减速器器构成。主减速器能 够增大加载系统的输入扭矩并相应的降低转速；而差速器在该试验台中的功能在模拟车 辆转弯行驶或不平路面的实际工况时能够保证两侧驱动车轮的不同转速。 在对工程机械跑合时，差速器行星齿轮轴不自转，主减速器总成中只有主减速器在 其作用。 而当对工程机械进行测试试验时，当左右转鼓受到不同力时，差速器行星齿轮仅跟 着差速器壳一起进行公转，这样可以模拟工程机械的实际路况。 3 辅助设备 2 套拉紧油缸、4 组锁紧油缸、4 套举升油缸、2 套转鼓台移动油缸，以上装置固定 在托架上， 位于前后端的2 组油缸通过钢丝绳锁紧跑合试验的车辆，防止在大负荷运转时车辆 冲出转鼓台。 举升器主要用来控制工程机械的升降，以便于车辆的进出，试验时升降板落下，使 车轮与转鼓充分接触。 该试验台的模拟加载系统为二次调节模拟加载系统，是整个试验台的核心部分，它 通过联轴器与主减速器总成连接，既能够对转鼓驱动，又能够对转鼓施加阻力，起到对 工程车辆加载跑合的作用。该系统主要是通过传动系统与转鼓连接，并向驱动轮施加阻 力。 电网回馈系统采用双向变频逆变技术，p w m 整流器和p w m 逆变器无需增加任何 附加电路，就可以实现系统的功率因素约等于1 ，消除网侧谐波污染，能够双向流动， 方便电机四象限运行，同时适应各种调速场合。同时，这种变频器不但输出电压，电流 为正弦波，输入电流也为正弦波，且功率因数为1 ，还可以实现能量的双向传递【1 2 a 3 1 。 二次调：肖系统一次元件带动发电机，将车辆驱动的动能通过二：次调节系统转化成电能， 8 硕十学位论文 并将转化的电能回馈到电网从而达到节能的目的。 2 3 试验台架结构参数分析 2 3 1 转鼓直径的选择 在转鼓上进行车辆跑合及测试，转鼓直径愈大愈接近道路条件，但整个试验装置尺 寸增大，如果转鼓直径减小则会增加轮胎滚动阻力系数。据汽车测试资料介绍，滚动阻 力系数f 和转鼓直径d p 与轮胎直径d k 之比值( d p d k ) 间的关系见图2 3 所示。 0 0 2o 40 60 81 0 d p d k 图2 3 滚动阻力系数f 和转鼓直径d 与轮胎直径d 之比值( d p d k ) 问的关系 一般路面滚动阻力系数为0 0 3 - 4 ) 0 4 ，按照图2 5 所示，选取d p d k = 0 3 5 o 6 0 。以 地下铲运机j c c y - 2 ，j c c y - 6 为例，其j c c y - 2 轮胎直径d k = 1 2 7 5 m m ，因此d p 可选用范 围为6 3 0 7 6 0 r a m ；而j c c y - 6 的轮胎直径d k = 1 7 5 0 m m ，因此d p 可选用范围8 7 5 1 0 5 0 m m 。 2 3 2 转鼓中心距l 的确定 车辆在试验台上跑合或测试时，车轮带动转鼓转动，其受力如图2 4 所示。 前转鼓 图2 4 车轮与转鼓受力关系 当驱动力矩m 足够大时，车轮就有脱离后转鼓的趋势，在车轮即将离开后转鼓的 瞬间，只有前转鼓与车轮作用力l 与2 。如果转鼓中心距l 选择合适，车轮负荷g 能 9 厂加眩傩阱 o o o o o t 稃机械跑合试验台= 次调节加载系统的研究 阻止车轮脱离转鼓。 由车轮平衡条件可得： z x = 0 l s i n 0 = 五c o s 0 b p l = 击又7 i = 旦d k 2 ( 2 1 ) 所以l = 2 m o k t a n 0 ( 2 2 ) x = 0 g = l - c o s 0 + t l s i n 0 即g = 2 m q t a n 0 c o s 0 + 2 m , s i n 0 ( 2 3 ) 欲使车辆不脱离转鼓，必须满足 g 2 m 砬t a n 0 e o s 0 + 2 m , bs i n 0( 2 4 ) 在根据车轮直径选取转鼓直径后，可选择转鼓的中心距l ，使之满足上式的要求。 因为 t a n o = l ( d , + d 口) ( 2 5 ) 在检测制动性能时，转鼓为主动带动车轮转动，如图2 4 所示。车轮的制动力矩为 m ，当制动力矩m 足够大时，车轮就有脱离前转鼓的趋势。为防止车轮脱离转鼓，必 须有： g s i n 0 乏 ( 2 6 ) 瓦= 2 为转鼓与车轮之间的最大附着力，沙为车轮与转鼓的附着系数，2 为转 鼓与轮胎问的正压力，= g c o s 0 故有：t = y g c o s 0( 2 7 ) 代入式( 2 6 ) 可以得到 即t g o y( 2 8 ) 通常少= o 钏7 。代入式( 2 8 ) 可得8 = 3 1 。3 5 。将此条件代入式( 2 5 ) 即可确定转鼓 中心距l 。以地下铲运机j c c y 2 为例的轮胎直径d k = 1 2 7 5 m m ，d p = 7 0 0 m m ，可得l 的 取值范围为11 8 6 , - - 1 3 8 2 m m 。而j c c y 6 的轮胎直径d k = 1 7 5 0 m m ，d p = 9 0 0 m m ，可得l 的 取值范围为1 7 5 0 1 8 5 5 m m 。 2 4 工程机械跑合试验台传动系统理论分析 2 4 1 工程机械驱动轮受力分析 1 0 硕十学位论文 工程机械发动机产生的转矩，经传动系传至驱动轮上。此时作用于驱动轮上的转矩 必产生一对地面的圆周力局，地面对驱动轮的反作用e ( 方向与r 相反) 即是驱动工 程机械的外力【1 4 1 ，如图2 5 所示，此外力成为工程机械的驱动力。 1 1 a 图2 5 工程机械的驱动力 驱动力的数值为 f ：丝( 2 9 ) ， 式中，m ，为作用于驱动轮转矩，r 为驱动轮半径。 作用于驱动轮上的转矩m 是由发动机产生的转矩经传动系统至车轮上的。若令帆 表示发动机的转矩，名表示变速器的传动比，乇表示主减速器的传动比，r r 表示传动系 的机械效率，则有 m t = m t q t 乒矾t q 1 0 ) 2 4 2 主减速器总成原理 图2 6 转鼓试验台传动系统示意图 卜转鼓：2 一主减速器总成；3 差速器；4 主传动轴 t 秤机械跑合试验台二次调耵加载系统的石j f 究 与工程机械驱动轮接触的转鼓至加载系统之间的传动系统如下图2 6 所示。转鼓试 验台传动系统主要是有转鼓、主减速器总成构成。 在工程机械跑合试验中加载系统主要是通过该传动系统对工程机械进行加载；而对 工程机械进行检修测试时，二次调节加载系统中的二次元件作为驱动通过试验台传动系 统对工程机械进行驱动。 转鼓试验台传动系统中的主减速器总成是有差速器与主减速器器构成的。主减速器 能够减小加载系统的输入扭矩并相应的增大转速；而差速器在该试验台中的功能在模拟 车辆转弯行驶或不平路面的实际工况时能够保证两侧驱动车轮的不同转速。 差速器的功用是当车辆转弯行驶或在不平路面上行驶时，使左右驱动车轮以不周的 转速滚动。本试验中选用差速器是为了更真切的模拟实际路面工况。 差速器中各元件的运动关系差速原理【1 5 l ，如图2 7 所示。 对称式锥齿轮差速器是一种行星齿轮机构。差速器壳3 与行星齿轮轴5 连成一体，形成 行星架，它又与主减速器从动齿轮6 固连，设其速度为；半轴齿轮1 和2 为从动件， 其角速度为劬和。a 、b 两点分别为行星齿轮4 与半轴齿轮l 和2 的啮合点。行星齿 轮的中心点为c ，a 、b 、c 三点到差速器的距离均为，。 当行星齿轮只是随同行星架绕差速齿轮旋转轴线公转时，显然，处在同一半径上的 a 、b 、c 三点的圆周速度都相等，如图2 7 b 所示，其值为，。 6 引rn c 胚 一 abc 图2 7 差速器差速原理 1 、2 一半轴齿轮；3 一差速器壳；4 一行星齿轮：5 一行星齿轮轴；6 一主减速器从动齿轮；7 一转鼓 当行星齿轮4 除公转外，还绕本身的轴5 以角速度纰自转，如图2 7 c 所示，其啮 合点a 的圆周速度为q 厂= c o o r + t 0 4 r 4 ，啮合点b 的圆周速度为哆，= ，一吐。 于是 c o l r + c 0 2 r = ( c a o r + c 0 4 r 4 ) + ( c o o r 一咄，：i ) 1 2 硕十学位论文 即 q + 哆= 2 c o o 若角速度以每分钟转数1 7 表示，则 强+ i 1 2 = 2 n o ( 2 11 ) 式( 2 1 1 ) 为两半轴齿轮直径相等的对称式锥齿轮差速器的运动特性方程式。它表 明左右两侧半轴齿轮的转速之和等于差速器壳转数的两倍，而与行星齿轮转速无关。因 此，在汽车转弯行驶或其他情况下，都可以借行星齿轮以相应转速自转，使两侧驱动车 轮以不同转速在地面上滚动而无滑动。 图2 8 差速器转矩的分配 l 、2 一半轴齿轮：3 一差速器壳( 未回出) ；4 _ 行星齿轮：5 一行星齿轮轴 而由主减速器传来的转矩眠，经差速器壳、行星齿轮轴和行星齿轮给半轴齿轮。由 于两个半轴齿轮的半径也是相等的。所以，当行星齿轮没有自转时，总是将转矩眠平 均分给左、右两半轴齿轮，即m i = m ：= 眠2 。 当两半轴齿轮以不同转速朝相同方向转动时，设左半轴转速为编大于右半轴转速刀， 时，则行星齿轮将按照图2 8 上箭头n 4 的方向绕行星齿轮轴5 自转，此时行星齿轮孔与 行星齿轮轴轴颈问以及齿轮背部与差速器壳之间都产生摩擦。行星齿轮所受的摩擦力矩 m 方向与其转速的方向相反，如图2 8 箭头所示。此摩擦力矩使行星齿轮分别对左 右半轴齿轮附加作用了大小相等而方向相反的两个圆周力e 和只。f 使传到换的快的 左半轴上的转矩m 减小，而最却使传到转的慢的右半轴上的转矩m ：增加。因此，当左 右驱动车轮存在转速差时左半轴齿轮转矩 1 m = 去( 一哆) ( 2 1 2 ) 二 而右半轴齿轮转矩 1 m 2 = ( + m ，) ( 2 1 3 ) 、v，7 一t ：样机械跑合试验台二次调二市加载系统的研究 于是左右车轮上转矩之差，等于差速器的内摩擦力矩m 。 由工程机械试验台架及传动系统受力分析，以j c c y - 2 地下铲运机为例可得试验台参数 如下表2 1 所示 表2 1 以j c c y - 2 为例求得试验台参数 参数名称量纲数值 d p 转鼓直径 m m 8 0 0 三p 转鼓长度 m m1 2 0 0 三转鼓中心距 m m 1 3 0 0 m t 驱动轮上的最大转矩 n m5 9 8 0 1 2 传动系统总传动比无量纲 9 8 2 8 6 m o 主传动轴最大转矩 n m7 1 6 刀o 主传动轴转速 r p m 1 2 1 8 2 5 本章小结 根据工程机械跑合的功能要求及工作流程，拟定出工程机械跑合试验台结构原理 图。并对跑合试验台进行了分析，计算出了跑合试验台架结构参数。针对工程机械在跑 合试验台中模拟实际工况的要求，将车辆的主减速器总成作为试验台的传动系统，并对 主减速器及差速器分别进行了速度、转矩分析。 1 4 硕士学位论文 第3 章基于二次调节静液传动技术的加载系统的静态分析 本章将分析二次元件及二次调节系统的组成及特性，依据二次调节系统原理拟定工 程机械跑合试验台二次调节加载系统，最后计算出加载系统匹配的参数，为后续的系统 仿真和实验研究奠定基础。 3 1 二次调节静液传动的基本原理 3 1 1 二次元件的组成及原理 二次元件是组成二次调节系统的核心部件，二次调节系统主要是利用二次元件的转 动方向及斜盘倾角的大小来实现二次调节系统的调节与节能。二次元件与普通的变量泵 和变量马达有一个明显的区别，那就是二次调节元件能够在不改变旋转方向的前提下， 实现1 5 。左右范围内斜盘倾角位置变化，从而实现变量调节以及泵和马达工况的转换 【2 0 】 0 二次调节元件的液压原理【1 每1 9 1 如图3 1 、图3 2 所示。图3 2 中1 为二次元件泵体部 分，2 为过滤器，主要是对进入伺服阀的油液进行精滤，3 为测速码盘，可以测量二次 元件旋转脉冲数，进而实现转角控制和转速控制等，4 为开关阀，主要是控制二次元件 与外部压力油通断，1 1 为伺服阀，用于对二次调节元件变量油缸的控制，1 2 为位移传 感器，测量斜盘倾角变量油缸的位移，5 为单向阀，主要是防止二次元件壳体内产生气 蚀。 图3 1 二次元件内部剖视图 测 速 码 盘 t 稃机械跑合试验台二次调节加载系统的研究 图3 2 二次元件液压原理结构图 对于驱动恒压网络二次调节旋转载荷，可以通过变量马达和伺服调节机构来实现。 目前广泛使用的二次元件是德国力士乐公司生产的a 4 v s o g 和a 1 0 v s o g 型轴向柱塞 液压元件，我国贵州力源液压公司也研制出了a 4 v 系列的二次调节元件。 二次元件结构为斜盘式轴向柱塞泵马达，二次元件的输出扭矩与其弧度排量成正 比，它的排量等于旋转一周时全部柱塞腔排出的油液的体积 = ( i 7 l 吐2 ) _ z ( 3 1 ) 式中k - 二次调节元件的排量( c m 3 r ) o 变量油缸斜盘位移( n u n ) ，x p 2 巧t g a d _ 二次元件柱塞直径 z 二次元件柱塞数目 理论上输出转矩是与斜盘的倾角口成正比的，即 鸩= ( 争( ；吐2 ) 巧z ( 辔口) ( 3 2 ) 由于柱塞泵的斜盘倾角一般比较小，其弧度值和j 下切值近似相等，可以用口代替 l g a ，所以上式中可以表示为： m 2 = ( 隽) ( 三吐2 ) 哆z 口= k ( 3 3 ) 这样，通过一个小流量的伺服机构调节斜盘倾角就可以达到控制输出力矩的目的， 从而实现转矩控制、转速控制和功率控制