专用机械静压底盘液压驱动系统仿真研究

1、专用机械静压底盘液压驱动系统仿真研究    摘要:为了研究适用于对作业车速恒定有严格要求的专用底盘，提出一种采用机械静压驱动的解决方案。该方案采用传统机械变速器用于高速行驶、附加液压传动装置用于低速作业。应用系统协同仿真软件AMESim建立稀浆封层机液压驱动系统的仿真模型，对其动态特性进行仿真分析。结果表明:稀浆封层机要避免工作在300kN以上的载荷工况;系统对正弦载荷的响应，存在负荷上升阶段压力波动较负荷下降阶段压力波动大，且受小频率载荷影响明显。关键词:底盘;机械静压;液压驱动;仿真研究近年来，道路养护机械广泛应用于高等级公路、城市道路和乡村道路的建

2、设1。道路养护机械的性能会影响到作业质量，控制稳定的作业速度一直以来是业界关注的一个难题24。常见的道路养护机械多采用通用底盘搭载，车辆的作业速度和非作业状态下的转移行驶速度相差悬殊。这种方案多采用增加副变速箱或者专用变速箱来降低车速，但效果不理想，且作业质量没有保证5。如何设计一套变速范围很宽的机械静压复合驱动底盘系统成为整机设计的关键环节，笔者通过采用传统机械变速器用于高速行驶、附加液压传动装置用于低速作业的方案，很好地满足了这两种工况的需求。针对机械静压底盘液压驱动系统，应用系统协同仿真软件AMESim建立稀浆封层机液压驱动系统的仿真模型，对其动态特性进行仿真分析，确定最佳匹配参数。仿真

3、结果与实验结果基本吻合，验证了仿真过程的有效性。1专用机械静压复合驱动底盘设计为了解决专用车辆的作业速度和非作业状态下的转移行驶速度相差悬殊的难题，我们设计了该专用机械静压复合驱动底盘，采用传统机械变速器用于高速行驶、液压传动装置用于低速作业的方式来解决这个难题。主要应用于路面维护和再生车辆、高压清洗车、清扫车、机场作业车辆等，笔者以某型号稀浆封层机为例展开研究。道路养护机械为多系统车辆，行走传动仅为工作系统之一，并且行走系统在作业时往往并不为最大功率系统，因此，行走系统与发动机之间按部分功率匹配。作业工况下时，控制机构9处于左位，这样发动机1的动力就传到了泵3和泵4上，由泵3去带动工作装置工

4、作，此处仅画出一个泵，实际可视工作装置需求布置多个泵;由泵4和液压马达7组成的闭式系统带动变速箱，驱动底盘恒速行驶。而在运输工况下，控制机构9处于右位，变速箱10与发动机1连接，按车辆原来状态行驶。当控制机构处于中位时，处于驻车工况，此时泵3可以带动工作装置工作，该工况适宜于有特殊需求的机械。图1专用机械静压复合驱动底盘传动系示意图图1是专用机械静压复合驱动底盘传动系示意图，其中变量泵4、变量马达7组成的闭中心负载适应系统8和机械变速器10共同组成机械静压变速装置。该变速装置变速范围宽，可以极大地提高其在某些具有特定性能要求的车辆中的应用性。专用动力箱包括:控制机构、泵、马达、分动箱。此类车辆

5、低速作业时行走装置一般只消耗很小的功率，用结构紧凑的液压驱动元件进行底盘改装相当方便，所以机械液压分时驱动的方式在此类车辆上的应用前景十分可观。2液压驱动系统仿真模型的建立2.1液压系统原理(图2)图2行驶液压驱动系统图2.2搅拌车液压系统主要参数系统额定压力为25MPa;系统最高压力为39.5MPa;发动机额定转速为2200r/min;液压马达排量为160cc/rec;液压泵排量为135cc/rec;补油泵排量为22.5cc/rec;补油压力为1.9MPa;转动惯量为1.02kg·m2。2.3液压系统仿真模型的建立在AMESim环境下，建立如图3所示的液压系统仿真建模图。2.4模型

6、主要参数的确定(1)发动机该软件只提供了带调控的和不带调控的两种方式的发动机。但均不符合稀浆封层机液压驱动系统所需发动机的要求，所以采用数学模型来代替。发动机的数学模型为转速相对负载转矩变化，具体数据根据潍柴WD615.50柴油机额定转速为2200r/min的发动机外特性来确定。取其右半段(因为建立模型时不允许出现转矩朝相反方向变化，即转矩只能朝一个方向变化)，以此来简化模型。利用软件1stopt对发动机外负荷特性进行拟合，所得到的二次拟合函数Me=4.566003×104x2+1.376x+91.603076。利用AMESim内部的ASCII文件用数组定义该函数。(2)梭阀部分因为

7、模型库的元件有限，所以不可能所有的元件都可以从中选取，根据梭阀的工作原理，开发了能够实现梭阀功能的子模型VALVE3。并单独利用AMESim软件对所搭建模型进行验证，结果是正确。VALVE3内部结构图如图4所示。图4VALVE3内部结构图                (3)液压马达部分马达模型有流量损失和机械损失，流速由马达排量、冲击损失、轴转速和进口压力共同决定。(4)液压泵部分变量液压泵子模型是考虑了容积损失和机械损失。出口流速由

8、泵排量、冲击损失、轴转速和入口压力共同确定。其容积效率和机械效率可以定义为定值，也可以通过ASCII文件用数组定义。(5)负载部分负载部分比较复杂，除了液压元件的阻尼系数、转动惯量之外，车辆自身质量和减速机折算到马达驱动轴上的转动惯量、阻尼系数也会对液压系统产生很大的影响。按图5(a)所示的传递路线，液压马达实际负载的等效模型如图5(b)所示。图5液压马达等效负载模型3仿真结果分析3.150kN阶跃载荷的响应对于稀浆封层机，50kN的载荷属于小载荷，此时的液压系统工作在泵大排量、马达大排量状态，从50kN的阶跃响应曲线图6中可以看出:(1)液压系统的压力稳定值为140bar，稳定时间为2.2s

9、，压力波动最大值为稳定值的6%。显然，该液压系统受压力较小，冲击较小，且可在较短时间内获得稳定。(2)液压系统流量基本不变，这些小幅度的变化来自压力升高引起的系统容积效率的降低、泵排量的变化以及发动机转速的降低。车辆的速度也有所变化，1s稳定，稳定车速为3.5km/h。3.2100kN阶跃载荷的响应100kN属于中等载荷，马达排量保持最大排量位置不变，泵排量开始有小幅度调节。从仿真曲线图7可以看出:图7对系统加100kN的阶跃载荷时系统压力、流量及速度响应(1)液压系统的压力稳定值为200bar，稳定时间为2.3s，压力波动最大值为稳定值的33%。可见随着载荷的升高，压力也相应升高。(2)液压

10、系统流量变化增大，显然，工作压力已经进入了泵排量调节区段(且工作压力亦进入马达排量调节区段)。流量稳定时间2.36s，车辆速度为1.89km/h。3.3150kN阶跃载荷的响应150kN属于大载荷，此时，马达排量已处于最大位置，泵的排量已比较小，从仿真曲线图8可以看出:(1)压力稳定值为250bar，稳定时间为2.2s，压力波动最大值为稳定值的28%。可见随着载荷的升高，压力也再相应升高。(2)车辆流量变化明显进一步增大，显然，工作压力已经进入了泵的小排量区段。流量响应速度较快，车辆稳定速度为1.39km/h。3.4300kN阶跃载荷的响应300kN属于过载荷，此时，泵的排量接近于最小排量范围

11、，从仿真曲线图9可以看出:图9对系统加100kN的阶跃载荷时系统压力、流量及速度响应(1)压力稳定值为395bar，稳定时间为2.5s，压力波动明显。在这样大的载荷下，系统压力迅速升高至压力截断阀开启压力。压力截断阀已经开始作用，泵的排量降为最小。泵出口的少许流量经溢流阀溢流和马达泄漏。车速迅速下降为零，稀浆封层机开始轻微的打滑。压力上升较快，稀浆封层机控制器可以及时调整，发动机不容易熄火。(2)系统流量变化进一步增大，显然，工作压力已经进入了泵的小排量区段，流量响应速度较快，流量已经几乎降为0，稳定时间为2.9s，相应的车辆速度也几乎降为0。3.5行驶液压驱动系统对正弦载荷的响应图10对系统

12、加0.1Hz、0.5Hz、1Hz的正弦载荷时系统压力响应根据正弦响应曲线图10可以看出，液压行走驱动系统压力存在负荷上升阶段压力波动较负荷下降阶段压力波动大的特点。对于正弦载荷，频率小的液压系统的压力上升速度较快，表现为压力上升坡度较陡，且压力波动幅值比较大。频率大的液压系统的压力上升速度较慢，表现为压力上升坡度较缓，压力波动幅值较小。所以受小频率载荷影响的液压系统会冲击较大。4结束语采用专用机械静压复合驱动底盘驱动的车辆，工作状态时，作业精度主要通过液压系统来稳定车速，在泵和马达的速比变化范围内实现了无级变速;行驶状态时，仍然采用汽车原来的系统，这样转移速度快，施工质量高。稀浆封层机要避免工作在300kN以上的载荷工况，防止产生过大的冲击压力;行走液压驱动系统对正弦载荷的响应，存在负荷上升阶段压力波动较负荷下降阶段压力波动大的特点，受小频率载荷影响的液压系统会冲击较大。参考文献1张新荣，焦生杰同步碎石封层技术及设备J筑路机械与施工机械化，2004，21(11):142姚怀新行走机械液压传