基于AMESim的礦用汽車全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)建模與仿真

孟兆磊，姜勇，王娟，何建成

(1.北京科技大學(xué)資產(chǎn)管理處，北京 100083;2.北京礦冶研究總院，北京 100160)

基于AMESim的礦用汽車全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)建模與仿真

孟兆磊1，姜勇2，王娟2，何建成2

(1.北京科技大學(xué)資產(chǎn)管理處，北京 100083;2.北京礦冶研究總院，北京 100160)

以SGA170礦用汽車全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為研究對象，利用AMESim仿真軟件對全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械－液壓耦合建模，并進(jìn)行動態(tài)特性仿真分析，獲取了各種工況下的全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的動態(tài)特性及其仿真曲線，為大型礦用汽車全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的合理設(shè)計和分析提供理論參考與技術(shù)支持，具有重要的工程應(yīng)用價值。

全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng);AMESim;動態(tài)特性;建模與仿真

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是礦用自卸汽車最為重要的系統(tǒng)之一，其功用是操縱車輛的行駛方向，既要能保持車輛沿直線行駛的穩(wěn)定性，又要能保持車輛轉(zhuǎn)向的靈活性［1］。轉(zhuǎn)向性能是保證車輛安全行駛的重要因素。礦區(qū)道路狀況一般都比較惡劣，為了減輕駕駛?cè)藛T的勞動強(qiáng)度，在重型礦用自卸汽車上，全部都采用全液壓動力轉(zhuǎn)向［2－3］。

文中以SGA170礦用汽車全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為研究對象，利用AMESim軟件對全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)－液耦合建模和仿真，獲取全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的作用機(jī)制和動態(tài)特性，為全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計和分析提供理論參考和技術(shù)支持。

1 SGA170礦用汽車全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計

1.1 典型全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

全液壓轉(zhuǎn)向是在轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)之間，不需要用連桿連接的一種液壓動力轉(zhuǎn)向型式，具有操縱輕便靈活、結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、整機(jī)安裝布置方便等優(yōu)點(diǎn)［4－7］。全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由液壓泵、轉(zhuǎn)向器 (及配用閥塊)、安全閥、雙向緩沖閥、單向閥和導(dǎo)向輪等部分組成。全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與其他轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比較，具有如下特點(diǎn):

(1)用來操縱方向盤的力矩小，操縱輕便靈活，可大大減輕駕駛員的勞動強(qiáng)度。

(2)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)組成元件少，元件尺寸小，質(zhì)量輕，使整個轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊。

(3)轉(zhuǎn)向器與轉(zhuǎn)向油缸之間僅用油管連接，布置靈活方便，不受機(jī)構(gòu)位置的限制。

(4)能在發(fā)動機(jī)熄火的情況下實(shí)現(xiàn)人力轉(zhuǎn)向。

圖1所示為4種典型全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)回路圖?？筛鶕?jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇。圖 (a)為開芯無反應(yīng)式轉(zhuǎn)向回路;圖 (b)為閉芯無反應(yīng)式轉(zhuǎn)向回路;圖 (c)為靜態(tài)信號型負(fù)載傳感轉(zhuǎn)向回路，必須同時采用靜態(tài)信號型負(fù)載傳感轉(zhuǎn)向器和靜態(tài)信號型優(yōu)先閥;圖 (d)為動態(tài)信號型負(fù)載傳感轉(zhuǎn)向回路，必須同時采用動態(tài)信號型負(fù)載傳感轉(zhuǎn)向器和動態(tài)信號型優(yōu)先閥。

圖1 典型全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)回路圖

1.2 SGA170礦用汽車全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

SGA170型電動輪礦用自卸汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用的是全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，系統(tǒng)液壓原理如圖2所示。

圖2 典型全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)回路圖

該系統(tǒng)流量大壓力高，采用插裝閥，同時插裝閥還具有結(jié)構(gòu)緊湊、集成化程度高等特點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)應(yīng)急轉(zhuǎn)向，采用常壓式轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)，不轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)向液壓泵1向蓄能器12中充液;轉(zhuǎn)向時，蓄能器向轉(zhuǎn)向器供油;發(fā)動機(jī)不工作時，蓄能器中的油液可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)急轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向器閥塊10中的雙向緩沖補(bǔ)油閥保證當(dāng)轉(zhuǎn)向輪受到較大沖擊時，轉(zhuǎn)向動力缸中的油液及時溢流，保護(hù)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)不受破壞。由于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)流量大，充液閥不能滿足要求，這里采用壓力繼電器對蓄能器充液進(jìn)行控制。當(dāng)蓄能器壓力低于14 MPa時蓄能器充液;待蓄能器壓力達(dá)到17 MPa時，自動停止充液。

2 基于AMESim的全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)建模與仿真

2.1 全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型的建立

SGA170全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)大致分為轉(zhuǎn)向器模塊、轉(zhuǎn)向機(jī)械執(zhí)行部分模塊、控制元件類模塊和壓力源類模塊等4個模塊。根據(jù)SGA170全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理圖，建立基于AMESim的全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仿真模型［8－10］，如圖 3 所示。

圖3 全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仿真模型圖

2.2 全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型仿真分析

對全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仿真模型中各個參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，對每個元件采用AMESim中的優(yōu)先模型子模型，總時間為 4 s，間隔為0.001 s;選擇標(biāo)準(zhǔn)步長積分器，單信號仿真，其他都采取系統(tǒng)默認(rèn)的條件，模擬方向盤給出的信號是階躍信號，即模擬駕駛員在突然轉(zhuǎn)動方向盤時整個系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。輸入信號如圖4所示。

2.2.1 轉(zhuǎn)向器動態(tài)特性及其仿真分析

全液壓轉(zhuǎn)向器的4個節(jié)流口由輸入的信號決定開口狀態(tài)，從而通過不同形式的輸入信號來替代轉(zhuǎn)向器不同的工作方式。圖5—7所示分別為轉(zhuǎn)向器節(jié)流口在不考慮蓄能器和膠管彈性、不考慮蓄能器作用但考慮膠管彈性、同時考慮蓄能器作用和膠管彈性下的進(jìn)油口壓力變化曲線。

圖4 輸入信號大小隨時間變化曲線

圖5 轉(zhuǎn)向器節(jié)流口進(jìn)油口壓力隨時間變化曲線 (不考慮蓄能器和膠管彈性)

圖6 轉(zhuǎn)向器節(jié)流口進(jìn)油口壓力隨時間變化曲線 (不考慮蓄能器作用但考慮膠管彈性)

圖7 轉(zhuǎn)向器節(jié)流口進(jìn)油口壓力隨時間變化曲線 (考慮蓄能器作用和膠管彈性)

從圖5—7可以看出:考慮膠管的彈性對進(jìn)油口的壓力波動有非常明顯的改善，再加上蓄能器的緩沖作用使壓力波動很小。當(dāng)然同時不考慮液壓管和蓄能器的作用只是理論的狀況，在現(xiàn)實(shí)中不存在。同時通過這3個圖還可以看出:在考慮了膠管的彈性和蓄能器的緩沖作用后，響應(yīng)出現(xiàn)了一定的延遲，即液壓系統(tǒng)的響應(yīng)速度降低。

2.2.2 轉(zhuǎn)向缸動態(tài)特性及其仿真分析

轉(zhuǎn)向缸是全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的機(jī)械執(zhí)行部分，轉(zhuǎn)向過程中轉(zhuǎn)向缸內(nèi)各個參數(shù)的變化是非常復(fù)雜的。通過轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仿真模型可以看出液壓缸工作腔和轉(zhuǎn)向器節(jié)流口1之間由一根液壓管相連，所以可以得出兩者的壓力變化情況也是一樣的，因此在3種條件下 (不考慮蓄能器和膠管彈性、不考慮蓄能器作用但考慮膠管彈性、同時考慮蓄能器作用和膠管彈性)轉(zhuǎn)向缸工作腔的壓力變化情況如圖8—10所示。

圖8 轉(zhuǎn)向拉桿受力隨時間變化曲線 (不考慮蓄能器和膠管彈性)

圖9 轉(zhuǎn)向拉桿受力隨時間變化曲線 (不考慮蓄能器作用但考慮膠管彈性)

圖10 轉(zhuǎn)向拉桿受力隨時間變化曲線(考慮蓄能器作用和膠管彈性)

從圖8—10可以看出:3種狀態(tài)下 (不考慮蓄能器和膠管彈性、不考慮蓄能器作用但考慮膠管彈性、考慮蓄能器作用和膠管彈性)呈現(xiàn)類似的變化，不同的是在t=1 s左右出現(xiàn)波動后在t=2 s時再次出現(xiàn)波動，主要原因是轉(zhuǎn)向缸工作腔內(nèi)出現(xiàn)了第二次壓力的上升，所以引起了轉(zhuǎn)向拉桿受力的波動。

2.2.3 輪胎動態(tài)特性及其仿真分析

圖11—13為礦車輪胎加速度隨時間變化曲線，這3張圖的曲線變化規(guī)律原理等同上一節(jié)的轉(zhuǎn)向拉桿受力情況，不同的是在這3張圖的對比中，輪胎加速度值出現(xiàn)第二次波動的延遲現(xiàn)象非常明顯。

圖11 輪胎轉(zhuǎn)向加速度隨時間變化曲線 (不考慮蓄能器和膠管彈性)

圖12 輪胎轉(zhuǎn)向加速度隨時間變化曲線 (不考慮蓄能器作用但考慮膠管彈性)

圖13 輪胎轉(zhuǎn)向加速度隨時間變化曲線(考慮蓄能器作用和膠管彈性)

3 結(jié)論

液壓系統(tǒng)對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能的影響是兩方面的:一方面可以緩沖汽車行駛過程中轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)受到的沖擊載荷;另一方面又會引起轉(zhuǎn)向響應(yīng)速度的遲緩。進(jìn)行轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)設(shè)計時，要權(quán)衡這兩個方面對液壓膠管的要求，通過試驗(yàn)選用液壓膠管合適的尺寸和性能參數(shù)，使其對轉(zhuǎn)向響應(yīng)時間的影響限制在某一范圍內(nèi)，又能使其盡可能多地吸收車輪受到的沖擊載荷。

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Modeling and Simulation of Full Hydraulic Steering System in Mining Truck Based on AMESim

MENG Zhaolei1，JIANG Yong2，WANG Juan2，HE Jiancheng2
(1.Assets Management Department，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China;2.Beijing General Research Institute of Mining ＆ Metallurgy，Beijing 100160，China)

The full hydraulic steering system of SGA170 mine truck was used as research object，its dynamic characteristicswas simulated by AMESim，the characteristics and simulation curves of the steering system and the steeringmechanism under various conditions were obtained，which provided theoretical reference and technical support to the design and analysis of full hydraulic steering system of the heavy-dutymine truck，and had important value in engineering.

Full hydraulic steering system;AMESim;Dynamic characteristic;Modeling and simulation

TP242.6

A

1001－3881(2014)10－111－3

10.3969/j.issn.1001 －3881.2014.10.034

2013－04－17

孟兆磊 (1979—)，碩士，助理研究員，研究方向?yàn)橘Y產(chǎn)管理、實(shí)驗(yàn)室管理等。E－mail:mzl@ustb.edu.cn。通信作者:姜勇，E－mail:jiangyong23@163.com。