具有旁通阻尼回路的轉(zhuǎn)向器特性研究

王禹琪 劉昕暉 陳晉市 劉思遠(yuǎn) 霍東陽(yáng) 李倩雯

摘?? 要：負(fù)荷傳感轉(zhuǎn)向已成為鉸接式裝載機(jī)的主要轉(zhuǎn)向形式，為減輕液壓系統(tǒng)在轉(zhuǎn)向過(guò)程中產(chǎn)生的壓力沖擊和振蕩現(xiàn)象，改善轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提出一種具有旁通阻尼的轉(zhuǎn)向器優(yōu)化結(jié)構(gòu)，并建立轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，分析負(fù)荷傳感特性及旁通阻尼對(duì)轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性的影響. 建立裝載機(jī)動(dòng)力學(xué)和液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型，利用試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)檢驗(yàn)仿真模型精度，并將有、無(wú)旁通阻尼的兩種轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比. 研究結(jié)果表明：與原轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果對(duì)比，應(yīng)用旁通阻尼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)保證了系統(tǒng)良好負(fù)荷傳感特性和穩(wěn)定性的同時(shí)，降低了壓力沖擊峰值，減小了液壓系統(tǒng)壓力振蕩.

關(guān)鍵詞：液壓傳動(dòng);裝載機(jī);負(fù)荷傳感特性;轉(zhuǎn)向器

中圖分類號(hào)：TH137.7?????????????????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Research on Characteristics of Redirector

with by-pass Damping Structure

WANG Yuqi1，LIU Xinhui1，CHEN Jinshi1?，LIU Siyuan1，HUO Dongyang1，LI Qianwen2

（1. School of Mechanical and Aerospace Engineeringr，Jilin University，Changchun 130025，China;

2. FAW-Volkswagen Motor Co，Ltd，Changchun 130011，China）

Abstract：To reduce the pressure shock and oscillation phenomena caused by the hydraulic system in the steering process， and to improve the stability of the steering system， this paper proposes an optimized structure of redirector with by-pass damping. The mathematical model of steering system is established to analyze the influence of load sensing characteristics and by-pass damping on steering stability. The co-simulation model of loader dynamics and hydraulic steering system is established. The accuracy of the simulation model was verified by the test system. The simulation results of the two steering system models with and without by-pass damping are compared. The results show that，compared with the simulation results of the original steering structure， the steering system with the by-pass damper ensures good load sensing characteristics and stability of the system， weakens the peak pressure shock and reduces the pressure oscillation of the hydraulic system.

Key words：hydraulic drive;loaders;load sensing characteristics;redirector

裝載機(jī)主要用于裝卸物料和在一定范圍內(nèi)進(jìn)行鏟掘工作[1-2]，在作業(yè)的過(guò)程中，需要頻繁進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作. 鉸接式裝載機(jī)憑借結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用. 現(xiàn)有的鉸接式裝載機(jī)多采用負(fù)荷傳感液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)液壓系統(tǒng)存在一定的沖擊、振蕩等不穩(wěn)定情況，造成轉(zhuǎn)向啟停時(shí)的整機(jī)穩(wěn)定性差，方向盤轉(zhuǎn)速越高，機(jī)身的抖動(dòng)或擺振現(xiàn)象越明顯[3-5].

針對(duì)上述現(xiàn)象，學(xué)者們通過(guò)分析車輛的轉(zhuǎn)向幾何特性，對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的優(yōu)化進(jìn)行了大量的討論和研究，利用幾何分析等方法，減小轉(zhuǎn)向過(guò)程中的沖程差[6-9]. 為改善轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的靈敏性和穩(wěn)定性，一些學(xué)者致力于開(kāi)發(fā)新的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[10-11]. 一些學(xué)者通過(guò)對(duì)鉸接式車架的優(yōu)化以獲得更加緊湊的鉸接式車架轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，從而提高轉(zhuǎn)向靈活性[12-13]. 文獻(xiàn)[14-16]的研究主要集中在帶有流量放大閥的流量放大型全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和負(fù)荷傳感液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的改進(jìn). EATON VICKERS公司在全液壓轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面做了大量的研究，研發(fā)出能夠消除困油現(xiàn)象的全液壓轉(zhuǎn)向器. 文獻(xiàn)[17-18]在對(duì)全液壓轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向建模分析其穩(wěn)定性方面做了相應(yīng)的研究，同時(shí)對(duì)輪胎地面力學(xué)進(jìn)行了分析.

優(yōu)先閥和轉(zhuǎn)向器作為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵性元件，其動(dòng)態(tài)特性對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能有著重要影響，以往的研究重點(diǎn)多集中在優(yōu)先閥上，建立優(yōu)先閥簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而分析系統(tǒng)特性并進(jìn)行數(shù)字仿真，來(lái)優(yōu)化元件和系統(tǒng)性能[19-20]. 這種研究方式僅僅局限于個(gè)體元件的數(shù)學(xué)模型層面的定性研究，而忽略了轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能的影響，且沒(méi)有考慮到轉(zhuǎn)向過(guò)程中輪胎和地面的相互作用，缺乏與實(shí)際轉(zhuǎn)向負(fù)載相對(duì)應(yīng)的仿真研究，因此對(duì)轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性的研究成果并沒(méi)有很好的利用價(jià)值.

本文提出了一種帶有旁通阻尼功能的同軸流量放大轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)，基于優(yōu)先閥和轉(zhuǎn)向器的實(shí)際結(jié)構(gòu)，建立了整機(jī)動(dòng)力學(xué)和液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的機(jī)-液聯(lián)合仿真模型，對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析并通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型準(zhǔn)確性檢驗(yàn)，將具有旁通阻尼的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型仿真結(jié)果與未優(yōu)化結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行對(duì)比，分析系統(tǒng)負(fù)荷傳感特性以及轉(zhuǎn)向器旁通節(jié)流阻尼對(duì)轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性的影響.

1?? 轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1?? 傳統(tǒng)同軸流量放大轉(zhuǎn)向器

本文研究對(duì)象是同軸流量放大轉(zhuǎn)向器，圖1為轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)，主要由閥體、計(jì)量馬達(dá)和轉(zhuǎn)閥（定位銷、閥芯和閥套）組成. 圖2為轉(zhuǎn)向器中位時(shí)，閥芯，閥套沿軸線的裝配展開(kāi)圖，實(shí)線為閥套通道部分，虛線為閥芯部分. 閥芯上的圓形通孔沿周向均布，P孔、H孔各12個(gè)同中心線分布;LS孔和流量放大孔FA位置見(jiàn)圖2，其余通孔為T孔. 閥套上A、B、C三組通道各6條圓周方向均勻分布，A、C通道同中線分布. A通道控制L＼R與T孔的通斷;C通道控制P孔與H孔的通斷和LS孔的反饋;B通道均布于A、C通道之間，控制R＼L與H孔的通斷和實(shí)現(xiàn)流量放大功能.

轉(zhuǎn)向器中位時(shí)，P口與R、L口均不連通，保證車輛行駛方向不變. 油液從優(yōu)先閥出口經(jīng)P口進(jìn)入C通道，經(jīng)T口回油箱. 當(dāng)方向盤左轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)向桿帶動(dòng)轉(zhuǎn)向器閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)，油液從優(yōu)先閥出口經(jīng)P口進(jìn)入C通道偶數(shù)列H口到達(dá)計(jì)量馬達(dá)，再?gòu)钠鏀?shù)列H口經(jīng)B通道從L口輸出到轉(zhuǎn)向油缸;T口關(guān)閉，LS口與R口經(jīng)A通道與油箱連通，轉(zhuǎn)向完成. 方向盤高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)向桿帶動(dòng)轉(zhuǎn)向器閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)角度較大，油液從優(yōu)先閥出口經(jīng)流量放大孔進(jìn)入B通道直接從轉(zhuǎn)向器L、R口輸出到轉(zhuǎn)向油缸，完成轉(zhuǎn)向.

轉(zhuǎn)向器與優(yōu)先閥是負(fù)荷傳感轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重要組成元件，支持大型工程機(jī)械的轉(zhuǎn)向，其原理如圖3所示. 轉(zhuǎn)向器的進(jìn)油口P連接優(yōu)先閥出口CF;回油口T接油箱;工作油口L、R分別與轉(zhuǎn)向油缸相連，控制整機(jī)的左右轉(zhuǎn)向;轉(zhuǎn)向器負(fù)荷傳感口LS與優(yōu)先閥彈簧相連.

1.2?? 具有旁通阻尼的轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)

為了緩解轉(zhuǎn)向過(guò)程中產(chǎn)生的壓力振蕩現(xiàn)象，改善轉(zhuǎn)向特性，提出了帶有旁通阻尼的轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu). 在轉(zhuǎn)向器的閥芯圓周上加一組阻尼孔，同時(shí)在L、R孔對(duì)應(yīng)的閥套位置加一組節(jié)流槽，見(jiàn)圖2中1、2標(biāo)示. 轉(zhuǎn)向器中位時(shí)，旁通阻尼孔與R、L孔均不連通;當(dāng)方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，R、L孔通過(guò)旁通節(jié)流孔與T孔接通，此時(shí)油缸位移產(chǎn)生的壓力沖擊以及振蕩現(xiàn)象可通過(guò)旁通阻尼減弱，達(dá)到平穩(wěn)轉(zhuǎn)向的目的.

2?? 數(shù)學(xué)模型建立及分析

2.1?? 轉(zhuǎn)向器數(shù)學(xué)模型建立

為進(jìn)一步分析帶有旁通阻尼結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向器的性能動(dòng)態(tài)特性，根據(jù)轉(zhuǎn)向器的結(jié)構(gòu)與工作原理，得到如圖4所示轉(zhuǎn)向器等效阻尼示意圖. 本文中旁通節(jié)流孔的結(jié)構(gòu)符合薄壁小孔特征，忽略管路損失及轉(zhuǎn)向器內(nèi)泄、摩擦、液動(dòng)力等對(duì)轉(zhuǎn)向性能影響較小的因素，建立轉(zhuǎn)向器的數(shù)學(xué)模型.

同軸流量放大轉(zhuǎn)向器是利用計(jì)量馬達(dá)封閉油腔與轉(zhuǎn)閥的孔道結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)配油關(guān)系，理想狀況下計(jì)量馬達(dá)的流量連續(xù)性方程為：

qm==（Cim+）（PH1-PH2）+Dm[θ] m?? （1）

不考慮計(jì)量馬達(dá)的泄漏，則流量為：

qm = Dm [θ] m??????? （2）

式中：qm1、qm2、qm分別為計(jì)量馬達(dá)的流入、流出、平均流量;[θ] m為計(jì)量馬達(dá)轉(zhuǎn)速;Dm為計(jì)量馬達(dá)排量;PH1、PH2分別為計(jì)量馬達(dá)阻尼孔前后壓力;Ccm、Cim分別為計(jì)量馬達(dá)的內(nèi)、外泄漏系數(shù).

轉(zhuǎn)向器在工作過(guò)程中，主要受到沿徑向均勻分布的壓力[21]，因轉(zhuǎn)向器閥套與馬達(dá)轉(zhuǎn)子為剛性連接，故轉(zhuǎn)向器的受力狀況與計(jì)量馬達(dá)相同. 根據(jù)轉(zhuǎn)向器工作原理可知，轉(zhuǎn)閥的閥套與閥芯、閥體之間的黏性摩擦和阻力矩為計(jì)量馬達(dá)轉(zhuǎn)子的主要負(fù)載，力平衡方程如下：

Tg = Bm [θ] m + Tl = Dm （PH1 - PH2）????? （3）

式中：Tg為計(jì)量馬達(dá)輸出力矩;Tl為摩擦阻力矩;Bm為黏性阻尼系數(shù).

忽略遠(yuǎn)小于摩擦阻力矩的黏性阻力矩，得到：

Tl = Dm （PH1 - PH2）????? （4）

將轉(zhuǎn)向器閥芯和閥套按照其軸向展開(kāi)成平面結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)向器開(kāi)度為閥芯閥套水平位移差：

xz =

ωf dt-2π

dt=xz（ωf）???? （5）

式中：xz為轉(zhuǎn)向器閥芯閥套展開(kāi)后線位移差;ωf為轉(zhuǎn)向器閥芯角速度;d為轉(zhuǎn)向器閥套與閥芯接合面直徑.

根據(jù)流量連續(xù)方程和力平衡方程得到轉(zhuǎn)向器進(jìn)油口流量為：

q1 = Cd A1（xz）???? （6）

式中：PCF為優(yōu)先閥CF口壓力;PLS為轉(zhuǎn)向器LS口壓力;A1為節(jié)流孔R(shí)1的過(guò)流面積.

轉(zhuǎn)向器進(jìn)油節(jié)流口壓降主要與優(yōu)先閥有關(guān)，而與負(fù)載等因素?zé)o關(guān). 根據(jù)之前對(duì)優(yōu)先閥和轉(zhuǎn)向器的研究分析，轉(zhuǎn)向器進(jìn)油節(jié)流孔的壓降基本為定值，通過(guò)轉(zhuǎn)向器進(jìn)油口的流量只與轉(zhuǎn)向器進(jìn)油口面積有關(guān)，即與轉(zhuǎn)向器閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)速度有關(guān)，而與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向負(fù)載無(wú)關(guān).

當(dāng)轉(zhuǎn)向器處于中位時(shí)，流量從轉(zhuǎn)向器中位阻尼孔R(shí)2、R3通油箱，轉(zhuǎn)向器其他阻尼孔均處于負(fù)開(kāi)口狀態(tài)，PLS處于低壓狀態(tài)，維持優(yōu)先閥的位置，保證大部分油液供給工作系統(tǒng).

qs = q2 = q3?????????? （7）

當(dāng)轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，油液經(jīng)轉(zhuǎn)向器阻尼孔R(shí)1和R6通轉(zhuǎn)向油缸，R2、R3關(guān)閉. 轉(zhuǎn)向器各口流量關(guān)系如下：

qs = q7 = q9?????????? （8）

qm = q1 = q4 = q5?????????? （9）

由于

（10）

轉(zhuǎn)向器各流量壓力關(guān)系可化為：

（Cd）2（A6（xz））2????????? （12）

式中：A3 ～ A9分別為阻尼孔R(shí)3 ～ R9的過(guò)流面積;q3 ～ q9分別為通過(guò)各阻尼孔R(shí)3 ～ R9的流量;qs為通過(guò)轉(zhuǎn)向器的流量.

2.2?? 旁通阻尼回路特性研究

2.2.1?? 無(wú)旁通回路

液壓缸活塞受力平衡方程和無(wú)桿腔液流連續(xù)性方程如下：

Ac1PL - Ac2PR = m+Bu（t）+F（r）????? （13）

qL-R（t）=Ac1u（t）++λc [PL（t）-PR（t）]

（14）

式中：Ac1、Ac2分別為油缸有桿腔面積和無(wú)桿腔面積;u（t）為油缸活塞的移動(dòng)速度;F為作用于轉(zhuǎn)向油缸活塞上的外部載荷;m為油缸活塞質(zhì)量;VH為液壓缸無(wú)桿腔的容積;E為油液的有效體積彈性模量;λc為油缸的漏損系數(shù).

對(duì)式（13）～（14）進(jìn)行拉氏變換后，若回油壓力不變PR（s） = 0，液壓泵供油流量不變qL（s） = 0，則得到以液壓缸無(wú)桿腔的壓力PL（s）為輸出，負(fù)載F（s）為輸入的傳遞函數(shù).

==

（15）

因?yàn)锽、λc是微小量，并且A2

c1>>Bλc，取Bλc/A2

c1 = 0，則系統(tǒng)增益KA1、無(wú)阻尼固有頻率ωn1和系統(tǒng)阻尼比ξ1分別為：KA1 = 、ωn1 = 、ξ1 = mλc +

.

2.2.2?? 有旁通回路

轉(zhuǎn)向油缸壓力-流量線性化方程為：

q8 = Kq A8（s） + Kc（PL - PR）????? （16）

式中：Kq? =? = Cd為旁通節(jié)流流量增益;Kc? =  = Cd A8/2為旁通節(jié)流壓力增益.

s2+

+

s+E=0? ??（17）

s2+

+

s+E=0??? （18）

根據(jù)Routh-Hurwitz穩(wěn)定判據(jù)知：特征方程的各項(xiàng)系數(shù)均大于0時(shí)，系統(tǒng)是穩(wěn)定的，因此兩系統(tǒng)均穩(wěn)定.

2.3?? 鉸接式轉(zhuǎn)向理論分析

鉸接式裝載機(jī)的轉(zhuǎn)向形式根據(jù)行駛狀態(tài)可分為原地轉(zhuǎn)向和行駛轉(zhuǎn)向兩種，原地轉(zhuǎn)向過(guò)程中輪胎所受到的阻力為行駛轉(zhuǎn)向狀態(tài)的2～3倍，因此本文主要對(duì)原地轉(zhuǎn)向狀態(tài)進(jìn)行分析. 在原地轉(zhuǎn)向的過(guò)程中，將4個(gè)車輪均視為從動(dòng)輪，圖5顯示了輪胎在轉(zhuǎn)向過(guò)程中的受力情況.

回正力矩Mz，法向力Fx，摩擦力F可分解為沿輪胎側(cè)向Y方向的側(cè)向力Fy和沿輪胎切向X方向的滾動(dòng)阻力Fx，有

F 2 = F 2

x + F 2

y???????? （19）

Fx，F(xiàn)y和Mz在側(cè)偏角α = 0時(shí)的導(dǎo)數(shù)稱為垂直剛度Gz、側(cè)偏剛度Gy和回正剛度Gmz，主要影響轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性和平順性.

Gz =? = πr（kz + kx）????????? （20）

Gy =? =?????????? （21）

Gmz =? =?????????? （22）

式中：r為輪胎半徑;kx、ky、kz分別為切向、側(cè)向、徑向彈簧常數(shù);Gy為輪胎面?zhèn)认驈椥猿?shù);c為輪胎面單位面積內(nèi)的側(cè)向彈性常數(shù);S、ω、l分別為輪胎地面接觸面積、寬度、長(zhǎng)度;η為輪胎與地面接觸面相關(guān)的常數(shù).

輪胎相對(duì)地面產(chǎn)生滑移和剪切變形，受到地面反作用力，形成轉(zhuǎn)向阻力矩，假設(shè)輪胎與地面接觸面是以胎寬為直徑的圓，根據(jù)塔布萊克公式，有

Mm = GμK????????? （23）

式中：G為輪胎負(fù)荷;μ為輪胎和地面間摩擦阻力系數(shù);K為接觸面的當(dāng)量半徑.

單橋左、右車輪反向轉(zhuǎn)向引起的滾動(dòng)阻力矩為：

My = G′fB????????? （24）

式中：G′為單橋載荷;f為輪胎和地面間滾動(dòng)阻力系數(shù);B為輪距. 當(dāng)前橋載荷大于后橋，單橋驅(qū)動(dòng)原地轉(zhuǎn)向時(shí)，前、后橋阻力矩分別為：

MF = Mmfl + Mmfr + Myf????????? （25）

MR = Mmrl + Mmrr + Myr????????? （26）

當(dāng)前橋載荷大于后橋載荷，單橋驅(qū)動(dòng)原地轉(zhuǎn)向時(shí)，前、后橋阻力矩分別為：

MF = Mmfl + Mmfr + Myf????????? （27）

MR = Myr???? ???? （28）

后橋所受切向力為：

Fr = G′

rφ????????? （29）

3?? 機(jī)-液聯(lián)合仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

在工程機(jī)械領(lǐng)域的研究中，利用仿真模型分析結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后的元件及系統(tǒng)的性能，可縮短研發(fā)周期，提高產(chǎn)品研制效率. 鉸接式裝載機(jī)原地轉(zhuǎn)向過(guò)程中，輪胎與地面的作用過(guò)程比較復(fù)雜，難以用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型表達(dá). 在第2節(jié)的基礎(chǔ)上，建立鉸接式裝載機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型，并與液壓系統(tǒng)相結(jié)合，對(duì)轉(zhuǎn)向過(guò)程進(jìn)行仿真分析，使轉(zhuǎn)向過(guò)程與實(shí)際操作過(guò)程更加貼近，更好地對(duì)轉(zhuǎn)向性能進(jìn)行分析.

3.1?? 仿真模型建立

將鉸接式裝載機(jī)的輪胎-地面動(dòng)力學(xué)模型與負(fù)荷傳感液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型相耦合，建立機(jī)-液聯(lián)合仿真模型，對(duì)轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究. 根據(jù)樣機(jī)參數(shù)建立裝載機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)模型添加相應(yīng)運(yùn)動(dòng)副及約束，選擇simple輪胎模型，充分考慮輪胎與地面的相互作用力. 動(dòng)力學(xué)模型主要參數(shù)如表1所示.

為了很好地表征轉(zhuǎn)向器閥芯與閥套的實(shí)際結(jié)構(gòu)和相對(duì)運(yùn)動(dòng)，本文將轉(zhuǎn)向器閥芯閥套沿徑向展開(kāi)，將轉(zhuǎn)動(dòng)化為平動(dòng)，簡(jiǎn)化了模型建立的難度和復(fù)雜程度，根據(jù)第2節(jié)推導(dǎo)的轉(zhuǎn)向器各等效節(jié)流口的位置及流量關(guān)系，根據(jù)轉(zhuǎn)向器實(shí)體參數(shù)結(jié)構(gòu)對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，主要參數(shù)如表2所示.

采用Co-simulation方式將整機(jī)動(dòng)力學(xué)模型與液壓系統(tǒng)模型進(jìn)行聯(lián)合仿真，設(shè)置AMESim和Virtual.Lab Motion軟件的接口物理量為轉(zhuǎn)向油缸的位移、運(yùn)動(dòng)速度、負(fù)載等，油缸的作用力為液壓系統(tǒng)輸出量，油缸的位移和運(yùn)動(dòng)速度為輸入量. 圖6為鉸接式裝載機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的聯(lián)合仿真模型.

3.2?? 試驗(yàn)場(chǎng)地及設(shè)備

為了評(píng)價(jià)聯(lián)合仿真模型的準(zhǔn)確性，仿真結(jié)果需要與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證和修正，在保持原車結(jié)構(gòu)前提下，分別在轉(zhuǎn)向泵出口、轉(zhuǎn)向器入口、LS口、L、R負(fù)載口加裝壓力傳感器，泵口壓力傳感器測(cè)壓范圍為0～60 MPa，其余測(cè)壓范圍為0～35 MPa，輸入12 V直流電壓信號(hào)，傳感器輸出的壓力信號(hào)經(jīng)接線板轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳入數(shù)據(jù)采集儀中. 試驗(yàn)場(chǎng)所及設(shè)備如圖7所示.

3.3?? 仿真及試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

為了驗(yàn)證聯(lián)合仿真模型的準(zhǔn)確度，對(duì)裝載機(jī)典型的轉(zhuǎn)向工況進(jìn)行仿真與試驗(yàn)研究. 將方向盤轉(zhuǎn)速分別設(shè)定為8 r/min、20 r/min，裝載機(jī)載荷分別設(shè)定為空載狀態(tài)和1 600 kg重載狀態(tài)，幾種情況進(jìn)行組合即可得到低速空載、高速空載、低速重載和高速重載4種工況. 控制轉(zhuǎn)向系統(tǒng)從中位起始，向左轉(zhuǎn)到極限位置后再轉(zhuǎn)到右極限位置，最后將其回正，構(gòu)成一個(gè)轉(zhuǎn)向循環(huán).

圖8（a）～（d）為4種工況下轉(zhuǎn)向器左、右出油口壓力的仿真結(jié)果，圖8（e）～（h）為相對(duì)應(yīng)工況下的試驗(yàn)結(jié)果曲線. 由圖8可知，隨著方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，系統(tǒng)壓力顯著增大，直到轉(zhuǎn)向油缸的極限位置. 慢速轉(zhuǎn)向時(shí)，系統(tǒng)壓力比較平穩(wěn)，轉(zhuǎn)向速度加快，轉(zhuǎn)向器流量放大口開(kāi)啟，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)流量增加，引起轉(zhuǎn)向器LS口、泵出口、轉(zhuǎn)向器入口壓力升高，壓力波動(dòng)增大，在極限位置時(shí)伴隨一定的壓力沖擊. 通過(guò)對(duì)空載和重載工況系統(tǒng)壓力的對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)重載時(shí)，轉(zhuǎn)向器高壓油口的壓力高于空載工況，系統(tǒng)的壓力波動(dòng)狀況基本相同. 隨著轉(zhuǎn)速的增加，重載工況的壓力峰值明顯高于空載.

由圖8可以看出，仿真結(jié)果中的壓力峰值、均值及變化趨勢(shì)與試驗(yàn)結(jié)果基本相同. 由于仿真系統(tǒng)的方向盤轉(zhuǎn)速為恒定值，試驗(yàn)操作存在一定的不連續(xù)性和延遲性，導(dǎo)致仿真結(jié)果的波動(dòng)略小于試驗(yàn)結(jié)果，如果對(duì)試驗(yàn)中方向盤的轉(zhuǎn)速進(jìn)行精確操控，二者的重合度會(huì)更高. 因此，機(jī)-液聯(lián)合仿真模型對(duì)于動(dòng)力學(xué)模型的考慮較為準(zhǔn)確，建立的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型具有較高的可信度.

4?? 旁通阻尼系統(tǒng)仿真分析

通過(guò)聯(lián)合仿真和試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)向過(guò)程中，系統(tǒng)存在劇烈的壓力振蕩現(xiàn)象，對(duì)系統(tǒng)性能和元件壽命都有較大影響. 根據(jù)第3節(jié)的理論分析，通過(guò)在轉(zhuǎn)向器中適當(dāng)增加旁通阻尼，可減小轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的壓力振蕩，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性. 基于上述的對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仿真模型的準(zhǔn)確性驗(yàn)證，將原模型修改，在轉(zhuǎn)向器部分加入旁通阻尼，從而對(duì)該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的負(fù)荷傳感特性及轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性情況進(jìn)行研究. 圖9為更改的轉(zhuǎn)向器部分模型，增加旁通節(jié)流等效閥口面積.

4.1?? 系統(tǒng)負(fù)荷傳感特性分析

通過(guò)設(shè)置模擬方向盤轉(zhuǎn)速信號(hào)5 s內(nèi)從0 r/min緩慢增加到40 r/min，圖10為旁通阻尼負(fù)荷傳感系統(tǒng)仿真結(jié)果. 從圖10（a）可以看出，轉(zhuǎn)向器入口流量隨方向盤轉(zhuǎn)速的增加而變大，方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)越快，轉(zhuǎn)向器閥芯與閥套的配流口逐漸增大，通過(guò)的流量逐漸增加，體現(xiàn)了動(dòng)態(tài)優(yōu)先閥的特點(diǎn).

由圖10（b）可知，在方向盤加速轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，轉(zhuǎn)向器入口壓差ΔP基本保持不變，而轉(zhuǎn)向器進(jìn)出口壓力隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加，保證了轉(zhuǎn)向流量只受轉(zhuǎn)向器開(kāi)度的影響，證實(shí)了系統(tǒng)的負(fù)荷傳感功能.

4.2?? 旁通阻尼對(duì)系統(tǒng)的影響

給轉(zhuǎn)向器施加如圖11所示方向盤轉(zhuǎn)速信號(hào)，在仿真模型中通斷旁通阻尼閥口模塊與其他模塊的接口，模擬存在旁通阻尼回路的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和不存在旁通阻尼孔時(shí)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，分別進(jìn)行仿真分析，并對(duì)比轉(zhuǎn)向器流量、出口壓力、轉(zhuǎn)向油缸活塞桿位移仿真結(jié)果，研究旁通阻尼對(duì)轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性的影響.

由圖11（a）可以看出，具有旁通阻尼結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要更快的方向盤轉(zhuǎn)速才能獲得與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向器

系統(tǒng)相同的流量，以此為前提可在相同供油流量情況得出旁通阻尼孔R(shí)8對(duì)輸出壓力的影響. 圖11（b）（c）分別為兩種轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)下轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中轉(zhuǎn)向油缸高壓油腔壓力和活塞位移曲線. 從曲線中可以看出，無(wú)旁通阻尼回路的系統(tǒng)，在轉(zhuǎn)向開(kāi)始時(shí)存在較高的壓力震蕩，且在轉(zhuǎn)向過(guò)程中存在嚴(yán)重的壓力振蕩現(xiàn)象;而有旁通阻尼回路的系統(tǒng)，壓力波動(dòng)較弱，而且較為快速地達(dá)到平穩(wěn)階段. 當(dāng)同時(shí)輸入方向盤轉(zhuǎn)速信號(hào)時(shí)，具有旁通阻尼回路的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)建壓時(shí)間比不存在旁通阻尼回路的系統(tǒng)滯后0.1 s左右，油缸的活塞位移也產(chǎn)生了一定程度的滯后效果;由于壓力直接影響到液壓油缸活塞的穩(wěn)定性，壓力波動(dòng)的峰值減小，相應(yīng)地油缸活塞震蕩幅度減小;所以旁通阻尼能夠增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但也會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的靈敏性造成一定影響.

5?? 結(jié)?? 論

1）通過(guò)對(duì)負(fù)荷傳感轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中轉(zhuǎn)向器工作原理和實(shí)際結(jié)構(gòu)的分析，提出具有旁通阻尼的轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)，建立旁通阻尼的轉(zhuǎn)向器數(shù)學(xué)模型，詳細(xì)分析了其負(fù)荷傳感特性以及轉(zhuǎn)向器旁通阻尼對(duì)轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性的影響，存在旁通回路轉(zhuǎn)向器相對(duì)于不存在此回路的轉(zhuǎn)向器，負(fù)載單位階躍信號(hào)引起的輸出壓力響應(yīng)震蕩衰減更快，超調(diào)更小.

2）建立裝載機(jī)負(fù)荷傳感轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的機(jī)-液聯(lián)合仿真模型，通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)架驗(yàn)證仿真模型準(zhǔn)確性. 仿真和試驗(yàn)分析了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在不同工況下的壓力響應(yīng)特性，結(jié)果表明在轉(zhuǎn)向過(guò)程中，系統(tǒng)出現(xiàn)了明顯的壓力振蕩現(xiàn)象，并且隨著轉(zhuǎn)速的升高，振蕩更加劇烈.

3）對(duì)不同結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向器的仿真分析結(jié)果表明，具有旁通阻尼的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有更好的負(fù)荷傳感特性，轉(zhuǎn)向器旁通阻尼對(duì)于削弱轉(zhuǎn)向壓力尖峰和壓力振蕩現(xiàn)象有著重要的意義，改善了轉(zhuǎn)向操作穩(wěn)定性.

4）在轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中加入旁通阻尼結(jié)構(gòu)雖然改善了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但也對(duì)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向靈敏性產(chǎn)生了負(fù)面影響，會(huì)在一定程度上增加轉(zhuǎn)向的響應(yīng)時(shí)間，造成轉(zhuǎn)向滯后現(xiàn)象. 在之后的研究中需要進(jìn)一步協(xié)調(diào)旁通阻尼結(jié)構(gòu)帶來(lái)的穩(wěn)定性與靈敏度之間的矛盾，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性與靈敏性達(dá)到最優(yōu)關(guān)系.

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基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目（2018YFB2000900），National Key Research and Development Program of China （2018YFB2000900）

作者簡(jiǎn)介：王禹琪（1993—），女，黑龍江大興安嶺人，吉林大學(xué)博士研究生

?通信聯(lián)系人，E-mail：spreading@jlu.edu.cn