工程機械液壓穩(wěn)定系統(tǒng)動態(tài)特性與實驗研究

張 虎，范紅梅，朱剛賢

（1.南充職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系，四川 南充 637131；2.蘇州大學(xué)工程訓(xùn)練中心，江蘇 蘇州 215000）

1 引言

鉸接式工程車輛由于載重量大、工作環(huán)境惡劣，在滿載行駛及緊急剎車時整車結(jié)構(gòu)會受到較大的振動和沖擊，同時路面凹凸不平導(dǎo)致豎直方向較大的慣性加速度，車體由于受到不確定性載荷的劇烈變化會造成剛度會發(fā)生一定的變化，影響工程車輛的整車結(jié)構(gòu)安全，因此，研究鉸接車輛作業(yè)過程中的動態(tài)特性，對提高整車安全性及行駛穩(wěn)定性具有現(xiàn)實意義。

重型工程車輛在道路上高速或重載行駛時，振動產(chǎn)生的沖擊力可以通過動臂和油缸等部件傳遞給車輛，增加車輛的沖擊，很容易造成疲勞損壞[1]。文獻[2]設(shè)計了雙行星齒輪系統(tǒng)的混合動力系統(tǒng)，提高了車輛的行駛穩(wěn)定性。文獻[3]將主動安全技術(shù)用于鉸接車輛傾翻的抑制控制系統(tǒng)中。文獻[4]獲得了蓄能器相對體積變化率的函數(shù)關(guān)系。文獻[5]研究了液壓控制單元的動態(tài)特性和電磁閥的高頻控制特性。文獻[6]對電磁閥式阻尼可調(diào)減振器的減震效果進行了探究。綜上，以某鉸接車輛工作裝置液壓行駛穩(wěn)定系統(tǒng)模型為研究對象，通過整車動力學(xué)模型研究車速、鏟斗載荷和鏟斗位置對剛度特性的影響和減震效果。最后通過試驗，得到了不同作業(yè)過程下帶液壓蓄能器的液壓減震穩(wěn)定系統(tǒng)內(nèi)部的壓力隨外載荷的動態(tài)特性，為產(chǎn)品優(yōu)化提供了參考。

2 行駛穩(wěn)定系統(tǒng)建模

2.1 結(jié)構(gòu)及工作原理

液壓穩(wěn)定系統(tǒng)由電磁換向閥、蓄能器、節(jié)流閥等部件組成，蓄能器可以吸收和儲存工作過程中液壓管路中的壓力變化產(chǎn)生的液壓能，緩沖壓力波動。虛線部分為新配備的起到穩(wěn)定作用的液壓裝置，如圖1 所示。當裝載機將物料向上舉升時，圖中虛線部分電磁閥關(guān)閉，行駛穩(wěn)定系統(tǒng)停止工作，油路系統(tǒng)通過互鎖進行作業(yè)。當裝載機行駛時，此時油缸換向閥4 均處于中位，而虛線部分電磁閥6 通電，液壓穩(wěn)定系統(tǒng)連通，減小由于工作裝置造成的振動。

圖1 液壓穩(wěn)定系統(tǒng)原理圖Fig.1 Hydraulic Stability System Schematic

2.2 動力學(xué)模型

為了進行動力學(xué)分析，假設(shè)油缸和車架的約束關(guān)系為剛性連接，那么整車的重量主要由四個彈性輪胎支撐。當裝載機在道路上行駛時，主要表現(xiàn)為上下方向的垂直振動，這種振動對車輛的平穩(wěn)性影響最大。車輛的結(jié)構(gòu)簡化為兩自由度動力學(xué)模型，如圖2 所示。

圖2 整車結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型Fig.2 Dynamic Model of Vehicle Structure

以圖2（a）所示的質(zhì)心點為坐標原點，則整車的動能為[8]：

式中：m—整車質(zhì)量；J—轉(zhuǎn)動慣量；Z—質(zhì)心垂直位移；θ—角位移。

依據(jù)以上公式推導(dǎo)的整車運動狀態(tài)方程，建立用于整車仿真的二自由度動力學(xué)仿真模型，如圖3 所示。

圖3 整車動力學(xué)仿真模型Fig.3 Vehicle Dynamics Simulation Model

采用垂直加速度作為整車結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的評價指標。系統(tǒng)簡化后各結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表1 所示。裝載機行駛過程有四個擋位，裝載機在不同擋位下的行駛速度，如表2 所示。

表1 整車結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Vehicle Structure Parameters

安裝帶蓄能器的減震系統(tǒng)之后，液壓缸的剛度也會因此而改變，因此想要研究液壓穩(wěn)定系統(tǒng)的減振性能，首先需要分析剛度特性，蓄能器內(nèi)壓力為[9]：

由方程（11）可知，裝載機液壓減震系統(tǒng)的剛度與活塞面積、油缸負載、蓄能器初始容積及蓄能器預(yù)充壓力等因素有關(guān)。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 蓄能器對系統(tǒng)剛度的影響

在行駛過程中，由于車速、載荷能力、路面特性和內(nèi)部泄漏等因素的不同，系統(tǒng)的剛度特性也會發(fā)生相應(yīng)的變化。從圖4（a）可以看出，當油缸負載的壓力低于200kN 時，蓄能器的初始壓力的大小產(chǎn)生的剛度幾乎相同；而初始壓力為6MPa 下的系統(tǒng)剛度增大的幅度較小，曲線較平緩。從圖4（b）剛度變化曲線與初始壓力的影響類似，充液量為10L 時剛度從負載大于50kN 后快速上升，而充液量為40L 時剛度變化曲線較平緩，因此，在體積允許的范圍內(nèi)充液量越大越好。

圖4 蓄能器對行駛穩(wěn)定系統(tǒng)剛度的影響Fig.4 Influence of Accumulator on Stiffness of Driving Stability System

不同車速下的動臂油缸剛度隨載重量的變化，如圖5（a）所示。在一擋和二擋工況下載重量對油缸剛度影響較弱，但是三擋和四擋時油缸剛度明顯增大。在加載初期剛度變化很小，但是載重量超過1000kg 后，動臂油缸剛度呈線性快速增長。

由圖5（b）可知，裝載機在凹凸的道路上工作時，速度越高，造成油缸的剛度就越大，對裝載機的安全性產(chǎn)生不良的影響。由圖5（c）可知，當液壓油的彈性模量較小時，動臂油缸剛度迅速提高幾乎成線性增長，之后油液彈性模量繼續(xù)增大時剛度值幾乎維持恒定。內(nèi)部泄漏主要是由油缸內(nèi)高壓油腔流入低壓油腔引起的，對臂架油缸剛度影響較大，隨著內(nèi)泄漏量增大，油缸剛度首先是增高，然后呈拋物線形式快速降低，如圖5（d）所示。

圖5 油缸剛度Fig.5 Cylinder Stiffness

3.2 行駛穩(wěn)定系統(tǒng)仿真結(jié)果

通過在裝載機工作裝置液壓系統(tǒng)中增加蓄能器減震裝置，研究裝載機在粗糙路面上行駛時對整車結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定效果。

從圖6（a）車架動態(tài)特性可以看出，在車輛滿載時增加液壓穩(wěn)定系統(tǒng)后可以減弱車架在上下方向上的振動，從而減小對工作裝置和車輛結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的震動，特別是在第2s 時的劇烈震動得到了明顯的削弱，消除了最危險的加速度波動。此時，如果增加液壓穩(wěn)定系統(tǒng)，可以提高整車的平穩(wěn)性。從圖6（b）可以看出，在空載行駛時速度快所以豎直方向的振動加速度大于重載模式，而穩(wěn)定系統(tǒng)所起的作用也越大。

圖6 車架垂直加速度對比Fig.6 Frame Vertical Acceleration Comparison

4 液壓穩(wěn)定系統(tǒng)動態(tài)特性試驗

為了驗證設(shè)計的液壓穩(wěn)定系統(tǒng)系統(tǒng)的減震性能，在一臺工程機械樣機上進行了測試，試驗現(xiàn)場，如圖7 所示。測試工作過程中的壓力變化。

圖7 試驗儀器及樣機Fig.7 Test Equipment and Machinery

在工作裝置液壓系統(tǒng)中添加蓄能器穩(wěn)定系統(tǒng)后重型機械運行一個周期內(nèi)液壓系統(tǒng)的試驗結(jié)果，如圖8 所示。在車輛啟動階段，液壓管路內(nèi)的壓力較穩(wěn)定，蓄能器的初始壓力是1.5MPa，在7s 時鏟斗開始鏟物料因此油液壓力迅速升高，整個過程壓力略有波動，而對應(yīng)的蓄能器的壓力也同時呈現(xiàn)相同趨勢的波動，最后蓄能器壓力迅速達到最大值，這是因為蓄能器充滿液壓油后換向閥關(guān)閉，達到保壓的目的。在17s 時，工作裝置油液壓力達到最大值19MPa 然后自鎖，在20s 之前液壓油會卸荷，蓄能器按照液壓系統(tǒng)的工作流程提前釋放能量，以緩解液壓油迅速釋放造成的整車震動，同時蓄能器內(nèi)部的液壓油則是經(jīng)過三次釋放后壓力慢慢趨于平穩(wěn)，保證了系統(tǒng)的減震性能。在轉(zhuǎn)向過程中由于裝載機是鉸接結(jié)構(gòu)，為了保證整車的穩(wěn)定性要盡可能減小液壓系統(tǒng)的壓力變化產(chǎn)生的前、后車架驅(qū)動力矩的變化，但是蓄能器只有預(yù)充的1.5MPa 的壓力，轉(zhuǎn)向過程能量幾乎全部釋放，轉(zhuǎn)向完成后并沒有額外的油液進行回收。

圖8 液壓系統(tǒng)實驗結(jié)果Fig.8 Hydraulic System Experiment Results

為了了解不同容積、不同預(yù)充壓力下的蓄能器工作性能，對容積分別為100/110/125/150L 蓄能器進行了正交實驗，初始壓力分別定為4/5/6/7MPa，正交實驗結(jié)果獲得的蓄能器map 圖，如圖9 所示。蓄能器充放能量受預(yù)充壓力的影響較大，而受容積的影響較小，因此在選擇蓄能器時在達到預(yù)充的壓力下體積越小越好，便于在車上安裝和使用。

圖9 液壓蓄能器性能map 圖Fig.9 Hydraulic Accumulator Performance Map

5 結(jié)論

由于裝載機工作環(huán)境惡劣、行駛路況較差且承載重量較大，會遭受較大的振動對影響整車的結(jié)構(gòu)安全。為了保障重型機械的運行安全，設(shè)計了基于蓄能器的液壓行駛穩(wěn)定系統(tǒng)，并通過一維仿真得到了該新型結(jié)構(gòu)的運行變化規(guī)律，并對安裝了穩(wěn)定系統(tǒng)的樣機進行了測試，得到以下結(jié)論：

（1）蓄能器的初始壓力和充液體積與剛度成反比。在一擋和二擋工況下載重量對油缸剛度影響較弱，但是三擋和四擋時油缸剛度明顯增大。在加載初期剛度變化很小，但是載重量超過1000kg 后，動臂油缸剛度快速增長。隨著內(nèi)泄漏量增大，油缸剛度首先是增高，然后呈拋物線形式快速降低

（2）經(jīng)臺架測試表明蓄能器具有較好的減壓效果，保證了行駛的穩(wěn)定性；通過正交實驗獲得了不同參數(shù)下的性能map 圖，為系統(tǒng)的匹配和選型提供了參考。