立體車庫載車器液壓緩沖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳小怡

(瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 瀘州 646000)

引言

立體車庫作為一種智能交通設(shè)備，具有便捷停車、空間利用率高等優(yōu)點(diǎn)，解決了越來越多的市區(qū)商場停車難問題[1-3]。 立體車庫載車器主要有電機(jī)升降控制和液壓升降控制兩種，在市場上正逐步推廣[4-5]。在取車下降過程，常出現(xiàn)載車器過放現(xiàn)象[6]，對車輛產(chǎn)生劇烈沖擊振動(dòng)，嚴(yán)重影響載車器升降平順性。

為解決立體車庫載車器過放沖擊，王其松[7]研究了一種溢流閥緩沖式取車過放液壓系統(tǒng)，基于AMESim搭建了系統(tǒng)仿真模型，得出減小溢流閥開啟壓力可降低緩沖腔壓力沖擊；季鵬[8]借鑒蓄能器緩沖原理設(shè)計(jì)了立體車庫過放沖擊再利用系統(tǒng)，利用AMESim分析了過放速度和蓄能器參數(shù)對沖擊能回收系統(tǒng)的影響情況，得出過放速度增加應(yīng)增大回收缸缸徑或行程；馮鈴等[9]提出一種立體車庫過放節(jié)流緩沖系統(tǒng)，利用節(jié)流閥和溢流閥組合吸收載車器過放沖擊，得出增大溢流閥設(shè)定壓力或節(jié)流閥通徑可減小過放緩沖位移。

上述技術(shù)研究對立體車庫過放緩沖裝置開發(fā)具有較好的理論指導(dǎo)，但過放緩沖位移可變，過放速度或質(zhì)量變化對緩沖位移影響較大，導(dǎo)致緩沖定位不精準(zhǔn)，影響載車器過放緩沖效果?；诖耍狙芯刻岢鲆环N新型立體車庫載車器液壓緩沖系統(tǒng)，使用可變節(jié)流緩沖技術(shù)實(shí)現(xiàn)過放緩沖位移可控，給出了立體車庫載車器可變節(jié)流緩沖原理，建立了立體車庫載車器緩沖系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，基于AMESim搭建載車器可變節(jié)流緩沖系統(tǒng)仿真模型，研究了載車器液壓緩沖系統(tǒng)緩沖特性，分析了過放速度、質(zhì)量對系統(tǒng)緩沖特性的影響情況，仿真分析了載車器緩沖位移與節(jié)流閥過流面積函數(shù)的關(guān)系，并進(jìn)行了緩沖系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證工作，為立體車庫載車器液壓緩沖系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 立體車庫載車器液壓緩沖機(jī)理

某商場立體車庫如圖1所示，立體車庫載車器分布于不同的空間位置。取車時(shí)，載車器控制系統(tǒng)將車輛運(yùn)至1層出口處。當(dāng)控制系統(tǒng)失控時(shí)，載車器以一定速度撞向地面，即載車器發(fā)生過放事故[10-11]。

圖1 某商場立體停車庫

在1層地面取車處增設(shè)緩沖裝置緩沖吸收載車器過放沖擊，立體車庫載車器液壓緩沖系統(tǒng)原理簡圖如圖2所示，緩沖板2表層鑲有橡膠緩沖墊，盡可能減小載車器與緩沖板的接觸沖擊。載車器3過放時(shí)，吊繩4以一定速度持續(xù)下放載車器3，載車器3撞擊緩沖板2，緩沖板2壓縮緩沖液壓缸8，同時(shí)緩沖板2觸發(fā)控制器7工作，位移傳感器5檢測到載車器位移時(shí)，將其位移變化值傳輸至控制器7進(jìn)行處理，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為可調(diào)節(jié)流閥9的閥芯開度信號，使其閥芯開度實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)載車器3的緩慢減速和平穩(wěn)制動(dòng)，盡可能使載車器減速平滑無波動(dòng)[12-14]；緩沖結(jié)束后緩沖缸8復(fù)位彈簧支撐載車器復(fù)位。

1.導(dǎo)向缸 2.緩沖板 3.載車器 4.吊繩 5.位移傳感器6.油箱 7.控制器 8.緩沖缸 9.可調(diào)節(jié)流閥 10.過載閥圖2 立體車庫載車器液壓緩沖機(jī)理簡圖

2 載車器液壓緩沖系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立

過放后，載車器初始沖擊動(dòng)能方程為：

(1)

式中,M—— 載車器總質(zhì)量(包括車輛、吊繩等質(zhì)量)

v0—— 過放初始速度

液壓缸受載車器過放沖擊，活塞力平衡方程為[15]：

(2)

式中，x—— 載車器緩沖位移

p—— 過放制動(dòng)液壓缸大腔壓力

D—— 液壓缸活塞直徑

B—— 活塞滑動(dòng)阻尼

節(jié)流閥流量Q方程為：

(3)

式中，C—— 節(jié)流系數(shù)

A(x) —— 節(jié)流閥過流面積函數(shù)

ρ—— 液壓油密度，一般取850 kg/m3

3 載車器液壓緩沖系統(tǒng)仿真模型建立

基于AMESim搭建如圖3所示的立體車庫載車器液壓緩沖系統(tǒng)仿真模型，位移與閥芯開度信號用f(x)[16]表示，暫取f(x)為一次函數(shù)，令f(x)=-4x+0.8，由方程看出當(dāng)x=0.2時(shí)，f(x)=0。

1.載車器模型 2.載車板模型 3.接觸模型4.位移傳感器 5.位移-閥芯開度函數(shù) 6.導(dǎo)向缸7.緩沖缸模型 8.溢流閥 9.變節(jié)流閥 10.油箱圖3 立體車庫載車器液壓緩沖系統(tǒng)仿真模型

載車器液壓緩沖系統(tǒng)參數(shù)按表1設(shè)置進(jìn)行仿真。

表1 仿真參數(shù)

4 立體車庫載車器液壓緩沖系統(tǒng)仿真

4.1 初始參數(shù)系統(tǒng)緩沖特性研究

設(shè)置A(x)=f1(x)=-4x+0.8(0

圖4 節(jié)流閥位移-過流面積曲線(一次函數(shù))

仿真3 s得到載車器緩沖位移及過放速度變化曲線如圖5所示，緩沖缸緩沖腔壓力流量變化曲線如圖6所示。

圖5 載車器緩沖位移及過放速度變化曲線

圖6 載車器緩沖缸緩沖腔壓力流量變化曲線

從圖5和圖6看出：緩沖過程中，載車器速度先迅速降低，后緩慢減速直至停止；在0～0.02 s，載車器速度由3.0 m/s迅速減小為0.02 m/s；在0.02～3 s，載車器速度由0.02 m/s緩慢降至0 m/s，載車器過放緩沖結(jié)束后，載車器緩沖位移為0.2 m。

4.2 載車器過放速度對系統(tǒng)緩沖特性影響

載車器速度為1.0, 2.0, 3.0, 4.0 m/s進(jìn)行仿真分析，仿真得到載車器過放速度對載車器緩沖位移的影響曲線如圖7所示，載車器過放速度對載車器緩沖速度的影響曲線如圖8所示。

圖7 載車器過放速度對載車器緩沖位移的影響

圖8 載車器過放速度對載車器緩沖速度的影響

從圖7和圖8看出，當(dāng)載車器過放速度由1.0 m/s增大至4.0 m/s時(shí)，載車器速度均先迅速降低，后緩沖減速停止，過放緩沖制動(dòng)后，載車器緩沖位移均為0.2 m。顯然，當(dāng)載車器過放速度發(fā)生變化時(shí)，變節(jié)流液壓緩沖系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)立體車庫載車器精準(zhǔn)緩沖。

4.3 載車器質(zhì)量對系統(tǒng)緩沖特性影響

載車器質(zhì)量為1200, 1500, 1700, 2000 kg進(jìn)行仿真分析，得到如圖9所示的載車器質(zhì)量對載車器緩沖位移的影響曲線和如圖10所示的載車器質(zhì)量對載車器緩沖速度的影響曲線。

從圖9和圖10看出，當(dāng)載車器質(zhì)量由1200 kg增大至2000 kg時(shí)，載車器緩沖位移為0.2 m，但小質(zhì)量(M=1200 kg)時(shí)，緩沖過程持續(xù)時(shí)間延長，在3 s時(shí)，載車器緩沖位移還未達(dá)到最大值；載車器降速規(guī)律保持一致，速度先迅速降低后緩沖減速。與上節(jié)研究結(jié)論一致：當(dāng)載車器質(zhì)量發(fā)生變化時(shí)，變節(jié)流液壓緩沖系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)立體車庫載車器精準(zhǔn)緩沖。

圖9 載車器質(zhì)量對載車器緩沖位移的影響

圖10 載車器質(zhì)量對載車器緩沖速度的影響

4.4 變節(jié)流閥過流面積變化規(guī)律影響

設(shè)置變節(jié)流閥過流面積方程表達(dá)式A(x)=k(x-0.2，k=-1，-2，-3，-4進(jìn)行系統(tǒng)緩沖特性仿真，變節(jié)流閥過流面積與載車器緩沖位移關(guān)系如圖11所示，仿真得到如圖12所示的節(jié)流閥過流面積變化規(guī)律對載車器緩沖位移的影響曲線。

圖11 變節(jié)流閥過流面積與載車器緩沖位移關(guān)系

圖12 節(jié)流閥過流面積對載車器緩沖位移的影響

對于變節(jié)流閥過流面積A(x)=k(x-0.2)，k=-1，-2，-3，-4，當(dāng)x=0.2時(shí)，A(x)=0。從圖11和圖12看出，變節(jié)流閥最大過流面積增大時(shí)(由15.7 mm2增大至62.8 mm2)，調(diào)整節(jié)流閥過流面積遞減速率(k從-1調(diào)整至-4)，過放緩沖后載車器緩沖位移相同，均為0.2 m。

按此結(jié)論，設(shè)置A(x)=k(x-0.1)，k(x-0.2)，k(x-0.3)，k(x-0.4)(k取-1～-4)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，得到如圖13所示的A(x)零點(diǎn)值對載車器緩沖位移的影響曲線。

圖13 A(x)零點(diǎn)值對載車器緩沖位移的影響

由圖13看出，當(dāng)A(x)零點(diǎn)值分別為0.1，0.2，0.3，0.4時(shí)，載車器緩沖位移分別為0.1，0.2，0.3，0.4 m。顯然，A(x)=0的零點(diǎn)值即為載車器緩沖位移值。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

考慮到試驗(yàn)的難度，在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行立體車庫載車器液壓緩沖系統(tǒng)的試驗(yàn)驗(yàn)證，分別設(shè)定配重沖擊質(zhì)量為500 kg和1000 kg進(jìn)行沖擊試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)液壓原理及裝置如圖14所示。

試驗(yàn)設(shè)備主要參數(shù)：液壓缸選用缸徑100 mm，桿徑50 mm，活塞行程1.0 m；壓力傳感器輸出電流信號4～20 mA，對應(yīng)壓力0～60 MPa；位移傳感器輸出電壓信號0～10 V，對應(yīng)位移0～1.0 m；比例閥電磁控制信號4～20 mA，對應(yīng)閥口開度0～10 mm。

1.油箱 2.液壓泵 3.泵溢流閥 4.配重電磁閥5.緩沖缸電磁閥 6.卷揚(yáng)馬達(dá) 7.繩盤 8.配重塊9.卷揚(yáng)繩 10.配重機(jī)架 11.活塞撞頭 12.位移傳感器13.控制器 14.數(shù)據(jù)采集顯示器 15.壓力傳感器16.緩沖溢流閥 17.比例閥圖14 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)原理及設(shè)備

使用數(shù)據(jù)采集儀獲得如圖15和圖16所示的配重為500 kg和1000 kg時(shí)的沖擊數(shù)據(jù)。

由圖15和圖16可得，在500 kg和1000 kg配重沖擊下，緩沖液壓缸最大位移在(0.2±0.05)m范圍內(nèi)波動(dòng)，緩沖腔緩沖壓力在(30±2)MPa范圍內(nèi)波動(dòng)，顯然實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)對系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理性及仿真結(jié)論真實(shí)性具有一定的驗(yàn)證支撐作用。

圖15 M=500 kg配重沖擊下的緩沖試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖16 M=1000 kg配重沖擊下的緩沖試驗(yàn)數(shù)據(jù)

6 結(jié)論

基于立體車庫載車器緩沖位移不精準(zhǔn)問題，提出一種新型的立體車庫載車器液壓緩沖系統(tǒng)，根據(jù)載車器緩沖位移變化實(shí)時(shí)調(diào)整變節(jié)流閥過流面積實(shí)現(xiàn)了載車器緩沖位移可控，給出了載車器變節(jié)流緩沖機(jī)理，基于AMESim建立了立體車庫載車器液壓系統(tǒng)載車器過放緩沖模型，仿真了初始參數(shù)下的系統(tǒng)緩沖特性，分析了載車器過放速度和質(zhì)量對系統(tǒng)緩沖特性的影響規(guī)律，研究了節(jié)流閥過流面積變化及其零點(diǎn)值對系統(tǒng)緩沖特性的影響情況，并進(jìn)行了系統(tǒng)緩沖性能試驗(yàn)驗(yàn)證，仿真得到以下結(jié)論：

(1) 變節(jié)流緩沖過程，載車器速度先迅速降低，后緩沖減速可實(shí)現(xiàn)較精準(zhǔn)的緩沖定位；

(2) 變節(jié)流閥過流面積變化規(guī)律不變，載車器緩沖位移不受載車器過放速度和質(zhì)量影響；

(3) 增加大開度節(jié)流閥閥口關(guān)閉速率與降低小開度節(jié)流閥閥口關(guān)閉速率能獲得相同的載車器緩沖位移；

(4) 變節(jié)流閥過流面積方程式零點(diǎn)值對應(yīng)載車器緩沖位移值；

(5) 試驗(yàn)數(shù)據(jù)對仿真結(jié)論具有較高的支撐驗(yàn)證作用。