無避讓立體停車裝置液壓系統(tǒng)的動態(tài)特性

王俊飛， 汪成文， 佘占蛟

(1.成都理工大學工程技術學院， 四川 樂山 614000； 2.太原理工大學 機械工程學院， 山西 太原 030024；3.南充職業(yè)技術學院 機電工程系， 四川 南充 637131)

引言

無避讓液壓立體停車裝置的液壓驅動系統(tǒng)作為裝置運行的動力源，其動態(tài)性能的優(yōu)劣直接決定著停車裝置的整體性能[1-2]。尤其是載車板載車運行時，負載慣性大，啟動、制動及換向過程中，其速度、加速度、系統(tǒng)壓力、流量及馬達轉矩等急劇變化，會產(chǎn)生液壓沖擊、振動、搖晃及噪聲等， 嚴重影響裝置運行的安全性與可靠性，關系到車輛與人員的安全[3-4]，為保證停車裝置平穩(wěn)運行，提高裝置的安全可靠性，需要對其液壓系統(tǒng)動態(tài)特性進行研究分析。本研究以某新型無避讓液壓立體停車裝置為研究對象，利用AMESim對其液壓系統(tǒng)進行建模仿真， 分析研究了裝置載車啟停及負載變化時系統(tǒng)的動態(tài)特性，通過優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)，使系統(tǒng)獲得良好動態(tài)特性，保證停車裝置安全可靠平穩(wěn)運行。

1 某新型無避讓立體停車裝置組成結構

某新型無避讓立體停車裝置整體結構如圖1所示，主要由液壓驅動系統(tǒng)、地面移動導軌、框架支撐主體、回轉升降立柱、載車板及PLC控制系統(tǒng)等組成[5]。

圖1 新型無避讓液壓立體停車裝置結構

2 某新型無避讓立體停車裝置液壓系統(tǒng)分析

2.1 液壓系統(tǒng)工作原理

液壓驅動系統(tǒng)如圖2所示，包括升降液壓系統(tǒng)、行走液壓系統(tǒng)、 回轉液壓系統(tǒng)3部分， 利用 PLC控制液壓系統(tǒng)按照無避讓原理的動作順序實現(xiàn)相應的動作。升降液壓系統(tǒng)采用完全相同的液壓缸、比例換向閥以及油路結構[6]，電液比例換向閥6，10控制液壓拉桿與液壓驅動缸共同驅動載車板實現(xiàn)升降，系統(tǒng)采用PID閉環(huán)閥控位置同步控制回路實現(xiàn)兩液壓缸同步運行，且液壓拉桿與升降液壓缸的極限行程端安裝限位開關，PLC根據(jù)行程端的限位開關信號控制比例換向閥的工作位置及開口度保證液壓拉桿與升降液壓缸最終達到同步，確保載車板處于水平狀態(tài)，避免載車板出現(xiàn)傾斜現(xiàn)象。同時在升降液壓系統(tǒng)中設置液壓鎖與平衡閥，保證載車板安全可靠的停放。其中平衡閥的開啟壓力按照最大承載車型重量進行設置，以確保各種車型均可安全可靠停放。平衡閥控制壓力端口加裝蓄能器與阻尼孔，可有效抑制壓力波動，減小系統(tǒng)的振動[7-8]，保證載車板實現(xiàn)平穩(wěn)升降；電液比例換向閥3控制雙向擺線式液壓馬達5驅動載車板實現(xiàn)回轉，通過行程限位開關配合液壓鎖實現(xiàn)載車板的可靠定位，有效避免存取車過程中發(fā)生回擺引發(fā)安全事故[9-10]；電液比例換向閥15控制雙向液壓馬達24驅動載車板實現(xiàn)橫移， 系統(tǒng)采用蓄能器、 溢流閥與單向閥設計方案，減小載車板啟停過程中產(chǎn)生的慣性沖擊振動[10]，在移動軌道行程兩端設置行程開關，實現(xiàn)載車板定位。為保證裝置在斷電情況下可實現(xiàn)存取車，液壓系統(tǒng)中設置有手動操作部分， 包括手動換向閥26～29、 手動液壓泵、手動調(diào)速閥2，14，調(diào)速閥2可實現(xiàn)手動對回轉速度進行調(diào)節(jié)，調(diào)速閥14可實現(xiàn)手動調(diào)節(jié)前后橫移速度，提高了裝置的使用范圍。

1.液壓泵 2、14.調(diào)速閥 3、6、10、15.電液比例換向閥 4、9、13.雙向液壓鎖 5.雙向擺線馬達 7、11.平衡閥 8、12、16、23.蓄能器 17～20.單向閥 21、22.溢流閥 24.雙向液壓馬達 25.同步帶傳動 26～29.手動換向閥

2.2 液壓驅動系統(tǒng)的技術要求

為滿足裝置運行過程中穩(wěn)定性及抗沖擊振動要求，且停取車時間要短，驅動系統(tǒng)技術參數(shù)如表1所示。

表1 停車裝置液壓驅動系統(tǒng)技術要求

3 液壓驅動系統(tǒng)AMESim建模

為保證停車裝置平穩(wěn)、可靠運行，提高停車裝置的安全可靠性，應用AMESim液壓元件模型庫、機械庫及HCD庫搭建其液壓驅動系統(tǒng)模型，升降系統(tǒng)模型、行走系統(tǒng)模型、回轉系統(tǒng)模型分別如圖3～圖5所示。對液壓系統(tǒng)的動態(tài)性能進行仿真研究，由于手動操作跟操作人員有關，故主要對電液控制系統(tǒng)進行分析研究。

圖3 升降液壓驅動系統(tǒng)AMESim模型

圖4 橫移液壓驅動系統(tǒng)AMESim模型

圖5 回轉液壓驅動系統(tǒng)AMESim模型

停車裝置升降過程中，多級液壓缸各級活塞間的碰撞與各級活塞面積的變化會影響裝置的平穩(wěn)性[11-12]，故正確地建立多級液壓缸模型是建立升降液壓驅動系統(tǒng)模型的關鍵。多級液壓缸模型采用MAS30與MAS31模塊對多級液壓缸運動過程中產(chǎn)生的碰撞力、摩擦力進行了模擬，MAS30與MAS31模塊采用線性彈簧阻尼碰撞模型，符合多級液壓缸運動過程中產(chǎn)生的碰撞力[12]。此外，MAS30與MAS31模塊采用Karnopp摩擦力模型，充分考慮了靜摩擦力、動摩擦力、黏性摩擦力以及靜動摩擦力轉換時的情況，能夠對多級液壓缸運行過程中產(chǎn)生的摩擦力進行準確模擬，為伸縮拉桿與升降液壓缸同步仿真提供了條件。所建升降液壓驅動系統(tǒng)模型可準確地模擬新型無避讓立體裝置實際的升降運行情況，系統(tǒng)中各液壓元件主要參數(shù)設置如表2所示。

表2 升降系統(tǒng)主要液壓元件的子模型參數(shù)

載車板橫移過程中易產(chǎn)生沖擊振動，為緩和沖擊、吸收振動，裝置采用具有撓性的同步帶傳動驅動載車板， 同步帶的黏彈特性對橫移過程的動力學性能影響較大，故正確地建立同步帶的黏彈性模型至關重要。文中將同步帶沿縱向平均劃分為3個單元，每個單元的黏彈性模型采用Kelven-Vogit模型，由1個典型的彈性元件與1個典型的阻尼元件并聯(lián)組成，AMESim建模環(huán)境下，在機械零件庫中選取相應的零件，搭建同步帶的模型，橫移驅動系統(tǒng)中各液壓元件主要參數(shù)設置如表3所示。

表3 橫移系統(tǒng)主要液壓元件的子模型參數(shù)

裝置采用雙向擺線式液壓馬達驅動載車板實現(xiàn)回轉，模型中依據(jù)擺線馬達的轉角控制比例換向閥，使比例換向閥實現(xiàn)緩慢的變位， 減小回轉過程中的沖擊振動，提高裝置回轉過程中的穩(wěn)定性，回轉系統(tǒng)中各液壓元件主要參數(shù)設置如表4所示。

表4 回轉系統(tǒng)主要液壓元件的子模型參數(shù)

4 仿真結果分析

4.1 穩(wěn)定性與可靠性分析

穩(wěn)定性與可靠性是立體停車裝置最基本也是最重要的要求，直接影響裝置的性能、運行效率及車輛與人員的安全，文中以存車循環(huán)工況為例進行了仿真分析。位移曲線與速度曲線分別為見圖6、圖7。

由圖6、圖7可見，系統(tǒng)可實現(xiàn)穩(wěn)定可靠地按照預先設計的參數(shù)與動作順序運行，運行過程中速度有輕微突變波動，這是裝置在啟動與制動時的慣性沖擊以及多級液壓缸換級過程中產(chǎn)生的突然碰撞引起的，仿真結果符合系統(tǒng)的實際運行情況。

圖6 存車過程運行的位移曲線

圖7 存車過程運行的速度曲線

4.2 抗沖擊性能分析

抗沖擊性能直接影響立體停車裝置的安全穩(wěn)定性及使用壽命，本裝置通過在液壓驅動系統(tǒng)中合理布置蓄能器及緩沖溢流閥等措施抑制運行過程中的沖擊。

(1) 裝置橫移抗沖擊。停車裝置開始橫移與制動過程中沖擊較大，圖2所示液壓驅動系統(tǒng)中，通過蓄能器與溢流閥吸收啟動加速及負載突變增大時產(chǎn)生的沖擊；用蓄能器與單向閥吸收制動減速時產(chǎn)生的沖擊；沖擊較小時，通過蓄能器緩沖，沖擊較大時，通過溢流閥溢流或者通過單向閥補油[13]；圖8為裝置載車橫移過程中負載突然增大時速度的變化曲線，由圖8可知，裝置在啟動與制動及負載突變增大時速度發(fā)生輕微突變，但可迅速恢復到正常工作時所需要的速度?？梢?，系統(tǒng)采用蓄能器、溢流閥與單向閥設計方案可有效改善裝置在橫移過程中的抗沖擊性能。

圖8 橫移過程負載突變速度變化曲線

(2) 載車板升降抗沖擊。該無避讓停車裝置載車板的升降通過多級液壓缸來驅動實現(xiàn)，升降過程中各級活塞間的碰撞與各級活塞面積的變化會引起液壓沖擊，影響裝置的平穩(wěn)性與安全性。圖2所示液壓驅動系統(tǒng)，在平衡閥控制壓力端口加一高頻響的小蓄能器和小阻尼孔，可有效抑制壓力波動，減小系統(tǒng)的沖擊振動[14]。圖9為載車升降過程中負載突然增大時速度的變化曲線，由圖9可知，裝置載車升降及負載突變增大時速度發(fā)生輕微突變，但可快速恢復至系統(tǒng)正常工作時所需速度?？梢?，系統(tǒng)在平衡閥控制壓力端口加一高頻響的小蓄能器和小阻尼孔可有效改善裝置升降過程中的抗沖擊性能。

圖9 升降過程負載突變速度變化曲線

4.3 載車板升降同步性分析

為確保載車板在升降過程中不發(fā)生傾斜、偏載現(xiàn)象，升降液壓驅動系統(tǒng)通過液壓拉桿與升降驅動液壓缸共同驅動載車板，系統(tǒng)采用閉環(huán)閥控位置同步控制回路[15]，控制策略采用“主從方式”，以升降液壓缸的輸出為基準，液壓拉桿的輸出跟隨驅動液壓缸的輸出，實現(xiàn)同步運動，且通過PID校正環(huán)節(jié)，提高同步控制性能，同時PLC根據(jù)行程端的限位開關信號控制比例換向閥保證液壓拉桿與升降液壓缸最終達到同步。圖10、圖11分別為載車板升降過程中液壓拉桿與升降液壓缸的位移、速度仿真曲線。

從圖10、圖11可知液壓拉桿與升降液壓缸在升降過程中的位移與速度基本保持同步。

圖10 兩液壓缸的位移仿真曲線

圖11 兩液壓缸的速度仿真曲線

5 結論

利用AMESim建立某新型無避讓立體停車裝置液壓驅動系統(tǒng)的模型，對液壓驅動系統(tǒng)進行了仿真研究，得到系統(tǒng)運行過程中的速度、位移變化曲線，分析了系統(tǒng)運行過程中穩(wěn)定性與可靠性及系統(tǒng)的抗沖擊性能，同時還分析了升降過程中的同步性，從模型仿真的結果可以得出以下結論。

(1) 該新型無避讓立體停車裝置液壓驅動系統(tǒng)，可實現(xiàn)穩(wěn)定、可靠地按照預先設計的參數(shù)與動作順序運行，且可在規(guī)定時間1.5 min內(nèi)完成一次存取車，與設計預期目標基本一致；

(2) 本裝置通過在液壓驅動系統(tǒng)中合理布置蓄能器、緩沖溢流閥及阻尼孔等措施有效抑制了運行過程中產(chǎn)生的液壓沖擊；

(3) 系統(tǒng)采用PID閉環(huán)閥控位置同步控制回路實現(xiàn)兩液壓缸同步運動，同時PLC根據(jù)行程端的限位開關信號控制比例換向閥使液壓拉桿與升降液壓缸最終達到同步，保證了載車板在升降過程中不發(fā)生傾斜、偏載。