專用機(jī)械靜壓底盤液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仿真研究

1、專用機(jī)械靜壓底盤液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仿真研究    摘要:為了研究適用于對作業(yè)車速恒定有嚴(yán)格要求的專用底盤，提出一種采用機(jī)械靜壓驅(qū)動(dòng)的解決方案。該方案采用傳統(tǒng)機(jī)械變速器用于高速行駛、附加液壓傳動(dòng)裝置用于低速作業(yè)。應(yīng)用系統(tǒng)協(xié)同仿真軟件AMESim建立稀漿封層機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的仿真模型，對其動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明:稀漿封層機(jī)要避免工作在300kN以上的載荷工況;系統(tǒng)對正弦載荷的響應(yīng)，存在負(fù)荷上升階段壓力波動(dòng)較負(fù)荷下降階段壓力波動(dòng)大，且受小頻率載荷影響明顯。關(guān)鍵詞:底盤;機(jī)械靜壓;液壓驅(qū)動(dòng);仿真研究近年來，道路養(yǎng)護(hù)機(jī)械廣泛應(yīng)用于高等級公路、城市道路和鄉(xiāng)村道路的建

2、設(shè)1。道路養(yǎng)護(hù)機(jī)械的性能會(huì)影響到作業(yè)質(zhì)量，控制穩(wěn)定的作業(yè)速度一直以來是業(yè)界關(guān)注的一個(gè)難題24。常見的道路養(yǎng)護(hù)機(jī)械多采用通用底盤搭載，車輛的作業(yè)速度和非作業(yè)狀態(tài)下的轉(zhuǎn)移行駛速度相差懸殊。這種方案多采用增加副變速箱或者專用變速箱來降低車速，但效果不理想，且作業(yè)質(zhì)量沒有保證5。如何設(shè)計(jì)一套變速范圍很寬的機(jī)械靜壓復(fù)合驅(qū)動(dòng)底盤系統(tǒng)成為整機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，筆者通過采用傳統(tǒng)機(jī)械變速器用于高速行駛、附加液壓傳動(dòng)裝置用于低速作業(yè)的方案，很好地滿足了這兩種工況的需求。針對機(jī)械靜壓底盤液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，應(yīng)用系統(tǒng)協(xié)同仿真軟件AMESim建立稀漿封層機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的仿真模型，對其動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真分析，確定最佳匹配參數(shù)。仿真

3、結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了仿真過程的有效性。1專用機(jī)械靜壓復(fù)合驅(qū)動(dòng)底盤設(shè)計(jì)為了解決專用車輛的作業(yè)速度和非作業(yè)狀態(tài)下的轉(zhuǎn)移行駛速度相差懸殊的難題，我們設(shè)計(jì)了該專用機(jī)械靜壓復(fù)合驅(qū)動(dòng)底盤，采用傳統(tǒng)機(jī)械變速器用于高速行駛、液壓傳動(dòng)裝置用于低速作業(yè)的方式來解決這個(gè)難題。主要應(yīng)用于路面維護(hù)和再生車輛、高壓清洗車、清掃車、機(jī)場作業(yè)車輛等，筆者以某型號稀漿封層機(jī)為例展開研究。道路養(yǎng)護(hù)機(jī)械為多系統(tǒng)車輛，行走傳動(dòng)僅為工作系統(tǒng)之一，并且行走系統(tǒng)在作業(yè)時(shí)往往并不為最大功率系統(tǒng)，因此，行走系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)之間按部分功率匹配。作業(yè)工況下時(shí)，控制機(jī)構(gòu)9處于左位，這樣發(fā)動(dòng)機(jī)1的動(dòng)力就傳到了泵3和泵4上，由泵3去帶動(dòng)工作裝置工

4、作，此處僅畫出一個(gè)泵，實(shí)際可視工作裝置需求布置多個(gè)泵;由泵4和液壓馬達(dá)7組成的閉式系統(tǒng)帶動(dòng)變速箱，驅(qū)動(dòng)底盤恒速行駛。而在運(yùn)輸工況下，控制機(jī)構(gòu)9處于右位，變速箱10與發(fā)動(dòng)機(jī)1連接，按車輛原來狀態(tài)行駛。當(dāng)控制機(jī)構(gòu)處于中位時(shí)，處于駐車工況，此時(shí)泵3可以帶動(dòng)工作裝置工作，該工況適宜于有特殊需求的機(jī)械。圖1專用機(jī)械靜壓復(fù)合驅(qū)動(dòng)底盤傳動(dòng)系示意圖圖1是專用機(jī)械靜壓復(fù)合驅(qū)動(dòng)底盤傳動(dòng)系示意圖，其中變量泵4、變量馬達(dá)7組成的閉中心負(fù)載適應(yīng)系統(tǒng)8和機(jī)械變速器10共同組成機(jī)械靜壓變速裝置。該變速裝置變速范圍寬，可以極大地提高其在某些具有特定性能要求的車輛中的應(yīng)用性。專用動(dòng)力箱包括:控制機(jī)構(gòu)、泵、馬達(dá)、分動(dòng)箱。此類車輛

5、低速作業(yè)時(shí)行走裝置一般只消耗很小的功率，用結(jié)構(gòu)緊湊的液壓驅(qū)動(dòng)元件進(jìn)行底盤改裝相當(dāng)方便，所以機(jī)械液壓分時(shí)驅(qū)動(dòng)的方式在此類車輛上的應(yīng)用前景十分可觀。2液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仿真模型的建立2.1液壓系統(tǒng)原理(圖2)圖2行駛液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)圖2.2攪拌車液壓系統(tǒng)主要參數(shù)系統(tǒng)額定壓力為25MPa;系統(tǒng)最高壓力為39.5MPa;發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為2200r/min;液壓馬達(dá)排量為160cc/rec;液壓泵排量為135cc/rec;補(bǔ)油泵排量為22.5cc/rec;補(bǔ)油壓力為1.9MPa;轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為1.02kg·m2。2.3液壓系統(tǒng)仿真模型的建立在AMESim環(huán)境下，建立如圖3所示的液壓系統(tǒng)仿真建模圖。2.4模型

6、主要參數(shù)的確定(1)發(fā)動(dòng)機(jī)該軟件只提供了帶調(diào)控的和不帶調(diào)控的兩種方式的發(fā)動(dòng)機(jī)。但均不符合稀漿封層機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所需發(fā)動(dòng)機(jī)的要求，所以采用數(shù)學(xué)模型來代替。發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型為轉(zhuǎn)速相對負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化，具體數(shù)據(jù)根據(jù)濰柴WD615.50柴油機(jī)額定轉(zhuǎn)速為2200r/min的發(fā)動(dòng)機(jī)外特性來確定。取其右半段(因?yàn)榻⒛Ｐ蜁r(shí)不允許出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩朝相反方向變化，即轉(zhuǎn)矩只能朝一個(gè)方向變化)，以此來簡化模型。利用軟件1stopt對發(fā)動(dòng)機(jī)外負(fù)荷特性進(jìn)行擬合，所得到的二次擬合函數(shù)Me=4.566003×104x2+1.376x+91.603076。利用AMESim內(nèi)部的ASCII文件用數(shù)組定義該函數(shù)。(2)梭閥部分因?yàn)?/p>

7、模型庫的元件有限，所以不可能所有的元件都可以從中選取，根據(jù)梭閥的工作原理，開發(fā)了能夠?qū)崿F(xiàn)梭閥功能的子模型VALVE3。并單獨(dú)利用AMESim軟件對所搭建模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果是正確。VALVE3內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。圖4VALVE3內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖                (3)液壓馬達(dá)部分馬達(dá)模型有流量損失和機(jī)械損失，流速由馬達(dá)排量、沖擊損失、軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)口壓力共同決定。(4)液壓泵部分變量液壓泵子模型是考慮了容積損失和機(jī)械損失。出口流速由

8、泵排量、沖擊損失、軸轉(zhuǎn)速和入口壓力共同確定。其容積效率和機(jī)械效率可以定義為定值，也可以通過ASCII文件用數(shù)組定義。(5)負(fù)載部分負(fù)載部分比較復(fù)雜，除了液壓元件的阻尼系數(shù)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之外，車輛自身質(zhì)量和減速機(jī)折算到馬達(dá)驅(qū)動(dòng)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、阻尼系數(shù)也會(huì)對液壓系統(tǒng)產(chǎn)生很大的影響。按圖5(a)所示的傳遞路線，液壓馬達(dá)實(shí)際負(fù)載的等效模型如圖5(b)所示。圖5液壓馬達(dá)等效負(fù)載模型3仿真結(jié)果分析3.150kN階躍載荷的響應(yīng)對于稀漿封層機(jī)，50kN的載荷屬于小載荷，此時(shí)的液壓系統(tǒng)工作在泵大排量、馬達(dá)大排量狀態(tài)，從50kN的階躍響應(yīng)曲線圖6中可以看出:(1)液壓系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定值為140bar，穩(wěn)定時(shí)間為2.2s

9、，壓力波動(dòng)最大值為穩(wěn)定值的6%。顯然，該液壓系統(tǒng)受壓力較小，沖擊較小，且可在較短時(shí)間內(nèi)獲得穩(wěn)定。(2)液壓系統(tǒng)流量基本不變，這些小幅度的變化來自壓力升高引起的系統(tǒng)容積效率的降低、泵排量的變化以及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的降低。車輛的速度也有所變化，1s穩(wěn)定，穩(wěn)定車速為3.5km/h。3.2100kN階躍載荷的響應(yīng)100kN屬于中等載荷，馬達(dá)排量保持最大排量位置不變，泵排量開始有小幅度調(diào)節(jié)。從仿真曲線圖7可以看出:圖7對系統(tǒng)加100kN的階躍載荷時(shí)系統(tǒng)壓力、流量及速度響應(yīng)(1)液壓系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定值為200bar，穩(wěn)定時(shí)間為2.3s，壓力波動(dòng)最大值為穩(wěn)定值的33%?？梢婋S著載荷的升高，壓力也相應(yīng)升高。(2)液壓

10、系統(tǒng)流量變化增大，顯然，工作壓力已經(jīng)進(jìn)入了泵排量調(diào)節(jié)區(qū)段(且工作壓力亦進(jìn)入馬達(dá)排量調(diào)節(jié)區(qū)段)。流量穩(wěn)定時(shí)間2.36s，車輛速度為1.89km/h。3.3150kN階躍載荷的響應(yīng)150kN屬于大載荷，此時(shí)，馬達(dá)排量已處于最大位置，泵的排量已比較小，從仿真曲線圖8可以看出:(1)壓力穩(wěn)定值為250bar，穩(wěn)定時(shí)間為2.2s，壓力波動(dòng)最大值為穩(wěn)定值的28%。可見隨著載荷的升高，壓力也再相應(yīng)升高。(2)車輛流量變化明顯進(jìn)一步增大，顯然，工作壓力已經(jīng)進(jìn)入了泵的小排量區(qū)段。流量響應(yīng)速度較快，車輛穩(wěn)定速度為1.39km/h。3.4300kN階躍載荷的響應(yīng)300kN屬于過載荷，此時(shí)，泵的排量接近于最小排量范圍

11、，從仿真曲線圖9可以看出:圖9對系統(tǒng)加100kN的階躍載荷時(shí)系統(tǒng)壓力、流量及速度響應(yīng)(1)壓力穩(wěn)定值為395bar，穩(wěn)定時(shí)間為2.5s，壓力波動(dòng)明顯。在這樣大的載荷下，系統(tǒng)壓力迅速升高至壓力截?cái)嚅y開啟壓力。壓力截?cái)嚅y已經(jīng)開始作用，泵的排量降為最小。泵出口的少許流量經(jīng)溢流閥溢流和馬達(dá)泄漏。車速迅速下降為零，稀漿封層機(jī)開始輕微的打滑。壓力上升較快，稀漿封層機(jī)控制器可以及時(shí)調(diào)整，發(fā)動(dòng)機(jī)不容易熄火。(2)系統(tǒng)流量變化進(jìn)一步增大，顯然，工作壓力已經(jīng)進(jìn)入了泵的小排量區(qū)段，流量響應(yīng)速度較快，流量已經(jīng)幾乎降為0，穩(wěn)定時(shí)間為2.9s，相應(yīng)的車輛速度也幾乎降為0。3.5行駛液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對正弦載荷的響應(yīng)圖10對系統(tǒng)

12、加0.1Hz、0.5Hz、1Hz的正弦載荷時(shí)系統(tǒng)壓力響應(yīng)根據(jù)正弦響應(yīng)曲線圖10可以看出，液壓行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)壓力存在負(fù)荷上升階段壓力波動(dòng)較負(fù)荷下降階段壓力波動(dòng)大的特點(diǎn)。對于正弦載荷，頻率小的液壓系統(tǒng)的壓力上升速度較快，表現(xiàn)為壓力上升坡度較陡，且壓力波動(dòng)幅值比較大。頻率大的液壓系統(tǒng)的壓力上升速度較慢，表現(xiàn)為壓力上升坡度較緩，壓力波動(dòng)幅值較小。所以受小頻率載荷影響的液壓系統(tǒng)會(huì)沖擊較大。4結(jié)束語采用專用機(jī)械靜壓復(fù)合驅(qū)動(dòng)底盤驅(qū)動(dòng)的車輛，工作狀態(tài)時(shí)，作業(yè)精度主要通過液壓系統(tǒng)來穩(wěn)定車速，在泵和馬達(dá)的速比變化范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了無級變速;行駛狀態(tài)時(shí)，仍然采用汽車原來的系統(tǒng)，這樣轉(zhuǎn)移速度快，施工質(zhì)量高。稀漿封層機(jī)要避免工作在300kN以上的載荷工況，防止產(chǎn)生過大的沖擊壓力;行走液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對正弦載荷的響應(yīng)，存在負(fù)荷上升階段壓力波動(dòng)較負(fù)荷下降階段壓力波動(dòng)大的特點(diǎn)，受小頻率載荷影響的液壓系統(tǒng)會(huì)沖擊較大。參考文獻(xiàn)1張新榮，焦生杰同步碎石封層技術(shù)及設(shè)備J筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2004，21(11):142姚懷新行走機(jī)械液壓傳