主動防翻裝置液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

劉榮華,高躍飛,張世隆,羅炳華,賈 強(qiáng)

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,山西 太原 030051)

重型半掛車具有質(zhì)心位置高,質(zhì)量和體積大,輪距相對于車身高度過窄,后部運(yùn)動放大等特點(diǎn),并且牽引車和掛車之間存在復(fù)雜的耦合關(guān)系,導(dǎo)致行駛過程中極易發(fā)生擺振、側(cè)翻和折疊等危險(xiǎn)工況.其中半掛車側(cè)翻事故是非常劇烈的,與別的事故比起來,帶來的損失和傷害也比較大.雖然對于牽引車-半掛車來說,僅有 4.4% 的事故是側(cè)翻事故,但是造成卡車司機(jī)致命的事故卻有58%是由側(cè)翻引起的[1].

由于半掛車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)易導(dǎo)致發(fā)生側(cè)翻,目前國內(nèi)外主要采用以下系統(tǒng)來提高車輛的側(cè)翻穩(wěn)定性：側(cè)傾警告裝置,電控制動系統(tǒng),側(cè)傾穩(wěn)定控制系統(tǒng),側(cè)傾支持系統(tǒng)和車軸自轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)等.這些系統(tǒng)主要是通過電子測試裝置監(jiān)測轉(zhuǎn)彎時的車速或半掛車橫向加速度閾值,再通過控制系統(tǒng)控制發(fā)動機(jī)的輸出扭矩和車軸轉(zhuǎn)向,從而達(dá)到提高車輛側(cè)翻穩(wěn)定性的目的.但以上系統(tǒng)也僅僅只能算作被動防翻裝置,它們只能在半掛車固有的側(cè)翻極限內(nèi)對車輛的穩(wěn)定性進(jìn)行調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)的范圍十分有限.

筆者從半掛車側(cè)翻力矩的成因入手,設(shè)計(jì)了一套半掛車液壓主動防翻裝置.首先通過加速度傳感器檢測車輛的橫向加速度閾值,然后由控制系統(tǒng)控制液壓缸推動主要側(cè)翻部分向反傾斜方向轉(zhuǎn)動,進(jìn)而縮小側(cè)翻力提高車輛的側(cè)翻穩(wěn)定性.本文根據(jù)主動防翻裝置的主要性能,設(shè)計(jì)了基于分流閥的同步液壓回路,并且以通過虛擬試驗(yàn)得到液壓缸作用力為液壓系統(tǒng)仿真的輸入量,以液壓缸輸出位移為依據(jù)驗(yàn)證了其設(shè)計(jì)的合理性.

1 虛擬試驗(yàn)

本文以某型號半掛車為原型,加裝了一套液壓主動防翻裝置,如圖 1所示.液壓缸的缸體和液壓桿分別與貨廂和防翻液壓缸支臂通過鉸鏈連接,當(dāng)加速度傳感器檢測到車輛的橫向加速度達(dá)到設(shè)定的閾值時,液壓缸開始動作,推動主要翻轉(zhuǎn)部分向反傾斜方向轉(zhuǎn)動,當(dāng)液壓缸達(dá)到設(shè)定的伸出量時,液壓缸將停止運(yùn)動.虛擬側(cè)翻平臺試驗(yàn)根據(jù) GB/T 14172-2009汽車靜側(cè)翻穩(wěn)定性臺架試驗(yàn)方法[2]進(jìn)行設(shè)計(jì),試驗(yàn)臺應(yīng)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn),最小上升速度(勻速)應(yīng)不大于 10°/min;試驗(yàn)臺面的側(cè)向附著系數(shù)不低于 0.85;防側(cè)滑擋塊只能安裝在試驗(yàn)臺轉(zhuǎn)動中心一側(cè)的輪邊,其高度不大于 30 mm.

虛擬試驗(yàn)中設(shè)定側(cè)翻平臺勻速轉(zhuǎn)動,角速度k=0.025 rad/min;防翻液壓缸的最大伸出量lmax=62 mm,外側(cè)輪胎對支承平面法向反力為 0時結(jié)束試驗(yàn).由此得到液壓缸的作用力和輸出位移,如圖 2和圖 3所示.其中液壓缸作用力為前、后液壓缸共同作用的結(jié)果.由于兩個液壓缸到貨廂的質(zhì)心距離不等,所以兩液壓缸的作用力不相同,最大作用力相差 1528 N,使液壓系統(tǒng)產(chǎn)生了偏載,進(jìn)而會使兩液壓缸的輸出位移不同步,最終導(dǎo)致其中一個液壓缸的受力狀況被惡化.因此,文中選用分流閥[3-4]對液壓源進(jìn)行分流,使輸入兩個液壓缸的液壓油基本相同,以保證兩個缸的輸出位移基本同步.

圖1 半掛車虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)模型Fig.1 Simulativ e experimentation model of semi-trailer

圖2 液壓缸作用力Fig.2 Action force of hydraulic cylinder

圖3 液壓缸輸出位移Fig.3 Export displacement of hydraulic cylinder

2 液壓回路設(shè)計(jì)

2.1 分流閥結(jié)構(gòu)及建模

分流閥是液壓系統(tǒng)中普遍采用的液壓元件,其作用是從同一個油源向兩個液壓執(zhí)行元件供應(yīng)相等的流量,以實(shí)現(xiàn)兩個執(zhí)行元件的速度保持同步,其結(jié)構(gòu)原理圖如圖 4所示.它由兩個固定節(jié)流口 1,2,閥體 5,閥芯 6和兩個對中彈簧 7等零件組成.閥芯的中間臺肩將閥分為完全對稱的左、右兩部分.位于左邊的油室通過閥芯上的軸向小孔與閥芯右端彈簧腔相通,位于右邊的油室通過閥芯上的另一軸向小孔與閥芯左端彈簧腔相通.裝配時由對中彈簧 7保證閥芯處于中間位置,閥芯兩端臺肩與閥體沉割槽組成的兩個可變節(jié)流口3,4的通流面積相等.將分流閥裝入系統(tǒng)后,液壓泵輸出的壓力油經(jīng)過液阻相等的固定節(jié)流口1和2分別進(jìn)入右、左油室,然后經(jīng)可變節(jié)流口 3和 4至各自出口,通往兩個執(zhí)行元件[5].

分流閥工作原理：利用負(fù)載壓力反饋來補(bǔ)償因負(fù)載變化而引起的流量變化,通過使兩側(cè)固定節(jié)流口 1,2的前后壓差(Δp1=p1-ps,Δp2=p2-ps)保持相等來實(shí)現(xiàn)等量分流.如當(dāng)左輸出油路負(fù)載壓力 p3增大時,p3＞p4,則瞬時閥芯作用處壓力 p2＞p1,同時在彈簧力的共同作用下閥芯向左移動,這時左側(cè)可變節(jié)流口 3的面積變大,右側(cè)可變節(jié)流口4的面積變小,從而使閥芯壓力作用處p1,p2趨向一致,因而使通過兩固定節(jié)流口 1,2的流量 Q1,Q2也保持一致,實(shí)現(xiàn)了動態(tài)等量分流.

圖4 分流閥結(jié)構(gòu)原理Fig.4 Structure principle of dividing valv e

本文選用 AM ESim多學(xué)科系統(tǒng)建模與仿真軟件[6]對液壓系統(tǒng)的性能進(jìn)行仿真計(jì)算,建立的分流閥仿真模型如圖 5所示.在模型中采用錐形閥閥芯與密封邊緣的相對位移來模擬可變節(jié)流口,由于液壓閥所產(chǎn)生的液動力遠(yuǎn)小于壓力差和液阻,所以在錐形閥受力公式中忽略了液動力,當(dāng)兩個執(zhí)行元件有偏載時,其計(jì)算公式為

式中：pⅠ為一側(cè)出口壓力;pⅡ?yàn)橐粋?cè)油室入口壓力;Δp為壓力差;dp為閥芯直徑;dr為閥芯桿直徑;da為可變接觸直徑.可變接觸直徑計(jì)算公式為

式中：ds為閥芯前腔直徑;x為閥芯位移;T為錐形閥 1/2錐度.閥芯在壓力差的作用下向低壓腔移動,高壓油室的可變接觸直徑變小,流量減少,壓力降低;低壓油室內(nèi)情況則相反,直至兩個油室的壓力和輸出力量相等時,閥芯才停止移動.

圖5 分流閥仿真模型Fig.5 Simulativ e model of dividing valve

2.2 液壓回路及建模

主動防翻裝置同步液壓回路如圖 6所示[7-8].當(dāng)半掛車的橫向加速度未達(dá)到所設(shè)定的閾值時,液壓泵通過卸荷閥進(jìn)行卸荷;當(dāng)半掛車的橫向加速度達(dá)到或超過閾值時,卸荷閥關(guān)閉,電磁換向閥得電,三位四通換向閥4置于右位,三位四通換向閥 5置于左位,液壓缸 14,16同步伸出,液壓缸15,17在貨廂的作用下同步縮回.在整個系統(tǒng)中,貨廂質(zhì)量非常大,采用液控單向閥可以在液壓系統(tǒng)故障時保證貨廂不會突然失穩(wěn);在不同的工況下,液壓缸應(yīng)產(chǎn)生不同的作用速度,因此采用單向調(diào)速閥可以對液流速度進(jìn)行調(diào)節(jié)[9].

建立的同步液壓回路仿真模型如圖 7所示.在模型中,將虛擬試驗(yàn)得到的液壓缸作用力作為已知數(shù)據(jù),加載于液壓缸活塞桿上,并且通過位移傳感器[10]檢測出液壓缸的作用位移,將其反向后作用到液壓缸 18,19的活塞桿上,這樣就能完全模擬出在卡車側(cè)翻過程中作用在液壓缸上的力和位移.設(shè)定主要部件的仿真參數(shù)為：液壓缸活塞直徑 d=140 mm,活塞桿直徑 d2=60 mm,分流閥閥芯質(zhì)量 m=0.015 kg,錐閥 1/2錐度T=45°,閥芯直徑 dp=12 mm,閥芯桿直徑 dr=5 mm,對中彈簧剛度 k=1.4 N? mm-1,固定節(jié)流孔直徑 dg=5 mm,并對模型進(jìn)行了仿真計(jì)算.

圖6 同步液壓回路Fig.6 Synchronization hydraulic loop

圖7 同步液壓回路仿真模型Fig.7 Simulative model of synchronization hydraulic loop

3 仿真結(jié)果分析

應(yīng)用 AMESim軟件對同步液壓回路進(jìn)行了仿真計(jì)算,得到兩個液壓缸輸出位移和速度曲線,分別如圖 8和圖 9所示.

圖8 液壓缸仿真輸出位移Fig.8 Simulative export displacement of hydraulic cylinder

圖9 液壓缸仿真輸出速度Fig.9 Simulativ e ex port velocity of hydraulic cylinder

由圖 8和圖 9可知,前液壓缸輸出最大位移為 lq=0.0650 m,最大速度為 vq=0.0142 m/s,與試驗(yàn)要求的最大位移相差Δlq=0.0030 m;后液壓缸輸出最大位移為 lh=0.0632 m,最大速度為 vh=0.0123 m/s,與試驗(yàn)要求最大位移相差Δlh=0.0012 m.由位移同步精度計(jì)算公式得兩個液壓缸輸出位移的同步精度為Y=2.8%.

對比圖 3曲線,發(fā)現(xiàn)本液壓系統(tǒng)所產(chǎn)生的輸出位移基本滿足設(shè)計(jì)要求,而且同步輸出位移精度也在工程規(guī)定的范圍之內(nèi).由圖 9可以發(fā)現(xiàn),液壓缸除在開始階段有一定的速度波動外,在大部分時間內(nèi)其速度都是圍繞 v=0.0005 m/s進(jìn)行小范圍的浮動,滿足了系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)動的要求.

4 結(jié) 論

本文以虛擬試驗(yàn)得到的液壓缸輸出作用力為液壓系統(tǒng)仿真的輸入量,以輸出位移為其合理性驗(yàn)證的依據(jù),通過仿真結(jié)果對比,發(fā)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)輸出位移和前、后兩個液壓缸的同步精度完全能夠滿足要求,液壓缸的輸出速度除起始的波動外,大部分時間也是圍繞一個定速小范圍地浮動,使系統(tǒng)能夠平穩(wěn)運(yùn)動.證明本液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)是合理的,滿足主動防翻裝置的性能要求.

文中液壓系統(tǒng)性能研究是基于側(cè)翻平臺平穩(wěn)運(yùn)動進(jìn)行的,從工程應(yīng)用的角度應(yīng)將系統(tǒng)置于不同的路面環(huán)境和不同的工況中,以檢測液壓主動防翻裝置的快速響應(yīng)能力,并根據(jù)實(shí)際的工況設(shè)計(jì)出適合于液壓主動防翻系統(tǒng)的控制算法,這些工作還有待于在后續(xù)的研究中進(jìn)行.

[1]馮向敏.半掛汽車列車的主動側(cè)傾控制 [D].吉林：吉林大學(xué),2005.

[2]國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心.GB14172-2009汽車靜穩(wěn)定性臺架試驗(yàn)方法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009.

[3]金勝秋.基于 AMESim的液壓同步閥仿真分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究 [J].液壓與氣動,2009(9)：64-68.Jin Shengqiu.Analyzing the capability and improving the structure of synchronization value based on AM ESim[J].Chinese Hydraulics and Pneumatics,2009(9)：64-68.(in Chinese)

[4]金勝秋.基于 AMESim的液壓同步閥的仿真分析及結(jié)構(gòu)研究 [D].吉林：吉林大學(xué),2009.

[5]萬會雄,明仁雄.液壓與氣壓傳動 [M].第2版.北京：國防工業(yè)出版社,2008：108-110.

[6]付永領(lǐng),祁曉野.AMESim系統(tǒng)建模和仿真—從入門到精通[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2006.

[7]唐蒲華.一種數(shù)字調(diào)速閥控制的同步回路[J].液壓與氣動 ,2009(5)：57-59.Tang Puhua. The hydraulic synchronous circuit controlled by digital flow control valve[J].Chinese Hydraulics and Pneumatics,2009(5)：57-59.(in Chinese)

[8]劉忠.液壓傳動與控制實(shí)用技術(shù) [M].北京：北京大學(xué)出版社,2009：127-165.

[9]張紹九.液壓同步系統(tǒng)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2010：17-158.

[10]王春行.液壓控制系統(tǒng) [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社 ,2010：40-65.