一種機(jī)液伺服車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建模

李永安

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西太原 030006)

車輛動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一般都采用隨動(dòng)系統(tǒng)。液壓隨動(dòng)系統(tǒng)具有質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、工作寧?kù)o及對(duì)地面能起緩沖作用、動(dòng)作迅速、啟動(dòng)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)而應(yīng)用廣泛［1］。無(wú)論是液壓助力轉(zhuǎn)向還是全液壓轉(zhuǎn)向，其基本原理都是保證方向盤旋轉(zhuǎn)給定一個(gè)轉(zhuǎn)向信號(hào)，轉(zhuǎn)向油缸 (或轉(zhuǎn)向輪)隨動(dòng)一個(gè)輸出量，信號(hào)消失，轉(zhuǎn)向結(jié)束。運(yùn)煤車受井下巷道尺寸因素的影響，要求轉(zhuǎn)向系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，且駕駛操作空間小，要求司機(jī)完成車輛轉(zhuǎn)向動(dòng)作幅度小。由于井下工況惡劣且有防爆要求，制約了電控或電液控制轉(zhuǎn)向方案在礦用車輛上的應(yīng)用。因此，在借鑒現(xiàn)有同類車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，自行設(shè)計(jì)了一套機(jī)液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

1 運(yùn)煤車機(jī)液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的原理

圖1為機(jī)液伺服系統(tǒng)的原理圖，當(dāng)司機(jī)操作手柄2繞銷軸Ⅰ順時(shí)針旋轉(zhuǎn)θr角度時(shí)，在連桿7的帶動(dòng)下，轉(zhuǎn)向控制閥閥芯位移Xr，此時(shí)輸出流量Q，轉(zhuǎn)向油缸輸出位移Xp;由于軟軸的作用，油缸活塞桿帶動(dòng)反饋塊4繞銷軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)θi，此時(shí)，由于銷軸Ⅰ與反饋塊4相對(duì)固定，則轉(zhuǎn)向手柄也繞銷軸Ⅰ逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)θi。此時(shí)閥芯位移為Xf;當(dāng)Xf和Xr兩者相互抵消為0時(shí)，控制閥關(guān)閉，一個(gè)轉(zhuǎn)向隨動(dòng)過(guò)程結(jié)束。要想改變輪胎轉(zhuǎn)向角度，只有重新扳動(dòng)轉(zhuǎn)向手柄。

圖1 機(jī)液伺服反饋控制系統(tǒng)原理圖

根據(jù)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成和原理，可以繪制機(jī)液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理方框圖，見(jiàn)圖2。

圖2 機(jī)液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理方框圖

2 運(yùn)煤車機(jī)液伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立

圖3為機(jī)液伺服機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的幾何關(guān)系圖。為了便于理解，認(rèn)為手動(dòng)手柄θr角度后，閥芯位移量為Xr，而由于慣性、管路等因素，油缸活塞不能馬上動(dòng)作，經(jīng)過(guò)一瞬間后，輸入點(diǎn)即操作手柄不動(dòng)了，活塞開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，活塞的運(yùn)動(dòng)通過(guò)反饋機(jī)構(gòu)又使閥芯反向移動(dòng)而使閥口關(guān)小，某一時(shí)刻，當(dāng)油缸位移Xp時(shí)，閥芯反向位移量Xf，閥芯絕對(duì)位移量為

圖3 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)幾何關(guān)系圖

根據(jù)圖3，在機(jī)液伺服機(jī)構(gòu)中，方向控制閥閥芯9、連桿7和轉(zhuǎn)向手柄2組成一個(gè)三連桿機(jī)構(gòu)，所以閥芯位移Xr和手柄轉(zhuǎn)角θr為非線性關(guān)系，但由于閥芯位移較小，閥芯位移可以近似等效看成銷軸6質(zhì)點(diǎn)的位移，則閥芯輸入位移

當(dāng)油缸位移Xp時(shí)，反饋塊逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)θi，閥芯反向位移Xf

由于擺動(dòng)角度小，可近似認(rèn)為L(zhǎng)4=L1+L2，且θi=Xp/L3，根據(jù)式 (3)

根據(jù)式 (1)、式 (2)和式 (4)，閥芯絕對(duì)位移

圖4 轉(zhuǎn)向油缸液壓連接原理圖

為了簡(jiǎn)化圖面，圖1中只出現(xiàn)了一個(gè)非對(duì)稱轉(zhuǎn)向油缸，實(shí)際車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中有兩個(gè)轉(zhuǎn)向油缸，分別位于車體兩側(cè)，液壓連接方式如圖4所示。正是基于此種連接方式，所以兩個(gè)非對(duì)稱油缸可以等效成一個(gè)新的對(duì)稱油缸，所以該系統(tǒng)的閥控液壓缸數(shù)學(xué)模型可以按閥控對(duì)稱油缸處理。由于閥控液壓缸傳遞函數(shù)推導(dǎo)較為繁瑣，且閥控對(duì)稱液壓缸數(shù)學(xué)模型已經(jīng)十分完善［2－3］，由文獻(xiàn) ［4－5］ 可知，油缸位移Xp對(duì)輸入指令Xv的傳遞函數(shù)為:

根據(jù)式(1)—(6)可以繪出系統(tǒng)的方塊圖，見(jiàn)圖5。

圖5 機(jī)液伺服統(tǒng)的方塊圖

令G(s)為前向通道傳遞函數(shù)，H(s)為反饋通道傳遞函數(shù)，由圖5所示方塊圖可得系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù):

式中:Kv為開(kāi)環(huán)放大系數(shù) (也稱速度放大系數(shù))，Kv=(L1+L2)Kq/ApL3;ωh為液壓系統(tǒng)固有頻率;ζh為液壓系統(tǒng)阻尼比。

其中:βe為油液體積彈性模量，可查資料獲得;Ap、Vt、mt分別為兩個(gè)轉(zhuǎn)向油缸的等效活塞面積、等效總壓縮容積、等效折算到活塞上的總質(zhì)量。當(dāng)轉(zhuǎn)向油缸設(shè)計(jì)完成后Ap、Vt、mt就可以確定，所以ωh可以求得。

轉(zhuǎn)向閥的流量增益系數(shù)kq可通過(guò)產(chǎn)品樣本獲得。

液壓阻尼比ζh一般介于0.1～0.2之間，Kv＜(0.2 ～0.4) ωh［4－5］。綜合考慮液壓阻尼比 ζh、開(kāi)環(huán)放大系數(shù)Kv、連桿機(jī)構(gòu)空間尺寸以及控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求等因素可以確定L1、L2、L3的值，完成設(shè)計(jì)。

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種機(jī)液伺服液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)井下惡劣的工況具有很好的適應(yīng)性。建立該伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和傳遞函數(shù)，為進(jìn)一步分析系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能的影響以及系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

［1］同濟(jì)大學(xué).工程機(jī)械地盤構(gòu)造與設(shè)計(jì)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1980.

［2］王占林.近代液壓控制［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

［3］蒙爭(zhēng)爭(zhēng).四通閥控非對(duì)稱液壓缸傳遞函數(shù)的分析和建立［J］.合肥學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2006，16(2):23 －27.

［4］王春行，徐淥.液壓控制系統(tǒng)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

［5］李洪人.液壓控制系統(tǒng)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1990.