夏長高，羅汞偉

(江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

?

噴霧機全液壓四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計與分析

夏長高，羅汞偉

(江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

以某高地隙自走式農(nóng)用噴霧機的全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為對象，針對其轉(zhuǎn)向不靈活、轉(zhuǎn)向半徑過大的問題，設(shè)計出一種新穎的全液壓四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。根據(jù)噴霧機的總體設(shè)計要求確定轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向動力缸、轉(zhuǎn)向泵等液壓元件的相關(guān)參數(shù)，然后基于AMEsim建立了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機械-液壓耦合模型，并在方向盤勻速慢轉(zhuǎn)和勻速快轉(zhuǎn)2種工況下進行了轉(zhuǎn)向性能的動態(tài)特性仿真分析。仿真結(jié)果表明：該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)快、機動性能好，較好地滿足了高地隙自走式農(nóng)用噴霧機的作業(yè)要求。

自走式噴霧機；全液壓；四輪轉(zhuǎn)向；機械-液壓耦合建模

高地隙自走式農(nóng)用噴霧機是一種新型農(nóng)業(yè)植保機械。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能直接影響到噴霧機的作業(yè)效率、輪胎的使用壽命、駕駛員的操縱性以及直線行駛的性能。目前，國內(nèi)自走式農(nóng)用噴霧機前輪液壓轉(zhuǎn)向，后輪通過桿件傳動隨動轉(zhuǎn)向，其轉(zhuǎn)向半徑較大，轉(zhuǎn)向精度較低。當農(nóng)田可供噴霧機轉(zhuǎn)向的半徑較小時，對噴霧機施藥效率產(chǎn)生嚴重影響，同時噴霧機反復(fù)前進、倒退，使得作物受到碾壓，影響作物的產(chǎn)量。

由于全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)沒有搖臂、螺桿和隨動桿等機械結(jié)構(gòu)，很大程度上簡化了轉(zhuǎn)向機構(gòu)，從而解決了機械磨損和間隙變化等帶來的問題，可靠性和穩(wěn)定性均得到明顯提高，因此在工程車輛上的運用較為廣泛。液壓元件和系統(tǒng)一般都是時變的非線性系統(tǒng)，因此使用傳遞函數(shù)分析其動態(tài)特性時不僅模型復(fù)雜、工作量大，而且對元件和系統(tǒng)的動態(tài)特性不能進行準確有效的分析[1-5]。而AMESIM提供了一種半物理化等效建模方式，使其能全面反映元件的實際結(jié)構(gòu)，從而更方便地分析其動態(tài)特性[6]。吉林大學的趙峰[7]、王剛[8]將AMESIM用于全液壓兩輪轉(zhuǎn)向的工程車輛的研究，并驗證了其可行性和優(yōu)越性。將AMESIM用于全液壓四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計方面的研究目前未見報道。

1 全液壓四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)方案選定

如圖1所示，所設(shè)計的農(nóng)用噴霧車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由恒流泵、全液壓轉(zhuǎn)向器、2個轉(zhuǎn)向動力缸、手動換向閥等部件組成。該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)操縱方向盤所需的轉(zhuǎn)向力矩小、轉(zhuǎn)向靈活輕便，而且其組成元件少、質(zhì)量輕、尺寸小，使得整個轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加緊湊，還能在發(fā)動機熄火時實現(xiàn)人力轉(zhuǎn)向[9]。

如圖2所示：當手動換向閥處于中位時，恒流泵提供的液壓油經(jīng)轉(zhuǎn)向器A口進入前轉(zhuǎn)向動力缸A口，再由前轉(zhuǎn)向動力缸B口，經(jīng)轉(zhuǎn)向器B口回油箱，此時噴霧車處于前輪轉(zhuǎn)向模式；當撥動手動閥向上移動時，恒流泵提供的液壓油經(jīng)轉(zhuǎn)向器A口進入前轉(zhuǎn)向動力缸A口，再由前轉(zhuǎn)向動力缸B口，進入后轉(zhuǎn)向動力缸B口后回油箱，此時噴霧車處于向心轉(zhuǎn)向模式；當撥動手動閥向下移動時，前轉(zhuǎn)向動力缸B口的液壓油進入后轉(zhuǎn)向動力缸A口，此時噴霧車處于蟹形轉(zhuǎn)向模式。(下面只研究四輪轉(zhuǎn)向模式)

1.前轉(zhuǎn)向動力缸; 2.后轉(zhuǎn)向動力缸; 3.手動換向閥; 4.方向盤; 5.后轉(zhuǎn)向動力缸; 6.恒流泵; 7.油壺。

圖1 四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓結(jié)構(gòu)示意圖

1.恒流泵; 2.轉(zhuǎn)向器閥塊; 3.全液壓轉(zhuǎn)向器; 4.前轉(zhuǎn)向動力缸; 5.后轉(zhuǎn)向動力缸; 6.油壺; 7.三位四通手動換向閥; 8.濾清器。

圖2 四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓原理

2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)學模型的建立

2.1 全液壓轉(zhuǎn)向器的數(shù)學模型

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)建模的難點在于全液壓轉(zhuǎn)向器的建模。在建立轉(zhuǎn)向器數(shù)學模型時，進行了一些忽略與假設(shè)：忽略了管路沿程的損失、計量馬達油缸等的泄漏、閥與管路的局部損失等；假定液壓油的彈性模量、密度、阻尼孔的系數(shù)及黏度均為常數(shù)。在此基礎(chǔ)上，可變阻尼孔等效轉(zhuǎn)向器內(nèi)的各個節(jié)流口，通過計量馬達的動力平衡方程、流量方程等建立轉(zhuǎn)向器的數(shù)學模型。

在圖3中將可變節(jié)流孔A等效轉(zhuǎn)向器相間的6個P孔，將可變節(jié)流孔B等效連通計量馬達進油腔的6個H孔， 將可變節(jié)流C 等效連通計量馬達回油的另外6個H孔，將可變節(jié)流D 等效轉(zhuǎn)向器的A(B)口，將可變節(jié)流E等效轉(zhuǎn)向器的回油口 B(A)口。

圖3 轉(zhuǎn)向器等效原理

通過可變節(jié)流孔A的流量：

即

(1)

通過可變節(jié)流孔B的流量：

即

(2)

對于計量馬達，根據(jù)連續(xù)性方程有

(3)

根據(jù)動力平衡有

(4)

通過可變節(jié)流孔C的流量為

即

(5)

通過可變節(jié)流孔D的流量

即

(6)

經(jīng)過整理得

(7)

式中：A1～A4分別代表可變節(jié)流孔A、B、C、D過流面積(m2)；Cd為可變節(jié)流孔的流量系數(shù)；QS為通過可變節(jié)流孔的流量；P1～P4分別代表各個可變節(jié)流孔的壓力(Pa)；PS為轉(zhuǎn)向器入口的壓力(Pa)；PC為進入可變節(jié)流口B的壓力；MF為計量馬達的阻力矩(N·m)；Dm為計量馬達單位弧度排量(cm3/rad)；Jm為計量馬達的轉(zhuǎn)動慣量(N·m·s2)；Bm為黏性阻尼系數(shù)(N/(m/s))；G為彈簧的扭轉(zhuǎn)剛度(N·m/rad)；θ為計量馬達轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角(rad)；θm為轉(zhuǎn)向器閥芯與閥套之間的相對轉(zhuǎn)角(rad)；ρ為液壓油的密度(kg/m3)。

2.2 轉(zhuǎn)向動力缸數(shù)學模型

轉(zhuǎn)向器輸出的液壓油作用在前轉(zhuǎn)向動力缸A口，前轉(zhuǎn)向動力缸的B口流出的液壓油進入后轉(zhuǎn)向動力缸的B口，從而推動兩端活塞桿反向運動，使車體進行轉(zhuǎn)向。噴霧車轉(zhuǎn)向的快慢與方向盤轉(zhuǎn)動的速度有關(guān)，而方向盤轉(zhuǎn)向的角度與轉(zhuǎn)向器輸出油液的體積成一定的比例關(guān)系。前后2個同型號的雙出桿轉(zhuǎn)向動力缸采用串聯(lián)的方式連接，假設(shè)2個轉(zhuǎn)向油缸為一個雙出桿轉(zhuǎn)向動力缸，如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)向動力缸等效原理

(8)

(9)

(10)

根據(jù)轉(zhuǎn)向動力缸的力平衡方程有：

A(P1-P2)=FL-FM

(11)

式中：P1、P2為轉(zhuǎn)向動力缸進、出油口壓力(Pa)；Q1、Q2分別為轉(zhuǎn)向動力缸進、出油口流量(L/min)；V1、V2分別為轉(zhuǎn)向動力缸進、出油腔的體積(m3)；Cip、Cep分別為轉(zhuǎn)向動力缸的內(nèi)、外泄漏系數(shù)；X為轉(zhuǎn)向動力缸活塞運動速度(m/s)；A為轉(zhuǎn)向動力缸活塞面積(m2)；FL為作用于轉(zhuǎn)向動力缸活塞上的外力(N)；FM為轉(zhuǎn)向動力缸內(nèi)部摩擦力(N)。

3 仿真分析

3.1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型的建立

對全液壓四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的建模，難點在于對全液壓轉(zhuǎn)向器的建模。以往全液壓轉(zhuǎn)向器的建模大都采用等效阻尼孔的方式，即把轉(zhuǎn)向器各個閥口用等效阻尼的形式來代替。這種建模方式能較好地對全液壓轉(zhuǎn)向器進行仿真研究，但由于忽略了較多重要因素，如轉(zhuǎn)向器閥芯與閥套相對位移變化、轉(zhuǎn)向器閥芯與閥套的質(zhì)量等[7-8]，不能準確地體現(xiàn)轉(zhuǎn)向器的動態(tài)特性。

通過使用AMESim軟件的HCD庫對轉(zhuǎn)向器與轉(zhuǎn)向動力缸的建模，可以更全面地反映出轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動態(tài)特性，如圖5所示。對轉(zhuǎn)向器建模時，將轉(zhuǎn)閥的轉(zhuǎn)動等效為滑閥的平動，轉(zhuǎn)閥閥芯轉(zhuǎn)動過程中，轉(zhuǎn)閥各個閥口的通流面積等價于轉(zhuǎn)閥展開后，閥芯平動對應(yīng)距離時所形成的各個閥口的通流面積，由此將轉(zhuǎn)閥閥芯展開為滑閥閥芯。而轉(zhuǎn)向泵和油缸為常用元件，標準庫中有現(xiàn)成模型，只需設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)即可。

圖5 全液壓四輪轉(zhuǎn)向AMEsim模型

3.1 仿真參數(shù)的設(shè)定

在AMESIM參數(shù)模型下設(shè)定參數(shù)，由轉(zhuǎn)向器的實際結(jié)構(gòu)知轉(zhuǎn)向器閥芯直徑為32 mm，且轉(zhuǎn)向器的排量為80 mL/r。根據(jù)公式：

(12)

得D=31.83 mm。

將轉(zhuǎn)向器展開，以方向盤的轉(zhuǎn)動速度n轉(zhuǎn)化為平動后的速度作為轉(zhuǎn)向器的輸入信號：

v=πDn=100.53n

(13)

在建模過程中，用油缸的模型等效替換計量馬達。計量馬達的排量與油缸模型的作用面積對應(yīng)，由公式得

(14)

經(jīng)測量可得，轉(zhuǎn)向器閥芯與閥套之間相對轉(zhuǎn)角為9°，則其相對位移為

(15)

式中：Q為轉(zhuǎn)向器排量(mL/r)；D為轉(zhuǎn)向器閥芯的等效直徑(mm)；s為轉(zhuǎn)向器旋轉(zhuǎn)一周閥芯的位移(mm)；d為等效油缸模型中油液作用面積的直徑(mm)；V為計量馬達的排量(mL/r)。參照樣車并計算選定轉(zhuǎn)向動力缸內(nèi)徑為45 mm，活塞桿徑為25 mm，行程為80 mm；液壓泵排量為5 mL/r，轉(zhuǎn)速為2 000 r/min；設(shè)定溢流閥的溢流壓力為15 MPa。

3.2 轉(zhuǎn)向器動態(tài)仿真

控制信號設(shè)定方向盤輸入的轉(zhuǎn)速為0.5 r/s，模擬方向盤從對中位置轉(zhuǎn)動到極限位置時轉(zhuǎn)向器的動態(tài)響應(yīng)。

由圖6可知：當方向盤轉(zhuǎn)動后，閥芯的位移便隨之增加，而閥套并沒有同時開始移動，從0.05 s開始，閥套開始移動，而且閥芯的位移大于閥套。在2.35 s處，轉(zhuǎn)向動力缸的活塞運動到極限位置，閥套停止移動，此時閥芯的位移逐漸減小，直到與閥套的位置達到一致。

由圖7可知：當方向盤勻速轉(zhuǎn)動時，閥芯和閥套的相對位移迅速增加到2.52 mm，轉(zhuǎn)向器的進油口迅速開啟，保證了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向靈敏性；當方向盤轉(zhuǎn)速保持不變時，轉(zhuǎn)閥閥芯與閥套之間的相對位移基本保持不變。上述理論計算和仿真結(jié)果的對比分析初步驗證了模型的正確性。

圖6 閥芯與閥套的位移

圖7 閥芯與閥套的相對位移

3.3 方向盤轉(zhuǎn)速的影響

在噴霧車滿載的情況下，分別設(shè)定方向盤轉(zhuǎn)速慢轉(zhuǎn)和勻速快轉(zhuǎn)，得出的仿真結(jié)果如圖8～11所示。

圖8 轉(zhuǎn)向動力缸流量

圖9 轉(zhuǎn)向動力缸壓力

圖10 轉(zhuǎn)向動力缸位移

圖11 轉(zhuǎn)向器壓降

數(shù)據(jù)對比見表1。從仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：相同工況下快轉(zhuǎn)和慢轉(zhuǎn)的變化趨勢基本一致，但快速轉(zhuǎn)向時轉(zhuǎn)向動力缸流量、壓力與活塞位移的速度均明顯大于慢速轉(zhuǎn)向。也就是說，隨著方向盤轉(zhuǎn)速的增加，動力缸進油口的流量、壓力、活塞的運動速度、轉(zhuǎn)向器的壓力損失都隨之增加。由此可見，方向盤的轉(zhuǎn)速對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有較大影響。

從圖9中還可以看出：慢轉(zhuǎn)時壓力的波動較小，壓力變化平穩(wěn)；相對于慢速轉(zhuǎn)向，快速轉(zhuǎn)向壓力變化大，系統(tǒng)壓力明顯升高，而當動力缸運動到極限位置后，壓力迅速達到溢流壓力，系統(tǒng)開始溢流。

表1 慢速與快速轉(zhuǎn)向仿真結(jié)果對比

4 結(jié)束語

針對以往大多采用等效阻尼孔的方式建立全液壓轉(zhuǎn)向器的AMEsim模型，而忽略其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通過使用AMESim軟件HCD庫對轉(zhuǎn)向器的建模，可以更準確地反映轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動態(tài)特性。轉(zhuǎn)向器數(shù)學模型與轉(zhuǎn)向器的AMEsim模型結(jié)果基本吻合，初步驗證了所建立的數(shù)學方程和AMEsim模型的正確性。

通過比較方向盤勻速慢轉(zhuǎn)和勻速快轉(zhuǎn)在兩種工況下轉(zhuǎn)向動力缸進油口的流量、壓力、活塞位移、轉(zhuǎn)向器的壓力損失的變化可以發(fā)現(xiàn)：方向盤的轉(zhuǎn)速對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有較大影響。而無論方向盤勻速慢轉(zhuǎn)或者勻速快轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)均能準確、穩(wěn)定地進行工作，驗證了所設(shè)計的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的可行性，為樣機的設(shè)計生產(chǎn)提供理論基礎(chǔ)。

[1] 韓振南，陳光.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)三自由度非線性四輪轉(zhuǎn)向汽車控制仿真[J].機械設(shè)計與制造，2011(11):224-226.

[2] 郭孔輝，軋浩.四輪轉(zhuǎn)向的控制方法的發(fā)展[J].中國機械工程，1998(3)：73-75.

[3] 殷國棟，陳南.四輪轉(zhuǎn)向控制技術(shù)的理論及應(yīng)用研究[J].山東交通學院學報，2008，6(2):10-13.

[4] CHEN L，CHEN Nan，CHEN Y D.On fractional control method for four-wheel-steering vehicle.Science in China Series E:Technological Sciences[J].Science in China Press，2009，52(3):603-609.

[5] 李永堂，雷步芳，高雨茁.液壓系統(tǒng)建模與仿真[M].北京:冶金工業(yè)出版社，2003.

[6] 趙璐.大型履帶式起重機卷揚液壓系統(tǒng)的動態(tài)特性研究[D].長春:吉林大學，2011.

[7] 趙峰.裝載機全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機液聯(lián)合仿真與實驗研究[D].長春:吉林大學，2012.

[8] 王剛.同軸流量放大全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)特性研究[D].長春:吉林大學，2014.

[9] 孟兆磊，姜勇，王娟，等.基于AMEsim的礦用汽車全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)建模與仿真[J].機床與液壓，2014(5):111-113.

(責任編輯 陳 艷)

Design and Analysis of Sprayer with Full Hydraulic Four-Wheel Steering System

XIA Chang-gao, LUO Gong-wei

(School of Automotive and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

According to the problem of the steering is not flexible and the steering radius is too large, the full hydraulic steering system of the highland clearance self-propelled agricultural sprayer was used as research object to design a new full hydraulic four-wheel steering system. The related parameters of the hydraulic components including steering, steering pump, power cylinder and so on were decided according to the requirement of general design of the sprayer, and then mechanical-hydraulic coupled modeling was designed for the steering system by AMEsim, to research on its steering performance dynamic characteristic, including slowly and fast turn the steering wheel under two uniform motion conditions. The results show that the fast dynamic response and good mobility well meet the operational requirements of the highland clearance self-propelled agricultural sprayer.

self-propelled agricultural sprayer; full hydraulic; four-wheel steering; mechanical-hydraulic coupling model

2015-08-23 作者簡介：夏長高(1965—)，男，江蘇興化人，博士，教授，博士生導師，主要從事汽車系統(tǒng)動力學與控制研究，E-mail:xiacg@ujs.edu.cn。

夏長高,羅汞偉.噴霧機全液壓四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計與分析[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2016(11):65-70.

format：XIA Chang-gao, LUO Gong-wei.Design and Analysis of Sprayer with Full Hydraulic Four-Wheel Steering System[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(11):65-70.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.11.012

TH16；TP391.73

A

1674-8425(2016)11-0065-06