喬國強(qiáng)

摘 要：隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速穩(wěn)定發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)煤炭資源的需求日益增長(zhǎng)。電動(dòng)輪工程車體積大、效率高，逐漸成為露天采礦運(yùn)輸?shù)闹髁?。由于工程車工作環(huán)境惡劣，路面對(duì)車輪有著很多隨機(jī)和離散的激勵(lì)。為了改善路面顛簸時(shí)工程車乘坐不舒適和操縱不穩(wěn)定的情況，關(guān)鍵在于工程車懸架系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)。本文進(jìn)行了電傳動(dòng)工程車液壓懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、元件選擇和動(dòng)態(tài)性能建模與仿真。

關(guān)鍵詞：工程車;懸架系統(tǒng);建模與仿真

中圖分類號(hào)：U472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速穩(wěn)定發(fā)展，國內(nèi)市場(chǎng)對(duì)煤炭、鐵礦石資源的需求日益增長(zhǎng)。搬運(yùn)能力強(qiáng)、工作效率高的工程車成為了礦山運(yùn)輸?shù)闹饕α?。我國電?dòng)輪工程車懸架系統(tǒng)與國外先進(jìn)水平還有一定的差距，我國有必要在工程車輛的懸架系統(tǒng)上進(jìn)行開發(fā)研究。

1 工程車液壓懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）工程車液壓懸架外部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。工程車在不平坦的路面上行駛時(shí)，會(huì)遇到突然的激振。這時(shí)，懸架會(huì)跳得很厲害。短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)供能不足，部件響應(yīng)速度跟不上外部激勵(lì)的變化，工程車的性能降低。

本文采用伺服閥控制液壓缸，其中液壓缸活塞運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)方向由控制器沿翻轉(zhuǎn)閥方向控制，以提高工程汽車的平穩(wěn)性。

（2）工程車液壓懸架控制方式設(shè)計(jì)。本文采用一種由多路比例閥和懸掛角傳感器組成的閉環(huán)控制方法。路況改變的時(shí)候，液壓缸可以主動(dòng)調(diào)整液壓缸的上下伸縮性，使四個(gè)車輪力相同，本體平面相同。此控制模式具有以下特性：

1）液壓系統(tǒng)相對(duì)容易執(zhí)行復(fù)雜的控制程序。比例控制技術(shù)的主要功能是按規(guī)定比例調(diào)節(jié)工作機(jī)構(gòu)的力和力矩。該系統(tǒng)在簡(jiǎn)化模型的基礎(chǔ)上，精度高、響應(yīng)快、可靠性好，可以節(jié)約資源、降低成本。2）微電子技術(shù)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程電氣信號(hào)管理以及計(jì)算機(jī)和總線的遠(yuǎn)程檢測(cè)。用于有線或無線遠(yuǎn)程操作，提高主機(jī)靈活性，多并行控制。3）反饋控制提高控制精度，比例控制油流量和壓力，執(zhí)行器不斷控制方向、速度和力進(jìn)行速度調(diào)節(jié)。

（3）整車懸架液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)了車輛液壓懸掛系統(tǒng)。每個(gè)活塞伺服缸和懸架彈簧平行于四輪。前軸懸置的兩個(gè)圓柱相互連接，后軸懸置的兩個(gè)圓柱相互獨(dú)立，確保工程機(jī)械主體在使用過程中始終位于同一平面上，保持主體平衡。整個(gè)懸置電路高壓球閥分離，每個(gè)懸置均設(shè)有壓力連接器和壓力傳感器，用于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)壓力，確保懸置系統(tǒng)正常運(yùn)行和穩(wěn)定。懸掛筒裝有防爆閥門，防止管路斷裂，使懸掛氣缸突然失壓。懸掛式液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用下列方法：

1）本文功率部分采用負(fù)載敏感型可變泵，檢測(cè)負(fù)載壓力和流量要求，并自動(dòng)調(diào)節(jié)泵的輸出流量。2）懸掛油缸采用柱塞油缸。當(dāng)車輛下降時(shí)，氣缸在自身重力作用下收縮。3）伺服油缸在液壓系統(tǒng)中的動(dòng)作由多路閥控制。進(jìn)口壓力補(bǔ)償閥在工程車側(cè)負(fù)荷急劇增加的情況下，能夠確保閥的進(jìn)口壓力差的穩(wěn)定性。4）考慮到路況不好，為了減少動(dòng)力損失，在工程車伺服系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了蓄電池，以便汽車行駛時(shí)回收制動(dòng)能量來降低能源消耗。

2 工程車液壓懸架系統(tǒng)主要元件設(shè)計(jì)

（1）檢測(cè)及反饋器件加速度傳感器。根據(jù)控制項(xiàng)目理論，控制元件的檢測(cè)精度應(yīng)是控制系統(tǒng)的4倍，控制元件的響應(yīng)速度應(yīng)是系統(tǒng)帶寬的8～10倍。

陀螺儀：美國Crossbow的VG400CD是靜態(tài)和動(dòng)態(tài)姿態(tài)測(cè)量中性能更高、精度更高的固態(tài)陀螺儀?？梢栽诟叨葎?dòng)態(tài)條件下測(cè)量坡道、坡度和方向。借助高穩(wěn)定性傳感器和改進(jìn)的過濾算法，提高穩(wěn)定性和恢復(fù)能力。本文主要用于測(cè)量機(jī)體傾斜角度，測(cè)量范圍為±180°/S，分辨率<0.1°。

（2）負(fù)載敏感變量泵。負(fù)載檢測(cè)系統(tǒng)，用于控制變泵的氣缸變化，以檢測(cè)負(fù)載壓力和流量要求。系統(tǒng)的液壓回路提供了負(fù)荷所需的流量和壓力，并自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整。負(fù)載敏感型輸送泵具有高效節(jié)能特性，廣泛應(yīng)用于建筑機(jī)械和采礦機(jī)械。負(fù)載敏感型變量泵包括調(diào)節(jié)閥、變缸、敏閥和限制器。

工程車輛正常工作時(shí)，主泵口輸出流量為Q，輸出壓力是PX，作用在敏感閥左端，由負(fù)載壓力PL反饋到敏感閥的右端，PL作用于敏感閥閥芯右端，連同預(yù)設(shè)彈簧壓力PK一起，敏感閥上壓差為△P=PK-PL。當(dāng)敏感閥受力平衡PK=△P時(shí)，液壓泵的排量將不會(huì)再發(fā)生變化。

（3）比例多路閥。閥門組有四個(gè)基本的閥門模塊。系統(tǒng)內(nèi)的壓力補(bǔ)償器控制各多通道閥的輸出流量和負(fù)荷壓力。礦井負(fù)荷不平衡時(shí)，進(jìn)氣壓力補(bǔ)償閥可以維持和控制進(jìn)氣差，起重機(jī)與控制閥芯進(jìn)氣成正比。當(dāng)汽車發(fā)出聲音和下降時(shí)，柱塞的裝瓶壓力是由汽車自身的重力實(shí)現(xiàn)的。通常在壓力閥的入口處，吸入的液壓油不會(huì)改變流量。在儲(chǔ)層時(shí)，特別是工程車負(fù)荷集中在車輪上時(shí)，汽車的穩(wěn)定性和同步性能下降。因此，壓力補(bǔ)償閥必須安裝在多個(gè)出口處來同時(shí)調(diào)節(jié)懸架油缸回油壓力閥。

（4）液壓軟管防爆閥。液壓軟管是連接油缸和硬管的結(jié)構(gòu)。它可以自由移動(dòng)和彎曲，因此可以在容易移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)的地方使用。但是，容易破裂，氣缸壓力急速下降，導(dǎo)致車身傾斜。因此，液壓軟管必須設(shè)置防爆措施和防爆閥。

3 懸架液壓系統(tǒng)主要元件選型

（1）供油壓力選擇。較高的供油壓力可以減小液壓泵、閥和連接管部件的質(zhì)量和尺寸，提高液壓的固有頻率。但當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)尺寸小時(shí)，液壓固有頻率會(huì)降低。較低的供油壓力可節(jié)省成本，并減少損耗、能量損失和溫度升高，增加部件的使用壽命，便于維護(hù)和降低噪音。通常，可以選擇低供應(yīng)壓力36。

工業(yè)伺服系統(tǒng)中的供油壓一般是2.5 MPa～15 MPa，而在軍用伺服系統(tǒng)中，它是21 MPa～32 MPa。據(jù)此，本文選取供氣壓力PX=25 MPa。

（2）液壓缸選型。本文選用的液壓缸為柱塞缸。液壓缸工作載荷F設(shè)定為250 kN，進(jìn)油腔壓力PL=25 MPa，液壓缸最大允許壓力不大于額定壓力，即Pmax≤1.5 PN。

（3）液壓泵選型。根據(jù)以上計(jì)算出的液壓缸的流量、面積和工作速度，對(duì)液壓泵進(jìn)行合理的匹配。本文液壓泵轉(zhuǎn)速為2 200 r/min。

1）液壓泵的排量。由公式V=Qx1 000/n，計(jì)算可得液壓泵排量為102.7 mL/r。2）液壓泵輸出功率。由公式N=

P，Q'/60=/6 000，計(jì)算可得泵的輸出功率為95 kW。

本文根據(jù)液壓泵的排量和供油壓力，選擇博士力士樂公司10VSO型號(hào)，可變活塞泵。

（4）發(fā)動(dòng)機(jī)選型。當(dāng)液壓泵的輸出功率與發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率相符時(shí)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率是95 kW。本文中發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)為WD10G220E11。是卡車、工程機(jī)械等載荷波動(dòng)較大的工程車輛非常理想的配套設(shè)備。

4 液壓懸架系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能建模與仿真

（1）模糊PID控制系統(tǒng)建模。傳感器采集的地面信號(hào)輸入到被動(dòng)懸掛和液壓懸掛系統(tǒng)中，其中被動(dòng)液壓懸掛不采用控制方式，僅依靠路面載荷反作用力的變化和被動(dòng)響應(yīng)控制?？刂葡到y(tǒng)設(shè)有反饋部分，將懸架原始輸出的垂直加速度信號(hào)反饋給輸入部分，將反饋的信號(hào)與地面給定的信號(hào)進(jìn)行比較，輸入兩者的差值和變化率來加速度信號(hào)輸入到模糊PID控制器中。經(jīng)過模糊PID控制裝置的控制來得到輸出控制的量，該控制量控制多路閥的輸入電流，調(diào)節(jié)液壓缸的排量，并利用液壓缸的排量來抵抗不平坦路面的位移變化，從而控制懸架的平穩(wěn)運(yùn)行。

（2）仿真結(jié)果及分析。為了更清楚地表達(dá)液壓懸架和被動(dòng)懸架的性能差異，在同一圖表上制作了仿真曲線。模糊PID控制液壓懸架與被動(dòng)懸架的性能對(duì)比如圖1所示。

以幅值為0.05 m、頻率為1 Hz的正弦信號(hào)為輸入信號(hào)，輸入液壓懸架和被動(dòng)懸架的控制系統(tǒng)。得到兩種懸架的車輪垂向加速度、懸架撓度和動(dòng)載荷對(duì)比圖，如圖1所示。

從以上三幅圖可以看出，當(dāng)輸入信號(hào)為正弦波時(shí)，被動(dòng)懸架的波動(dòng)大于液壓懸架的波動(dòng)，尤其是車輛輪胎的動(dòng)態(tài)撓度。模糊PID控制下液壓懸架輪胎動(dòng)載荷的調(diào)整時(shí)間為2.5 s。當(dāng)輸入信號(hào)為隨機(jī)信號(hào)時(shí)，被動(dòng)懸架的車身加速度為0.15，而液壓懸架的最大值為0.11，比被動(dòng)懸架低26.67%;被動(dòng)懸架的最大動(dòng)態(tài)撓度為0.045，而液壓懸架的最大動(dòng)態(tài)撓度為0.031，比被動(dòng)懸架低31.11%;被動(dòng)懸架的動(dòng)載荷為4 500，而液壓懸架的最大值為2 150，比被動(dòng)懸架低52.2%。從上數(shù)據(jù)可以看出，模糊PID控制的液壓懸架的加速度、動(dòng)撓度和輪胎動(dòng)載荷幅值比被動(dòng)懸架小，阻尼效果好，能滿足要求。因此，模糊PID控制液壓懸架的性能明顯優(yōu)于被動(dòng)懸架。

5 結(jié)論

懸架是車輛關(guān)鍵部件，影響著車輛行駛的性能。以工程車輛為本文的研究對(duì)象，設(shè)計(jì)液壓懸掛系統(tǒng)：（1）介紹了工程車液壓懸架的結(jié)構(gòu)和主要部件設(shè)計(jì)。（2）匹配設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)主要部件的參數(shù)，選擇部件型號(hào)。（3）液壓懸架動(dòng)態(tài)特性建模與仿真。通過數(shù)據(jù)比較可以看出，與被動(dòng)懸架相比，模糊PID控制的液壓懸掛加速度幅度、懸掛偏轉(zhuǎn)和輪胎動(dòng)態(tài)載荷顯著減小，其控制方式更好。

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