楊 坤

(保定職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河北 保定 071000)

0 引 言

隨著車(chē)輛的不斷增加,城市地面上停車(chē)難的問(wèn)題更加嚴(yán)重。這種狀況促進(jìn)了立體車(chē)庫(kù)的快速發(fā)展,越來(lái)越多私家車(chē)在立體車(chē)庫(kù)停放[1-3]。

立體車(chē)庫(kù)取車(chē)效率極大影響了立體車(chē)庫(kù)使用性和便捷性。為了提高存取車(chē)的效率,存取車(chē)吊車(chē)板速度需逐步加大。而在取車(chē)吊車(chē)板的下放過(guò)程中,吊車(chē)板速度過(guò)大極易導(dǎo)致取車(chē)過(guò)放事故,即取車(chē)吊車(chē)板下放越過(guò)規(guī)定停車(chē)位,并產(chǎn)生較大的過(guò)放振動(dòng)沖擊,嚴(yán)重?fù)p害車(chē)輛零部件,進(jìn)而影響車(chē)輛的使用壽命[4-7]。故有必要對(duì)立體車(chē)庫(kù)過(guò)放取車(chē)振動(dòng)沖擊進(jìn)行深入研究。

目前,已有針對(duì)立體車(chē)庫(kù)過(guò)放取車(chē)產(chǎn)生沖擊振動(dòng)的相關(guān)研究。王其松[8]選型計(jì)算了立體車(chē)庫(kù)過(guò)放液壓緩沖系統(tǒng)的重要參數(shù),并基于AMESim研究了溢流閥對(duì)吊車(chē)板制動(dòng)位移的影響。季鵬[9]利用蓄能器固有的吸能減振特性,開(kāi)發(fā)了一種立體車(chē)庫(kù)過(guò)放能量回收液壓系統(tǒng),計(jì)算了蓄能器充液壓力;并基于AMESim分析了系統(tǒng)參數(shù)對(duì)過(guò)放能量回收系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)影響效果。馮鈴等人[10]針對(duì)已有的立體車(chē)庫(kù)過(guò)放取車(chē)系統(tǒng)存在的壓力沖擊大和波動(dòng)問(wèn)題,采取阻尼小孔連通液壓缸非緩沖腔和緩沖腔的方式,取得了良好的減振消波作用。

檢索目前立體車(chē)庫(kù)取車(chē)過(guò)放相關(guān)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn):(1)取車(chē)吊車(chē)板位移受系統(tǒng)參數(shù)影響較明顯,車(chē)輛質(zhì)量和速度略有變化,取車(chē)吊車(chē)板位移變化較大,嚴(yán)重影響立體車(chē)庫(kù)過(guò)放取車(chē)緩沖制動(dòng)裝置尺寸設(shè)計(jì);(2)現(xiàn)有的過(guò)放緩沖技術(shù)制動(dòng)效率低下,效率低說(shuō)明車(chē)輛過(guò)放仍存在大的沖擊振動(dòng)[11-13]。

在一定范圍內(nèi),若取車(chē)吊車(chē)板制動(dòng)位移不受車(chē)輛質(zhì)量和速度影響,則過(guò)放取車(chē)制動(dòng)停車(chē)位基本確定,對(duì)設(shè)計(jì)立體車(chē)庫(kù)過(guò)放取車(chē)緩沖制動(dòng)裝置具有很好的指導(dǎo)價(jià)值。

基于此,筆者提出一種立體車(chē)庫(kù)過(guò)放取車(chē)變節(jié)流液壓制動(dòng)系統(tǒng),即首先對(duì)其變節(jié)流液壓制動(dòng)系統(tǒng)工作原理進(jìn)行闡述,建立其制動(dòng)過(guò)程數(shù)學(xué)模型;然后對(duì)吊車(chē)板制動(dòng)位移與變節(jié)流閥閥口開(kāi)度線性和非線性關(guān)系進(jìn)行設(shè)計(jì);最后基于AMESim搭建取車(chē)變節(jié)流液壓制動(dòng)系統(tǒng)仿真模型,對(duì)過(guò)放取車(chē)變節(jié)流制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)特性進(jìn)行分析,對(duì)變節(jié)流制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)效率進(jìn)行計(jì)算,對(duì)3種變節(jié)流閥口開(kāi)度控制函數(shù)對(duì)系統(tǒng)制動(dòng)效果的影響進(jìn)行研究,為立體車(chē)庫(kù)過(guò)放取車(chē)緩沖制動(dòng)裝置設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)和指導(dǎo)。

1 車(chē)庫(kù)液壓制動(dòng)系統(tǒng)原理

立體車(chē)庫(kù)過(guò)放取車(chē)變節(jié)流液壓制動(dòng)系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 立體車(chē)庫(kù)過(guò)放取車(chē)變節(jié)流液壓制動(dòng)系統(tǒng)原理1—制動(dòng)液壓缸;2—油箱;3—位移傳感器;4—吊車(chē)板;5—閥口開(kāi)度控制模塊;6—變節(jié)流閥;7—控制閥;8—PID控制器;9—求和控制器;10—電機(jī);11—泵;12—安全閥

制動(dòng)系統(tǒng)包括兩部分:PID閥控吊車(chē)板復(fù)位子系統(tǒng)[14-15]和過(guò)放取車(chē)變節(jié)流液壓制動(dòng)子系統(tǒng)。

PID閥控吊車(chē)板復(fù)位子系統(tǒng)主要有PID控制器、控制閥、泵、安全閥、馬達(dá)、求和控制器;過(guò)放取車(chē)變節(jié)流液壓制動(dòng)子系統(tǒng)主要由位移傳感器、閥口開(kāi)度控制模塊、變節(jié)流閥、制動(dòng)液壓缸組成。其中,位移傳感器為共用元件,位移傳感器實(shí)時(shí)傳輸制動(dòng)液壓缸活塞位移。

制動(dòng)系統(tǒng)工作原理:過(guò)放取車(chē)時(shí),承載車(chē)輛的吊車(chē)板壓縮制動(dòng)液壓缸活塞,初始制動(dòng)時(shí)吊車(chē)板動(dòng)能最大,需設(shè)定變節(jié)流閥開(kāi)度值最大,隨著吊車(chē)板逐漸制動(dòng),設(shè)定變節(jié)流閥開(kāi)度逐漸減小,直至關(guān)閉變節(jié)流閥閥口,最終吊車(chē)板制停。該方法可實(shí)現(xiàn)吊車(chē)板位移可控且制動(dòng)平順性較好,具有較好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值;

取車(chē)過(guò)放制動(dòng)后,啟動(dòng)電機(jī),將吊車(chē)板位移x輸入求和控制器中,PID閥控吊車(chē)板復(fù)位子系統(tǒng)啟動(dòng),求和控制器實(shí)時(shí)對(duì)比活塞復(fù)位位移和輸入的目標(biāo)吊車(chē)板位移值,直至吊車(chē)板復(fù)位至待取車(chē)變節(jié)流制動(dòng)狀態(tài)。

2 液壓制動(dòng)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

吊車(chē)板撞擊制動(dòng)液壓缸活塞桿時(shí),滿足動(dòng)量守恒定律:

Mv=F△t

(1)

式中:M—吊車(chē)板質(zhì)量,kg;v0—吊車(chē)板過(guò)放初速度,m/s;F—接觸力,N;△t—接觸時(shí)間,s。

制動(dòng)液壓缸制動(dòng)腔流量方程為:

(2)

式中:C—節(jié)流系數(shù),C一般取0.68;A(x)—節(jié)流面積,mm2;P(x)—制動(dòng)液壓缸制動(dòng)腔壓力,MPa;ρ—液壓油密度,ρ=850 kg·m2。

暫取變節(jié)流面積為吊車(chē)板制動(dòng)位移的線性函數(shù),其方程為:

F(x)=A0-kx(F1…Fx)

(3)

式中:A0—變節(jié)流閥初始節(jié)流面積,mm2;k—線性比例值。

吊車(chē)板制動(dòng)過(guò)程,吊車(chē)板制動(dòng)過(guò)程力平衡方程為:

(4)

3 液壓制動(dòng)系統(tǒng)仿真模型

根據(jù)立體車(chē)庫(kù)過(guò)放取車(chē)變節(jié)流液壓制動(dòng)系統(tǒng)工作機(jī)理,筆者使用AMESim信號(hào)庫(kù)中的SIGFXA01模型(interpolate 1D or XY table with respect to x)代替閥口開(kāi)度控制模塊,將吊車(chē)板位移與閥口開(kāi)度的線性關(guān)系通過(guò)SIGFXA01模型輸入至仿真模型中,SIGFXA01模型調(diào)用面積函數(shù)關(guān)系,實(shí)現(xiàn)閥口開(kāi)度控制模塊的控制作用,即吊車(chē)板實(shí)時(shí)位移對(duì)應(yīng)閥口實(shí)時(shí)開(kāi)度;并基于AMESim搭建立體車(chē)庫(kù)過(guò)放取車(chē)變節(jié)流液壓制動(dòng)系統(tǒng)仿真模型。

液壓制動(dòng)系統(tǒng)仿真模型如圖2所示。

圖2 過(guò)放取車(chē)變節(jié)流液壓制動(dòng)系統(tǒng)仿真模型1—位移傳感器;2—SIGFXA01模型(開(kāi)度控制模塊);3—比例模型;4—變節(jié)流閥模型;5—油箱;6—制動(dòng)液壓缸;7—質(zhì)量塊模型(吊車(chē)板)

立體車(chē)庫(kù)過(guò)放取車(chē)變節(jié)流液壓制動(dòng)系數(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置一覽表

吊車(chē)板位移與閥口開(kāi)度信號(hào)的線性和非線性關(guān)系如表2所示。

表2 位移-閥口開(kāi)度信號(hào)關(guān)系表

表2中,F2(x)所示的數(shù)據(jù)為吊車(chē)板位移與閥口開(kāi)度信號(hào)的線性關(guān)系,F1(x)和F3(x)所示的數(shù)據(jù)為吊車(chē)板位移與閥口開(kāi)度信號(hào)的非線性關(guān)系。

筆者繪制吊車(chē)板位移與閥口開(kāi)度線性和非線性關(guān)系曲線,如圖3所示。

圖3 吊車(chē)板位移與閥口開(kāi)度線性和非線性關(guān)系圖

3.1 閥口開(kāi)度函數(shù)對(duì)制動(dòng)特性的影響

筆者分別輸入3種吊車(chē)板位移與閥口開(kāi)度關(guān)系,通過(guò)仿真得到不同開(kāi)度控制函數(shù)下的吊車(chē)板制動(dòng)位移曲線,如圖4所示。

圖4 不同開(kāi)度控制函數(shù)下的吊車(chē)板制動(dòng)位移曲線

由圖4可知:不同開(kāi)度控制函數(shù)下的吊車(chē)板制動(dòng)位移始終可以達(dá)到1.0 m,該結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了開(kāi)度控制函數(shù)的有效性。

閥口開(kāi)度函數(shù)表示吊車(chē)板位移為1.0 m時(shí),變節(jié)流閥開(kāi)度為0,處于關(guān)閉狀態(tài),該位置吊車(chē)板制動(dòng)已停止。

筆者選取F2(x)和F3(x)閥口開(kāi)度函數(shù)時(shí),吊車(chē)板制動(dòng)時(shí)間較短,制動(dòng)相對(duì)迅速。

制動(dòng)液壓缸制動(dòng)腔壓力動(dòng)態(tài)曲線如圖5所示。

圖5 不同開(kāi)度控制函數(shù)下制動(dòng)液壓缸制動(dòng)腔壓力動(dòng)態(tài)曲線

由圖5可知:不同開(kāi)度控制函數(shù)下的制動(dòng)液壓缸制動(dòng)腔壓力相差不明顯,產(chǎn)生的壓力沖擊均低于6 MPa,處于可控范圍。

制動(dòng)液壓缸流量輸出動(dòng)態(tài)曲線如圖6所示。

圖6 不同開(kāi)度控制函數(shù)下制動(dòng)液壓缸流量輸出動(dòng)態(tài)曲線

由圖6可知:不同開(kāi)度控制函數(shù)下的制動(dòng)液壓缸制動(dòng)腔輸出流量最大在300 L/min內(nèi),后期輸出流量變化與閥口開(kāi)度控制函數(shù)走勢(shì)保持一致。

吊車(chē)板制動(dòng)過(guò)程速度變化曲線如圖7所示。

圖7 不同開(kāi)度控制函數(shù)下吊車(chē)板制動(dòng)過(guò)程速度變化曲線

由圖7可知:不同開(kāi)度控制函數(shù)下的吊車(chē)板制動(dòng)過(guò)程速度均快速下降到0.3 m/s后,與閥口開(kāi)度控制函數(shù)走勢(shì)保持一致。

3.2 取車(chē)過(guò)放制動(dòng)過(guò)程制動(dòng)效率

過(guò)放取車(chē)制動(dòng)能量吸收計(jì)算式為:

(6)

式中:E—吊車(chē)板過(guò)放制動(dòng)能量,J;F—制動(dòng)力,N;x—吊車(chē)板制動(dòng)位移,m;P—緩沖液壓缸緩沖腔制動(dòng)壓力,MPa;D—緩沖缸緩沖腔直徑,mm。

過(guò)放取車(chē)實(shí)際能量計(jì)算式為:

(7)

式中:E0—吊車(chē)板過(guò)放制動(dòng)能量,J;M—吊車(chē)板質(zhì)量(暫按所載車(chē)輛質(zhì)量計(jì)算),kg;v0—吊車(chē)板過(guò)放初速度,m/s;m—活塞質(zhì)量(活塞質(zhì)量相對(duì)吊車(chē)板質(zhì)量較輕,計(jì)算吸收率時(shí)忽略處理),kg;g—重量加速度,g=9.8 m/s2;

變節(jié)流制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)效率計(jì)算式為[16-19]:

(8)

基于AMESim,筆者求得(x,F)圖形,如圖8所示。

圖8 不同開(kāi)度控制函數(shù)下吊車(chē)板制動(dòng)力變化曲線

(x,F)轉(zhuǎn)化成MATLAB可讀入的數(shù)據(jù)類(lèi)型,使用函數(shù)E=trapz(x,F)求得位移-制動(dòng)力圖形與坐標(biāo)軸所包圍的面積值,即為變節(jié)流系統(tǒng)實(shí)際節(jié)流緩沖吸收的能量值E;進(jìn)一步利用式(8),可求得不同閥口開(kāi)度控制函數(shù)下的制動(dòng)效率φ。

E0=1.236×104J;E1=1.23×104J;

E2=1.227 6×104J;E3=1.226 3×104J;

φ1=E1/E0=99.52%;φ2=E2/E0=99.32%;

φ3=E3/E0=99.21%。

顯然,制動(dòng)效率均達(dá)到99%以上,即立體車(chē)庫(kù)過(guò)放取車(chē)變節(jié)流制動(dòng)系統(tǒng)基本無(wú)沖擊。

在F1(x)為閥口開(kāi)度控制函數(shù)下,筆者研究過(guò)放質(zhì)量和過(guò)放速度對(duì)吊車(chē)板制動(dòng)特性的影響情況。

3.3 過(guò)放質(zhì)量對(duì)變節(jié)流制動(dòng)特性的影響

筆者選取過(guò)放質(zhì)量為1 000 kg、1 200 kg、1 400 kg、1 600 kg進(jìn)行制動(dòng)特性仿真,得到過(guò)放質(zhì)量對(duì)吊車(chē)板制動(dòng)位移的影響曲線,如圖9所示。

圖9 過(guò)放質(zhì)量對(duì)吊車(chē)板制動(dòng)位移的影響

過(guò)放質(zhì)量對(duì)制動(dòng)液壓缸制動(dòng)腔壓力的影響曲線,如圖10所示。

圖10 過(guò)放質(zhì)量對(duì)制動(dòng)液壓缸制動(dòng)腔壓力的影響

由圖(9,10)可知:過(guò)放質(zhì)量增大,吊車(chē)板位移響應(yīng)度增加,但吊車(chē)板位移不變,仍為1.0 m,前邊已驗(yàn)證吊車(chē)板位移由閥口開(kāi)度函數(shù)決定,同一開(kāi)度控制函數(shù)下的吊車(chē)板制動(dòng)位移不變;過(guò)放質(zhì)量增大,制動(dòng)液壓缸制動(dòng)腔穩(wěn)定壓力逐漸增大,總體上制動(dòng)腔壓力較小,不存在壓力沖擊。

3.4 過(guò)放速度對(duì)變節(jié)流制動(dòng)特性的影響

筆者選取過(guò)放速度為1.0 m/s、1.2 m/s、1.4 m/s、1.6 m/s進(jìn)行制動(dòng)特性仿真,得到過(guò)放速度對(duì)吊車(chē)板制動(dòng)位移的影響曲線,如圖11所示。

圖11 過(guò)放速度對(duì)吊車(chē)板制動(dòng)位移的影響

過(guò)放速度對(duì)制動(dòng)液壓缸制動(dòng)腔壓力的影響曲線如圖12所示。

圖12 過(guò)放速度對(duì)吊車(chē)板制動(dòng)腔壓力的影響

由圖(11,12)可知:過(guò)放質(zhì)量改變,吊車(chē)板位移及其響應(yīng)度均不變,即過(guò)放質(zhì)量對(duì)吊車(chē)板位移無(wú)影響;過(guò)放速度增大,制動(dòng)液壓缸制動(dòng)腔壓力峰值逐漸增大,但總體上制動(dòng)腔壓力較小,同樣不存在壓力沖擊。

4 結(jié)束語(yǔ)

立體車(chē)庫(kù)過(guò)放取車(chē)吊車(chē)板位移受系統(tǒng)參數(shù)影響明顯,直接影響立體車(chē)庫(kù)過(guò)放取車(chē)緩沖制動(dòng)裝置設(shè)計(jì);同時(shí),現(xiàn)有的立體車(chē)庫(kù)取車(chē)過(guò)放系統(tǒng)制動(dòng)效率低下,仍存在較大的壓力沖擊。

為此,筆者設(shè)計(jì)了一種立體車(chē)庫(kù)過(guò)放取車(chē)變節(jié)流液壓制動(dòng)系統(tǒng),搭建了制動(dòng)過(guò)程變節(jié)流系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,并構(gòu)造了3種取車(chē)吊車(chē)板制動(dòng)位移與變節(jié)流閥閥口開(kāi)度控制關(guān)系函數(shù),搭建了立體車(chē)庫(kù)過(guò)放取車(chē)變節(jié)流液壓制動(dòng)系統(tǒng)仿真模型,研究了液壓制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)特性,并計(jì)算了變節(jié)流液壓制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)效率,重點(diǎn)分析了車(chē)輛質(zhì)量和速度對(duì)取車(chē)吊車(chē)板位移和制動(dòng)腔壓力的影響情況。

研究結(jié)果表明:

(1)吊車(chē)板位移由變節(jié)流閥閥口開(kāi)度控制函數(shù)決定,過(guò)放質(zhì)量和速度改變,不會(huì)影響吊車(chē)板位移;

(2)同坐標(biāo)下,選取閥口開(kāi)度遞減較緩的控制函數(shù)時(shí),可縮短吊車(chē)板過(guò)放制動(dòng)時(shí)間;

(3)變節(jié)流制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)效率可達(dá)99%,取車(chē)過(guò)放制動(dòng)過(guò)程基本無(wú)壓力沖擊;

(4)過(guò)放速度對(duì)制動(dòng)腔壓力峰值影響較明顯,過(guò)放質(zhì)量對(duì)吊車(chē)板位移響應(yīng)度影響較明顯;

(5)不同過(guò)放質(zhì)量和速度下,吊車(chē)板制動(dòng)位移均為1.0 m,與閥口開(kāi)度控制函數(shù)設(shè)計(jì)吻合。

筆者后續(xù)的研究方向?yàn)?(1)基于立體車(chē)庫(kù)變節(jié)流液壓制動(dòng)原理,設(shè)計(jì)閥口開(kāi)度控制模塊;(2)搭建變節(jié)流制動(dòng)性能試驗(yàn)臺(tái),對(duì)其系統(tǒng)制動(dòng)效率、制動(dòng)位移等制動(dòng)性能進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)估,并將其與仿真結(jié)果進(jìn)行比較,以進(jìn)一步驗(yàn)證變節(jié)流液壓制動(dòng)效果和可行性。