劉桂琴，張海龍

(1.河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木工程系，河南鄭州 450064；2.中國科學(xué)院深海科學(xué)與工程研究所，海南三亞 572000)

0 前言

裝載機體積小、可靈活作業(yè)，并且滿足多種基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工作裝置的使用需求。由于國內(nèi)廠商開發(fā)裝載機時，只對整車靜態(tài)指標進行分析，但并未對整車動態(tài)性能開展深入分析，在實際選擇裝載機時無法實現(xiàn)發(fā)動機和液壓系統(tǒng)驅(qū)動功率的良好匹配，會導(dǎo)致單位功率燃油消耗大幅增加，降低了國內(nèi)裝載機的市場競爭力。當(dāng)前，國外學(xué)者主要關(guān)注整機能量分配過程與功率調(diào)控，以實現(xiàn)提升車輛能量利用效率與降低油耗的目的。楊世平等重點分析了液壓挖掘機運行階段存在的高能耗影響因素，同時建立了相應(yīng)的模糊控制算法。裝載機在工程作業(yè)中，整機節(jié)能效果和低排放要求隨著工況復(fù)雜度提高而不斷提升，多是采用增強發(fā)動機動力控制性能的方式來改善燃油經(jīng)濟性的功能。目前，很少有針對整車外部負載開展的研究。本文作者設(shè)計一種行走變排量液壓系統(tǒng)，并開展行走系統(tǒng)動力學(xué)仿真及實驗分析。

1 行走液壓系統(tǒng)原理

圖1所示為實驗中選擇的裝載機靜壓驅(qū)動結(jié)構(gòu)。其中，液壓泵是以同軸串聯(lián)方式構(gòu)成變量柱塞泵，通過溢流閥對系統(tǒng)壓力進行調(diào)節(jié),由此實現(xiàn)對變量泵排量調(diào)節(jié)的功能，實現(xiàn)對裝載機運動速度與轉(zhuǎn)向的控制。

圖1 裝載機液壓驅(qū)動結(jié)構(gòu)示意

裝載機在運行期間通過行走液壓系統(tǒng)實現(xiàn)整車行走、雙速馬達轉(zhuǎn)換、補油等運行環(huán)節(jié)的調(diào)控功能。進行雙速馬達工作模式轉(zhuǎn)換時，裝載機會根據(jù)特定路面條件，調(diào)控兩側(cè)馬達根據(jù)各自排量運行。其中，整車運行在復(fù)雜路面時，馬達7達到了最高的排量，行走馬達則保持低轉(zhuǎn)速運行，同時輸出較大的扭矩；整車運行在平坦路面時，馬達7處于一個較小的排量工作模式，行走馬達則達到了一個較高的轉(zhuǎn)速，并保持低扭矩輸出。

整個補油系統(tǒng)由單向補油溢流閥3、DA閥4、補油泵6共同構(gòu)成，能夠快速將油液補充到行走液壓系統(tǒng)中，從而形成相對穩(wěn)定的油路壓力，還可以根據(jù)不同的發(fā)動機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)變量泵排量的控制功能，最終實現(xiàn)發(fā)動機與不同外負載之間的優(yōu)異匹配性能。

2 功率分析

假定車輛行駛的地面滿足平整、均勻、硬質(zhì)的特征；不考慮離心作用產(chǎn)生的干擾；所有車輪都受到相同的徑向載荷；只對車輪靜止時受到載荷作用后徑向變形的程度進行分析。

裝載機在行駛階段的運動過程動力學(xué)分析如圖2所示?？梢詫⑤喬ミ\動過程分成以下幾種類型：在整車前進方向上發(fā)生滑移；沿接地中心發(fā)生轉(zhuǎn)動;與前進方向垂直側(cè)向上發(fā)生滑動。

圖2 裝載機運動學(xué)分析

(1) 裝載機保持直線運行狀態(tài)時，車輪運動形式為沿前進方向發(fā)生滑移。將車輪速度表示為

(2) 裝載機轉(zhuǎn)向過程中，當(dāng)輪胎側(cè)向力低于地面對輪胎產(chǎn)生的附著力時，根據(jù)車輪受力情況，將其速度表示為

(3) 如果轉(zhuǎn)向階段的輪胎側(cè)向力比地面附著力大，車輛發(fā)生側(cè)滑，可將這種運行條件下的車輪速度表示為

式中：、分別為左側(cè)、右側(cè)輪胎沿側(cè)向發(fā)生滑動的速度；、分別為左側(cè)與兩側(cè)輪胎運行過程中的輪邊線速度；為車輪沿接地中心點發(fā)生轉(zhuǎn)動的角速度；為輪距；為前進速度；為側(cè)向滑動速度；為轉(zhuǎn)向半徑；、分別為左側(cè)、右側(cè)車輪的滑轉(zhuǎn)率。

3 仿真與實驗研究方案

3.1 仿真分析

綜合運用AMESim和VirtualLabMotion動力仿真軟件完成聯(lián)合仿真測試，實現(xiàn)液壓控制結(jié)構(gòu)和行走結(jié)構(gòu)的聯(lián)合分析，實現(xiàn)對整車行駛階段的功率特征進行準確分析。圖3所示為行走液壓系統(tǒng)仿真模型。

圖3 行走液壓系統(tǒng)仿真模型

此次測試的裝載機運行工況為直線行駛過程，設(shè)定載荷為12 kN，發(fā)動機保持2 400 r/min的額定轉(zhuǎn)速，將階躍信號發(fā)送給前進先導(dǎo)閥?？梢悦黠@發(fā)現(xiàn)，變量泵迅速提高到最大排量，發(fā)生小幅波動后，先導(dǎo)閥位移階躍達到0，然后完成整車的啟動、行駛與制動。

3.2 實驗研究

為行走液壓系統(tǒng)配備壓力探測器，實現(xiàn)行走液壓系統(tǒng)壓力的測試功能。將壓力測試點設(shè)定在變量泵油液的進出口、行走泵變量油缸以及補油泵的出口位置。圖4所示為行走液壓系統(tǒng)實驗方案布置，信號控制及接收系統(tǒng)由無線接收模塊、上位機、24 V直流電源、示波器、啟動電源和電纜盤組成。

圖4 行走液壓系統(tǒng)實驗方案布置

表1所示為直線行駛時的仿真與實驗結(jié)果對比?？芍褐本€行駛工況時，仿真和實驗結(jié)果相近。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)啟動后形成的峰值壓力以及油路壓差與仿真結(jié)果相比都更大。這是由于現(xiàn)階段關(guān)于輪胎尚未建立統(tǒng)一的國家標準，缺乏出廠測試檢驗判斷過程，因此進行仿真測試時，如果根據(jù)汽車制造行業(yè)的相關(guān)標準參數(shù)設(shè)置輪胎剛度等條件，將會偏離實際情況。

表1 直線行駛過程仿真與實驗結(jié)果對比

從總體上看，仿真能夠較好地反映直線行駛的運行工況，仿真和實驗結(jié)果一致性較好，表明文中模型能夠滿足實際精度要求。

4 仿真結(jié)果分析

4.1 直線行駛

裝載機直線行駛時整車功率仿真結(jié)果如圖5所示?？芍寒?dāng)裝載機進入啟動階段后，發(fā)動機保持58 kW的額定功率，同時單側(cè)行走變量泵達到25 kW最高功率；進入勻速運行階段后，發(fā)動機輸出功率16.7 kW，相對額定功率顯著降低，單側(cè)行走泵達到4.12 kW的平均功率，工作泵輸出功率接近于0；進入制動過程時，發(fā)動機在行走變量單側(cè)泵拖動下發(fā)生反向旋轉(zhuǎn)，這時系統(tǒng)輸出負功率。

圖5 直線行駛液壓系統(tǒng)功率特征

4.2 單邊轉(zhuǎn)向

對裝載機處于單邊轉(zhuǎn)向狀態(tài)下的整車功率變化過程進行測試，仿真期間的裝載機保持空載狀態(tài)，發(fā)動機保持2 400 r/min的額定轉(zhuǎn)速，結(jié)果如圖6所示?？芍捍藭r發(fā)動機功率和左泵功率最大值分別為33.4、25.1 kW。

圖6 單邊轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)功率分布

裝載機進入單邊轉(zhuǎn)向運行階段時，在內(nèi)側(cè)車輪馬達上形成了泄漏的現(xiàn)象，進入滾動階段時，內(nèi)側(cè)車輪的變量泵受到馬達帶動，形成了高壓油液以及部分流量，柱塞泵進入泵-馬達運行工況，并形成了一定程度的寄生功率。

4.3 雙邊轉(zhuǎn)向

利用仿真模型測試裝載機進入雙邊轉(zhuǎn)向階段時形成的整車功率，這時裝載機以空載狀態(tài)運行，同時發(fā)動機開始進入額定轉(zhuǎn)速狀態(tài)，兩側(cè)泵壓差一直保持穩(wěn)定狀態(tài)仿真測試結(jié)果如圖7所示。可知：裝載機以雙邊轉(zhuǎn)向運行時，發(fā)動機產(chǎn)生59 kW輸出功率；此時對應(yīng)的左、右兩側(cè)行走變量泵分別輸出27 kW與24 kW的功率。同時發(fā)現(xiàn)，裝載機按照勻速狀態(tài)進行雙邊轉(zhuǎn)向的過程中，內(nèi)、外側(cè)車輪克服的轉(zhuǎn)向阻力也存在差異，從而實現(xiàn)各類工況都達到良好行駛狀態(tài)的功能。

圖7 雙邊轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)功率分布

根據(jù)表2可知，處于典型工況下時，當(dāng)雙邊轉(zhuǎn)向半徑縮小后，行走液壓系統(tǒng)輸出了更大的功率，此時行走系統(tǒng)受到了更大轉(zhuǎn)向阻力作用。進入單邊轉(zhuǎn)向階段時，內(nèi)側(cè)車輪發(fā)生制動，此時在內(nèi)側(cè)車輪變量泵中形成高壓油液與部分流量，并且產(chǎn)生了寄生功率，符合預(yù)測結(jié)果。

表2 液壓系統(tǒng)輸出功率統(tǒng)計 單位:kW

5 結(jié)論

(1)從總體上看，仿真結(jié)果能夠較好地反映直線行駛的運行工況，仿真和實驗結(jié)果達到了良好的一致性，表明所提模型能夠滿足實際精度要求；

(2)處于單邊轉(zhuǎn)向狀態(tài)下時，裝載機內(nèi)側(cè)車輪馬達發(fā)生泄漏，向前滾動的過程中，位于內(nèi)側(cè)的變量泵在馬達帶動下，形成了高壓油液以及部分流量，柱塞泵進入泵-馬達運行工況，并形成了一定的寄生功率；

(3)處于勻速雙邊轉(zhuǎn)向狀態(tài)下時，內(nèi)、外側(cè)車輪可以根據(jù)各自的轉(zhuǎn)向阻力進行調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)各類工況都達到良好行駛狀態(tài)的功能。進入單邊轉(zhuǎn)向模式后，內(nèi)側(cè)車輪進入制動過程，由此產(chǎn)生高壓油液與部分流量。