噴霧機(jī)全液壓四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

夏長高，羅汞偉

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

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噴霧機(jī)全液壓四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

夏長高，羅汞偉

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

以某高地隙自走式農(nóng)用噴霧機(jī)的全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為對(duì)象，針對(duì)其轉(zhuǎn)向不靈活、轉(zhuǎn)向半徑過大的問題，設(shè)計(jì)出一種新穎的全液壓四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。根據(jù)噴霧機(jī)的總體設(shè)計(jì)要求確定轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向動(dòng)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(jī)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(jìn)行了轉(zhuǎn)向性能的動(dòng)態(tài)特性仿真分析。仿真結(jié)果表明：該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、機(jī)動(dòng)性能好，較好地滿足了高地隙自走式農(nóng)用噴霧機(jī)的作業(yè)要求。

自走式噴霧機(jī)；全液壓；四輪轉(zhuǎn)向；機(jī)械-液壓耦合建模

高地隙自走式農(nóng)用噴霧機(jī)是一種新型農(nóng)業(yè)植保機(jī)械。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能直接影響到噴霧機(jī)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(jī)前輪液壓轉(zhuǎn)向，后輪通過桿件傳動(dòng)隨動(dòng)轉(zhuǎn)向，其轉(zhuǎn)向半徑較大，轉(zhuǎn)向精度較低。當(dāng)農(nóng)田可供噴霧機(jī)轉(zhuǎn)向的半徑較小時(shí)，對(duì)噴霧機(jī)施藥效率產(chǎn)生嚴(yán)重影響，同時(shí)噴霧機(jī)反復(fù)前進(jìn)、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(dòng)桿等機(jī)械結(jié)構(gòu)，很大程度上簡化了轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，從而解決了機(jī)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(yùn)用較為廣泛。液壓元件和系統(tǒng)一般都是時(shí)變的非線性系統(tǒng)，因此使用傳遞函數(shù)分析其動(dòng)態(tài)特性時(shí)不僅模型復(fù)雜、工作量大，而且對(duì)元件和系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性不能進(jìn)行準(zhǔn)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(shí)際結(jié)構(gòu)，從而更方便地分析其動(dòng)態(tài)特性[6]。吉林大學(xué)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(yàn)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(jì)方面的研究目前未見報(bào)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(jì)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(gè)轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸、手動(dòng)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(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加緊湊，還能在發(fā)動(dòng)機(jī)熄火時(shí)實(shí)現(xiàn)人力轉(zhuǎn)向[9]。

如圖2所示：當(dāng)手動(dòng)換向閥處于中位時(shí)，恒流泵提供的液壓油經(jīng)轉(zhuǎn)向器A口進(jìn)入前轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸A口，再由前轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸B口，經(jīng)轉(zhuǎn)向器B口回油箱，此時(shí)噴霧車處于前輪轉(zhuǎn)向模式；當(dāng)撥動(dòng)手動(dòng)閥向上移動(dòng)時(shí)，恒流泵提供的液壓油經(jīng)轉(zhuǎn)向器A口進(jìn)入前轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸A口，再由前轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸B口，進(jìn)入后轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸B口后回油箱，此時(shí)噴霧車處于向心轉(zhuǎn)向模式；當(dāng)撥動(dòng)手動(dòng)閥向下移動(dòng)時(shí)，前轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸B口的液壓油進(jìn)入后轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸A口，此時(shí)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(dòng)力缸; 2.后轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸; 3.手動(dòng)換向閥; 4.方向盤; 5.后轉(zhuǎn)向動(dòng)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(dòng)力缸; 5.后轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸; 6.油壺; 7.三位四通手動(dòng)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(xué)模型的建立

2.1 全液壓轉(zhuǎn)向器的數(shù)學(xué)模型

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)建模的難點(diǎn)在于全液壓轉(zhuǎn)向器的建模。在建立轉(zhuǎn)向器數(shù)學(xué)模型時(shí)，進(jìn)行了一些忽略與假設(shè)：忽略了管路沿程的損失、計(jì)量馬達(dá)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(gè)節(jié)流口，通過計(jì)量馬達(dá)的動(dòng)力平衡方程、流量方程等建立轉(zhuǎn)向器的數(shù)學(xué)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(gè)P孔，將可變節(jié)流孔B等效連通計(jì)量馬達(dá)進(jìn)油腔的6個(gè)H孔， 將可變節(jié)流C 等效連通計(jì)量馬達(dá)回油的另外6個(gè)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(duì)于計(jì)量馬達(dá)，根據(jù)連續(xù)性方程有

(3)

根據(jù)動(dòng)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(gè)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(jìn)入可變節(jié)流口B的壓力；MF為計(jì)量馬達(dá)的阻力矩(N·m)；Dm為計(jì)量馬達(dá)單位弧度排量(cm3/rad)；Jm為計(jì)量馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)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(jì)量馬達(dá)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角(rad)；θm為轉(zhuǎn)向器閥芯與閥套之間的相對(duì)轉(zhuǎn)角(rad)；ρ為液壓油的密度(kg/m3)。

2.2 轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸數(shù)學(xué)模型

轉(zhuǎn)向器輸出的液壓油作用在前轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸A口，前轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸的B口流出的液壓油進(jìn)入后轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸的B口，從而推動(dòng)兩端活塞桿反向運(yùn)動(dòng)，使車體進(jìn)行轉(zhuǎn)向。噴霧車轉(zhuǎn)向的快慢與方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)同型號(hào)的雙出桿轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸采用串聯(lián)的方式連接，假設(shè)2個(gè)轉(zhuǎn)向油缸為一個(gè)雙出桿轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸，如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸等效原理

(8)

(9)

(10)

根據(jù)轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸的力平衡方程有：

A(P1-P2)=FL-FM

(11)

式中：P1、P2為轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸進(jìn)、出油口壓力(Pa)；Q1、Q2分別為轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸進(jìn)、出油口流量(L/min)；V1、V2分別為轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸進(jìn)、出油腔的體積(m3)；Cip、Cep分別為轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸的內(nèi)、外泄漏系數(shù)；X為轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸活塞運(yùn)動(dòng)速度(m/s)；A為轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸活塞面積(m2)；FL為作用于轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸活塞上的外力(N)；FM為轉(zhuǎn)向動(dòng)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(duì)全液壓四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的建模，難點(diǎn)在于對(duì)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(gè)閥口用等效阻尼的形式來代替。這種建模方式能較好地對(duì)全液壓轉(zhuǎn)向器進(jìn)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(duì)位移變化、轉(zhuǎn)向器閥芯與閥套的質(zhì)量等[7-8]，不能準(zhǔn)確地體現(xiàn)轉(zhuǎn)向器的動(dòng)態(tài)特性。

通過使用AMESim軟件的HCD庫對(duì)轉(zhuǎn)向器與轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸的建模，可以更全面地反映出轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，如圖5所示。對(duì)轉(zhuǎn)向器建模時(shí)，將轉(zhuǎn)閥的轉(zhuǎn)動(dòng)等效為滑閥的平動(dòng)，轉(zhuǎn)閥閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，轉(zhuǎn)閥各個(gè)閥口的通流面積等價(jià)于轉(zhuǎn)閥展開后，閥芯平動(dòng)對(duì)應(yīng)距離時(shí)所形成的各個(gè)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(dòng)速度n轉(zhuǎn)化為平動(dòng)后的速度作為轉(zhuǎn)向器的輸入信號(hào)：

v=πDn=100.53n

(13)

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

(14)

經(jīng)測(cè)量可得，轉(zhuǎn)向器閥芯與閥套之間相對(duì)轉(zhuǎn)角為9°，則其相對(duì)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(jì)量馬達(dá)的排量(mL/r)。參照樣車并計(jì)算選定轉(zhuǎn)向動(dòng)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(dòng)態(tài)仿真

控制信號(hào)設(shè)定方向盤輸入的轉(zhuǎn)速為0.5 r/s，模擬方向盤從對(duì)中位置轉(zhuǎn)動(dòng)到極限位置時(shí)轉(zhuǎn)向器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

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

由圖7可知：當(dāng)方向盤勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，閥芯和閥套的相對(duì)位移迅速增加到2.52 mm，轉(zhuǎn)向器的進(jìn)油口迅速開啟，保證了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向靈敏性；當(dāng)方向盤轉(zhuǎn)速保持不變時(shí)，轉(zhuǎn)閥閥芯與閥套之間的相對(duì)位移基本保持不變。上述理論計(jì)算和仿真結(jié)果的對(duì)比分析初步驗(yàn)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(duì)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(dòng)力缸流量

圖9 轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸壓力

圖10 轉(zhuǎn)向動(dòng)力缸位移

圖11 轉(zhuǎn)向器壓降

數(shù)據(jù)對(duì)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(shì)基本一致，但快速轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向動(dòng)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(dòng)力缸進(jìn)油口的流量、壓力、活塞的運(yùn)動(dòng)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(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有較大影響。

從圖9中還可以看出：慢轉(zhuǎn)時(shí)壓力的波動(dòng)較小，壓力變化平穩(wěn)；相對(duì)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(dāng)動(dòng)力缸運(yùn)動(dòng)到極限位置后，壓力迅速達(dá)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(duì)比

4 結(jié)束語

針對(duì)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(duì)轉(zhuǎn)向器的建模，可以更準(zhǔn)確地反映轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。轉(zhuǎn)向器數(shù)學(xué)模型與轉(zhuǎn)向器的AMEsim模型結(jié)果基本吻合，初步驗(yàn)證了所建立的數(shù)學(xué)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(dòng)力缸進(jìn)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(duì)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(zhǔn)確、穩(wěn)定地進(jìn)行工作，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的可行性，為樣機(jī)的設(shè)計(jì)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(jī)械設(shè)計(jì)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(jī)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(xué)院學(xué)報(bào)，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(jī)卷揚(yáng)液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性研究[D].長春:吉林大學(xué)，2011.

[7] 趙峰.裝載機(jī)全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)液聯(lián)合仿真與實(shí)驗(yàn)研究[D].長春:吉林大學(xué)，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(xué)，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(jī)床與液壓，2014(5):111-113.

(責(zé)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(dǎo)師，主要從事汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與控制研究，E-mail:xiacg@ujs.edu.cn。

夏長高,羅汞偉.噴霧機(jī)全液壓四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，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