集成能量再生模塊的全液壓轉向系統分析

周 鑫 李閣強 雷賢卿 許增健

河南科技大學機電工程學院，洛陽,471003

0 引言

全液壓轉向系統具有系統穩定、操作輕便等優點，在礦山機械、工程機械、農用機械中得到廣泛應用。礦用寬體車向大型化、重型化、作業高效化方向發展，轉向前橋不斷增重，駕駛人員在轉向操作中極其費力，普通機械轉向已無法滿足重載轉向需求，因而全液壓轉向系統在礦用寬體車中得以應用。

工程車輛轉向系統是整車組成的重要系統，其穩定性直接關系駕駛人員的人身安全，其設計必須對各種干擾因素具有穩健性以適應各種復雜多變的工況[1-3]。全液壓轉向系統與不同的動力系統匹配時，其控制部件的瞬態響應和穩態特性存在一定差異。楊洋等[4]、王同建等[5]設計了基于直流電機與全液壓轉向器直聯的自動轉向機構及其電控系統，通過自動轉向控制器實現車輪轉向的精確控制，同時考慮優化輪邊距設計以提高轉向系統控制精度，但沒有從全液壓系統本身出發對系統本身泄漏造成的轉向精度下降提出解決方案，且所提出的自動轉向系統實現成本較高。楊英[6]、谷捷等[7]研究了提高全液壓轉向系統主要組成元器件的系統響應特性，應用具有放大器的優先閥，通過增大阻尼來縮短響應時間，但該方法會影響系統的穩定性，縮小了系統的可使用范圍。文獻[7-8]對轉向器進行穩健設計，在實踐中通過疊加組合方式優化轉向器功能，以此提高系統魯棒性及穩定性。國內外學者針對全液壓轉向系統，從部件設計到系統動靜態特性提高、系統可靠性改善等多個方面進行了深入研究。

礦用寬體車載重量大、行駛路況復雜，實際行駛中當遇到顛簸時，其轉向橋載荷變化會對轉向油缸產生沖擊，進而形成液壓轉向系統的壓力沖擊。壓力沖擊的峰值壓力大于系統的額定壓力，使得液壓泵、液壓缸不斷受到瞬時沖擊載荷，各零部件穩定的工作狀態遭到破壞、壓力增大，嚴重時甚至會造成液壓管路破裂、液壓元件損壞，導致安全事故。這是重載運輸車輛全液壓轉向系統普遍存在的技術難題。

本文針對重載運輸車輛全液壓轉向系統工作過程中的沖擊問題，提出并設計了能量再生模塊，以解決全液壓轉向系統載荷沖擊以及由此帶來的氣穴氣蝕問題，同時提高轉向精度。分別對含有能量再生模塊的有負載反饋全液壓轉向系統和無負載反饋全液壓轉向系統進行數學模型建立、仿真分析以及實際裝車礦區路面試驗研究，驗證了能量再生模塊對吸收轉向沖擊的有效性。

1 集成能量再生模塊全液壓轉向系統的結構組成與工作原理

1.1 結構組成

應用于礦用寬體車上的全液壓轉向系統主要有兩類：有負載反饋全液壓轉向系統和無負載反饋全液壓轉向系統，分別如圖1和圖2所示。可以看出兩類系統均由轉向油泵1、轉向器組件2(轉向器組件由隨動轉閥和計量電機組成)、雙向緩沖閥3、背壓單向閥4、轉向油缸5等組成。兩者差別在于圖1系統含有優先閥15，圖2系統沒有優先閥，同時圖2系統轉向器組件2中隨動閥中位功能為進油直通回油。

1.轉向油泵 2.轉向器組件 3.雙向緩沖閥 4.背壓單向閥 5.轉向油缸 6，12.兩位四通電磁閥 7，8，14.單向閥 9.溢流閥組件 10.蓄能器 11.兩位兩通電磁閥 13.恒流閥 15.優先閥圖1 集成能量再生模塊有負載反饋的全液壓轉向系統原理圖Fig.1 Schematic of full hydraulic power steering system with integrated power regeneration module load feedback

圖2 集成能量再生模塊無負載反饋全液壓轉向系統原理圖Fig.2 Schematic of full hydraulic steering system with integrated power regeneration module without load feedback

能量再生模塊利用氣囊式蓄能器實現儲能，再利用氣囊膨脹釋放出高壓液壓油為執行元件提供動力源的原理，基于寬體車的實際工況，所設計的能量再生模塊由兩位四通電磁閥6、單向閥7、單向閥8、溢流閥組件9、蓄能器10、兩位兩通電磁閥11、兩位四通電磁閥12、恒流閥13、單向閥14組成。

1.2 工作原理

1.2.1集成能量再生模塊有負載反饋全液壓轉向系統原理

如圖1所示,當車輛啟動行駛時，轉向油泵1工作，高壓油進入優先閥15中；由于優先閥中兩位四通閥左側彈簧力的作用，高壓油優先進入轉向器組件2中，隨著車輛行駛速度變快，發動機轉速加大，轉向油泵1輸出高壓油增多，優先閥15中兩位四通閥在兩側阻尼的平衡下，始終向轉向器組件2輸出等流量；轉向器組件2轉向盤連接計量電機，計量電機轉動,帶動隨動轉閥移動，高壓油通過轉向器組件2進入轉向油缸5驅動轉向橋，實現轉向；轉向器組件2中計量電機與優先閥15具有負載反饋，優先閥15可以根據連接計量電機的轉向盤轉動速度，通過負載反饋實現按計量電機實際需求排量實時輸出油液，從而使轉向油缸5快速完成伸縮實現轉向;當遇見急轉彎(轉向盤打死)、路面有顛簸工況時，轉向油缸5因受輪轂沖擊而產生的沖擊壓力如果超出雙向緩沖閥3設置的20 MPa，則系統溢流，油液會從雙向緩沖閥3溢流回油箱，此時背壓單向閥4起到緩沖輪邊沖擊的作用以穩定液壓系統，在轉向油缸5進油、回油處分別設有測壓點1、測壓點2。

在轉向油缸5進油、回油處接入能量再生模塊，當測壓點1(或2)檢測到壓力大于6.5 MPa(設壓力檢測開關)，或達到溢流壓力時，能量再生模塊會開啟兩位四通電磁閥6的左位，將沖擊導入蓄能器10中，吸收液壓能沖擊或蓄能。如左轉向時轉向油缸5-1伸出，5-2縮回，當轉向盤打死或極端工況時，液壓油通過電磁閥6、單向閥7和電磁閥11(中位)進入蓄能器10，電磁閥6在能量回收時處于左位，當顛簸或者急轉彎過后，電磁閥6左位動作一次，蓄能器完成一次能量回收。電磁閥6與電磁閥11行程互鎖防止能量回收后的內部泄漏；為避免在極限沖擊下出現轉向油缸5空吸和活塞桿硬拉劃傷現象(在左右轉向過程中)，可以通過單向閥8將油液補入吸空腔。在能量回收過程中單向閥7通過電磁閥6將高壓油引入電磁閥11中，電磁閥6重復如上邏輯動作，當圖1中測壓點3的壓力達到17.5 MPa時，標志著蓄能器10液壓能回收完成，此時溢流閥組件9主要起保護能量再生模塊的作用(溢流閥組件由兩位兩通電磁閥和液控溢流閥組成，當超過17.5 MPa時，此處泄壓，保護系統，或當整車裝卸結束、停止作業時此閥得電右位工作，蓄能器10高壓油由此泄壓回油箱)。

回收完成后，發動機取力口(PTO)停止工作，主油泵1停止輸出，兩位四通電磁閥6中位不動作、兩位兩通電磁閥11右位動作，防止蓄能器高壓油直通轉向油缸；電磁閥12左位動作，蓄能器10內高壓油經過電磁閥12、恒流閥13進入轉向器組件2，為轉向器定量提供轉向油缸5所需的流量，直至測壓點3壓力低于轉向油缸5測壓點1、2壓力(設定6.5 MPa)時，電磁閥12恢復中位，單向閥14能保證能量再生時高壓油不會反沖優先閥15。當發動機取力口再次啟動時，轉向油泵繼續工作，能量再生模塊再次回收液壓能。

集成能量再生模塊全液壓轉向系統的優點突出表現在轉向器組件2的中位壓力特性不受轉向油泵1流量的影響，輸入轉速突變、轉向油泵1流量異常工作時由優先閥15實施一級卸荷，與能量再生模塊疊加，彌補了轉向油缸5處的輪邊沖擊，完成二次卸荷，使系統更加穩定。采用優先閥可使全液壓轉向回路與其他工作回路互不影響，主流量優先保證轉向回路，轉向器在中位時只有很少流量通過轉向器，使泵源處節能。但不可忽視的是：該系統構成復雜、成本高、對油液的清潔度有較高要求，且元器件精度高，加工難度很大。

1.2.2集成能量再生模塊無負載反饋全液壓轉向系統原理

與有負載反饋的轉向系統相比，無負載反饋的全液壓轉向系統沒有優先閥。如圖2所示，轉向器組件4中隨動閥中位為P口通T口，其功能是，當轉向盤不轉動時，轉向油泵1的高壓油直接通過隨動閥中位回油箱。集成能量再生模塊無負載反饋全液壓轉向系統的優點是：結構簡單、系統成本低、可維護性好。能量再生模塊可在輸入轉速突變、轉向油泵1流量異常工作時吸收轉向系統沖擊，輪邊沖擊也可通過能量再生模塊吸收，從而有效地保護了全液壓轉向系統。

1.3 能量再生模塊蓄能器的選用

蓄能器是能量再生模塊的重要元器件[9-12]。蓄能器處于最高工作壓力和最低工作壓力時的容積變化量ΔV相當于轉向輪從左極限位到右極限位的油液體積，即

ΔV=V1-V2

(1)

式中，V1為氣囊在最低工作壓力下的氣體容積, 本設計中取10 L；V2為氣囊在最高工作壓力下的氣體容積, 取4 L。

蓄能器內的壓縮和膨脹過程遵循氣體狀態多變的規律，即

(2)

式中，p0為蓄能器氣囊預充壓力,取6 MPa；V0為氣囊有效氣體容積，取8 L；p1為液壓系統最低工作壓力，在系統壓力到達6.5 MPa時蓄能器開始收集能量，取6.5 MPa；p2為液壓系統最高工作壓力，此處為收集模塊中溢流閥的調定壓力22 MPa；n為多變指數，此處取絕熱指數1.4。

由式(1)、式(2)可得

(3)

其中，ΔV取6 L。

由此計算出所需的蓄能器體積。

2 仿真模型的建立與結果分析

2.1 仿真模型的建立

基于圖1，運用AMESim進行系統建模。為了與集成能量再生模塊后的系統作對比，先搭建有負載反饋全液壓轉向系統(系統Ⅰ)仿真模型(圖3)；為找到能量再生的最優方案搭建了兩種集成能量再生模塊的液壓轉向系統模型，一種為集成能量再生模塊有負載反饋全液壓轉向系統(系統Ⅱ)仿真模型(圖4)，一種為集成能量再生模塊無負載反饋的全液壓轉向系統(系統Ⅲ)仿真模型(圖5)。

圖3 負載反饋全液壓轉向系統(系統Ⅰ)AMESim仿真模型Fig.3 Load feedback full hydraulic power steering system(systemⅠ) AMESim simulation model

圖4 集成能量再生模塊負載反饋的全液壓轉向系統(系統Ⅱ)AMESim仿真模型Fig.4 Full hydraulic steering power system integrated with power regeneration module load feedback(systemⅡ) AMESim simulation model

圖5 集成能量再生模塊無負載反饋的全液壓轉向系統(系統Ⅲ)AMESim仿真模型Fig.5 Full hydraulic power steering system with integrated power regeneration module without load feedback(systemⅢ) AMESim simulation model

根據理論計算和結構設計設置各元件參數。為便于分析，在系統負載處增加了可變信號以模擬礦用寬體車顛簸時負載突變的情況；用恒速電機帶動定量泵代替礦用車的發動機和泵源；換向閥的切換以給定的周期信號驅動，用來模擬車輛行駛時轉向盤的轉動。仿真參數如表1所示。

表1 仿真參數設計Tab.1 Simulation parameter design

2.2 仿真結果分析

模擬車輛發生顛簸負載變化工況，假設在3.25 s和3.75 s時系統各有一次大的沖擊力激增,然后迅速回落,沖擊力信號如圖6中沖擊力曲線所示。基于圖3～圖5，分別得出在沖擊力負載輸入信號作用下三種系統壓力沖擊的仿真曲線，如圖6所示。系統Ⅱ、Ⅲ的壓力沖擊明顯小于系統Ⅰ，可以看出增加能量再生模塊以后，蓄能器能有效吸收系統大的壓力沖擊。

圖6 壓力沖擊對比圖Fig.6 Pressure impact comparison diagram

圖7所示為系統Ⅱ和系統Ⅲ模擬車輛行駛過程中蓄能器壓力變化過程，可以看出集成能量再生模塊的無負載反饋全液壓轉向系統Ⅲ在5.5 min時蓄能器壓力已升高至設定的17.5 MPa，而集成能量再生模塊的負載反饋全液壓轉向系統Ⅱ在時間8 min內未回收滿能量，系統Ⅲ能量再生效果優于系統Ⅱ。

圖7 系統Ⅱ和系統Ⅲ蓄能器動態特性Fig.7 Dynamic characteristics of systemⅡ and SystemⅢ accumulators

圖8為蓄能器壓力與油缸位移對比圖，能量再生模塊在發動機取力口斷開、轉向油泵不工作時，蓄能器能夠釋放液壓能，給定轉向信號在40 s內使轉向油缸左右循環伸出、縮回，蓄能器壓力從17.5 MPa降低至11.5 MPa，由此表明再生模塊可以給全液壓轉向系統短暫提供有效動力源。

圖8 蓄能器壓力與油缸位移對比圖Fig.8 Comparison of accumulator pressure and cylinder displacement

3 試驗研究

將能量再生模塊進行裝車試驗驗證[13-15]。整車裝載總質量為90 t，在運輸跑道上記錄直行、顛簸、急轉彎等工況下的測試結果，并在以上工況下進行轉向系統特性測試。在轉向油缸大腔進油處、小腔進油處分別安裝測壓點，在能量再生模塊的蓄能器進出油口加測壓點。試驗場地(圖9)具體參數如表2所示，能量再生模塊安裝如圖10所示。

表2 試驗場地具體參數Tab.2 Specific parameters of the test site

圖9 試驗場Fig.9 Test site

為更好地分析全液壓轉向系統的實際運行狀態，在試驗礦區采用重載上坡、盤旋上坡、急轉、重載下坡4類工況下完成一個完整裝卸作業流程。測試結果如圖11～圖13所示。

圖11 樣車試驗壓力沖擊對比圖Fig.11 Comparison of pressure and impact of sample vehicle test

圖12 再生模塊蓄能器動態特性Fig.12 Dynamic characteristics of regeneration module accumulator

圖13 油缸及蓄能器壓力變化Fig.13 Cylinder and accumulator pressure change

由圖11可以看出，在試驗車滿載工況下，集成能量再生模塊的全液壓系統明顯地吸收了路面對系統的沖擊，系統Ⅱ和系統Ⅲ所受沖擊小于系統Ⅰ所受沖擊。隨著路面顛簸對全液壓轉向系統沖擊的時間推移，能量再生模塊可以由測壓點檢測到17.5 MPa的系統沖擊壓力。

由圖12可以看出，系統Ⅲ比系統Ⅱ先完成能量收集，兩種轉向系統均能實現設計目標，但系統Ⅲ在能量收集速度與效果上優于系統Ⅱ，在運輸過程中，能更迅速地收集轉向系統壓力沖擊的能量。

圖13曲線是樣車在蓄能器收集滿油液后發動機取力口斷開，由蓄能器液壓油暫代油泵給轉向油缸供油情況下，轉向盤轉動圈數與蓄能器測壓點檢測壓力、流量的關系，可以看出，在發動機取力口停止后，能量再生模塊能持續有效地為動力元件提供工作壓力。礦用寬體車滿載狀態且轉向前橋達到最大允許載荷，整車行駛在平緩、寬敞場景路況時，系統壓力需不低于4 MPa，轉向油缸可產生足夠的轉向力矩；能量再生模塊在系統Ⅲ和系統Ⅱ可分別釋放7 L和5.2 L有效液壓油，在遇到極限工況時，如出現主泵失效情況，也可以保證轉向盤分別轉動12.6圈和9.4圈，足以確保寬體車停靠在安全位置。

4 結論

(1)提出并研究了能量再生模塊的系統原理，分析了沖擊能量回收及釋放利用的工作過程。

(2)建立了集成能量再生模塊的有負載反饋全液壓轉向系統和無負載反饋全液壓轉向系統半物理仿真數學模型，通過給定道路模擬沖擊信號仿真分析，驗證了能量再生模塊回收能量和減緩沖擊的有效性。

(3)通過路試測得90 t重載礦用寬體車集成能量再生模塊有負載反饋全液壓轉向系統在發動機取力口主動或被動停止時，能量再生模塊可以使整車轉向系統在極限狀態可轉動12.6圈，且能在4 MPa以上壓力下有效釋放7 L液壓油；集成能量再生模塊無負載反饋全液壓轉向系統可保證轉動9.4圈，且能在4 MPa以上壓力下有效釋放5.2 L液壓油。能量再生模塊設計為全液壓轉向系統的有效性、安全性提供了有力保障，無負載反饋全液壓轉向系統在能量回收速度與效果上優于有負載反饋全液壓轉向系統。