謝宇航，王保華

(湖北汽車工業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院， 湖北 十堰 442002)

由于循環(huán)工作的特性和作業(yè)時負(fù)荷轉(zhuǎn)矩的時變性，傳統(tǒng)的機(jī)械傳動已經(jīng)不能滿足陳雪車對高效率、低能耗、載荷自適應(yīng)的要求[1]。靜液壓傳動具有大扭矩、大范圍的速比、無級變速以及控制方式靈活多樣的優(yōu)點，此外液壓元件的管路排布能適應(yīng)緊湊型底盤布置，便于除雪設(shè)備的安裝。因此，研究具有液壓傳動系統(tǒng)的除雪車具有重大意義。

1 靜液壓傳動系統(tǒng)總體設(shè)計

液壓傳動系統(tǒng)主要由動力元件、執(zhí)行元件、控制調(diào)節(jié)元件、輔助元件以及工作介質(zhì)五大部分構(gòu)成[2]。典型的靜液壓傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 靜液壓傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

以某合作企業(yè)開發(fā)的機(jī)場4×4除雪車為基礎(chǔ)研究，通過對液壓回路、調(diào)速方式和驅(qū)動方案進(jìn)行選擇，結(jié)合設(shè)計需求，確定靜液壓傳動系統(tǒng)總體設(shè)計方案：采用雙向變量泵驅(qū)動雙向變量馬達(dá)的閉式液壓回路、變排量容積調(diào)速、兩個馬達(dá)分別驅(qū)動前、后橋上的機(jī)械主減速器，進(jìn)而帶動車輪轉(zhuǎn)動的高速驅(qū)動方案。本文選取力士樂A6VM55EP型號的變量馬達(dá)，其最大排量為55ml/r；選取型號為A4VG180EP的變量泵，最大排量為180ml/r，主泵上集成安裝了一個排量為40ml/r的定排量補(bǔ)油泵。

根據(jù)總體設(shè)計繪制液壓傳動系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 液壓系統(tǒng)工作原理圖

2 液壓系統(tǒng)靜態(tài)控制

2.1 液壓泵DA控制

本文匹配的力士樂A4VG180EP/32R型號變量泵，采用的是排量DA控制，又稱為速度敏感控制。液壓泵(包含補(bǔ)油泵)的控制原理如圖3所示。

1主泵；2主泵的行程缸；3電磁比例換向閥；4 DA控制閥；5壓力切斷閥；6補(bǔ)油泵 圖3 液壓泵DA閉環(huán)控制原理圖

圖3中，主泵1和補(bǔ)油泵6由發(fā)動機(jī)同軸驅(qū)動，系統(tǒng)工作時，主泵排量的調(diào)控是基于主泵的行程缸2、電磁比例換向閥3和DA控制閥4的共同作用：液壓泵內(nèi)置DA控制閥生成的控制壓力與發(fā)動機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)速成正比，此控制壓力通過電磁鐵驅(qū)動的三位四通換向閥導(dǎo)至主泵的行程缸。通過行程缸內(nèi)活塞桿的行程變化來控制主泵的排量變化，主泵排量的正負(fù)取決于電磁比例換向閥激活的是電磁鐵a還是b，泵的排量在每個方向都是無級變量，并受到泵的驅(qū)動轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)壓力的雙重影響。

2.2 馬達(dá)HA控制

本文選用的力士樂A6VM55EP變量馬達(dá)，采用的是排量HA控制，又稱高壓自動變量控制。設(shè)計合適的馬達(dá)排量與壓力的關(guān)系曲線，通過檢測馬達(dá)兩側(cè)最大壓力值，選擇相應(yīng)的馬達(dá)排量，以適應(yīng)外界負(fù)荷轉(zhuǎn)矩，這種馬達(dá)排量的控制稱為高壓自動變量控制(HA控制)[3]。液壓馬達(dá)的控制原理如圖4所示。

圖4 液壓馬達(dá)HA控制原理圖

圖4中，壓力先導(dǎo)閥通過兩個單向閥，獲取馬達(dá)兩側(cè)A和B的壓力，并以高低壓側(cè)的壓力最大值為控制壓力，先導(dǎo)閥中設(shè)置了馬達(dá)啟動排量對應(yīng)的壓力起始值，控制壓力一超過壓力起始值，電磁閥開啟，控制馬達(dá)行程缸的活塞桿位移，通過行程缸內(nèi)活塞桿的行程變化來控制馬達(dá)的排量大小，實現(xiàn)馬達(dá)排量隨系統(tǒng)壓力自動調(diào)控。

馬達(dá)排量隨壓力變化的控制關(guān)系通常是預(yù)先設(shè)定的，本文設(shè)計的馬達(dá)排量-壓力關(guān)系如圖5所示。

圖5 馬達(dá)排量-壓力控制

圖5中，馬達(dá)的啟動排量比為0.35，當(dāng)壓力小于P0(啟動壓力)時，馬達(dá)保持啟動排量比；當(dāng)壓力大于P0小于PH(額定壓力)時，馬達(dá)排量與壓力呈線性正比關(guān)系；當(dāng)壓力大于PH時，馬達(dá)排量保持全排量。工程上一般設(shè)置額定壓力和啟動壓力的差值△P不大于10MPa[4]，這是為了提高馬達(dá)排量對壓力變化的響應(yīng)靈敏度，上文匹配的額定壓力為32MPa，選取10MPa作為壓差值，因此啟動壓力設(shè)計為22MPa。

3 液壓傳動系統(tǒng)建模與仿真分析

3.1 模型搭建

AMESim是可用于多學(xué)科領(lǐng)域的系統(tǒng)建模與仿真平臺，包含了豐富的元件應(yīng)用庫，包括機(jī)械庫、信號控制庫、液壓庫、液壓元件設(shè)計庫、動力傳動庫、液阻庫、電機(jī)及驅(qū)動庫、冷卻系統(tǒng)庫等，用戶可以通過拖拽直接使用其內(nèi)的元件進(jìn)行建模[5]。

根據(jù)上文對液壓泵DA、液壓馬達(dá)HA靜態(tài)控制的研究和圖2繪制的液壓系統(tǒng)工作原理圖，利用AMESim軟件搭建液壓系統(tǒng)物理模型，如圖6所示。

圖6 液壓傳動系統(tǒng)模型

3.2 仿真分析

設(shè)置發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在第一秒內(nèi)由零增長到1300r/min，而后維持在1300r/min，電磁換向閥的啟動電信號設(shè)為40A，壓力截止閥的截止壓力設(shè)為元件最大工作壓力450bar，補(bǔ)油泵溢流壓力設(shè)置為15bar，沖洗閥的沖洗壓力設(shè)置為10bar，馬達(dá)的啟動排量設(shè)為19.25ml/r(0.35βm)，馬達(dá)啟動排量對應(yīng)的啟動壓力設(shè)置為220bar，外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩設(shè)置為50N，仿真時間設(shè)為12s。

負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化曲線如圖7所示。由圖可知，負(fù)載轉(zhuǎn)矩在0～1s內(nèi)從50Nm(外加轉(zhuǎn)矩)增長到50.10Nm，1～6.5s內(nèi)由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩中的黏性轉(zhuǎn)矩受馬達(dá)轉(zhuǎn)速的影響產(chǎn)生劇烈震蕩，最終在6.5后穩(wěn)定于50.175Nm。

液壓馬達(dá)排量和工作壓力仿真結(jié)果如圖8所示。前1秒內(nèi)，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增大到1300r/min，系統(tǒng)工作壓力隨之迅速提升至45MPa，1～6.5s內(nèi)由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩的劇烈變換，系統(tǒng)壓力在39～45MPa之間波動，6.5s后壓力穩(wěn)定為39MPa，壓力值始終在最大壓力45MPa之下，液壓系統(tǒng)能正常工作。

圖7 負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化圖

圖8 系統(tǒng)壓力與馬達(dá)排量對比圖

對比系統(tǒng)壓力和馬達(dá)排量曲線，在0.5秒之前，工作壓力一直在上升，而馬達(dá)排量保持最小啟動排量19.25ml/r不變，直到壓力達(dá)到起始壓力22MPa。此時，馬達(dá)排量開始增長，當(dāng)工作1s后，工作壓力達(dá)到額定壓力32MPa，馬達(dá)排量達(dá)到最大排量55ml/r，此后，即使工作壓力繼續(xù)增加，排量保持最大值不變。系統(tǒng)壓力和馬達(dá)排量的變化符合馬達(dá)HA控制的要求。

圖9 馬達(dá)轉(zhuǎn)速曲線圖

馬達(dá)的轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果如圖9所示。由圖可知，在第1s內(nèi)，由于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，馬達(dá)轉(zhuǎn)速近視線性增長；在1～6.5s內(nèi)馬達(dá)轉(zhuǎn)速受到波動的工作壓力的影響，在1750r/min～3000r/min內(nèi)呈增長式劇烈波動；直到6.5s后，由于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，工作壓力也保持穩(wěn)定，馬達(dá)轉(zhuǎn)速達(dá)到了穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)定在3125r/min。

6 結(jié)語

根據(jù)液壓泵DA控制和馬達(dá)HA控制設(shè)計的液壓傳動系統(tǒng)，在調(diào)控工作壓力和排量上具有良好效果，系統(tǒng)能根據(jù)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和外加負(fù)載自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力和排量，使系統(tǒng)處于合理的工作狀態(tài)。但是這種靜態(tài)控制也存在不足，即在對馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速的控制上存在缺陷，馬達(dá)轉(zhuǎn)速在達(dá)到穩(wěn)態(tài)前的超調(diào)過大，且震蕩頻率劇烈，馬達(dá)穩(wěn)態(tài)調(diào)控的速度較慢，不利于有精密要求的液壓系統(tǒng)。因此，需要研究一種控制方法(如自適應(yīng)控制)，加強(qiáng)對液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速的控制，使達(dá)到超調(diào)小、擾動小、穩(wěn)態(tài)響應(yīng)快的要求。