黃金榮，周 陽(yáng)，郭瑞鋒

(1.陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院，陜西 西安 710300)(2.西安建筑科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

非公路礦用自卸車主要應(yīng)用于大型露天礦山、水利水電建設(shè)工程等領(lǐng)域，工作環(huán)境復(fù)雜，因此要求其制動(dòng)系統(tǒng)必須具有穩(wěn)定且精準(zhǔn)的性能，同時(shí)要求操作輕便和有很高的可靠性，為此人們開始了對(duì)人電雙控全液壓制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究[1-2]。該系統(tǒng)中的路況切換閥組能夠滿足制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)多種路況下的制動(dòng)控制，但是由于人工制動(dòng)時(shí)制動(dòng)力大小僅憑人的感覺施加，因此其精準(zhǔn)度難以及時(shí)有效地調(diào)整。特別是對(duì)于行駛在惡劣天氣中復(fù)雜路況下的自卸車，地面附著系數(shù)隨時(shí)在變化，可能會(huì)由于制動(dòng)力過大或不足[2]，引發(fā)重大安全事故[3-4]?；诖?，本文對(duì)路況切換閥組進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其可以實(shí)現(xiàn)更快速準(zhǔn)確的制動(dòng)力電控調(diào)節(jié)，以滿足多種工況下對(duì)自卸車的制動(dòng)控制。

1 礦用自卸車全液壓制動(dòng)系統(tǒng)路況切換閥組制動(dòng)原理

1.1 路況切換閥組在礦用自卸車全液壓制動(dòng)系統(tǒng)中的功用

自卸車的制動(dòng)工況復(fù)雜，路況切換制動(dòng)是一種可應(yīng)用于不同路面下的制動(dòng)方式，當(dāng)自卸車在雨水、泥濘、冰雪等濕滑路面行駛時(shí)，由于輪胎與地面附著系數(shù)較低，一旦采取緊急制動(dòng)時(shí)，往往會(huì)導(dǎo)致前輪先于后輪抱死，以致地面無(wú)法對(duì)前輪產(chǎn)生足夠的摩擦力，使自卸車車輪發(fā)生滑移，喪失轉(zhuǎn)向能力[5]，造成安全事故。為了避免危險(xiǎn)情況的發(fā)生，在全液壓制動(dòng)系統(tǒng)中增加路況切換閥組，如圖1所示，圖中18模塊即為路況切換閥組，其主要功能是輔助行車制動(dòng)閥在不同路況下實(shí)施可靠制動(dòng)，有效減少因制動(dòng)力不精準(zhǔn)引起的安全事故。

1—變量柱塞泵；2—卸荷溢流閥；3—補(bǔ)油蓄能器；4.1,4.2—前、后制動(dòng)蓄能器；5,7.1,7.2,7.3,7.4—梭閥；6—緊急制動(dòng)電磁閥；8—液壓先導(dǎo)換向閥；9—制動(dòng)鎖定電磁閥；10—減壓閥；11—停車制動(dòng)電磁閥；12—雙路踏板閥；13.1,13.2—前、后電液比例減壓閥；14.1,14.2—前、后雙繼動(dòng)閥；15—前制動(dòng)器；16—停車制動(dòng)器；17—后制動(dòng)器；18—路況切換閥組；19—液力緩行閥組

該路況切換閥組是在充分考慮液壓制動(dòng)力調(diào)節(jié)范圍的基礎(chǔ)上，利用電液比例減壓閥替換直接作用式減壓閥，提升了其對(duì)制動(dòng)力大小的調(diào)節(jié)性能，工作原理如圖2所示。該路況切換閥組由電磁換向閥、電液比例減壓閥以及單向閥組成，制動(dòng)時(shí)開啟電磁換向閥，制動(dòng)液在電液比例減壓閥的控制下，可根據(jù)實(shí)際路況調(diào)節(jié)前橋制動(dòng)器的制動(dòng)力，以最適宜的制動(dòng)力實(shí)施制動(dòng)，防止車輪抱死。

1—路況切換閥組；2—前橋制動(dòng)器；1.1—電磁換向閥；1.2—電液比例減壓閥；1.3—單向閥

1.2 路況切換閥組工作原理簡(jiǎn)化模型

根據(jù)文獻(xiàn)[1]電控全液壓制動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化模型，由路況切換閥組的工作原理可知，制動(dòng)時(shí)由電液比例減壓閥組件對(duì)制動(dòng)液進(jìn)行減壓以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)力的精準(zhǔn)控制，由此可以得到電控全液壓制動(dòng)系統(tǒng)中路況切換電磁閥組工作原理的簡(jiǎn)化模型，如圖3所示，圖中各參數(shù)的含義：Q1,Q2,Q3,Q4分別為蓄能器、先導(dǎo)電液比例減壓閥、繼動(dòng)閥、電液比例減壓閥的出口流量；p1,p2分別為先導(dǎo)比例減壓閥的入口與出口壓力；p3,p4分別為電液比例減壓閥的入口與出口壓力；x1,x2,x3,x4分別為先導(dǎo)電液比例減壓閥閥芯、繼動(dòng)閥閥芯、電液比例減壓閥閥芯、制動(dòng)缸活塞的實(shí)時(shí)位移量；m1,m2,m3,m4分別為先導(dǎo)電液比例減壓閥閥芯、繼動(dòng)閥閥芯、電液比例減壓閥閥芯、制動(dòng)缸活塞的質(zhì)量；k1,k2,k3,k4分別為先導(dǎo)電液比例減壓閥、繼動(dòng)閥、電液比例減壓閥、制動(dòng)缸的復(fù)位彈簧剛度；A4為制動(dòng)缸活塞的有效作用面積；b4為制動(dòng)缸活塞運(yùn)動(dòng)的黏性阻尼系數(shù)。

圖3 路況切換閥組工作原理簡(jiǎn)化模型

如圖3所示，當(dāng)入口壓力p3一定且足以導(dǎo)通路況切換閥組中的電液比例減壓閥4時(shí)，一定的控制電流對(duì)應(yīng)著一定的電液比例減壓閥的閥開口度，即對(duì)應(yīng)著一定大小的制動(dòng)力。制動(dòng)力最大值為p3，閥開口度越小，制動(dòng)力也就越小。若同時(shí)控制行車制動(dòng)電磁閥和路況切換電磁閥的電流，可快速得到精準(zhǔn)的制動(dòng)力及可靠的制動(dòng)效果。在制動(dòng)過程中行車制動(dòng)電磁閥對(duì)制動(dòng)力起主要作用，而路況切換閥組起快速調(diào)節(jié)作用。

2 路況切換閥組中電液比例減壓閥數(shù)學(xué)模型建立

圖4 電液比例減壓閥閥芯受力原理圖

由于制動(dòng)系統(tǒng)為機(jī)電液系統(tǒng)，因此可以根據(jù)鍵合圖理論建立制動(dòng)系統(tǒng)的鍵合圖模型。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，磁通鏈ψ與比例電磁鐵輸入電流i之間存在慣性關(guān)系：

i=ψ/L(x)

(1)

式中：L(x)為線圈電感。而電磁力與電磁鐵之間存在容性關(guān)系：

FB=K2i+K3x3

(2)

式中：K2,K3分別為電液比例減壓閥的電流-力、位移-力增益系數(shù)。故電磁鐵的動(dòng)作可以使用有混合場(chǎng)的鍵合圖元IC[7-8]來(lái)表示。根據(jù)鍵合圖理論，用共流結(jié)即“1-結(jié)”表達(dá)電液比例減壓閥閥芯受力的勢(shì)變量，用共勢(shì)結(jié)即“0-結(jié)”表達(dá)電控制動(dòng)系統(tǒng)中流變量的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

基于鍵合圖理論與路況切換閥組的工作原理簡(jiǎn)化模型，對(duì)制動(dòng)過程中間隙消除階段的電液比例減壓閥進(jìn)行流量連續(xù)性分析和受力分析，得到其功率鍵合圖模型，如圖5所示，圖中各參數(shù)的含義：Sf為流源；C0為線性容度參數(shù)；Cd為電液比例減壓閥閥口流量系數(shù)；C3為復(fù)位彈簧容度；K1為油液體積彈性模量；TF為變換器；U3為電源電壓；UL3為電液比例減壓閥線圈電壓；RL3為電液比例減壓閥線圈電阻。

圖5 路況切換電磁閥組簡(jiǎn)化模型的功率鍵合圖

再根據(jù)功率鍵合圖模型寫出電液比例減壓閥的動(dòng)態(tài)方程如下：

(3)

式中：b3為電液比例減壓閥閥芯的黏性阻尼系數(shù)；Bt為瞬態(tài)液動(dòng)力阻尼系數(shù)；Ks1為穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力剛度；ω3為電液比例減壓閥閥口面積梯度；ρ為油液密度；α3為節(jié)流閥口過流面積；V為電液比例減壓閥出口處受控容腔液體總體積。

(4)

對(duì)液壓器件型號(hào)及液壓介質(zhì)選型，得到方程組中對(duì)應(yīng)參數(shù)的值，見表1[9]，表中d4為電液比例減壓閥閥芯直徑，θ為油液的出流角度，r為反饋液壓力作用面半徑，Cv為油液通過比例減壓閥閥口的速度系數(shù)。

表1 電液比例減壓閥仿真參數(shù)表

3 路況切換閥組動(dòng)靜態(tài)性能仿真分析

建立路況切換閥組中電液比例減壓閥的動(dòng)、靜態(tài)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行MATLAB/Simulink仿真，如圖6～圖8所示。

圖6 電液比例減壓閥閥芯受力模型

圖7 電液比例減壓閥流量模型

圖8 電液比例減壓閥模型

Simulink仿真分析得到如圖9～圖11所示的電液比例減壓閥的相關(guān)控制特性曲線。

由圖9,10可知，當(dāng)入口壓力一定時(shí)，不同控制電流下的出口壓力與閥芯位移不同，但均在約0.005 s時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。通過分析可知，路況切換閥組響應(yīng)迅速，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的影響很小，滿足制動(dòng)可靠性要求[10]。由圖11可知，電液比例減壓閥出口壓力隨電流的增大而增加，在0～0.071 A的電流區(qū)間內(nèi)存在死區(qū)，在0.1～1.0 A的電流區(qū)間內(nèi)出口油液壓力呈線性變化，故該路況切換閥組可對(duì)入口壓力p3進(jìn)行連續(xù)線性控制。

圖9 出口壓力動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線

圖10 閥芯位移動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線

圖11 出口壓力靜態(tài)控制特性曲線

圖12是當(dāng)入口壓力分別為1.9×107Pa、1.7×107Pa、1.5×107Pa時(shí)，路況切換閥組出口壓力的靜態(tài)響應(yīng)曲線，從圖中可以看出，出口壓力靜態(tài)響應(yīng)曲線的斜率不同，說(shuō)明入口壓力不同時(shí)出口壓力有一定的波動(dòng)，但對(duì)制動(dòng)力的影響有限。

圖12 不同入口壓力下路況切換閥組出口壓力靜態(tài)特性曲線

4 路況切換閥組制動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證

在液壓實(shí)驗(yàn)室，對(duì)先導(dǎo)電液比例減壓閥、繼動(dòng)閥、電液比例減壓閥、制動(dòng)缸進(jìn)行合理選型之后，根據(jù)路況切換閥組的工作原理，搭建了電控全液壓路況切換閥組的液壓測(cè)試系統(tǒng)，如圖13所示。

1—液壓泵；2—繼動(dòng)閥；3—電液比例減壓閥；4—先導(dǎo)電液比例減壓閥；5—制動(dòng)缸

根據(jù)圖1所示的制動(dòng)系統(tǒng)原理可知，路況切換閥組與繼動(dòng)閥為串聯(lián)關(guān)系，當(dāng)制動(dòng)系統(tǒng)處于行車制動(dòng)工況時(shí)，繼動(dòng)閥的出口壓力即為路況切換閥組的入口壓力。試驗(yàn)中，在電液比例減壓閥開口度一定的情況下，由液壓泵分別對(duì)電液比例減壓閥施加1.9×107Pa、1.7×107Pa、1.5×107Pa的入口壓力，代表駕駛員在不同工況下的制動(dòng)意圖。在各制動(dòng)壓力下，分別對(duì)路況切換閥組液壓測(cè)試系統(tǒng)中的電液比例減壓閥的電流大小進(jìn)行連續(xù)性調(diào)節(jié)，并記錄其出口壓力靜態(tài)變化曲線，如圖14所示，由圖可以看出，該電控全液壓路況切換閥組試驗(yàn)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)不同入口壓力下對(duì)出口壓力的連續(xù)性控制，與仿真結(jié)果相符。

圖14 路況切換閥組液壓測(cè)試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析圖

5 結(jié)束語(yǔ)

由于在惡劣天氣條件下，不同路況的地面附著系數(shù)實(shí)時(shí)發(fā)生變化，礦用自卸車在行駛過程中需要不同的制動(dòng)力與之匹配，為此本文優(yōu)化設(shè)計(jì)了路況切換閥組，對(duì)路況切換閥組進(jìn)行了性能仿真，得到了不同控制電流下出口壓力的動(dòng)、靜態(tài)性能曲線，以及不同入口壓力下的出口壓力靜態(tài)曲線，分析了路況切換閥組制動(dòng)性能的合理性，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果顯示本文優(yōu)化設(shè)計(jì)的路況切換閥組可實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)快速的制動(dòng)力控制。