《多轮底盘液压驱动系统方案优化设计与研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《多轮底盘液压驱动系统方案优化设计与研究（8页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 多轮底盘液压驱动系统方案优化设计与研究 刘建慧，张 卫，刘志忠，王 可河南理工大学机械与动力工程学院 河南焦作 454000传统的各型带式输送机和装载输送机广泛应用于港口码头、煤矿开采、粮食储运等诸多领域。随着这些领域的智能化需求越来越高，移动式带式输送机近年来得到了广泛应用。驱动底盘是支撑输送机并帮助其实现灵活移动和转场作业的重要部件，其运动灵活性及智能化十分关键，且底盘的传动方式对其运动性能有着至关重要的影响。底盘传动方式分为机械传动、液力传动、液压传动和电动机驱动等多种类型1。传统驱动底盘多采用变速箱和驱动桥相结合的机械传动方式，属于典型的机械传动结构，操纵简单，但底盘结构复杂、质量偏
2、大，运动灵活性受限。因此，有必要在简化底盘结构的基础上，提出一种传动平稳且易于控制的驱动方案2-4，提高底盘的运动灵活性。笔者对 2 种液压驱动系统方案进行对比分析，提出了适合多轮液压独立驱动底盘的单变量泵-双定量马达液压驱动系统方案，并利用系统仿真技术对其性能进行了分析。1 多轮液压独立驱动底盘基本要求和总体目标1.1 底盘结构多轮液压独立驱动底盘主要包括机械系统、动力系统、液压系统和控制系统等。液压驱动系统包括发动机、变量泵、液压马达、轮边减速器和车轮等5-6。如图1 所示，驱动底盘有 4 对轮组，每对轮组的 2 个驱动轮之间均设有转向立轴；每个车轮配置一套液压马达和轮边减速器，实现车轮的
3、独立驱动；轮边减速器位于驱动轮内部，结构紧凑。机械结构未设置驱动桥和变速箱，简化了底盘结构，降低了整体质量。图1 多轮液压独立驱动底盘结构Fig.1 Structure of multi-wheel independent hydraulic drive chassis多轮液压独立驱动底盘可以实现多种移动方式 (见图2)，包括水平直行、斜向运动、原地转动、横向移动等，能够根据输送机工作要求，快速灵活移动，从而实现输送机的多种作业模式。图2 多轮液压独立驱动底盘移动方式Fig.2 Movement mode of multi-wheel independent hydraulic drive c
4、hassis1.2 基本要求轮式液压驱动底盘一般负载较大，因此液压驱动系统需具有大功率，并且在行驶过程中需要满足以下要求7：(1) 行驶过程中能够实现无级变速与灵活转向，液压控制系统简单；(2) 液压驱动系统可靠性高，各元件之间匹配合理，占据底盘空间较小，整机的调速性及经济性好。1.3 总体目标为了解决带式输送机在转场和移动作业过程中的问题，设计液压驱动系统时，主要考虑底盘在低速状态下能够稳定运行，以实现带式输送机微动作业，并满足底盘行驶速度的要求。底盘传动系统中，发动机输出的机械能传递到液压泵，转化为液压能输入到液压马达；液压马达作为执行元件，再将输入的液压能转化为机械能，驱动轮边减速器，从
5、而实现底盘的全液压驱动。底盘采用多轮驱动和多轮转向的方式，主要运行在低速区。笔者所研究的底盘，目标行驶速度不大于 1 m/s，对应车轮转速为 25 r/min，液压马达最大输出转速为 330 r/min。2 底盘液压驱动系统方案优化设计根据液压油的工作循环方式，液压系统可分为开式回路和闭式回路 2 种类型8。针对一对轮组的 2 个驱动轮，在介绍 2 种液压驱动系统方案并比较动力传递路线和优缺点的基础上，确定多轮底盘的液压驱动系统方案。2.1 单变量泵-单定量马达液压驱动系统方案单变量泵-单定量马达液压驱动系统的动力传递路线如图3 所示。可以看出，发动机输出的机械能传递到变量泵，保证变量泵持续稳
6、定地向系统输入液压油，从而确保整个液压驱动系统稳定工作。图3 单变量泵-单定量马达驱动系统动力路线Fig.3 Power route of drive system for single variable pump-single quantitative motor液压系统原理如图4 所示。通过调节变量泵的排量大小来改变驱动马达速度，通过改变泵的供油方向来调整马达转向，进而实现底盘的多种运动方式。底盘的驱动轮组能够在转向立轴作用下旋转一定角度，当内外两侧轮组之间存在速度差时，底盘可以实现小半径转弯。单变量泵-单定量马达液压驱动系统采用补油泵向闭式液压回路补充油液，并通过补油溢流阀和溢流阀溢出的
7、油液带走一部分热量，从而冷却系统中的主泵马达9-10。图4 单变量泵-单定量马达液压驱动系统原理Fig.4 Principle of hydraulic drive system for single variable pump-single quantitative motor该液压驱动系统结构简单，单个驱动轮配备一套闭式液压驱动系统。虽然能够实现各轮的独立驱动，但补油泵工作时存在能量损失，并且需要 8 套液压动力设备，成本高，控制复杂。因此，该方案不适用于大型带式输送机的多轮承载底盘。2.2 单变量泵-双定量马达液压驱动系统方案考虑到驱动底盘工作过程中需要提供稳定速度，以确保输送机实现移动
8、式作业，设计了单变量泵-双定量马达液压驱动系统方案，整体上减少了泵的数量，从而降低了成本。根据图5 所示的液压驱动系统动力路线可知，发动机将机械能传递到变量泵，变量泵驱动定量马达 1 和 2，将液压能转化为机械能，驱动轮边减速器，进而实现底盘车轮的独立驱动。图5 单变量泵-双定量马达驱动系统动力路线Fig.5 Power route of drive system for single variable pump-dual quantitative motor底盘采用多轮驱动，分为 4 对轮组。针对其中一对轮组设计的液压驱动系统如图6 所示。发动机向变量泵提供动力，保证变量泵向位于车轮中的定量
9、马达连续且稳定地输入液压能。给定变量泵控制信号为定值，通过调整比例调速阀的控制信号来改变进入定量液压马达的流量，进而改变马达的输出转速。比例调速阀由节流阀和定差减压阀串联组成，控制信号作用于节流阀一端，模型如图7 所示。底盘行驶工况与三位四通电磁换向阀的阀芯位置直接相关：当电磁换向阀阀芯处于中位，阻断液压油进入马达，底盘处于驻车状态；当图6 中换向阀 P-A 和 T-B 口接通，液压油正向进入马达，底盘处于直行前进工况；当换向阀的 P-B和 T-A 口接通，液压马达反向旋转，底盘处于直行后退工况。控制底盘左侧轮组马达的转速低于右侧轮组马达的转速时，底盘小半径左转；反之，底盘右转；左右轮组马达的
10、输出转速方向相反、大小相同的情况下，驱动底盘可以原地转向，调整带式输送机作业方向。图6 单变量泵-双定量马达液压驱动系统原理Fig.6 Principle of hydraulic drive system for single variable pump-dual quantitative motor图7 比例调速阀模型Fig.7 Model of proportional speed control valve该方案与闭式系统方案相比，使用单个液压泵驱动一对轮组中的 2 个液压马达，减少了液压泵的数量，并且采用了比例调速阀和三位四通电磁换向阀组合的形式来控制定量马达。通过适当调整比例调速阀
11、的阀口开度大小，提高底盘工作过程中的速度稳定性和灵活转向能力。设计的单变量泵-双定量马达开式系统相较于闭式系统，具有更好的散热能力，且控制系统结构简单，成本较低，一定程度上提高了经济性。3 液压驱动系统仿真根据底盘其中一对轮组液压驱动系统设计方案，利用 AMESim 软件建立系统仿真模型11。选定子模型完成参数设置，如表1 所列。在空载输入和忽略油液损失的情况下，进行仿真分析。设置仿真时间为 15 s，步长为 0.01 s。表1 仿真模型主要参数Tab.1 Main parameters of simulation model直行工况下，电磁换向阀控制信号的数值每 5 s 改变一次，分别为 -
12、40、0 和 40，以模拟前进、制动和后退的工况。仿真开始的 1 s 内，变量泵的控制信号保持不变，增大比例调速阀的控制信号，马达入口流量q和转速n呈增加趋势。图8 所示为液压系统在直行状态下的响应曲线，可以看出：05 s 时，马达趋于稳定状态，入口流量和转速分别为 16.97 L/min 和 278.12 r/min，符合参数设置，此时马达正转，底盘保持直行前进状态；510 s 时，电磁换向阀处于中位，马达入口流量和转速经过短时间波动后降为 0，底盘处于制动状态；1015 s 时，改变电磁换向阀阀芯位置，使马达反转，转速为 -278.12 r/min，负号表示方向，此时底盘直行后退。图8 直
13、行工况一对轮组液压系统响应曲线Fig.8 Response curve of hydraulic system for a pair of wheel sets under straight driving condition改变三位四通电磁换向阀两端电信号，调整液压油进入底盘两侧马达的方向，使底盘原地转向。图9 所示为仿真响应曲线，可以看出：05 s 时，左右两侧轮组马达的输出转速达到稳定后，分别为 274.39 r/min 和 -274.39 r/min，入口流量大小为 16.77 L/min，即左侧车轮正转，右侧反转，底盘处于顺时针原地转向状态；510 s 时，电磁换向阀阀芯处于中位，马
14、达输出转速经过短时间振荡后降为 0，底盘处于制动工况；1015 s 时，左侧轮组马达反转，右侧正转，转速大小为 274.39 r/min，驱动底盘处于逆时针原地转向状态。马达进行状态切换产生的转速和流量波动可以通过 PID 控制来减小。通过安装在马达输出轴上的转速传感器，将转速信号转换为电信号，反馈至 PID 控制器，与预期转速进行比较计算，使实际转速与预期转速的误差减小，从而实现对马达输出转速的闭环控制。图9 原地转向工况仿真结果Fig.9 Simulation results of in-situ steering condition4 结论(1) 多轮液压独立驱动底盘运载大型带式输送机工况简单，驱动液压系统可靠，控制系统简单，且经济性好。(2) 针对底盘中的一对轮组，确定了单变量泵-双定量马达开式液压驱动系统方案，并给出了液压系统原理图和仿真模型。(3) 仿真结果表明，单变量泵-双定量马达驱动系统调速工作过程中，能够满足底盘直线前进、后退和小半径原地转向等工况要求，易于实现智能控制并具有良好的经济性。 -全文完-
