浅论电传动工程车液压悬架系统研究

乔国强

摘 要：随着我国经济的快速稳定发展，市场对煤炭资源的需求日益增长。电动轮工程车体积大、效率高，逐渐成为露天采矿运输的主力军。由于工程车工作环境恶劣，路面对车轮有着很多随机和离散的激励。为了改善路面颠簸时工程车乘坐不舒适和操纵不稳定的情况，关键在于工程车悬架系统的合理设计。本文进行了电传动工程车液压悬架系统的设计、元件选择和动态性能建模与仿真。

关键词：工程车;悬架系统;建模与仿真

中图分类号：U472 文献标识码：A

0 引言

近年来，随着我国经济的快速稳定发展，国内市场对煤炭、铁矿石资源的需求日益增长。搬运能力强、工作效率高的工程车成为了矿山运输的主要力量。我国电动轮工程车悬架系统与国外先进水平还有一定的差距，我国有必要在工程车辆的悬架系统上进行开发研究。

1 工程车液压悬架系统设计

（1）工程车液压悬架外部结构设计。工程车在不平坦的路面上行驶时，会遇到突然的激振。这时，悬架会跳得很厉害。短时间内系统供能不足，部件响应速度跟不上外部激励的变化，工程车的性能降低。

本文采用伺服阀控制液压缸，其中液压缸活塞运动的绝对方向由控制器沿翻转阀方向控制，以提高工程汽车的平稳性。

（2）工程车液压悬架控制方式设计。本文采用一种由多路比例阀和悬挂角传感器组成的闭环控制方法。路况改变的时候，液压缸可以主动调整液压缸的上下伸缩性，使四个车轮力相同，本体平面相同。此控制模式具有以下特性：

1）液压系统相对容易执行复杂的控制程序。比例控制技术的主要功能是按规定比例调节工作机构的力和力矩。该系统在简化模型的基础上，精度高、响应快、可靠性好，可以节约资源、降低成本。2）微电子技术可实现远程电气信号管理以及计算机和总线的远程检测。用于有线或无线远程操作，提高主机灵活性，多并行控制。3）反馈控制提高控制精度，比例控制油流量和压力，执行器不断控制方向、速度和力进行速度调节。

（3）整车悬架液压系统设计。本文设计了车辆液压悬挂系统。每个活塞伺服缸和悬架弹簧平行于四轮。前轴悬置的两个圆柱相互连接，后轴悬置的两个圆柱相互独立，确保工程机械主体在使用过程中始终位于同一平面上，保持主体平衡。整个悬置电路高压球阀分离，每个悬置均设有压力连接器和压力传感器，用于监测系统压力，确保悬置系统正常运行和稳定。悬挂筒装有防爆阀门，防止管路断裂，使悬挂气缸突然失压。悬挂式液压系统的结构设计采用下列方法：

1）本文功率部分采用负载敏感型可变泵，检测负载压力和流量要求，并自动调节泵的输出流量。2）悬挂油缸采用柱塞油缸。当车辆下降时，气缸在自身重力作用下收缩。3）伺服油缸在液压系统中的动作由多路阀控制。进口压力补偿阀在工程车侧负荷急剧增加的情况下，能够确保阀的进口压力差的稳定性。4）考虑到路况不好，为了减少动力损失，在工程车伺服系统中设计了蓄电池，以便汽车行驶时回收制动能量来降低能源消耗。

2 工程车液压悬架系统主要元件设计

（1）检测及反馈器件加速度传感器。根据控制项目理论，控制元件的检测精度应是控制系统的4倍，控制元件的响应速度应是系统带宽的8～10倍。

陀螺仪：美国Crossbow的VG400CD是静态和动态姿态测量中性能更高、精度更高的固态陀螺仪。可以在高度动态条件下测量坡道、坡度和方向。借助高稳定性传感器和改进的过滤算法，提高稳定性和恢复能力。本文主要用于测量机体倾斜角度，测量范围为±180°/S，分辨率<0.1°。

（2）负载敏感变量泵。负载检测系统，用于控制变泵的气缸变化，以检测负载压力和流量要求。系统的液压回路提供了负荷所需的流量和压力，并自动进行调整。负载敏感型输送泵具有高效节能特性，广泛应用于建筑机械和采矿机械。负载敏感型变量泵包括调节阀、变缸、敏阀和限制器。

工程车辆正常工作时，主泵口输出流量为Q，输出压力是PX，作用在敏感阀左端，由负载压力PL反馈到敏感阀的右端，PL作用于敏感阀阀芯右端，连同预设弹簧压力PK一起，敏感阀上压差为△P=PK-PL。当敏感阀受力平衡PK=△P时，液压泵的排量将不会再发生变化。

（3）比例多路阀。阀门组有四个基本的阀门模块。系统内的压力补偿器控制各多通道阀的输出流量和负荷压力。矿井负荷不平衡时，进气压力补偿阀可以维持和控制进气差，起重机与控制阀芯进气成正比。当汽车发出声音和下降时，柱塞的装瓶压力是由汽车自身的重力实现的。通常在压力阀的入口处，吸入的液压油不会改变流量。在储层时，特别是工程车负荷集中在车轮上时，汽车的稳定性和同步性能下降。因此，压力补偿阀必须安装在多个出口处来同时调节悬架油缸回油压力阀。

（4）液压软管防爆阀。液压软管是连接油缸和硬管的结构。它可以自由移动和弯曲，因此可以在容易移动和旋转的地方使用。但是，容易破裂，气缸压力急速下降，导致车身倾斜。因此，液壓软管必须设置防爆措施和防爆阀。

3 悬架液压系统主要元件选型

（1）供油压力选择。较高的供油压力可以减小液压泵、阀和连接管部件的质量和尺寸，提高液压的固有频率。但当执行机构尺寸小时，液压固有频率会降低。较低的供油压力可节省成本，并减少损耗、能量损失和温度升高，增加部件的使用寿命，便于维护和降低噪音。通常，可以选择低供应压力36。

工业伺服系统中的供油压一般是2.5 MPa～15 MPa，而在军用伺服系统中，它是21 MPa～32 MPa。据此，本文选取供气压力PX=25 MPa。

（2）液压缸选型。本文选用的液压缸为柱塞缸。液压缸工作载荷F设定为250 kN，进油腔压力PL=25 MPa，液压缸最大允许压力不大于额定压力，即Pmax≤1.5 PN。

（3）液压泵选型。根据以上计算出的液压缸的流量、面积和工作速度，对液压泵进行合理的匹配。本文液压泵转速为2 200 r/min。

1）液压泵的排量。由公式V=Qx1 000/n，计算可得液压泵排量为102.7 mL/r。2）液压泵输出功率。由公式N=

P，Q'/60=/6 000，计算可得泵的输出功率为95 kW。

本文根据液压泵的排量和供油压力，选择博士力士乐公司10VSO型号，可变活塞泵。

（4）发动机选型。当液压泵的输出功率与发动机的输出功率相符时，此时发动机的输出功率是95 kW。本文中发动机型号为WD10G220E11。是卡车、工程机械等载荷波动较大的工程车辆非常理想的配套设备。

4 液压悬架系统动态性能建模与仿真

（1）模糊PID控制系统建模。传感器采集的地面信号输入到被动悬挂和液压悬挂系统中，其中被动液压悬挂不采用控制方式，仅依靠路面载荷反作用力的变化和被动响应控制。控制系统设有反馈部分，将悬架原始输出的垂直加速度信号反馈给输入部分，将反馈的信号与地面给定的信号进行比较，输入两者的差值和变化率来加速度信号输入到模糊PID控制器中。经过模糊PID控制装置的控制来得到输出控制的量，该控制量控制多路阀的输入电流，调节液压缸的排量，并利用液压缸的排量来抵抗不平坦路面的位移变化，从而控制悬架的平稳运行。

（2）仿真结果及分析。为了更清楚地表达液压悬架和被动悬架的性能差异，在同一图表上制作了仿真曲线。模糊PID控制液压悬架与被动悬架的性能对比如图1所示。

以幅值为0.05 m、频率为1 Hz的正弦信号为输入信号，输入液压悬架和被动悬架的控制系统。得到两种悬架的车轮垂向加速度、悬架挠度和动载荷对比图，如图1所示。

从以上三幅图可以看出，当输入信号为正弦波时，被动悬架的波动大于液压悬架的波动，尤其是车辆轮胎的动态挠度。模糊PID控制下液压悬架轮胎动载荷的调整时间为2.5 s。当输入信号为随机信号时，被动悬架的车身加速度为0.15，而液压悬架的最大值为0.11，比被动悬架低26.67%;被动悬架的最大动态挠度为0.045，而液压悬架的最大动态挠度为0.031，比被动悬架低31.11%;被动悬架的动载荷为4 500，而液压悬架的最大值为2 150，比被动悬架低52.2%。从上数据可以看出，模糊PID控制的液压悬架的加速度、动挠度和轮胎动载荷幅值比被动悬架小，阻尼效果好，能满足要求。因此，模糊PID控制液压悬架的性能明显优于被动悬架。

5 结论

悬架是车辆关键部件，影响着车辆行驶的性能。以工程车辆为本文的研究对象，设计液压悬挂系统：（1）介绍了工程车液压悬架的结构和主要部件设计。（2）匹配设计的液压系统主要部件的参数，选择部件型号。（3）液压悬架动态特性建模与仿真。通过数据比较可以看出，与被动悬架相比，模糊PID控制的液压悬挂加速度幅度、悬挂偏转和轮胎动态载荷显着减小，其控制方式更好。

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