噴霧機全液壓四輪轉向系統設計與分析

夏長高，羅汞偉

(江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江 212013)

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噴霧機全液壓四輪轉向系統設計與分析

夏長高，羅汞偉

(江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江 212013)

以某高地隙自走式農用噴霧機的全液壓轉向系統為對象，針對其轉向不靈活、轉向半徑過大的問題，設計出一種新穎的全液壓四輪轉向系統。根據噴霧機的總體設計要求確定轉向器、轉向動力缸、轉向泵等液壓元件的相關參數，然后基于AMEsim建立了轉向系統機械-液壓耦合模型，并在方向盤勻速慢轉和勻速快轉2種工況下進行了轉向性能的動態特性仿真分析。仿真結果表明：該轉向系統動態響應快、機動性能好，較好地滿足了高地隙自走式農用噴霧機的作業要求。

自走式噴霧機；全液壓；四輪轉向；機械-液壓耦合建模

高地隙自走式農用噴霧機是一種新型農業植保機械。轉向系統性能直接影響到噴霧機的作業效率、輪胎的使用壽命、駕駛員的操縱性以及直線行駛的性能。目前，國內自走式農用噴霧機前輪液壓轉向，后輪通過桿件傳動隨動轉向，其轉向半徑較大，轉向精度較低。當農田可供噴霧機轉向的半徑較小時，對噴霧機施藥效率產生嚴重影響，同時噴霧機反復前進、倒退，使得作物受到碾壓，影響作物的產量。

由于全液壓轉向系統沒有搖臂、螺桿和隨動桿等機械結構，很大程度上簡化了轉向機構，從而解決了機械磨損和間隙變化等帶來的問題，可靠性和穩定性均得到明顯提高，因此在工程車輛上的運用較為廣泛。液壓元件和系統一般都是時變的非線性系統，因此使用傳遞函數分析其動態特性時不僅模型復雜、工作量大，而且對元件和系統的動態特性不能進行準確有效的分析[1-5]。而AMESIM提供了一種半物理化等效建模方式，使其能全面反映元件的實際結構，從而更方便地分析其動態特性[6]。吉林大學的趙峰[7]、王剛[8]將AMESIM用于全液壓兩輪轉向的工程車輛的研究，并驗證了其可行性和優越性。將AMESIM用于全液壓四輪轉向系統設計方面的研究目前未見報道。

1 全液壓四輪轉向系統方案選定

如圖1所示，所設計的農用噴霧車轉向系統主要由恒流泵、全液壓轉向器、2個轉向動力缸、手動換向閥等部件組成。該轉向系統操縱方向盤所需的轉向力矩小、轉向靈活輕便，而且其組成元件少、質量輕、尺寸小，使得整個轉向系統的結構更加緊湊，還能在發動機熄火時實現人力轉向[9]。

如圖2所示：當手動換向閥處于中位時，恒流泵提供的液壓油經轉向器A口進入前轉向動力缸A口，再由前轉向動力缸B口，經轉向器B口回油箱，此時噴霧車處于前輪轉向模式；當撥動手動閥向上移動時，恒流泵提供的液壓油經轉向器A口進入前轉向動力缸A口，再由前轉向動力缸B口，進入后轉向動力缸B口后回油箱，此時噴霧車處于向心轉向模式；當撥動手動閥向下移動時，前轉向動力缸B口的液壓油進入后轉向動力缸A口，此時噴霧車處于蟹形轉向模式。(下面只研究四輪轉向模式)

1.前轉向動力缸; 2.后轉向動力缸; 3.手動換向閥; 4.方向盤; 5.后轉向動力缸; 6.恒流泵; 7.油壺。

圖1 四輪轉向系統液壓結構示意圖

1.恒流泵; 2.轉向器閥塊; 3.全液壓轉向器; 4.前轉向動力缸; 5.后轉向動力缸; 6.油壺; 7.三位四通手動換向閥; 8.濾清器。

圖2 四輪轉向系統液壓原理

2 轉向系統數學模型的建立

2.1 全液壓轉向器的數學模型

轉向系統建模的難點在于全液壓轉向器的建模。在建立轉向器數學模型時，進行了一些忽略與假設：忽略了管路沿程的損失、計量馬達油缸等的泄漏、閥與管路的局部損失等；假定液壓油的彈性模量、密度、阻尼孔的系數及黏度均為常數。在此基礎上，可變阻尼孔等效轉向器內的各個節流口，通過計量馬達的動力平衡方程、流量方程等建立轉向器的數學模型。

在圖3中將可變節流孔A等效轉向器相間的6個P孔，將可變節流孔B等效連通計量馬達進油腔的6個H孔， 將可變節流C 等效連通計量馬達回油的另外6個H孔，將可變節流D 等效轉向器的A(B)口，將可變節流E等效轉向器的回油口 B(A)口。

圖3 轉向器等效原理

通過可變節流孔A的流量：

即

(1)

通過可變節流孔B的流量：

即

(2)

對于計量馬達，根據連續性方程有

(3)

根據動力平衡有

(4)

通過可變節流孔C的流量為

即

(5)

通過可變節流孔D的流量

即

(6)

經過整理得

(7)

式中：A1～A4分別代表可變節流孔A、B、C、D過流面積(m2)；Cd為可變節流孔的流量系數；QS為通過可變節流孔的流量；P1～P4分別代表各個可變節流孔的壓力(Pa)；PS為轉向器入口的壓力(Pa)；PC為進入可變節流口B的壓力；MF為計量馬達的阻力矩(N·m)；Dm為計量馬達單位弧度排量(cm3/rad)；Jm為計量馬達的轉動慣量(N·m·s2)；Bm為黏性阻尼系數(N/(m/s))；G為彈簧的扭轉剛度(N·m/rad)；θ為計量馬達轉子的轉角(rad)；θm為轉向器閥芯與閥套之間的相對轉角(rad)；ρ為液壓油的密度(kg/m3)。

2.2 轉向動力缸數學模型

轉向器輸出的液壓油作用在前轉向動力缸A口，前轉向動力缸的B口流出的液壓油進入后轉向動力缸的B口，從而推動兩端活塞桿反向運動，使車體進行轉向。噴霧車轉向的快慢與方向盤轉動的速度有關，而方向盤轉向的角度與轉向器輸出油液的體積成一定的比例關系。前后2個同型號的雙出桿轉向動力缸采用串聯的方式連接，假設2個轉向油缸為一個雙出桿轉向動力缸，如圖4所示。

圖4 轉向動力缸等效原理

(8)

(9)

(10)

根據轉向動力缸的力平衡方程有：

A(P1-P2)=FL-FM

(11)

式中：P1、P2為轉向動力缸進、出油口壓力(Pa)；Q1、Q2分別為轉向動力缸進、出油口流量(L/min)；V1、V2分別為轉向動力缸進、出油腔的體積(m3)；Cip、Cep分別為轉向動力缸的內、外泄漏系數；X為轉向動力缸活塞運動速度(m/s)；A為轉向動力缸活塞面積(m2)；FL為作用于轉向動力缸活塞上的外力(N)；FM為轉向動力缸內部摩擦力(N)。

3 仿真分析

3.1 轉向系統模型的建立

對全液壓四輪轉向系統的建模，難點在于對全液壓轉向器的建模。以往全液壓轉向器的建模大都采用等效阻尼孔的方式，即把轉向器各個閥口用等效阻尼的形式來代替。這種建模方式能較好地對全液壓轉向器進行仿真研究，但由于忽略了較多重要因素，如轉向器閥芯與閥套相對位移變化、轉向器閥芯與閥套的質量等[7-8]，不能準確地體現轉向器的動態特性。

通過使用AMESim軟件的HCD庫對轉向器與轉向動力缸的建模，可以更全面地反映出轉向系統的動態特性，如圖5所示。對轉向器建模時，將轉閥的轉動等效為滑閥的平動，轉閥閥芯轉動過程中，轉閥各個閥口的通流面積等價于轉閥展開后，閥芯平動對應距離時所形成的各個閥口的通流面積，由此將轉閥閥芯展開為滑閥閥芯。而轉向泵和油缸為常用元件，標準庫中有現成模型，只需設置相應的參數即可。

圖5 全液壓四輪轉向AMEsim模型

3.1 仿真參數的設定

在AMESIM參數模型下設定參數，由轉向器的實際結構知轉向器閥芯直徑為32 mm，且轉向器的排量為80 mL/r。根據公式：

(12)

得D=31.83 mm。

將轉向器展開，以方向盤的轉動速度n轉化為平動后的速度作為轉向器的輸入信號：

v=πDn=100.53n

(13)

在建模過程中，用油缸的模型等效替換計量馬達。計量馬達的排量與油缸模型的作用面積對應，由公式得

(14)

經測量可得，轉向器閥芯與閥套之間相對轉角為9°，則其相對位移為

(15)

式中：Q為轉向器排量(mL/r)；D為轉向器閥芯的等效直徑(mm)；s為轉向器旋轉一周閥芯的位移(mm)；d為等效油缸模型中油液作用面積的直徑(mm)；V為計量馬達的排量(mL/r)。參照樣車并計算選定轉向動力缸內徑為45 mm，活塞桿徑為25 mm，行程為80 mm；液壓泵排量為5 mL/r，轉速為2 000 r/min；設定溢流閥的溢流壓力為15 MPa。

3.2 轉向器動態仿真

控制信號設定方向盤輸入的轉速為0.5 r/s，模擬方向盤從對中位置轉動到極限位置時轉向器的動態響應。

由圖6可知：當方向盤轉動后，閥芯的位移便隨之增加，而閥套并沒有同時開始移動，從0.05 s開始，閥套開始移動，而且閥芯的位移大于閥套。在2.35 s處，轉向動力缸的活塞運動到極限位置，閥套停止移動，此時閥芯的位移逐漸減小，直到與閥套的位置達到一致。

由圖7可知：當方向盤勻速轉動時，閥芯和閥套的相對位移迅速增加到2.52 mm，轉向器的進油口迅速開啟，保證了轉向系統的轉向靈敏性；當方向盤轉速保持不變時，轉閥閥芯與閥套之間的相對位移基本保持不變。上述理論計算和仿真結果的對比分析初步驗證了模型的正確性。

圖6 閥芯與閥套的位移

圖7 閥芯與閥套的相對位移

3.3 方向盤轉速的影響

在噴霧車滿載的情況下，分別設定方向盤轉速慢轉和勻速快轉，得出的仿真結果如圖8～11所示。

圖8 轉向動力缸流量

圖9 轉向動力缸壓力

圖10 轉向動力缸位移

圖11 轉向器壓降

數據對比見表1。從仿真結果可以發現：相同工況下快轉和慢轉的變化趨勢基本一致，但快速轉向時轉向動力缸流量、壓力與活塞位移的速度均明顯大于慢速轉向。也就是說，隨著方向盤轉速的增加，動力缸進油口的流量、壓力、活塞的運動速度、轉向器的壓力損失都隨之增加。由此可見，方向盤的轉速對轉向系統有較大影響。

從圖9中還可以看出：慢轉時壓力的波動較小，壓力變化平穩；相對于慢速轉向，快速轉向壓力變化大，系統壓力明顯升高，而當動力缸運動到極限位置后，壓力迅速達到溢流壓力，系統開始溢流。

表1 慢速與快速轉向仿真結果對比

4 結束語

針對以往大多采用等效阻尼孔的方式建立全液壓轉向器的AMEsim模型，而忽略其內部結構，通過使用AMESim軟件HCD庫對轉向器的建模，可以更準確地反映轉向系統的動態特性。轉向器數學模型與轉向器的AMEsim模型結果基本吻合，初步驗證了所建立的數學方程和AMEsim模型的正確性。

通過比較方向盤勻速慢轉和勻速快轉在兩種工況下轉向動力缸進油口的流量、壓力、活塞位移、轉向器的壓力損失的變化可以發現：方向盤的轉速對轉向系統有較大影響。而無論方向盤勻速慢轉或者勻速快轉，轉向系統均能準確、穩定地進行工作，驗證了所設計的四輪轉向系統的可行性，為樣機的設計生產提供理論基礎。

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(責任編輯 陳 艷)

Design and Analysis of Sprayer with Full Hydraulic Four-Wheel Steering System

XIA Chang-gao, LUO Gong-wei

(School of Automotive and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

According to the problem of the steering is not flexible and the steering radius is too large, the full hydraulic steering system of the highland clearance self-propelled agricultural sprayer was used as research object to design a new full hydraulic four-wheel steering system. The related parameters of the hydraulic components including steering, steering pump, power cylinder and so on were decided according to the requirement of general design of the sprayer, and then mechanical-hydraulic coupled modeling was designed for the steering system by AMEsim, to research on its steering performance dynamic characteristic, including slowly and fast turn the steering wheel under two uniform motion conditions. The results show that the fast dynamic response and good mobility well meet the operational requirements of the highland clearance self-propelled agricultural sprayer.

self-propelled agricultural sprayer; full hydraulic; four-wheel steering; mechanical-hydraulic coupling model

2015-08-23 作者簡介：夏長高(1965—)，男，江蘇興化人，博士，教授，博士生導師，主要從事汽車系統動力學與控制研究，E-mail:xiacg@ujs.edu.cn。

夏長高,羅汞偉.噴霧機全液壓四輪轉向系統設計與分析[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2016(11):65-70.

format：XIA Chang-gao, LUO Gong-wei.Design and Analysis of Sprayer with Full Hydraulic Four-Wheel Steering System[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(11):65-70.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.11.012

TH16；TP391.73

A

1674-8425(2016)11-0065-06