裝載機電液混合流量匹配轉向系統特性研究

王翔宇，權龍，楊敬，張曉剛，程珩，趙斌

?

裝載機電液混合流量匹配轉向系統特性研究

王翔宇，權龍，楊敬，張曉剛，程珩，趙斌

(太原理工大學 新型傳感器與智能控制教育部和山西省重點實驗室，山西 太原，030024)

為提高傳統裝載機能量利用率，提出采用變轉速定量泵獨立供油的電液流量匹配轉向原理，用于控制裝載機轉向，將裝載機方向盤轉向角速度與伺服電機轉速進行合理匹配，使液壓泵輸出相應流量到轉向系統中，當無轉向信號時，轉向動力源不輸出流量。若電液流量匹配轉向系統出現故障，則該液壓轉向系統經電磁閥自動切換到原有轉向系統，繼續完成轉向作業。首先建立鉸接式裝載機機械結構動力學與電液混合系統聯合仿真模型，利用該模型對電液流量匹配系統的轉向過程進行仿真，進一步建立試驗測試樣機，對轉向系統的動態及能耗特性進行測試，并與原有轉向系統的轉向特性進行對比。研究結果表明：采用電液混合流量匹配轉向系統，可減少轉向過程的節流損失并消除溢流損失，節能約16%，并可減小壓力沖擊和波動，系統的穩定性也得到明顯提高。

流量匹配；液壓轉向；線控轉向；裝載機；節能

裝載機作為應用非常廣泛的工程機械，主要應用于裝載和鏟裝物料，作業過程中需要頻繁地帶載或空載轉向。在現有裝載機中，轉向系統與工作裝置采用同一液壓動力源，由于工作裝置所需功率遠高于轉向系統所需功率，當只有轉向系統工作時，多余油液將通過溢流閥與轉向器內的節流口流回油箱，造成較大的溢流與節流損失。為提高轉向系統的能量利用率，HEYBROEK等[1?2]對采用變量泵代替定量泵，用4個獨立電控閥組代替轉向器的負荷傳感轉向系統開展研究，與現有定量泵供油系統相比，在重載及空載工況下可分別降低能耗19.2%和23.3%；CETINKUNT等[3]對采用負荷傳感泵與電液比例方向閥組成的液壓轉向系統進行了研究，通過相應的控制策略不僅可降低轉向過程的能耗，還可提高系統的運行平穩性；KEMMETMULLER等[4]對采用泵控雙出桿液壓缸的閉式轉向系統進行了研究，建立了系統的非線性數學模型，并采用變增益控制方法提高轉向穩定性，在系統中設置蓄能器，以應對峰值載荷，該系統較原有開式系統減少能量消耗18%；AMICO等[5?6]采用仿真和試驗，對比分析了傳統中位閉式和進出油口獨立控制的2種轉向系統，進出油口獨立控制提高了轉向系統在大轉矩下轉向的穩定性和操控的靈敏性，還降低了轉向能耗；IVANTYSYNOVA等[7?11]對變排量線控閉式回路控制的裝載機轉向系統進行了深入研究，通過實時檢測方向盤轉角、裝載機行駛速度和轉向角度，控制變量泵的排量，從而控制裝載機的轉動方向及轉角，試驗表明采用閉式泵控轉向較開式系統可降低燃油消耗14.5%。張潘等[12?13]對用于裝載機轉向系統的負荷傳感變量泵動態特性及能效進行了研究；胡靜波等[14]對采用比例方向閥的線控轉向系統進行了仿真和試驗研究；譚兆鈞等[15]對采用變頻電動機驅動定量泵供油、電磁方向閥控制的裝載機轉向系統進行了研究，發現與變量液壓泵供油方式相比，變轉速供油減小了非轉向周期的能量消耗；王同建等[16?20]采用聯合仿真和試驗的方法，與傳統裝載機轉向過程的工作特性及能耗進行了對比分析；樊文建等[18]對影響轉向穩定性的因素進行了研究，并提出提高轉向穩定性和減小能量損失的方案；王振寶等[21]通過對液力變矩器匹配性能的優化來提高裝載機的能量效率；蒲顯坤 等[22?23]將線控轉向系統引入裝載機，取消方向盤和轉向車輪之間的機械連接，設計了整體線控轉向方案并進行了仿真研究。分析現有研究結果可知，傳統定量泵供油的轉向系統存在較大的溢流和節流損失；線控閉式或開式轉向系統雖具有較高的能效，但系統可靠性較差，任一環節出現故障，轉向系統都將無法工作；采用變量泵的負荷傳感轉向系統雖然消除了溢流損失，但仍存在節流損失和較大的待機能耗。為此，本文作者提出電液流量匹配與負荷傳感并聯的冗余型裝載機轉向控制方法，將檢測到的裝載機方向盤角速度，作為轉向系統動力源的控制信號，通過控制伺服電機轉速，使液壓泵輸出相應流量到轉向系統，消除溢流損失，減少節流損失，并且當無轉向信號時，轉向動力源不輸出流量，消除待機能耗。若電液流量匹配轉向系統出現故障，液壓轉向系統經電磁閥自動切換到原有系統工作，提高了系統的可靠性。本文首先建立鉸接式裝載機機械結構動力學與電液混合系統聯合仿真模型，利用該模型對負荷傳感轉向系統的轉向過程進行仿真，并對其能耗特性進行研究分析，預測系統的響應特性，確定系統的結構及主要參數，最后建立試驗測試樣機，對原有系統與改進系統在相同轉向工況下的轉向及能耗特性進行分析。

1 液壓助力轉向系統工作原理

1.1 負荷傳感轉向系統

鉸接式裝載機的轉向系統由機械執行機構和液壓驅動系統構成。裝載機轉向系統多采用負荷傳感液壓轉向原理，其原理如圖1中右側虛線框所示，該系統主要由優先閥、轉向器、組合閥塊與液壓轉向機構組成。當裝載機無轉向動作時，液壓泵輸出的流量經優先閥與轉向器的分配，大部分流向裝載機工作液壓系統；當裝載機有轉向動作時，液壓泵輸出的流量經優先閥與轉向器的分配，優先輸入液壓轉向機構中，液壓泵流向轉向系統的流量等于轉向器排量與方向盤轉動速率的乘積。該轉向系統通過優先閥對泵的輸出流量進行優先分配，提高了轉向系統的效率。

由于裝載機轉向工況復雜多變，發動機用于轉向的功率及定量液壓泵的排量較大。裝載機轉向液壓系統中多余流量會通過溢流閥流回油箱，從而該定量泵系統產生較大的溢流損失。以試驗室1.8T小型輪式裝載機為例，其所配備的定量泵的公稱排量為50 mL/r，發動機額定轉速為2 400 r/min。經初步計算，當裝載機從中間位置轉到極限位置時，2個轉向液壓缸約需1.2 L油液，若轉向時間為4 s，則定量泵約排出8.0 L油液，其中6.8 L過剩的流量都通過溢流閥流回油箱。裝載機行走時若無轉向動作，則液壓泵所輸出的流量將全部卸荷，產生較大的中位卸荷損失。此外，該裝載機的液壓轉向系統還存在待機能耗。

1.2 電液流量匹配轉向系統

通過對原有液壓系統轉向過程的能耗分析[19?20]，負荷傳感液壓轉向系統仍存在很大的能量損失，包括高壓溢流損失與低壓卸荷損失，其中空載能量損失最大，占液壓泵輸出功率的62%，而且該系統還存在一定的待機能耗與轉向滯后。

為降低裝載機負荷傳感液壓轉向系統在流量方面的能耗損失，提出用伺服電機獨立驅動定量泵的電液流量匹配轉向控制方法。將建立的負荷傳感轉向系統聯合仿真模型進一步應用于電液流量匹配轉向系統，其原理如圖1中左側虛線框所示，在原有轉向系統的基礎上添加由單向閥、壓力傳感器、陀螺儀、dSPACE硬件在回路控制系統、電機驅動器MD、伺服電機和定量泵等組成的電液流量匹配轉向系統。在保持與負荷傳感系統相同轉向特性的前提下，對該系統在原地轉向工況下系統特性及液壓泵所消耗的能量進行分析。保留原有轉向系統，若改進后的轉向系統發生故障，則可切換到原有系統工作，以應對突發的轉向 故障。

1.3 功率消耗分析

在轉向過程中，轉向液壓系統的能量消耗可由液壓泵的輸出功率來表示，具體計算公式如下：

式中：0為液壓泵在時間0到1內的輸出功率；0為工作起始時間；1為工作結束時間；p為液壓泵出口壓力；p為液壓泵的輸出流量。由式(1)可以看出：減少能耗的方法有2種，即在滿足工作條件的前提下，降低泵出口壓力和減少泵輸出流量。

分析裝載機負荷傳感液壓轉向原理可知，該系統由定排量液壓泵與發動機為轉向液壓缸提供轉向所需流量，該轉向系統的能量消耗為

式中：1為負荷傳感轉向系統中的液壓泵在時間0到1內的輸出功率；L為負載壓力；Δv1為該轉向系統中經過液壓閥的壓力損失；w為該轉向系統轉向所需的流量；o為該轉向系統溢流損失的流量；t1為該轉向系統節流損失的流量；u為該轉向系統中位卸荷損失的流量。

對轉向液壓系統轉向過程中的流量和壓力進行簡化，可得以下能耗公式。

改進后，電液流量匹配轉向系統由伺服電機與定量泵為轉向液壓缸提供轉向所需流量。該系統將轉向所需流量與液壓泵所提供能量相匹配，消除了溢流損失與中位卸荷損失，降低了節流損失。該過程功率輸出如下：

式中：2為電液流量匹配轉向系統中的液壓泵在時間0到1內的輸出功率；Δv2為電液流量匹配液壓系統中經過液壓閥的壓力損失，Δv2＜Δv1；t2為電液流量匹配液壓系統節流損失的流量，t2＜t1。

2種轉向系統的能耗狀況如圖2所示，圖2中：p與p為原系統泵的出口壓力與輸出流量；pm與pm分別為改進系統的泵的最大出口壓力與能提供的最大流量；a為原系統轉向過程所需功率；b為改進系統轉向所需功率。

(a) 原系統能耗分布；(b) 改進后系統能耗分布

式中：m為伺服電機的效率；p為定量液壓泵的效率。改進后的液壓轉向系統中壓力損失降低，消除了ΔO與ΔU，減小了ΔT，故提高了液壓轉向系統的能量效率。

2 流量匹配轉向控制策略

2.1 轉向系統的控制策略

本文提出的開式電液流量匹配轉向系統，在考慮液壓系統泄漏的基礎上，采用伺服電機驅動定排量液壓泵的方式為液壓轉向系統提供轉向所需流量。保持原轉向系統中的方向盤與轉向器的連接方式不變，由于液壓泵流向轉向系統的流量等于轉向器排量與方向盤轉動速率的乘積，故可通過對方向盤的角速度與電機轉速進行關聯，從而實現轉向液壓缸轉向流量與轉向泵供給流量的匹配。進而通過控制伺服電機驅動器，使電機轉速與方向盤角速度具有一定的正比關系。在轉向過程中達到以下目的：當方向盤轉動較快時，伺服電機轉速較高；當方向盤轉動較慢時，電機轉速較低；當方向盤停止轉動時，電機也停止轉動。另外，通過電磁閥將該控制系統與現有轉向負荷傳感系統并聯，構成冗余型電液流量匹配轉向系統，一旦轉向過程中電液流量匹配系統出現故障，裝載機自動切換到原系統繼續工作，提高了轉向系統的可靠性。

圖3所示為本實驗研究中整機控制系統圖。采用陀螺儀對方向盤的角速度進行采集，通過dSPACE對該信號進行處理，得到控制信號U1，最終將該信號輸入伺服電機驅動器中，進而通過伺服電機驅動器的控制信號V控制伺服電機的轉速。由dSPACE控制的電磁換向閥可實現2個系統的緊急切換。

為方向盤角速度；θ為方向盤轉過的角度；pi為轉向壓力；Qi為轉向器輸出的流量；ppump為泵口壓力；Qpump為泵口流量；V為電機控制電壓信號；U1為控制信號；U2為回路切換信號；Pi為原系統控制信號。

2.2 電機的控制方法

采用的伺服電機為永磁同步電機(PMSM)，該電機本身具有功率效率高、響應速度快、可調性高和可靠性高等特點[24]。本文通過調節伺服電機的轉速來實現轉向系統流量匹配的目的。

永磁同步電機矢量控制控制系統的電流d的控制方法主要有：

1)d=0控制，即磁場定向控制。該控制方法簡單，計算工作量小，沒有直軸電樞反應的電機去磁問題，使用較廣。

2) 力矩電流比最大控制。該方法是在電機輸出給定力矩的條件下，使電機定子電流最小的控制方法。

3) 功率因數等于1的控制，是一種控制電機電樞電流的交、直軸分量，保持電機功率因數恒為1的控制方法。

4) 恒磁鏈控制。控制電機定子電流，使電機全磁鏈和轉子永磁體產生的與定子交鏈的磁鏈相等。

由于d=0的控制方法比較簡單，電磁力矩和電樞電流呈線性關系，無直軸電樞反應，無去磁效應，電機所有電流均用來產生電磁力矩，電流控制效率高。故本文采用該方法控制伺服電機轉速。

電機的輸出轉矩平衡方程為

式中：e為電機輸出轉矩；L為負載轉矩；m為電機轉動慣量；m為電機角速度；m電機的黏滯摩擦 因數。

電機的輸出轉矩為

式中：n為電機極對數；f為轉子上的磁勢；q為電機交軸電流。

在伺服電機旋轉磁場?中令d=0，則伺服電機解耦狀態方程為

式中：q為電機電壓；為每相繞組電阻；為電機定子電感；L為電機負載轉矩。

伺服電機的控制包括電流環以及速度環，速度環可等效成1個一階慣性環節，將式(10)進行拉氏變換，可得到伺服電機速度控制的動態框圖，如圖4所示。圖4中：ref為參考角速度；i為比例環節增益；c=3/2nf為電機轉矩系數；w為速度反饋增益；i為積分環節系數；q為電機交軸電壓；為復變量。

由圖4可以看出：可通過調節i來提高電機的響應速度，通過調節q改變電機轉速。

伺服電機驅動定量液壓泵的階躍響應試驗曲線如圖5所示。

圖4 伺服電機速度控制的動態框圖

1—控制信號；2—電機轉速。

由圖5可以看出：伺服電機與定量液壓泵在較短時間內能達到設定轉速并運行平穩，并且該響應曲線上升和調整時間短，超調量低。

3 聯合仿真研究

3.1 聯合仿真模型

基于對負荷傳感轉向系統在多學科仿真軟件SimulationX中聯合仿真模型準確性的驗證[19]，在保持原有轉向系統聯合仿真模型的基礎上，將電液流量匹配轉向液壓系統疊加到原聯合仿真模型的液壓部分。采用新的聯合仿真模型在原地轉向工況下對新系統中泵的能量消耗及系統各腔室壓力變化情況進行試驗研究。電液流量匹配轉向原理與負荷傳感轉向原理向疊加的全液壓轉向系統聯合仿真模型如圖6所示。

圖6 全液壓轉向系統聯合仿真模型

3.2 聯合仿真研究

由于正弦曲線的斜率在初始階段由0變為最大值，之后逐漸減小，這一特征符合轉向初始階段方向盤轉動速率在階躍變化后逐漸降低的特點，還可通過調節正弦曲線的周期來改變轉向過程的速度。因此，可利用正弦信號近似地模擬方向盤的轉向動作信號，對正弦曲線形式的方向盤轉角微分可得電機控制信號。在轉向過程中，電機的轉動速度隨著方向盤轉動速率的降低而逐漸降低，最終降為零。圖7所示為電液流量匹配轉向系統原地轉向仿真結果。

由圖7可知：當高速轉動方向盤時，在初始階段系統中液壓泵出口與左、右轉向液壓缸無桿腔處的壓力均大于低速轉動方向盤工況時的壓力。這是由于在高速工況下，電機轉速在相對較短的時間內達到最大轉速，導致液壓系統壓力快速上升，高速轉向較低速轉向壓力波動明顯；在偏載工況下，由于轉向系統負載分布不平衡，液壓泵出口壓力比正載工況的大，且液壓泵口及各轉向液壓缸腔室壓力波動比正載工況的大。

通過對聯合仿真模型中電液流量匹配系統在各轉向工況下泵所消耗能量進行分析，可明確本文提出的轉向系統的節能情況以及該系統的可行性。

4 試驗研究

4.1 試驗測試系統

為對本文所提出的冗余型電液流量匹配轉向系統的控制方式進行試驗驗證，需首先對該控制系統中的各種元件參數進行選取，然后使元件之間的動力參數合理匹配。將電控部分與液壓系統中元件的參數確定之后，繼而開展對文中所提出的控制策略的可行性 驗證。

本控制系統中伺服電機的選型需考慮其響應時間特性、額定功率、最高轉速及驅動器調試的復雜度。在試驗開展之前，需對伺服電機在各種模式下進行調試。由于轉向工況復雜多變，本文選取功率為2.2 kW的伺服電機及相應的驅動器，選取排量為6 mL/r的 泵/馬達。

組建電液流量匹配轉向系統的液壓回路，根據液壓系統最大流量、最高工作壓力及通徑，選用油研系列通徑為10的電磁換向閥和溢流閥。

(a) 低速空載；(b) 高速空載；(c) 中速正載；(d) 中速偏載

組建電液流量匹配轉向系統液壓回路的數據采集系統，對方向盤加裝陀螺儀，對左側轉向液壓缸加裝拉線式位移傳感器，將壓力傳感器加裝在輔助定量泵出口及轉向液壓缸無桿腔。

組建數據處理系統和控制系統，采用由德國dSPACE公司生產的硬件在回路計算機控制程序ds1103進行數據的處理及系統的控制。根據轉向系統控制策略，對數據采集方式及控制系統進行Simulink仿真建模，將建立的仿真模型導入ControlDesk中的ds1103程序，通過該程序對dSPACE采集的PCB板、位移傳感器和陀螺儀等信號進行處理分析，然后將控制信號輸入伺服電機驅動器中，通過控制伺服電機轉速，達到改變供給流量的目的，實現轉向所需流量與液壓泵提供流量合理匹配。所搭建試驗臺照片及試驗轉向過程如圖8所示。

4.2 試驗結果分析

保持與仿真模型中原地4種轉向工況控制條件相同，對電液流量匹配轉向系統進行試驗測試。

圖9所示為電液流量匹配轉向系統試驗結果。

(a) 儀器安裝；(b) 轉向過程；(c) 系統搭建；(d) 數據采集

1—線位移傳感器；2—壓力傳感器；3—定量泵；2—壓力傳感器；5—伺服電機；6—閥塊；7—換向閥；8—陀螺儀；9—直流電源；10—PCB板；11—PC；12—dSPACE；

13—電機驅動器；14—轉向回路切換閥。

圖8 裝載機液壓轉向系統試驗臺

Fig. 8 Prototype in steering experiment system of wheel loader

(a) 低速空載；(c) 高速空載；(c) 正載中速；(d) 偏載中速

由圖9可知：在轉向過程中，液壓泵出口壓力與左側轉向液壓缸無桿腔壓力有良好的隨動特性；當高速轉向時，由于方向盤轉速較快，故電機轉速變化加快，從而高速轉向過程中的液壓泵出口壓力與左側轉向液壓缸無桿腔壓力較低速轉向過程中的波動幅度明顯；當偏載轉向時，裝載機左右輪胎與地面的摩擦阻力不同，故偏載轉向中的液壓泵出口壓力與左側轉向液壓缸無桿腔壓力較正載轉向中的波動幅度明顯。

以低速空載工況為例，對其仿真及試驗結果進行分析。在轉向初始階段，由于試驗過程中的轉向系統設置了1 MPa的背壓，故轉向過程迅速與平穩，沒有發生仿真初始階段液壓泵出口壓力與左側轉向液壓缸無桿腔壓力波動幅度較大的現象；在轉向過程中，試驗中液壓泵出口壓力維持在3 MPa，并且該壓力與左側轉向液壓缸無桿腔壓力的差值比仿真的小，在試驗過程中，轉向系統采集的方向盤轉速為實際轉向信號，而仿真中的正弦轉向信號的微分余弦信號為方向盤的轉速信號，電機轉速與方向盤轉速信號成比例，在仿真過程初始階段，伺服電機以最大轉速開始轉向，故在仿真過程開始時，轉向系統的轉向壓力較大；轉向完成后，試驗過程與仿真過程的方向盤轉速為0 rad/s，故電機轉速也為0 rad/s，從而泵停止為轉向液壓缸提供流量。

試驗過程中伺服電機的輸出功率如圖10所示。

1—中速偏載；2—中速正載；3—高速空載；4—低速空載。

由圖10可看出：偏載中速峰值功率最高，低速空載轉向功率最平穩。

圖11所示為改進后的電液流量匹配轉向系統與原有的負荷傳感轉向系統試驗曲線對比圖。

(a) 改進轉向系統；(b) 原有轉向系統

對比圖11(a)與11(b)可知：在改進轉向系統的整個轉向過程中，壓力波動明顯減小，這是由于伺服電機的轉速與裝載機方向盤的轉速相匹配，從而使液壓泵提供的流量與轉向所需流量相匹配，降低了轉向過程中的壓力沖擊和壓力波動，使轉向過程更加平穩。

裝載機為轉向系統提供的轉向能量可由下式 求得：

式中：P為轉向系統液壓泵的輸出功率。

轉向系統完成轉向過程轉向液壓缸所需能量可由下式求得：

式中：w為轉向液壓缸轉向過程消耗的功率；Ai和Ai分別為左、右2個液壓缸無桿腔壓力和面積；Bi和Bi分別為左、右2個液壓缸為有桿腔的壓力和面積；v為左、右液壓缸的活塞運動速度。

經計算，電液流量匹配系統相對負荷傳感系統，低速空載原地轉向工況使轉向液壓泵消耗能量降低18%，高速空載為15%，中速正載為19%，中速偏載為13%。電液流量匹配轉向系統平均降低了轉向過程中泵輸出能耗約16%，這主要是因為改進后的系統避免了原系統存在的高壓溢流狀況，消除了原系統的中位卸荷損失與待機能耗，減少了轉向系統的低壓節流損失。

4.3 冗余轉向試驗過程

在轉向過程中，若電液流量匹配系統發生故障，該轉向系統將使原轉向系統開始工作并將液壓轉向回路自動切換到原系統液壓回路中完成轉向。試驗中通過控制伺服電機的轉速突然降為0 rad/s來模擬轉向系統發生故障的工況，當dSPACE采集到電機轉速變為0 rad/s后，使原有轉向系統開始工作并控制電磁換向閥實現2個系統的切換。轉向系統切換過程試驗曲線如圖12所示。

1—左側轉向液壓缸位移；2—液壓泵出口壓力；3—左側轉向液壓缸無桿腔壓力；4—右側轉向液壓缸無桿腔壓力；5—主泵出口壓力；6—電機轉速。

由圖12可看出：電機在4.8 s時轉速降為0 rad/s，轉向系統自動到負荷傳感液壓系統，轉換過程液壓泵與轉向液壓缸發生較小的壓力波動，由液壓缸位移曲線可知整個切換過程平穩，無停頓現象，故該液壓轉向系統提高了轉向過程的可靠性。

5 結論

1)采用電液流量匹配轉向系統，較傳統負荷傳感轉向，可明顯降低轉向過程的壓力波動，由4 MPa降為1 MPa，使轉向過程更加平穩。

2)采用電液流量匹配轉向系統，液壓泵與轉向液壓缸之間的壓力差由原來的1.2 MPa下降到0.6 MPa，減少了轉向過程的節流損失，并消除了溢流損失和非轉向過程的待機能耗，降低轉向系統總的能耗16%。

3)采用疊加于負荷傳感轉向系統的冗余型電液流量匹配轉向系統，可在電液流量匹配轉向系統發生故障時，使轉向系統自動切換到原有轉向系統，切換過程平穩無停頓，提高了轉向系統的安全性。

[1] HEYBROEK K, HABIBI S, SINGH G. Derivation of design requirements of optimization of a high performance hydrostatic actuation system[J]. International Journal of Fluid Power, 2000, 1(2): 11?27.

[2] HEYBROEK K, PALMBERG J O, LARSSON J. Open circuit solution for pump controlled actuators[C]// Proceeding of the 4th Ph.D Symposium. Sarasota, Florida, USA: Ph.D, 2006: 27?40.

[3] CETINKUNT S, PINSOPON U, CHEN C, et al．Positive flow control of closed-center electro-hydraulic implement-by-wire systems for mobile equipment applications[J]. Mechatronics, 2004, 14(4): 403?420.

[4] KEMMETMULLER W, MULLER S, KUGI A. Mathematical modeling and nonlinear controller design for a novel electrohydraulic power-steering system[J]. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2007, 12(1): 85?97.

[5] AMICO D A, KRUS P. Modeling, simulation, and experimental investigation of an electrohydraulic closed-center power steering system[J]. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2015, 20(5): 2452?2462.

[6] AMICO D A. Pressure control in hydraulic power steering systems: division of fluid and mechatronic systems[D]. Sweden: Link?ping University. Department of Management and Engineering, 2013: 14?22.

[7] IVANTYSYNOVA M, DAHER N A. Pump controlled steer-by- wire system[R]. Alberta: SAE Technical Paper, 2013: 1?10.

[8] IVANTYSYNOVA M, DAHER N A. Energy analysis of an original steering technology that saves fuel and boosts efficiency[J]. Energy Conversion & Management, 2014, 86(10): 1059?1068.

[9] IVANTYSYNOVA M, DAHER N A. New steering concept for wheel loaders[C]// 9th International Fluid Power Conference. Germany, Aachen: IFK, 2014: 112?117.

[10] IVANTYSYNOVA M, DAHER N A. A virtual yaw rate sensor for articulated vehicles featuring novel electro-hydraulic steer- by-wire technology[J]. Control Engineering Practice, 2014, 30(9): 45?54.

[11] IVANTYSYNOVA M, DAHER N A, WANG C. Novel energy- saving steer-by-wire system for articulated steering vehicles: a compact wheel loader case study[C]// Scandinavian International Conference on Fluid Power. Sweden, Link?ping: SICFP, 2013: 541?552.

[12] 張潘, 王國志, 鄧斌, 等.裝載機轉向負荷敏感型變量泵的動態仿真[J]. 建筑機械, 2006(1): 70?72.ZHANG Pan, WANG Guozhi, DENG Bin, et al. Dynamic simulation of variable displacement pump used in loader turning system[J]. Construction Machinery, 2006(1): 70?72.

[13] 徐杰, 陳利東, 田晉躍.負荷傳感液壓轉向系統仿真及試驗[J]. 液壓與氣動, 2014(6): 83?91. XU Jie, CHEN Lidong, TIAN Jinyue. Simulation and test of hydralic steering system with load-sensing[J]. Chinese Hydraulics & Pneumatics, 2014(6): 83?91.

[14] 胡靜波, 王同建, 羅士軍, 等. 裝載機線控轉向系統模糊控制算法[J]. 吉林大學學報(工程科學版), 2008, 38(1): 21?26. HU Jingbo, WANG Tongjian, LUO Shijun, et al. Fuzzy control algorithm for wheel loader steering by wire system[J]. Journal of Jilin University(Engineering and Technology Edition), 2008, 38(1): 21?26.

[15] 譚兆鈞, 韓嘉驊, 姚進.混合動力裝載機變頻泵控轉向液壓系統的魯棒控制器設計[J].四川大學學報(工程科學版), 2013, 45(S1): 177?182. TAN Zhaojun, HAN Jiahua, YAO Jin. Robust controller design for variable frequency pump-control steering hydraulic system of hybrid wheel loader[J]. Journal of Sichuan University (Engineering Science Edition), 2013, 45(S1): 177?182.

[16] 王同建, 陳晉市, 趙鋒, 等. 全液壓轉向系統機液聯合仿真及試驗[J]. 吉林大學學報(工程科學版), 2013, 43(3): 607?612. WANG Tongjian, CHEN Jinshi, ZHAN Feng, et al. Mechanical-hydraulic co-simulation and experiment of full hydraulic steering systems[J]. Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition), 2013, 43(3): 607?612.

[17] 王同建, 張子達, 劉昕暉, 等. 全液壓轉向器數學模型的建立與仿真[J]. 機床與液壓, 2005(8): 119?122.WANG Tongjian, ZHANG Zida, LIU Xinhui, et al. Mathematics model and simulation of hydraulic redirector[J]. Machine Tool & Hydraulics, 2005(8): 119?122.

[18] 樊文建, 楊敬, 權龍.鉸接式裝載機轉向特性的分析與試驗研究[J]. 液壓與氣動, 2014(9): 43?47. FAN Wenjian, YANG Jing, QUAN Long. Analysis and experimental research on steering characteristics of articulated loader[J]. Chinese Hydraulics & Pneumatics, 2014(9): 43?47.

[19] 閆旭冬, 權龍, 楊敬. 電液流量匹配裝載機轉向系統特性分析[J]. 農業工程學報, 2015, 31(18): 71?78. YAN Xudong, QUAN Long, YANG Jing. Analysis on steering characteristics of wheel loader based on electric-hydraulic flow matching principle[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2015, 31(18): 71?78.

[20] 閆旭冬, 權龍, 楊敬. 裝載機流量匹配轉向系統特性分析[J]. 液壓與氣動, 2016(4): 21?24. YAN Xudong, QUAN Long, YANG Jing. Analysis on steering characteristics of wheel loader based on flow matching principle[J]. Chinese Hydraulics & Pneumatics, 2016(4): 21?24.

[21] 王振寶, 秦四成. 基于典型工況液力變矩器匹配性能的優化[J]. 中南大學學報(自然科學版), 2017, 48(2): 331?336.WANG Zhenbao, QIN Sicheng. Optimization of matching on torque converter with engine based on typical operating condition[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2017, 48(2): 331?336.

[22] 蒲顯坤, 孔鵬. 新型直驅式液壓轉向系統的研究[J]. 機械, 2013, 40(10): 19?21, 49. PU Xiankun, KONG Peng. A new design of direct drive of hydraulic steering system[J]. Machinery, 2013, 40(10): 19?21, 49.

[23] 蒲顯坤, 陳益, 韓嘉驊. 裝載機線控轉向系統的設計與分析[J]. 液壓與氣動, 2015(1): 26?31. PU Xiankun, CHEN Yi, HAN Jiahua. Design and analysis of steer-by-wire system[J]. Chinese Hydraulics & Pneumatics, 2015(1): 26?31.

[24] 陳容.永磁同步電機控制系統[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2009: 39?50. CHEN Rong. The control system of permanent magnet synchronous motor[M]. Beijing: China Water Power Press, 2009: 39?50.

(編輯 劉錦偉)

Electro-hydraulic hybrid flow matching steering system of wheel loader

WANG Xiangyu, QUAN Long, YANG Jing, ZHANG Xiaogang, CHENG Hang, ZHAO Bin

(Key Laboratory of Advanced Transducers and Intelligent Control System of Ministry of Education and Shanxi Province, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)

In order to improve the energy efficiency of the traditional wheel loader, the electro-hydraulic flow matching steering principle was proposed to control the steering of the wheel loaders. In the steering system, and the hydraulic oil was supplied independently by the variable speed fixed displacement pump. And the steering angular velocity of the steering wheel was used to control the speed of servo motors, so that the hydraulic pump could output corresponding flow into the steering system. When there were no steering signals, the steering system did not work. Once the electro-hydraulic flow matching steering system broke down, the steering system would automatically switch to the original steering system to continue work via the magnetic valve. The co-simulation model of mechanical structure dynamic and electro hydraulic system of wheel loader was established, and the steering process of the electro-hydraulic flow matching steering system was simulated through the model. Then the test prototype was built to test the dynamic and the energy consumption characteristics of the steering system. Lastly, the characteristics of load sensing steering system and electro-hydraulic flow matching steering system were compared. The results show that by adopting the electro-hydraulic flow matching steering system, throttling losses can be reduced and overflow losses can be eliminated during the steering process, so that the energy consumption can be decreased by about 16%. Apart from that, the shock and fluctuation of pressure can also be reduced, which improves the system stability.

flow matching; hydraulic steering; steering-by-wire; wheel loader; energy consumption

10.11817/j.issn.1672-7207.2018.09.013

TH137；TH243

A

1672?7207(2018)09?2206?10

2017?09?02；

2017?10?29

國家自然科學基金資助項目(U1510206)；山西省面上自然科學基金資助項目(201601D011037) (Project(U1510206) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(201601D011037) supported by the Shanxi Natural Science Foundation of Shanxi Province)

張曉剛，博士，副教授，從事液壓控制系統節能理論及其應用技術研究；E-mail: zxg4458@163.com