車庫過放取車變節流液壓制動系統制動性能研究*

楊 坤

(保定職業技術學院,河北 保定 071000)

0 引 言

隨著車輛的不斷增加,城市地面上停車難的問題更加嚴重。這種狀況促進了立體車庫的快速發展,越來越多私家車在立體車庫停放[1-3]。

立體車庫取車效率極大影響了立體車庫使用性和便捷性。為了提高存取車的效率,存取車吊車板速度需逐步加大。而在取車吊車板的下放過程中,吊車板速度過大極易導致取車過放事故,即取車吊車板下放越過規定停車位,并產生較大的過放振動沖擊,嚴重損害車輛零部件,進而影響車輛的使用壽命[4-7]。故有必要對立體車庫過放取車振動沖擊進行深入研究。

目前,已有針對立體車庫過放取車產生沖擊振動的相關研究。王其松[8]選型計算了立體車庫過放液壓緩沖系統的重要參數,并基于AMESim研究了溢流閥對吊車板制動位移的影響。季鵬[9]利用蓄能器固有的吸能減振特性,開發了一種立體車庫過放能量回收液壓系統,計算了蓄能器充液壓力;并基于AMESim分析了系統參數對過放能量回收系統的動態影響效果。馮鈴等人[10]針對已有的立體車庫過放取車系統存在的壓力沖擊大和波動問題,采取阻尼小孔連通液壓缸非緩沖腔和緩沖腔的方式,取得了良好的減振消波作用。

檢索目前立體車庫取車過放相關系統發現:(1)取車吊車板位移受系統參數影響較明顯,車輛質量和速度略有變化,取車吊車板位移變化較大,嚴重影響立體車庫過放取車緩沖制動裝置尺寸設計;(2)現有的過放緩沖技術制動效率低下,效率低說明車輛過放仍存在大的沖擊振動[11-13]。

在一定范圍內,若取車吊車板制動位移不受車輛質量和速度影響,則過放取車制動停車位基本確定,對設計立體車庫過放取車緩沖制動裝置具有很好的指導價值。

基于此,筆者提出一種立體車庫過放取車變節流液壓制動系統,即首先對其變節流液壓制動系統工作原理進行闡述,建立其制動過程數學模型;然后對吊車板制動位移與變節流閥閥口開度線性和非線性關系進行設計;最后基于AMESim搭建取車變節流液壓制動系統仿真模型,對過放取車變節流制動系統的制動特性進行分析,對變節流制動系統的制動效率進行計算,對3種變節流閥口開度控制函數對系統制動效果的影響進行研究,為立體車庫過放取車緩沖制動裝置設計提供理論基礎和指導。

1 車庫液壓制動系統原理

立體車庫過放取車變節流液壓制動系統原理圖如圖1所示。

圖1 立體車庫過放取車變節流液壓制動系統原理1—制動液壓缸;2—油箱;3—位移傳感器;4—吊車板;5—閥口開度控制模塊;6—變節流閥;7—控制閥;8—PID控制器;9—求和控制器;10—電機;11—泵;12—安全閥

制動系統包括兩部分:PID閥控吊車板復位子系統[14-15]和過放取車變節流液壓制動子系統。

PID閥控吊車板復位子系統主要有PID控制器、控制閥、泵、安全閥、馬達、求和控制器;過放取車變節流液壓制動子系統主要由位移傳感器、閥口開度控制模塊、變節流閥、制動液壓缸組成。其中,位移傳感器為共用元件,位移傳感器實時傳輸制動液壓缸活塞位移。

制動系統工作原理:過放取車時,承載車輛的吊車板壓縮制動液壓缸活塞,初始制動時吊車板動能最大,需設定變節流閥開度值最大,隨著吊車板逐漸制動,設定變節流閥開度逐漸減小,直至關閉變節流閥閥口,最終吊車板制停。該方法可實現吊車板位移可控且制動平順性較好,具有較好的實際應用價值;

取車過放制動后,啟動電機,將吊車板位移x輸入求和控制器中,PID閥控吊車板復位子系統啟動,求和控制器實時對比活塞復位位移和輸入的目標吊車板位移值,直至吊車板復位至待取車變節流制動狀態。

2 液壓制動系統數學模型

吊車板撞擊制動液壓缸活塞桿時,滿足動量守恒定律:

Mv=F△t

(1)

式中:M—吊車板質量,kg;v0—吊車板過放初速度,m/s;F—接觸力,N;△t—接觸時間,s。

制動液壓缸制動腔流量方程為:

(2)

式中:C—節流系數,C一般取0.68;A(x)—節流面積,mm2;P(x)—制動液壓缸制動腔壓力,MPa;ρ—液壓油密度,ρ=850 kg·m2。

暫取變節流面積為吊車板制動位移的線性函數,其方程為:

F(x)=A0-kx(F1…Fx)

(3)

式中:A0—變節流閥初始節流面積,mm2;k—線性比例值。

吊車板制動過程,吊車板制動過程力平衡方程為:

(4)

3 液壓制動系統仿真模型

根據立體車庫過放取車變節流液壓制動系統工作機理,筆者使用AMESim信號庫中的SIGFXA01模型(interpolate 1D or XY table with respect to x)代替閥口開度控制模塊,將吊車板位移與閥口開度的線性關系通過SIGFXA01模型輸入至仿真模型中,SIGFXA01模型調用面積函數關系,實現閥口開度控制模塊的控制作用,即吊車板實時位移對應閥口實時開度;并基于AMESim搭建立體車庫過放取車變節流液壓制動系統仿真模型。

液壓制動系統仿真模型如圖2所示。

圖2 過放取車變節流液壓制動系統仿真模型1—位移傳感器;2—SIGFXA01模型(開度控制模塊);3—比例模型;4—變節流閥模型;5—油箱;6—制動液壓缸;7—質量塊模型(吊車板)

立體車庫過放取車變節流液壓制動系數參數如表1所示。

表1 仿真參數設置一覽表

吊車板位移與閥口開度信號的線性和非線性關系如表2所示。

表2 位移-閥口開度信號關系表

表2中,F2(x)所示的數據為吊車板位移與閥口開度信號的線性關系,F1(x)和F3(x)所示的數據為吊車板位移與閥口開度信號的非線性關系。

筆者繪制吊車板位移與閥口開度線性和非線性關系曲線,如圖3所示。

圖3 吊車板位移與閥口開度線性和非線性關系圖

3.1 閥口開度函數對制動特性的影響

筆者分別輸入3種吊車板位移與閥口開度關系,通過仿真得到不同開度控制函數下的吊車板制動位移曲線,如圖4所示。

圖4 不同開度控制函數下的吊車板制動位移曲線

由圖4可知:不同開度控制函數下的吊車板制動位移始終可以達到1.0 m,該結果進一步驗證了開度控制函數的有效性。

閥口開度函數表示吊車板位移為1.0 m時,變節流閥開度為0,處于關閉狀態,該位置吊車板制動已停止。

筆者選取F2(x)和F3(x)閥口開度函數時,吊車板制動時間較短,制動相對迅速。

制動液壓缸制動腔壓力動態曲線如圖5所示。

圖5 不同開度控制函數下制動液壓缸制動腔壓力動態曲線

由圖5可知:不同開度控制函數下的制動液壓缸制動腔壓力相差不明顯,產生的壓力沖擊均低于6 MPa,處于可控范圍。

制動液壓缸流量輸出動態曲線如圖6所示。

圖6 不同開度控制函數下制動液壓缸流量輸出動態曲線

由圖6可知:不同開度控制函數下的制動液壓缸制動腔輸出流量最大在300 L/min內,后期輸出流量變化與閥口開度控制函數走勢保持一致。

吊車板制動過程速度變化曲線如圖7所示。

圖7 不同開度控制函數下吊車板制動過程速度變化曲線

由圖7可知:不同開度控制函數下的吊車板制動過程速度均快速下降到0.3 m/s后,與閥口開度控制函數走勢保持一致。

3.2 取車過放制動過程制動效率

過放取車制動能量吸收計算式為:

(6)

式中:E—吊車板過放制動能量,J;F—制動力,N;x—吊車板制動位移,m;P—緩沖液壓缸緩沖腔制動壓力,MPa;D—緩沖缸緩沖腔直徑,mm。

過放取車實際能量計算式為:

(7)

式中:E0—吊車板過放制動能量,J;M—吊車板質量(暫按所載車輛質量計算),kg;v0—吊車板過放初速度,m/s;m—活塞質量(活塞質量相對吊車板質量較輕,計算吸收率時忽略處理),kg;g—重量加速度,g=9.8 m/s2;

變節流制動系統制動效率計算式為[16-19]:

(8)

基于AMESim,筆者求得(x,F)圖形,如圖8所示。

圖8 不同開度控制函數下吊車板制動力變化曲線

(x,F)轉化成MATLAB可讀入的數據類型,使用函數E=trapz(x,F)求得位移-制動力圖形與坐標軸所包圍的面積值,即為變節流系統實際節流緩沖吸收的能量值E;進一步利用式(8),可求得不同閥口開度控制函數下的制動效率φ。

E0=1.236×104J;E1=1.23×104J;

E2=1.227 6×104J;E3=1.226 3×104J;

φ1=E1/E0=99.52%;φ2=E2/E0=99.32%;

φ3=E3/E0=99.21%。

顯然,制動效率均達到99%以上,即立體車庫過放取車變節流制動系統基本無沖擊。

在F1(x)為閥口開度控制函數下,筆者研究過放質量和過放速度對吊車板制動特性的影響情況。

3.3 過放質量對變節流制動特性的影響

筆者選取過放質量為1 000 kg、1 200 kg、1 400 kg、1 600 kg進行制動特性仿真,得到過放質量對吊車板制動位移的影響曲線,如圖9所示。

圖9 過放質量對吊車板制動位移的影響

過放質量對制動液壓缸制動腔壓力的影響曲線,如圖10所示。

圖10 過放質量對制動液壓缸制動腔壓力的影響

由圖(9,10)可知:過放質量增大,吊車板位移響應度增加,但吊車板位移不變,仍為1.0 m,前邊已驗證吊車板位移由閥口開度函數決定,同一開度控制函數下的吊車板制動位移不變;過放質量增大,制動液壓缸制動腔穩定壓力逐漸增大,總體上制動腔壓力較小,不存在壓力沖擊。

3.4 過放速度對變節流制動特性的影響

筆者選取過放速度為1.0 m/s、1.2 m/s、1.4 m/s、1.6 m/s進行制動特性仿真,得到過放速度對吊車板制動位移的影響曲線,如圖11所示。

圖11 過放速度對吊車板制動位移的影響

過放速度對制動液壓缸制動腔壓力的影響曲線如圖12所示。

圖12 過放速度對吊車板制動腔壓力的影響

由圖(11,12)可知:過放質量改變,吊車板位移及其響應度均不變,即過放質量對吊車板位移無影響;過放速度增大,制動液壓缸制動腔壓力峰值逐漸增大,但總體上制動腔壓力較小,同樣不存在壓力沖擊。

4 結束語

立體車庫過放取車吊車板位移受系統參數影響明顯,直接影響立體車庫過放取車緩沖制動裝置設計;同時,現有的立體車庫取車過放系統制動效率低下,仍存在較大的壓力沖擊。

為此,筆者設計了一種立體車庫過放取車變節流液壓制動系統,搭建了制動過程變節流系統數學模型,并構造了3種取車吊車板制動位移與變節流閥閥口開度控制關系函數,搭建了立體車庫過放取車變節流液壓制動系統仿真模型,研究了液壓制動系統制動特性,并計算了變節流液壓制動系統制動效率,重點分析了車輛質量和速度對取車吊車板位移和制動腔壓力的影響情況。

研究結果表明:

(1)吊車板位移由變節流閥閥口開度控制函數決定,過放質量和速度改變,不會影響吊車板位移;

(2)同坐標下,選取閥口開度遞減較緩的控制函數時,可縮短吊車板過放制動時間;

(3)變節流制動系統制動效率可達99%,取車過放制動過程基本無壓力沖擊;

(4)過放速度對制動腔壓力峰值影響較明顯,過放質量對吊車板位移響應度影響較明顯;

(5)不同過放質量和速度下,吊車板制動位移均為1.0 m,與閥口開度控制函數設計吻合。

筆者后續的研究方向為:(1)基于立體車庫變節流液壓制動原理,設計閥口開度控制模塊;(2)搭建變節流制動性能試驗臺,對其系統制動效率、制動位移等制動性能進行驗證和評估,并將其與仿真結果進行比較,以進一步驗證變節流液壓制動效果和可行性。