全液压转向系统功率键合图模型与数字仿真研究

摘要

全液压转向系统是利用液压系统来实现转向控制，因为其特有的优越性而被广泛的应用于中低速、重载、大型工程机械中。全液压转向系统是由液压泵、优先阀、转向器、转向油缸以及相关的转向机构组成。本文对全液压转向系统的数学模型、运动学和动力学特性进行了理论和试验研究。 鉴于目前全液压转向系统建模研究中存在的问题与不足，而静、动态模型的合理建立是分析全液压转向系统特性的关键所在，因此对全液压转向系统进行理论建模研究是本文的重点。 本文首先分析了全液压转向系统的工作原理和各组成元件的内部机理，由此出发建立各组成元件和转向系统的静态模型。在此基础上，对元件与系统进行静特性分析，重点是转向器的流量特性、流量—压力特性，以及转向系统的速度特性、负载特性和转向死区特性等。 由转向系统工作原理和受力分析可知，转向系统为非线性系统，采用传统的传递函数建模方法具有一定的局限性，或者说有很大的缺陷，传递函数建模方法仅适用于线性或能够线性化的系统。本文从能量流的观点出发，依据近年来由美国H.Paynten教授提出，后由D.C.Kamopp和 R.C.Rosenberg等人发展和完善的功率键合图原理，详尽研究了全液压转向系统及各组成元件的动态模型。这种功率键合图模型较通常使用的传递函数和方块图模型更接近于真实的非线性的物理系统,并比传递函数和方块图使用方便,且便于修改，可用来对液压转向器及液压转向系统进行更有效的计算机仿真和优化设计。 通过对液压转向系统的动、静态特性的计算机仿真，可以在设计过程中预测系统性能，及早地认识到该系统在动静态特性方面所存在的薄弱环节并加以消除，大大地缩短液压转向系统的调试时间和设计周期，避免因重复试验及加工所带来的昂贵费用。本文基于液压转向系统的功率键合图模型，采用MATLAB软件中的SIMULINK软件包对系统进行了全面的数字仿真研究，分析液压转向系统和液压转向器在方向盘输入角度为阶跃信号时 ,所关心变量（工作压力和流量，位移等）在不同转向负载下的瞬态响应情况，得出了若干可供厂家参考的有用结论。 本文还在可能条件下对转向器和转向系统进行了有限的物理实验验证，主要是静态性能试验研究，通过对实验数据曲线与仿真曲线的分析比较，证实了本文建立的静态模型的准确性。