铰接式装载机转向稳定性分析

示 ， 在 ＭＡＴＬＡＢ 环 境 下 ， 调 用 基 于 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 工 具 箱 转向液压缸位移的节点连接着模拟示波器， 以观测
究
内的各仿真模块［３］， 根据图 １ 所示的方框图， 在模型 其随阀芯位移变化的响应情况， 分析阀芯输入转角
窗口上， 可方便地构造出转向液压系统的仿真模型， 对活塞输出位移的影响。以 ＺＬ５０Ｇ 型装载机为例，
第 ３９ 卷 ２００８ 年 ３ 月
工程机械
Ｔｅ ｓ ｔ ａ ｎｄ Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒｃｈ
根据式（ １） 所建立的活塞输出位移对阀芯输入 析和计算有关参数。输入为阀芯转角的阶跃信号， 但
试
验
和负载力扰动的传递函数， 可得到负荷传感转向液 分为大小不同的 ３ 种情况， 分别模拟转向时的高速
· !
压系统活塞输出位移的传递函数方框图， 如图 １ 所 转向、中速转向和低速转向。在所要的输出信号— —— 研
摘 要： 通过对 ＺＬ５０Ｇ 和 ＺＬ５０Ｅ－ １ 型装载机所采用的负荷传感液压转向系统的理论分析， 在对有 关 参 数 进 行 实 际 计 算 和 等 效 处 理 后 ， 以 转 向 稳 定 性 较 差 的 ＺＬ５０Ｇ 型 装 载 机 为 实 际 模 型 ， 利 用 ＭＡＴＬＡＢ 软件分别模拟实际高速、中速和低速转向工况， 仿真分析了阀芯在 ３ 种阶跃输入下转向液压缸活塞输出 位移的动态响应， 定量地反映了转向稳定性差的程度大小： 转向时活塞位移响应的最大峰值超过 ５ ｍｍ， 调整时间也超过 ５ ｓ。而同为 ５ ｔ 的 ＺＬ５０Ｅ－ １ 型装载机， 由于前后轴距分配不同， 负载质量较小， 在转向时 达到稳定的最大调整时间短（ 小于 ０．５ ｓ） ， 活塞的输出位移最大峰值也小（ 小于 ５ ｍｍ） ， 转向稳定性很好， 说明由于转向负载质量减小， 对转向稳定性的改善作用非常明显， 位移响应的最大调整时间是关乎转向 稳定性的最重要参数。说明了同吨位机型， 由于前后轴距分配不同所造成的负载质量有较大差异， 对转 向稳定性有明显的影响， 其值与实际测试相吻合， 从而说明了理论分析和仿真的正确性， 并可将转向缸 活塞位移的响应作为评价转向稳定性的方法， 对转向稳定性的设计和改善具有一定的指导意义。
Ｔｅ ｓ ｔ ａ ｎｄ Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒｃｈ
工程机械
第 ３９ 卷 ２００８ 年 ３ 月
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试 验
研
铰接式装载机转向稳定性分析
究
西安交通大学机械学院 李振通
河南交通职业技术学院 杜艳霞
郑州宇通重工有限公司 王长胜
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Hale Waihona Puke 换， 不考虑转向时轮胎弹性的影响， 则可以得到阀芯
转角和转向缸活塞位移之间的运动方程式为：
! ! " " Δｘｐ＝
Ｋｑ ｄｆ ２Ａｐ
Δ!ｆ －
２
ｓ ｓ２
#ｈ
Ｋｃｅ １＋
２
Ａｐ
４
＋ ２$ｈ ｓ＋１ #ｈ
Ｖｔ ｓ "ｅ Ｋｃｅ ＋ Ｋｑ ｄｆ
２ｑｍ
ΔＦＬ
（ １）
式 中 ： Δｘｐ 为 活 塞 位 移 ， ｍ； ωｈ 为 无 阻 尼 液 压 固 有 频 率 ， ｒａｄ·ｓ－１； δｈ 为 阻 尼 比 ； Ｋｃｅ 为 总 流 量 － 压 力 系 数 ， ｍ５·Ｎ－１·ｓ－１； Δαｆ 为 阀 芯 转 角 ， ｒａｄ； ｄｆ 为 阀 芯 直 径 ， ｍ； ｑｍ 为马达的理论弧度排量 ， ｍ３·ｒａｄ－１； Ｋｑ 为 转 阀 流 量 增益， ｍ２·ｓ－１ ； Ｖｔ 为油腔总容积， ｍ３； ΔＦＬ 为作用在活 塞上的外负载力， Ｎ； Ａｐ 为活塞的等效面积， ｍ２； βｅ 为 有效体积弹性模量， Ｐａ； ｓ 为活塞位移的拉氏变换 。 １．２ ＺＬ５０Ｇ 型装载机转向缸活塞位移的仿真
如图 ２ 所示。
汇总仿真输入初始参数［４， ５］， 如表 １ 所示。
在 模 型 中 定 义 的 各 参 数 如 下 ： ｍ１＝ｄｆ ／２， ｍ２＝Ｋｑ，
－２
ｍ３＝Ｋｃｅ／Ａｐ， ｍ４＝ΔＦＬ， ｍ５＝Ｖｔ ／４ βｅＡｐ， ｍ６＝Ａｐ ／ωｈ ， ｍ７ ＝
按表 １ 所列仿真参数计算模型中所定义各模块 参数并输入， 然后输入仿真控制参数， 并分别以 ３ 种 不 同 阶 跃 参 数 ０．２６、０．１６ 和 ０．１０ 作 为 输 入 信 号 ， 按
— ２６ —
１ 转向液压系统的仿真分析
１．１ 转向液压系统数学模型的建立
对整个转向机构来说， 铰接车辆全液压转向系
统是由转向器、转向缸和负载（ 指车轮和轮胎等， 可
简化为质量、阻尼和弹性元件） 组成［１］， 根据其工作原
理， 可推导出转阀、转向缸的流量连续性方程和转向
缸活塞的力平衡方程［２］， 消去中间变量， 并经拉氏变
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关键词： 铰接式装载机 转向稳定性 动态仿真 负载质量
本文以宇通重工生 产 的 ＺＬ５０Ｅ－ １ 和 ＺＬ５０Ｇ 型 装载机为例， 它们同为 ５ ｔ 级装载机， 其主要区别除 了传动系统和外观造型不同外， 只有轴距分配不同： 以前、后车架的铰接中心为基准， ＺＬ５０Ｅ－ １ 型装载机 前后轴距之比为 １∶２， 而 ＺＬ５０Ｇ 型装载机前后轴距 之比为 １∶１， 但转向时转向稳定性却有明显差异： 前者不论低速、高速打转向， 几乎均感受不到抖动或 摆振， 转向稳定性很好； 而后者以低速或高速打转向 时， 均能明显感受到抖动或摆振， 并且速度越高感觉 越强烈， 有时甚至使驾驶员无法进行正常的作业。究 其原因， 除了转向及工作装置各铰接副的间隙大小 有差异而影响其稳定性外， 主要原因是因为前后轴 距不同而使转向负载质量不同所致， 负载质量越大 转向惯性越大， 则转向液压缸活塞的摆幅越大， 调整 时 间 越 长 ， 转 向 稳 定 性 越 差 。 通 过 对 ＺＬ５０Ｇ 和 ＺＬ５０Ｅ－ １ 型装载机所采用的负荷传感液压转向系统 进行分析， 建立了整个转向液压伺服系统的动态数 学模型， 并对有关参数进行实际计算和等效处理， 利 用 ＭＡＴＬＡＢ 软件对系统进行动态仿真分析， 将转向 阀芯的转角以模拟转向启动和停止实际工况的阶跃 信号作为输入信号， 对转向缸输出位移的稳定性进 行对比研究， 提出将转向缸活塞位移的响应作为转 向稳定性的评价方法。