工程車(chē)輛液壓動(dòng)力學(xué)關(guān)鍵問(wèn)題的理論研究與試驗(yàn)臺(tái)建設(shè).pdf

1、論文根據(jù)工程車(chē)輛牽引動(dòng)力學(xué)存在的問(wèn)題，試圖構(gòu)建一個(gè)新的框架——工程車(chē)輛液壓動(dòng)力學(xué)與控制的理論系統(tǒng)，提出關(guān)鍵問(wèn)題，探討研究方法，希望能為從事工程車(chē)輛理論以及液壓動(dòng)力學(xué)與控制研究的人員提供一份參考，解決液壓驅(qū)動(dòng)工程車(chē)輛的整體參數(shù)匹配與控制理論方面的問(wèn)題。 工程車(chē)輛牽引動(dòng)力學(xué)的基本任務(wù)是在動(dòng)力性、燃料經(jīng)濟(jì)性、作業(yè)生產(chǎn)率等綜合性能指標(biāo)約束條件下，研究車(chē)輛牽引系統(tǒng)各單元部件——發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系、行走機(jī)構(gòu)、工作裝置的工作性能，建立車(chē)輛牽引系統(tǒng)

2、的動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)對(duì)該動(dòng)態(tài)模型的解析，建立部件平均意義上的牽引總體參數(shù)匹配理論以及系統(tǒng)最優(yōu)輸入、輸出和動(dòng)態(tài)控制理論，使車(chē)輛在外部動(dòng)態(tài)負(fù)荷與變化的地面條件下實(shí)現(xiàn)其最高綜合性能。 由于傳統(tǒng)的機(jī)械與液力機(jī)械傳動(dòng)車(chē)輛過(guò)程控制性能的固有缺陷，牽引動(dòng)力學(xué)盡管從發(fā)動(dòng)機(jī)控制、車(chē)輛機(jī)械自動(dòng)變速控制、工作裝置極限負(fù)荷與生產(chǎn)率控制等方面進(jìn)行了大量研究，但仍然難以解決在快速大波動(dòng)負(fù)荷作用下車(chē)輛非線性牽引系統(tǒng)的最優(yōu)性能控制問(wèn)題。采用在大變速比范圍內(nèi)具有無(wú)

3、級(jí)、高效、快速調(diào)節(jié)能力的液壓傳動(dòng)裝置將是解決牽引式工程車(chē)輛牽引系統(tǒng)最優(yōu)性能控制的有效措施。 論文從對(duì)工程車(chē)輛牽引特性和性能指標(biāo)要求的分析入手，將各種工程車(chē)輛分為牽引型和非牽引型兩類(lèi)：前者又分為循環(huán)作業(yè)與連續(xù)作業(yè)兩種方式，循環(huán)作業(yè)機(jī)械負(fù)荷為劇烈波動(dòng)的非平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程，連續(xù)作業(yè)機(jī)械負(fù)荷為劇烈波動(dòng)的平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程，發(fā)動(dòng)機(jī)與牽引系統(tǒng)均為全功率(或主要功率)匹配，由于無(wú)作業(yè)質(zhì)量要求，這類(lèi)車(chē)輛牽引系統(tǒng)采用恒功率與變功率速度自適應(yīng)控制方式；后者為

4、連續(xù)作業(yè)方式，負(fù)荷為波動(dòng)較小的平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程，發(fā)動(dòng)機(jī)與牽引系統(tǒng)為部分功率匹配，對(duì)作業(yè)質(zhì)量的優(yōu)先要求使這類(lèi)車(chē)輛牽引系統(tǒng)采用恒速控制方式。非牽引車(chē)輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)和控制原理比較簡(jiǎn)單，將其作為牽引車(chē)輛的特例處理，不作專(zhuān)門(mén)討論，全部工程車(chē)輛的牽引動(dòng)力學(xué)問(wèn)題歸結(jié)為牽引式車(chē)輛的動(dòng)力學(xué)范疇。 論文總結(jié)了牽引車(chē)輛動(dòng)態(tài)負(fù)荷特性方面的研究成果和工程車(chē)輛靜態(tài)參數(shù)合理匹配方面的成果，分析了傳統(tǒng)牽引動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域20多年來(lái)的研究現(xiàn)狀、成果及存在問(wèn)題，提出了將

5、液壓傳動(dòng)與控制技術(shù)引入工程車(chē)輛牽引驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的必要性、可能性，并對(duì)由此形成的新學(xué)科——工程車(chē)輛液壓動(dòng)力學(xué)的基本問(wèn)題進(jìn)行了理論分析和研究，這些問(wèn)題主要?dú)w結(jié)為： 1.液壓驅(qū)動(dòng)車(chē)輛的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制方式； 2.發(fā)動(dòng)機(jī)與液壓系統(tǒng)的參數(shù)匹配與控制原理——系統(tǒng)最優(yōu)輸入問(wèn)題； 3.液壓系統(tǒng)與負(fù)荷的參數(shù)匹配與控制原理——系統(tǒng)最優(yōu)輸出問(wèn)題； 4.液壓驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行走機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)滑轉(zhuǎn)特性與控制方法——生產(chǎn)率控制問(wèn)題； 5.液壓驅(qū)

6、動(dòng)與控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型與校正原理——系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能問(wèn)題。 數(shù)學(xué)分析與物理模擬相結(jié)合的方法是研究工程車(chē)輛液壓動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的必要與有效方法。著作在上述理論分析與研究的基礎(chǔ)上，提出了通過(guò)室內(nèi)性能模擬試驗(yàn)臺(tái)來(lái)進(jìn)行車(chē)輛液壓動(dòng)力學(xué)關(guān)鍵問(wèn)題研究的方法，對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的功能結(jié)構(gòu)、工作原理、系統(tǒng)特性進(jìn)行了分析與仿真研究，試驗(yàn)臺(tái)在特征工況下的試驗(yàn)特性，表明由液壓車(chē)輛模擬驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與加載系統(tǒng)以及測(cè)控系統(tǒng)結(jié)合組成的綜合試驗(yàn)臺(tái)，可以完成多種液壓驅(qū)動(dòng)工程車(chē)輛的上述液壓

7、動(dòng)力學(xué)與控制理論方面的研究課題。 論文對(duì)車(chē)輛牽引動(dòng)力學(xué)進(jìn)行的全面綜述，以及對(duì)車(chē)輛液壓動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域中關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行的討論，都只是理論分析研究，在此基礎(chǔ)上建立的試驗(yàn)臺(tái)也只是一種工具，大量的實(shí)際研究還有待于進(jìn)一步開(kāi)展，著作對(duì)這一學(xué)科領(lǐng)域構(gòu)想的框架以及給出的基本思想和方法可能會(huì)有不合理成分，這些也有待于在以后的研究中逐步解決并完善。 論文的新觀點(diǎn)在于： 1.將種類(lèi)繁多的工程車(chē)輛根據(jù)性能要求與工作原理分為牽引與非牽引型兩類(lèi)，前

8、者牽引系統(tǒng)實(shí)行恒功率與變功率速度自適應(yīng)調(diào)節(jié)，后者實(shí)行恒速調(diào)節(jié)，并將后者作為前者特例看待，這一分類(lèi)與概括明確了牽引動(dòng)力學(xué)的研究對(duì)象與內(nèi)容并使其理論普遍化。 2.對(duì)工程車(chē)輛工作負(fù)荷進(jìn)行的研究表明，各類(lèi)工程車(chē)輛的工作負(fù)荷均可分解為一確定的趨勢(shì)項(xiàng)(靜態(tài))與均值為零的隨機(jī)項(xiàng)(動(dòng)態(tài))之和。趨勢(shì)項(xiàng)主要取決于車(chē)輛的工作特性，而隨機(jī)項(xiàng)則由介質(zhì)的力學(xué)特性所決定。隨機(jī)項(xiàng)又可分解為一系列幅值和頻率不同的諧波分量。認(rèn)為：車(chē)輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制中所針對(duì)的主要

9、是負(fù)荷的靜態(tài)趨勢(shì)項(xiàng)以及動(dòng)態(tài)隨機(jī)項(xiàng)中的低頻大幅值分量(1HZ以?xún)?nèi))。 3.全面總結(jié)了迄今為止的工程車(chē)輛牽引動(dòng)力學(xué)研究所取得的成果以及存在的問(wèn)題，認(rèn)為：利用調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)供油量提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的方法在調(diào)速區(qū)段比較有效，但受到發(fā)動(dòng)機(jī)冒煙界限的限制而不能解決非調(diào)速段的適應(yīng)問(wèn)題，且因頻繁快速調(diào)節(jié)會(huì)降低調(diào)速供油系統(tǒng)的可靠性與壽命；利用機(jī)械自動(dòng)換檔的方法會(huì)因循環(huán)作業(yè)機(jī)械負(fù)荷周期較短而使動(dòng)力頻繁中斷，也會(huì)降低換檔機(jī)構(gòu)的可靠性與壽命。 4.認(rèn)

10、為：由變量泵——變量馬達(dá)組成的液壓無(wú)級(jí)變速裝置，在進(jìn)行良好的參數(shù)匹配并選擇合理的控制方法后可以在較大的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)可靠、高效、快速地進(jìn)行負(fù)荷調(diào)節(jié)，使發(fā)動(dòng)機(jī)在額定功率點(diǎn)附近按靜態(tài)工況工作，使機(jī)器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。 5.提出：車(chē)輛系統(tǒng)調(diào)節(jié)的負(fù)荷對(duì)象是負(fù)荷過(guò)程中的靜態(tài)趨勢(shì)項(xiàng)以及動(dòng)態(tài)隨機(jī)項(xiàng)中的低頻分量，而高頻分量則采用一組不同頻率的蓄能器進(jìn)行吸收、過(guò)濾、并重新利用，這一方法簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制原理，對(duì)提高調(diào)節(jié)元件的可靠性以

11、及能量重新利用均有幫助。 6.建立了發(fā)動(dòng)機(jī)變轉(zhuǎn)速，液壓泵、液壓馬達(dá)變排量的車(chē)輛系統(tǒng)的非線性動(dòng)態(tài)模型；提出了發(fā)動(dòng)機(jī)與液壓系統(tǒng)之間的參數(shù)匹配與控制方法，即根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)負(fù)荷曲線以及液壓系統(tǒng)的負(fù)荷壓力進(jìn)行液壓泵排量控制；提出了液壓馬達(dá)與負(fù)荷之間的參數(shù)匹配與控制方法，即利用負(fù)荷壓力進(jìn)行馬達(dá)排量調(diào)節(jié)，可以有效控制液壓裝置的工作壓力范圍，保證系統(tǒng)的傳動(dòng)效率與可靠性。 7.提出了工程車(chē)輛液壓元件工作壓力與工作轉(zhuǎn)速的選擇與匹配方法。即

12、以元件最高標(biāo)定壓力Pm為基礎(chǔ)，取額定匹配壓力為PH=(0.5～0.6)Pm，采用這種降額匹配方法，可以保證元件具有較好的傳動(dòng)效率，合理的工作壽命與成本；將元件的工作轉(zhuǎn)速用到極限而不降額，有利于降低成本且可保證性能，并取車(chē)輛制動(dòng)工況作為元件極限轉(zhuǎn)速的校核工況；拓展液壓馬達(dá)的低轉(zhuǎn)速工作域?qū)U(kuò)大車(chē)輛的調(diào)節(jié)范圍有著重要意義。 8.提出了對(duì)馬達(dá)采用三段式的壓力排量控制方法：即在低壓區(qū)和高壓區(qū)采用定排量工作，系統(tǒng)采用流量耦合工作方式與變量泵

13、——定量馬達(dá)控制原理，在額定壓力附近的中壓區(qū)采用恒壓耦合二次調(diào)節(jié)原理。這一三段式工作方式可以使液壓系統(tǒng)分段線性化，使控制方式簡(jiǎn)單化。 9.將二次型優(yōu)化理論引入車(chē)輛液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制校正，并對(duì)時(shí)域優(yōu)化設(shè)計(jì)理論方法進(jìn)行論述，一改經(jīng)典控制論中的頻域經(jīng)驗(yàn)法，更適宜于數(shù)值分析與計(jì)算，適應(yīng)車(chē)輛系統(tǒng)的在線動(dòng)態(tài)過(guò)程控制。 10.提出了用優(yōu)化控制模型作為參考模型的車(chē)輛液壓系統(tǒng)的簡(jiǎn)化模型自適應(yīng)控制方法。 11.提出了采用2～3組不同固

14、有頻率和充氣壓力的蓄能器作為車(chē)輛液壓系統(tǒng)波動(dòng)壓力過(guò)濾裝置的設(shè)想和方法。 12.提出了用液壓車(chē)輛模擬驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與恒壓二次調(diào)節(jié)加載系統(tǒng)以及測(cè)控系統(tǒng)組成液壓車(chē)輛性能試驗(yàn)臺(tái)的方法，并建立了試驗(yàn)臺(tái)，完善了車(chē)輛液壓動(dòng)力學(xué)的研究手段。 13.利用雙泵、雙馬達(dá)與中間齒輪可以分離接合的齒輪箱構(gòu)成液壓車(chē)輛模擬驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，這是一種結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的可以模擬所有車(chē)輛液壓驅(qū)動(dòng)方式的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)。 14.認(rèn)為傳統(tǒng)的車(chē)輛靜態(tài)參數(shù)匹配方法及利用行走元件打滑限