工程車輛液壓動力學關鍵問題的理論研究與試驗臺建設.pdf

1、論文根據(jù)工程車輛牽引動力學存在的問題，試圖構建一個新的框架——工程車輛液壓動力學與控制的理論系統(tǒng)，提出關鍵問題，探討研究方法，希望能為從事工程車輛理論以及液壓動力學與控制研究的人員提供一份參考，解決液壓驅動工程車輛的整體參數(shù)匹配與控制理論方面的問題。 工程車輛牽引動力學的基本任務是在動力性、燃料經(jīng)濟性、作業(yè)生產(chǎn)率等綜合性能指標約束條件下，研究車輛牽引系統(tǒng)各單元部件——發(fā)動機、傳動系、行走機構、工作裝置的工作性能，建立車輛牽引系統(tǒng)

2、的動力學模型，通過對該動態(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、輸出和動態(tài)控制理論，使車輛在外部動態(tài)負荷與變化的地面條件下實現(xiàn)其最高綜合性能。 由于傳統(tǒng)的機械與液力機械傳動車輛過程控制性能的固有缺陷，牽引動力學盡管從發(fā)動機控制、車輛機械自動變速控制、工作裝置極限負荷與生產(chǎn)率控制等方面進行了大量研究，但仍然難以解決在快速大波動負荷作用下車輛非線性牽引系統(tǒng)的最優(yōu)性能控制問題。采用在大變速比范圍內具有無

3、級、高效、快速調節(jié)能力的液壓傳動裝置將是解決牽引式工程車輛牽引系統(tǒng)最優(yōu)性能控制的有效措施。 論文從對工程車輛牽引特性和性能指標要求的分析入手，將各種工程車輛分為牽引型和非牽引型兩類：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)機械負荷為劇烈波動的非平穩(wěn)隨機過程，連續(xù)作業(yè)機械負荷為劇烈波動的平穩(wěn)隨機過程，發(fā)動機與牽引系統(tǒng)均為全功率(或主要功率)匹配，由于無作業(yè)質量要求，這類車輛牽引系統(tǒng)采用恒功率與變功率速度自適應控制方式；后者為

4、連續(xù)作業(yè)方式，負荷為波動較小的平穩(wěn)隨機過程，發(fā)動機與牽引系統(tǒng)為部分功率匹配，對作業(yè)質量的優(yōu)先要求使這類車輛牽引系統(tǒng)采用恒速控制方式。非牽引車輛驅動系統(tǒng)由于結構和控制原理比較簡單，將其作為牽引車輛的特例處理，不作專門討論，全部工程車輛的牽引動力學問題歸結為牽引式車輛的動力學范疇。 論文總結了牽引車輛動態(tài)負荷特性方面的研究成果和工程車輛靜態(tài)參數(shù)合理匹配方面的成果，分析了傳統(tǒng)牽引動力學領域20多年來的研究現(xiàn)狀、成果及存在問題，提出了將

5、液壓傳動與控制技術引入工程車輛牽引驅動系統(tǒng)的必要性、可能性，并對由此形成的新學科——工程車輛液壓動力學的基本問題進行了理論分析和研究，這些問題主要歸結為： 1.液壓驅動車輛的系統(tǒng)結構與控制方式； 2.發(fā)動機與液壓系統(tǒng)的參數(shù)匹配與控制原理——系統(tǒng)最優(yōu)輸入問題； 3.液壓系統(tǒng)與負荷的參數(shù)匹配與控制原理——系統(tǒng)最優(yōu)輸出問題； 4.液壓驅動車輛行走機構動態(tài)滑轉特性與控制方法——生產(chǎn)率控制問題； 5.液壓驅

6、動與控制系統(tǒng)的數(shù)學模型與校正原理——系統(tǒng)動態(tài)性能問題。 數(shù)學分析與物理模擬相結合的方法是研究工程車輛液壓動力學問題的必要與有效方法。著作在上述理論分析與研究的基礎上，提出了通過室內性能模擬試驗臺來進行車輛液壓動力學關鍵問題研究的方法，對試驗臺的功能結構、工作原理、系統(tǒng)特性進行了分析與仿真研究，試驗臺在特征工況下的試驗特性，表明由液壓車輛模擬驅動系統(tǒng)與加載系統(tǒng)以及測控系統(tǒng)結合組成的綜合試驗臺，可以完成多種液壓驅動工程車輛的上述液壓

7、動力學與控制理論方面的研究課題。 論文對車輛牽引動力學進行的全面綜述，以及對車輛液壓動力學領域中關鍵問題進行的討論，都只是理論分析研究，在此基礎上建立的試驗臺也只是一種工具，大量的實際研究還有待于進一步開展，著作對這一學科領域構想的框架以及給出的基本思想和方法可能會有不合理成分，這些也有待于在以后的研究中逐步解決并完善。 論文的新觀點在于： 1.將種類繁多的工程車輛根據(jù)性能要求與工作原理分為牽引與非牽引型兩類，前

8、者牽引系統(tǒng)實行恒功率與變功率速度自適應調節(jié)，后者實行恒速調節(jié)，并將后者作為前者特例看待，這一分類與概括明確了牽引動力學的研究對象與內容并使其理論普遍化。 2.對工程車輛工作負荷進行的研究表明，各類工程車輛的工作負荷均可分解為一確定的趨勢項(靜態(tài))與均值為零的隨機項(動態(tài))之和。趨勢項主要取決于車輛的工作特性，而隨機項則由介質的力學特性所決定。隨機項又可分解為一系列幅值和頻率不同的諧波分量。認為：車輛驅動系統(tǒng)調節(jié)控制中所針對的主要

9、是負荷的靜態(tài)趨勢項以及動態(tài)隨機項中的低頻大幅值分量(1HZ以內)。 3.全面總結了迄今為止的工程車輛牽引動力學研究所取得的成果以及存在的問題，認為：利用調節(jié)發(fā)動機供油量提高系統(tǒng)動態(tài)性能的方法在調速區(qū)段比較有效，但受到發(fā)動機冒煙界限的限制而不能解決非調速段的適應問題，且因頻繁快速調節(jié)會降低調速供油系統(tǒng)的可靠性與壽命；利用機械自動換檔的方法會因循環(huán)作業(yè)機械負荷周期較短而使動力頻繁中斷，也會降低換檔機構的可靠性與壽命。 4.認

10、為：由變量泵——變量馬達組成的液壓無級變速裝置，在進行良好的參數(shù)匹配并選擇合理的控制方法后可以在較大的調節(jié)范圍內可靠、高效、快速地進行負荷調節(jié)，使發(fā)動機在額定功率點附近按靜態(tài)工況工作，使機器系統(tǒng)實現(xiàn)最優(yōu)的動力性與經(jīng)濟性指標。 5.提出：車輛系統(tǒng)調節(jié)的負荷對象是負荷過程中的靜態(tài)趨勢項以及動態(tài)隨機項中的低頻分量，而高頻分量則采用一組不同頻率的蓄能器進行吸收、過濾、并重新利用，這一方法簡化了系統(tǒng)結構和控制原理，對提高調節(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)動機變轉速，液壓泵、液壓馬達變排量的車輛系統(tǒng)的非線性動態(tài)模型；提出了發(fā)動機與液壓系統(tǒng)之間的參數(shù)匹配與控制方法，即根據(jù)發(fā)動機的目標負荷曲線以及液壓系統(tǒng)的負荷壓力進行液壓泵排量控制；提出了液壓馬達與負荷之間的參數(shù)匹配與控制方法，即利用負荷壓力進行馬達排量調節(jié)，可以有效控制液壓裝置的工作壓力范圍，保證系統(tǒng)的傳動效率與可靠性。 7.提出了工程車輛液壓元件工作壓力與工作轉速的選擇與匹配方法。即

12、以元件最高標定壓力Pm為基礎，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效率，合理的工作壽命與成本；將元件的工作轉速用到極限而不降額，有利于降低成本且可保證性能，并取車輛制動工況作為元件極限轉速的校核工況；拓展液壓馬達的低轉速工作域對擴大車輛的調節(jié)范圍有著重要意義。 8.提出了對馬達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，使控制方式簡單化。 9.將二次型優(yōu)化理論引入車輛液壓系統(tǒng)進行控制校正，并對時域優(yōu)化設計理論方法進行論述，一改經(jīng)典控制論中的頻域經(jīng)驗法，更適宜于數(shù)值分析與計算，適應車輛系統(tǒng)的在線動態(tài)過程控制。 10.提出了用優(yōu)化控制模型作為參考模型的車輛液壓系統(tǒng)的簡化模型自適應控制方法。 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輛液壓系統(tǒng)波動壓力過濾裝置的設想和方法。 12.提出了用液壓車輛模擬驅動系統(tǒng)與恒壓二次調節(jié)加載系統(tǒng)以及測控系統(tǒng)組成液壓車輛性能試驗臺的方法，并建立了試驗臺，完善了車輛液壓動力學的研究手段。 13.利用雙泵、雙馬達與中間齒輪可以分離接合的齒輪箱構成液壓車輛模擬驅動系統(tǒng)，這是一種結構最簡單的可以模擬所有車輛液壓驅動方式的創(chuàng)新結構。 14.認為傳統(tǒng)的車輛靜態(tài)參數(shù)匹配方法及利用行走元件打滑限