全液压转向系统的动态特性仿真
王小明1，张海1，邓建明2，包晓敏1
【摘 要】摘要：分析了双向缓冲负荷传感大流量放大全液压转向系统的工作原理及系统的元件组成。根据系统的工作原理，在MSC.Easy5仿真软件中，建立了各个元器件的仿真模型，并根据各组成部分的关系建立了整个转向系统的仿真模型。结果表明：该转向系统可以使转向器输出流量放大4倍，并且具有双向缓冲和转向稳定的良好性能。这些结论对进一步的产品升级和优化设计具有非常重要的指导意义和参考价值。 【期刊名称】机床与液压 【年(卷),期】2012(040)017 【总页数】4
【关键词】全液压转向器;动态特性;仿真
全液压转向器作为一种输出功率较大的全助力转向器，广泛应用于小型汽车、铰接工业车辆 （如装载机、平地机、木材搬运车等）、自行式农业机械 （如拖拉机、联合收割机等）以及各种船舶。该转向器可以使驾驶人员用较小的操纵力控制较大的转向力，并且在转向性能上具有安全、可靠、操纵灵活、轻便的独特优势，因而有较大的市场需求。而全液压转向系统主要由液压泵、全液压转向器、优先阀、转向动力油缸和组合阀块等部分组成，其中至少有两部分之间没有机械联系。目前，对液压系统动态特性的研究，一般先建立表征系统动态性能的数学模型 （即动态模型），然后展开数学模型求解，最后通过相应的软件进行仿真分析。目前，主要的建模方法有以下几种：解析法建模、状态空间法建模、功率键合图法建模、电液模拟建模、模块化建模。
文中将详细介绍如何利用模块化建模方法建立双向缓冲负荷传感大流量放大全液压转向系统油路的模型，并对其进行仿真研究。
1 双向缓冲负荷传感大流量放大全液压转向系统结构分析
双向缓冲负荷传感大流量放大全液压转向系统是由双向缓冲负荷传感大流量放大全液压转向器 （简称SHTLF型全液压转向器）、优先阀、转向泵、转向油缸、组合阀块及液压油源单元等元件组成，是一种既具有流量放大功能，又具有转向负荷传感功能，并能实现双向缓冲的液压转向系统。该系统转向过程稳定，又能通过提高流量放大倍数，减小液压泵的排量，实现节能的目的。
（1）SHTLF型全液压转向器如图1所示，由控制流量放大的转阀和计量马达组成。该转向器的控制转阀由阀盖2、阀体13、阀套15、阀芯6、联轴节5、组合扭转弹片16等零件组成。阀芯6在方向盘1的带动下转动，阀套15在组合扭转弹片16的作用下与阀芯建立连接。如剖视图A-A所示，计量马达即摆线计量装置的定子18固定在阀体上，转子17在联轴节5和销轴3的作用下与阀套建立连接。在阀体13上的进油口P、回油口T、右转向油口R和左转向油口L，PP油口为主控油口、LS为负荷传感口。在阀体的圆柱工作面上设有与之对应的T口油槽14、L口油槽12、R口油槽11、P口油槽10、PP口油槽9、LS口油槽8，摆线计量装置的进回油孔7。PP口油槽与P口油槽及进油口P相通，为避免P口油槽的油反串到PP口油槽，在进油口P与P口油槽间设置了一个单向阀4。阀套15和阀芯6上开有多条油槽和多组油孔。阀芯6与阀套15的槽和孔相互配合组成转向器的内部油路，并在各油路的端口形成相应的节流口。方向盘转动时，通过改变阀套和阀芯之间的相对转角，可使各个节流口处于不同的通流面积，使得转向器具有变流量输出的特性。
（2）优先阀由阀体、阀芯、控制弹簧、安全阀组成。设有P、CF、EF、LS、PP、T油口。P口为进油口，与油泵连接;CF口为出油口，与组合阀块的进油口P相连接;EF口为去工作液压系统油口，接主机工作油路;LS口为传感口，与转向器传感口相连;T口为回油口，与液压油箱相连接;PP口为主控口，与转向器PP口相连。由PP口与LS口的压差来控制阀芯的工作位置，可以根据铰接工业车辆转向及作业的实际需要进行油源的流量分配，并能按轴向油路要求优先分配流量，如图2所示。
（3）液压动力油液从SHTLF型全液压转向器输出，输入给转向油缸，液压能转化成推动转向轮转动的动能。如图3（a）所示，为两个单出杆缸对称连接组成的液压转向油缸的连接形式。当向右转动方向盘时，液压动力油液进入左边转向油缸的有杆腔和右边转向油缸的无杆腔，推动转向油缸活塞向右移动，使车轮向右倾斜转动。在文中，为了使建模更加简便，将转向油缸装置等效为如图3（b）所示的双出杆缸。
2 基于MSC.Easy5的SHTLF型全液压转向系统动态仿真模型的建立
液压转向系统仿真模型的建立包括以下几个方面：创建模型、选择模型的类型、设置模型参数。作者将先对液压元件进行建模，然后对整个系统进行模型连接。 2.1 建模具体步骤
（1）从MSC.Easy5软件的液压库中选取相应的液压元件模型;若没有合适的模型，可以根据液压元件的原理，在各个库中选取原理级部件进行搭建。 （2）用MSC.Easy5软件中的相应信号代替系统中的负载。
（3）按照液压转向系统原理图，用管道将液压元件模型和负载信号连接起来，
形成整个液压转向系统的仿真模型，并参照设计要求设置各个管道的具体参数。 （4）系统的动态仿真模型建好之后，设置不同的参变量进行反复仿真并记录结果。
2.2 主要模块建模 （1）液压源模型
液压转向系统的工作动力由液压源提供。如图4所示，在MSC.Easy5液压库（Hydraulic Library）中选用定排量液压单元模型PD，能够提供稳定的压力与流量。该模型与溢流阀 （RF）、油箱 （TN）、滤油器（FI）等元件模型搭建组成整个液压转向系统的液压油源。液压油源通过液压油管与工作元器件连接。 （2）优先阀模型
选用MSC.Easy5中的液压元件库模型，建立优先阀的模型，如图4所示。模型中共有1、4、5三个输入通口，2、3两个输出通口。输入通口1为容性通口，与液压源供油油路相连;通口4、5为信号通口，通口4外接转向器的C2变节流口的输出端，将压力信号传递给优先阀负荷敏感腔LS口;通口5外接转向器的C1节流口的输出口，将压力信号传递给优先阀的PP口。 （3）转向器的模型
模型由控制油路、放大油路、双向缓冲油路以及负荷传感油路的模型搭建而成。其中右边两个变截面节流孔单元中间的输出端口6连接优先阀的LS传感口，输出端口5连接优先阀的PP油口。上述两条油路组成负荷传感油路，将转向器压力流量变化传递给优先阀，如图4所示。
3 SHTLF型全液压转向系统动态仿真分析及改进
SHTLF型全液压转向系统的动态特性研究是在方向盘不同的转动情况下，分析
转向器的流量放大性能、转向系统负荷传感、双向缓冲性能及系统的稳定性。 仿真时设定方向盘以n=60 r/min的转速带动转向器阀芯转动时，在模型中以其角速度=6.283 rad/s为阶跃输入信号，则可得转向系统阶跃输入信号曲线 （如图5所示）、SHTLF型全液压转向器输出流量曲线 （如图6所示）。 由图6可以看出：在转向起始阶段，仿真曲线都会出现剧烈振荡。分析其原因为：控制节流口和放大节流口的通流面积增加过快，造成转向起始阶段节流口的开度变化幅度过大，转向器内部流量和压力产生冲击和振动。同时当方向盘以n=60 r/min的转速转动时，该转向器额定排量可以达到1 250 mL/s，已知优先阀的额定排量为250 mL/s，其流量输入给转向器，可知该转向器的排量提高了4倍。
为了消除这一影响，在保证转向器额定输出流量为1 250 mL/s和4倍流量放大的基础上，经过反复修改尺寸和计算，对C8节流口的结构进行优化设计。改进后阀芯上的槽45宽度增加为5 mm，阀套上的孔38由两个半圆孔和一个长方形孔组合而成。
再次进行仿真，得到SHTLF型全液压转向器输出流量曲线 （如图7所示）和液压油缸活塞位移速度 （如图8所示）。对比图6和7可得：改进后的转向系统在转向起始阶段振动明显减弱，表明该转向器的结构改进在理论上是可行的。
4 总结
液压转向系统是工程机械中重要的组成部分，其流量放大倍数、缓冲能力和稳定性等静动态特性直接影响到整机的工作性能。以双向缓冲负荷传感大流量放大全液压转向系统为研究对象，基于MSC.Easy5仿真软件，建立了各个元器件的仿真模型，并根据各组成部分的关系建立了整个转向系统的仿真模型。通
全液压转向系统的动态特性仿真
