提梁机多轮同步转向系统数模混合控制方案的AMESim仿真分析

摘要：为了探索更经济有效的同步转向控制新方案，提高性价比，多轮工程机械转向系统采用数模混合控制方案来代替原有的单纯的电液比例控制方案，利用AMESim软件对新方案进行建模和仿真，验证了新方案可以满足同步要求以及高速开关阀的频率影响着系统的精度和性能。

关键词：同步转向系统；数模混合控制；高速开关阀；AMESim仿真；

中图分类号：TU61文献标识码：A

引言：

近些年来，专用汽车和工程车辆逐渐向大型化和重型化方向发展，使得重型和超重型车辆成为研究热点。特别是随着中国高铁建设的加速，高架桥的建设离不开运梁车，提梁机等大型工程机械，这些大型工程机械轮组众多，转向同步要求精度高。多轮同步转向系统的主要优点是在转向时能够保持车辆质心侧偏角基本为零，改善横摆角速度和侧向加速度的瞬态性能指标，使转向更平稳精确。因此对多轮同步转向系统的研究具有重要意义。

多轮同步转向系统的原理

要实现多轮转向同步，这就要求各轮在转向时中心线要汇交于提梁机的回转中心上，车辆绕着这个回转中心转动，多轮同步转向原理图如图1所示。

图1多轮同步转向原理图

以DLT900轮胎式提梁机的多轮转向机构左转5度为例，通过机构尺寸可计算出轮组间的同步关系，取其中两个轮组同步曲线进行分析。图2为DLT900轮组同步转向原理图，图3为轮组机构图。

图2DLT900轮组同步转向原理图

图3DLT900轮组转向机构图

设转向推动缸11（轮组11的转向执行元件）匀速缩回，在5秒内转过5度，则此时转向推动缸缩短44.15 mm，转向推动缸活塞直径为135 mm，活塞杆直径为90 mm，有杆腔工作，通过相关计算可以得出轮组11,12理想的转角同步曲线为如图4所示。

图4轮组1、2理想转角同步曲线

数模混合控制方案分析

2.1数模混合控制液压系统原理图

多轮转向系统一般都是LUDV系统，系统使用最多的控制阀是带压力补偿的电液比例换向阀（例如力士乐的M4、M7系列），这类阀可以在负载变化或压力源变化的情况下输出恒定的流量，性能优异，但价格昂贵。数模混合控制方案是在原系统的基础上进行改进，通过一个主换向阀加两个或多个高速开关阀的模式控制两个或多个转向推动缸代替原有的一个换向阀联控制一个转向推动缸的模式，利用比例阀模拟控制与高速开关阀数字控制相结合的形式，简称数模混合控制。

图5多轮同步转向数模混合控制液压系统

数模混合控制方案以主换向阀联加两个高速开关阀控制两个转向推动缸为例，通过先粗调后精调的模式达到控制目的。首先利用主换向阀调节供给两个转向推动缸的油量，再通过两个高速开关阀的开关动作调节分配到两个推动缸的流量，进而达到控制两个转向推动缸同步的目的，完成粗调的任务，当轮组基本达到所要转向的角度范围时，利用主换向阀与转角编码器的闭环控制，通过高速开关阀分别精调各个轮组，使之精确达到同步位置。

2.2数模混合控制方案控制流程

多轮工程机械在实际应用中，各轮组负载和速度可能都不相同。因此还以DLT900两个轮组同步转向为例，两个转向推动缸的负载不一样，转向的角度也可能不相同，因此不可避免的会出现速度差，为了满足同步要求，两个轮组的转向角度必须满足对应关系。数模混合控制方案的基本控制流程是：主控制阀控制输入的总流量，两个高速开关阀通过开关控制分配到各个转向推动缸上面的流量。数模混合控制方案流程如图6所示。

图6数模混合控制方案控制流程

数模混合控制方案AMESim仿真分析

3.1 数模混合控制方案AMESim建模

AMESim 为多学科领域复杂系统建模仿真解决方案，引领着世界协同仿真之路。AMESim提供了一个系统工程设计的完整平台，使得用户可以在一个平台上建立复杂的多学科领域系统的模型，并在此基础上进行仿真计算和深入的分析。

在AMESim中的Sketch模式下对DLT900两转向推动缸纵行左转5度进行建模分析，则数模混合控制方案模型如图7所示。

图7数模混合控制方案AMESim建模图

3.2 数模混合控制方案仿真分析

进入AMESim中的Parameter模式对系统主要元件的初始参数设定如下：Q流量为8.426 L/min，高速开关阀流量20 L/min，液压缸活塞直径135 mm，活塞杆直径90 mm。取控制流程中的允许偏差限k为0.1度，分别设定高速开关阀开关频率为5 Hz、10 Hz、20 Hz、100 Hz，在此四种情况下两轮组的同步仿真曲线如图8所示。

a）5Hz时的仿真曲线

b）10Hz时的仿真曲线

C）20Hz时的仿真曲线

d）100Hz时的仿真曲线

图8轮组同步转向仿真曲线

通过轮组同步转向仿真曲线可以得出结论：高速开关阀频率越高，控制性能越好，当高速开关阀频率达到20 Hz以上时，系统控制性能可以看出已经基本符合同步要求。

将在高速开关阀开关频率为20 Hz、100 Hz时的轮组转角同步仿真曲线与理想转角同步曲线进行对比分析，可得出：在仿真状态下，数模混合控制方案不可避免的会出现一定的同步偏差，同步关系达不到理想状态；但也可以看出，在仿真状态下，两轮组的同步偏差并不大，因此可以认为控制效果满足要求。

结语

数模混合控制为多轮同步转向控制系统提供了新的方法，AMESim的建模仿真得出高速开关阀的开关频率直接影响着系统的控制性能，当频率高于20 Hz时可以满足控制要求。数模混合控制方案采用廉价的高速开关阀，明显减少了多轮控制系统对高性能的主换向阀的需求数量，提高了性价比，因此数模混合控制方案具有很高的理论意义和实用价值。

参考文献：

[1]王海．900T提梁机的设计与实现[D]．同济大学：机电工程学院，2007（3），4-7．

[2]盛选禹，唐守琴等．CATIA有限元分析命令详解与实例[M]．北京: 机械工业出版社，2005．

[3]董保利，左曙光，吴旭东等．轮胎均匀磨损建模与仿真[J]．计算机仿真．2009，26（2）: 274-277．