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全地面起重机转向性能仿真和试验研究

张小江  
【摘要】:论文是在吉林大学校企合作项目“全地面起重机行驶可靠性研究及设计参数化软件开发(A)”(项目编号:200822010100145)、“全地面起重机行驶可靠性研究及设计参数化软件开发(B)”(项目编号:2009220101001350)和江苏省科技成果转化专项基金“大型移动式起重机研发与产业化”(项目编号:BA2007038)的资助下开展的,随着我国乃至全球范围内在能源、交通及基础建设等大型工程项目的蓬勃发展,全地面起重机的市场需求急剧增长。多轴转向系统作为大型专用车辆、工程机械等重大技术装备的主要组成部分,对提升这些重大技术装备的自主创新能力,增强国家经济实力具有重要的战略意义。当前国内对大型全地面起重机理论平台的搭建刚刚起步;转向技术正从机械式液压助力转向转变为液压助力转向和电控相结合;对安全转向模式的控制研究尚在摸索;对大型全地面起重机操纵稳定性试验研究没有先例,致使我国大型全地面起重机整体行业发展滞后,因此研究多轴车辆转向技术,实现车辆安全、可靠转向显得尤为重要。 论文在多轴转向车辆的操纵动力学模型、复杂系统虚拟样机仿真技术和试验研究、二次开发技术、多轴转向控制算法等几个方面进行了深入研究。 数学模型是工程实践的关键核心技术,是多轴车辆转向研究的基础。本文建立了多轴转向车辆线性二自由度模型和线性三自由度模型,推导了在满足阿克曼定律的条件下前轮转角到横摆角速度、质心侧偏角和车身侧倾角的传递函数以及这三者的稳态增益表达式,并得到车辆的稳定性系数表达式,得到了影响车辆转向稳定性的因素。分析了在零侧偏角控制策略的条件下,车辆的质心和转向中心在车身上投影距离的关系式。分别分析了在低速、高速条件下,前轮转向车辆、全轮转向车辆和电控转向对车辆的转向性能的影响。 在线性三自由度操纵动力学模型的基础上,建立了非线性三自由度模型,重点考虑轮胎侧偏刚度的非线性对车辆转向性能的影响,并进行了实例分析。 原地转向时轮胎与地面的摩擦阻力矩一般为行驶转向时的2-3倍。轮胎原地转向特性对转向系统设计匹配至关重要。针对原地转向阻力矩经验公式不能描述转向阻力矩和轮胎转角之间关系这一问题,对轮胎原地转向阻力矩进行了实车测试,并将“魔术公式”和Lugre模型引入原地转向阻力矩的分析中,得到了很好的一致性。试验和分析表明:轮胎原地转向阻力矩和车轮转角呈非线性关系,阻力矩随着车轮转角的增加逐渐增大,最终趋于一个定值。 针对全地面起重机在使用过程中出现部分转向杆件、转向横拉杆断裂和弯曲这一问题,对某七轴全地面起重机进行了原地转向实车测试和虚拟样机仿真,仿真结果和试验结果较为一致,找出了杆件受力的变化趋势。在不改变转向杆系参数保证车轮满足阿克曼定律的前提下,对转向油缸的尺寸和定位参数进行了优化设计,明显减低了转向杆系和转向横拉杆的受力状况,提高了转向杆系和转向横拉杆的可靠性。此种设计方法已被企业采用并成功的应用于其它起重机产品设计中。 液压助力转向系统是全地面起重机转向系统的重要组成部分。根据限流阀、选择阀和转向器的实际结构,建立了各自的虚拟样机仿真模型,分析了各自的性能,并进行了台架试验测试验证。在此基础上,建立了转向系统机液-体化虚拟样机仿真模型,并进行了原地转向实车测试,通过试验结果的验证,确定全地面起重机液压助力转向系统虚拟样机模型的正确性。 针对车辆原地转向和行驶转向所需的液压系统压力不同,当车轮转到“限位”位置时出现液压系统压力剧增、杆系受力发生突变这一问题,对液压助力转向系统进行了改进,并设计了相应的控制系统。 本文针对全地面起重机车辆的特点,利用AMESIM开发了液压助力转向系统的液压元件库,利用ADAMS开发了机械系统参数化建模和优化程序,在此基础上利用Visual Basic语言开发了全地面起重机转向系统设计仿真分析平台。大大提高了设计的效率和精度,提高了产品的可靠性。目前此设计仿真平台已被企业采用,并成功的应用到相应的产品的开发和分析中。 目前由于国内对大型多轴转向车辆的操纵稳定性的研究刚刚开始,整车试验研究还没有先例。本文在国内率先进行了全地面起重机的操纵稳定性进行整车试验,对某六轴全地面起重机进行了蛇行试验和稳态回转整车测试。并对该车进行虚拟样机仿真分析。为多轴转向车辆操纵稳性研究提供一定的参考依据。 为了减低多轴车辆轮胎磨损,对多轴转向车辆操纵模型进行了改进,通过对多轴车辆的任意两个车轴车轮的转角控制就可以控制其它车轴车轮的转角,把多轴转向车辆和两轴车辆操纵模型统一起来。两轴转向车辆的有些转向控制算法可以用于多轴车辆,提高了有些控制算法的通用性。对机械转向车辆引入横摆力矩控制方法,以改善包括机械转向车辆的转向性能。利用无静差跟踪控制理论,设计了三自由度多轴转向车辆的跟踪控制器,分析对比了该控制器对全地面起重机转向性能的影响。仿真结果表明,使用无静差跟踪控制器的全地面起重机具有很好的跟踪性能,可以根据实际需要来提高车辆的转向性能,保证了全地面起重机的安全性和操纵稳定性。 本文采用虚拟仿真分析和实车试验相结合的研究方法,深入研究了液压助力转向系统、复杂机械系统在转向过程中的性能。实现理论分析与试验相互验证、相互促进,为多轴转向车辆的设计提供了理论支撑,为多轴转向车辆操纵稳定性研究提供了一定的参考依据。


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