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工程机械大惯性负载起制动平稳性的研究

2024-08-06 12 上传者：管理员

摘要：为了解决工程机械在大惯性负载下的起制动问题，提出相应的改善方法，针对大惯性负载起制动时出现的冲击、振动和失速等问题，采用高性能节流阀和溢流阀的组合应用进行系统优化。通过节流阀精确控制流量，实现执行机构的平稳加速和减速。结果表明，经过优化后的液压系统在大惯性负载下表现出优异的起制动平稳性。挖掘机在制动过程中无明显冲击、振动和失速现象，系统温度和压力保持稳定，可解决工程机械大惯性负载起制动平稳性的问题。

关键词：
作业效率
制动平稳性
大惯性负载
工程机械
紧急制动
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工程机械在作业过程中，经常需要面临快速启动和紧急制动的情况。由于其大质量和大惯性的特点，起制动过程中往往会产生较大的冲击和振动，这不仅影响了工程机械的作业效率，还可能对机械结构造成损伤，降低其使用寿命[1]。因此，如何提高工程机械大惯性负载的起制动平稳性，减少冲击和振动，是工程机械领域急需解决的问题。

1、大惯性负载起制动问题分析

大惯性负载在起制动过程中，由于执行器出油侧的流量与操作量之间的差异，会形成较大的压力冲击[2]。由于系统阻尼比小，执行器速度在达到零后会产生波动，且波动衰减慢，这不仅影响了制动过程的平稳性，还延长了调节时间。在紧急制动时，执行器出油侧的压力可能趋于无穷大，给系统带来极大的压力冲击。

为了解决这个问题，采用了先进的压力控制技术。在紧急制动时，自动调节执行器出油侧的压力，使其保持在合理的范围内。减少系统受到的压力冲击，进一步增强系统可靠性。

2、大惯性负载起制动问题改善方法

2.1降低安全阀调节压力

大惯性负载调整安全阀的设定压力，减少系统在紧急制动时出油侧压力趋近无穷大的风险。降低安全阀的调节压力有助于保护系统免受过高压力的损害，安全阀在系统压力超过设定值时自动开启，释放多余压力，保护系统安全[3]。在大惯性负载起制动过程中，由于压力冲击和流量波动的影响，安全阀可能会频繁开启或关闭。压力冲击通常是由于流体在短时间内的加速或减速引起的。在大惯性负载起制动过程中，这种压力冲击可以通过流体的动量变化来估算。公式如下：

ΔP=ρaΔt(1)

式中，ΔP为压力冲击的大小；ρ为流体的密度；a为流体的加速度；Δt为加速度作用的时间。

降低安全阀调节压力，减小系统在起制动过程中的压力冲击和流量波动，调整安全阀的开启压力，让该设备缩短安全阀的使用寿命，减小系统在起制动过程中的压力冲击与流量波动，让该阀能够在系统压力达到一定值时再开启，从而避免频繁开启或关闭造成的系统不稳定。

根据系统的实际工作压力和工作条件，通过旋转调整螺杆改变弹簧预紧压缩量来精确调整安全阀的开启压力。在调整过程中，应注意避免旋转调整螺杆时阀瓣跟着旋转而损伤密封面。加阻尼器、改变系统结构或使用阻尼材料等方式增加系统阻尼比，加快波动衰减的速度，缩短调节时间。安全阀的开启压力可以通过调整弹簧的预紧压缩量来实现。弹簧的预紧力与安全阀的开启压力直接相关。弹簧的预紧力公式可以表示为：

Fpre=kx(2)

式中，Fpre为弹簧的预紧力；k为弹簧的刚度系数；x为弹簧的压缩量。

安全阀的开启压力与弹簧的预紧力成正比，通过旋转调整螺杆，可以改变弹簧的压缩量，从而调整弹簧的预紧力。增加系统阻尼比可以加快波动衰减的速度，缩短调节时间。阻尼比( \zeta)是系统阻尼与临界阻尼的比值，可以表示为：

式中，c为系统的阻尼系数；k为系统的刚度系数；m为系统的质量。

波动衰减的速度可以通过阻尼比来量化。具有较大阻尼比的系统将更快地衰减波动。波动衰减的速度与系统的自然频率和阻尼比有关，可以用以下公式表示波动衰减的时间常数：

其中，自然频率自然频率是描述一个振动系统在没有外部激励的情况下，自身振动的频率。它是由系统的固有属性决定的，与外部因素无关。在物理学中，自然频率是振动系统固有振动频率的简称，也称为固有频率或自然频率。自然频率是振动系统内部的一种固有属性，它决定了系统在没有任何外部激励的情况下振动的快慢。自然频率可表示为：

通过增加阻尼比，减小波动衰减的时间常数，从而加快衰减的速度，缩短调节时间。

根据系统的实际工作条件和要求，合理选择安全阀的类型和规格，定期对系统进行维护和保养，保持系统清洁干燥，避免杂质和水分进入系统造成堵塞或腐蚀。为确保安全阀的正常运行和有效性，需定期进行检测和校验。检测和校验应该由专业人员进行，准确地评估安全阀的性能和状态。在检测和校验过程中，观察安全阀的外观、检查密封性能、测试开启压力等参数，以确保安全阀符合相关标准和规定的要求。在安装和使用过程中，应该注意避免碰撞和过度磨损，以保护安全阀不受损坏。定期进行检测和校验，关注安全阀的材料和制造质量，以及避免碰撞和过度磨损。

2.2输入信号的低通滤波

大惯性负载对输入信号进行低通滤波处理，平滑操作量的变化，减小因快速变化的操作量导致的流量差异和压力冲击。滤除高频噪声和突变信号，低通滤波器能够使执行器的响应更加平稳，从而提高制动过程的平稳性[4]。一阶惯性滤波，常见的是RC电路，属于低通滤波器，加运算放大器就构成了有源低通滤波器。可大于截止频率的信号衰减，低于截止频率的通过。主要是用来滤除噪声。一阶惯性滤波器在电路中常常表现为RC电路的形式。其传递函数可以表示为：

式中，H(s)为传递函数；R为电阻；C为电容；s为复频率。

在时域中，一阶低通滤波器的响应可以近似表示为指数衰减的形式。对于阶跃输入信号，输出将按照指数曲线逐渐上升至输入值。在时域中，一阶低通滤波器的响应近似表示为指数衰减的形式，这是由于滤波器内部元件的物理特性和电路的传递函数决定的。对于阶跃输入信号，由于滤波器的阻尼效应，输出信号不会立即达到输入值，而是按照指数曲线逐渐上升。这个过程可以用数学公式来表示，通常为一阶微分方程或差分方程。一阶低通滤波器在信号处理和控制系统等领域广泛应用，主要用于降噪和平滑信号。其响应除了常见的指数衰减外，还可能是分段线性或分段指数等类型，具体取决于电路元件的参数和电路结构。

一阶低通滤波器的截止频率是指滤波器在某个特定频率点上的输出幅度下降到其最大值的一定比例时的频率。在电子工程和信号处理中，这个特性曲线通常是频率响应曲线。一阶低通滤波器的截止频率是一个关键参数，因为它决定了滤波器在高频信号的抑制程度。根据不同的应用场景，设计者需要根据需要选择适当截止频率的一阶低通滤波器。该滤波器截止频率可定义为：

低于截止频率的信号将基本无衰减地通过滤波器，而高于截止频率的信号将受到衰减。假设有一个RC电路，该电阻的截止频率如下：

RC电路的参数对截止频率有很大的影响。RC电路的截止频率是指电路的响应频率，即当信号频率降低到某一定值时，电路的输出幅度减小到无失真状态下的1/√2(即0.707倍)。在RC电路中，当电容的容抗与电阻的阻抗相等时，即XC=Xc=R,对应的频率即为截止频率。因此，截止频率f0=1/2πRC。对于不同的RC电路参数，截止频率也会有所差异。以下为常见的RC电路参数下的截止频率：

因此，RC电路的参数可以通过改变电阻和电容的值来调整截止频率的大小。RC电路可以根据需要选择合适的参数值，以获得所需的截止频率和响应速度。不同RC电路参数下的截止频率见表1。

表1不同RC电路参数下的截止频率

在实际应用中，根据系统需求和噪声特性，选择合适的电阻和电容值来设置截止频率，从而达到最佳的滤波效果。在需要更高性能滤波的场合，可在RC电路的基础上加入运算放大器，构成有源低通滤波器。有源滤波器不仅可以提供更为陡峭的滚降特性，放大信号，同时不增加额外的负载效应。

2.3增加系统阻尼比

大惯性负载增加系统的阻尼比，加快波动衰减的速度，缩短调节时间。改变系统结构或使用阻尼材料，以吸收和耗散制动过程中产生的能量波动[5]。在液压缸的两个工作腔之间安装一个节流器，这个节流器起到了限制流体流动速度的作用，从而增加了流体的阻力。这种阻力的增加就是提高液压阻尼比的过程。在确定旁通节流孔的具体参数时，本文采用了参数化仿真分析，对不同孔径的节流孔进行仿真，观察和分析系统稳定性的变化，在仿真过程中，设定了一系列不同孔径的节流孔作为实验参数，并将这些参数输入到建立的数学模型中。通过计算机模拟，观察到在不同孔径下，工作液压缸的活塞杆外伸速度、压力变化以及整个系统的动态响应。通过对比分析仿真结果。不同孔径的节流孔对液压缸性能的影响见表2。

表2不同孔径的节流孔对液压缸性能的影响

节流孔孔径(mm) 活塞杆外伸速度(m/s) 压力变化(MPa) 系统稳定性评估

随着节流孔孔径的增加，活塞杆的外伸速度逐渐减小，压力变化也逐渐降低。同时，系统稳定性评估显示，随着孔径的增加，系统的稳定性逐渐提高，波动逐渐减小。发现节流孔的孔径大小对系统的稳定性有着显著的影响。当节流孔孔径较小时，系统的阻尼比较大，能够有效地抑制振荡，提高系统的稳定性。当节流孔孔径较大时，系统的响应速度加快，但稳定性降低，容易发生振荡。在设计和使用节流孔时，需要根据实际需求进行权衡。如果需要提高系统的响应速度，可以选择孔径较大的节流孔。但同时需要注意，为了保持系统的稳定性，需要采取额外的措施，选择孔径较小的节流孔，以减小振荡的风险。

3、工程机械大惯性负载起制动平稳案例分析

本研究采用了一种综合方法，即在开中心节流回转液压系统中增加防反转阀和缓冲溢流阀，以提高回转启制动过程的平稳性。防反转阀的设计有效地防止了制动时的反转现象，而缓冲溢流阀则减小了启动时的液压冲击。本案例中，设计团队采用了高性能的节流阀，并将其与单向阀并联组合成单向节流阀。这种配置不仅简化了系统结构，还提高了流量的控制精度。通过精心调整节流阀的开度，设计团队实现了对挖掘机起吊和制动速度的精确控制。

在起吊过程中，节流阀逐渐打开，允许更多的液压油流入执行机构，让设备能够平稳加速。在制动过程中，节流阀逐渐关闭，限制液压油的流量，使执行机构平稳减速。溢流阀选用了直动型溢流阀和先导型溢流阀的组合方式。直动型溢流阀响应速度快，适用于高压小流量的场合；而先导型溢流阀则具有更好的稳定性和调节性能，适用于大流量高压力的场合。经过合理的设计，团队保留了该设备在制动过程中液压系统的压力稳定性。当系统压力超过设定值时，溢流阀会自动开启，将多余的液压油溢回油箱，从而避免系统过载和损坏。液压系统在承受大惯性负载时的测试数据见表3。

表3液压系统在承受大惯性负载时的测试数据

据表3所示，经过实际运行测试，该液压系统在承受大惯性负载时表现出了优异的性能。在起吊过程中，挖掘机能够平稳加速，无明显的冲击和振动；在制动过程中，挖掘机能够平稳减速，无明显的晃动和失速现象。在连续工作过程中，液压系统的温度和压力均保持在正常范围内，无明显的波动和异常。

在挖掘机的实际操作中，液压系统展现出了令人满意的响应速度。无论是操纵杆的动作还是工作装置的运动，均能迅速、准确地实现，提高了整体作业效率。在系统的维护方面，该液压系统表现出了良好的可靠性和稳定性。经过长时间的连续工作，系统的性能并未出现明显的衰退，减少了因维护和修理带来的停机时间，液压系统的简洁设计使得日常的清洁和保养变得简单易行，降低了维护成本。

4、结论

综上所述，通过采用高性能节流阀和溢流阀的组合应用，对工程机械大惯性负载下的液压系统进行优化，显著提高了起制动的平稳性。挖掘机等工程机械在起吊和制动过程中表现出优异的性能，无明显的冲击、振动和失速现象，且系统温度和压力保持稳定。这表明，所提出的改善方法有效解决了工程机械大惯性负载起制动平稳性的问题，该液压系统在承受大惯性负载时表现出了优异的性能，为挖掘机提供了稳定、高效的工作支持。其出色的响应速度、低噪音设计以及可靠稳定的性能使得该液压系统成为了挖掘机领域的佼佼者。

参考文献:

[1]王天义,田勇,徐凤乾,等.工程机械回转制动能量回收利用系统的研究综述[J].液压气动与密封,2022(010):042.

[2]李屹,郎召伟.考虑不确定性的制动器制动稳定性优化[J].机械工程师,2023(7):50-52.

[3]刘志强,王振,陈玉锦.电子机械制动器的建模,仿真和实验研究[J].机电工程,2023,40(4):9.

[4]陈俊.电动工程机械复合能源系统再生制动分段控制研究[J].通讯世界,2023,30(1):148-150.

[5]徐静茹,李亮,宋佳.考虑惯性耦合的两相介质动力反应显式数值计算方法[J].防灾减灾工程学报,2023,43(5):1009-1015.

文章来源:罗新华.工程机械大惯性负载起制动平稳性的研究[J].内燃机与配件,2024,(15):94-96.