某型叉车静压传动系统动态特性研究

赵应生， 朱洁， 石磊， 聂广坤

（1.69325部队，新疆 喀什 844900；2.军事交通学院，天津 300161；3.信息工程大学，郑州 450001）

0 引言

叉车是仓储物资装卸搬运领域常用装备之一，主要用来进行取货、上架、堆垛等作业。采用静压传动方式的叉车同传统机械传动叉车相比，可获得更加良好的牵引特性，方便实现叉车的无级调速及微动行驶；在低速条件下具有更好的发动机负荷特性，能迅速及无冲击的变换行驶方向。除此之外还具有传动装置重量轻、体积小，操纵简捷、灵敏等优点。

叉车静压传动系统不但要满足额定工作情况下的静态特性，同时还应有良好的动态特性以适应不同的工况变化。考虑到叉车的工作环境和运行特点，其传动系统中的元件速度、动作和方向以及外界载荷均处于非稳定状态，不断发生变化。若系统动态特性不灵敏，反应不及时，则反馈信号无法得到及时处理，造成系统灵敏死区和动作死区等故障。因此在叉车静压传动系统的设计研究过程中，研究静压传动与控制系统的动态特性，掌握静压传动系统工作过程中动态工作特性和参数变化是非常必要的。分析其动态特性，必须具备准确可靠的动态模型，为此本文以某型叉车为例建立静压传动系统动态模型。

1 传动系统数学模型

图1为某型叉车静压传动系统工作原理图，为简化分析流程，在计算液压泵和马达转角的传递函数时，做出如下假设条件：1）液压泵与液压马达之间的连接管道完全相同，长度很短，其压力损失可以忽略；2）液压泵和液压马达的容积不变；3）液压泵和液压马达产生的泄漏为稳定层流，液压泵和液压马达的壳体外压力等于大气压强；4）每个腔室的压力相等，液流的密度和温度不变；5）补油系统处于理想工作状态；6）输入信号较小，管道中不产生压力冲击，管道压力不超过安全阀压力，因此不产生压力饱和现象；7）泵的转速恒定。

图1 某型叉车静压传动系统工作原理图

由上述假设可列出以下方程：

式中：Qp为泵的输出流量，m3/s；Dp为泵的排量，m3/rad；Dp=kdpφp；kdp为泵的排量梯度，m3/rad2；φp为泵的偏角，rad；np为泵的转速，rad/s；Cip为泵的内泄漏系数，m5/N·s；Cep为泵的外泄漏系数，m5/N·s。

由于pr为常数，对式（1）增量化并拉氏变换，整理得：

式中，Ctp为泵的泄漏系数，Ctp＝Cip+Cep，m5/N·s。

2）高压受控容腔的连续性方程：

式中：Dm为马达的排量，m3/rad；θm为马达的轴转角，rad；Cim为马达的内泄漏系数，m5/N·s；Cem为马达的外泄漏系数，m5/N·s。

同理，对式（3）增量化并拉氏变换，整理可得：

式中，Ctm为马达总的泄漏系数，Ctm＝Cim+Cem，m5/N·s。

由式（2）与式（4）联立可得：

式中，Ct为系统总的泄漏系数，Ct＝Ctp+Ctm，m5/N·s。

3）马达轴上的力矩平衡方程：

同理，因Pr为常数，对式（6）增量化并拉氏变换，整理可得：

式中：Jt为液压马达及负载的总转动惯量，N·m·s2/rad；Bm为液压马达及负载的总黏性阻尼系数，N·m·s/rad；G为负载的扭矩弹簧刚度，N·m/rad；TL为任意外负载力矩，N·m；Dm为马达的排量，m3/rad；θm为马达的轴转角，rad。

4）静压传动系统的传递函数。

由式（2）、（4）、（7）可得系统的传递函数如下：

式中：ωh为液压谐振频率Kdp为液压弹簧刚度为阻尼系无因次；ω1为容积滞后频率，ω1＝βeCt/V0，rad/s。

2 传动系统整体模型

由以上各部分的建模，可以得到某型静压叉车传动系统的数学模型方框图，如图2所示。

图2 静压传动系统传递函数简图

根据图2所示的数学模型，利用SIMULINK提供的模块，采用从上到下的递阶结构创建模型叉车静压传动系统的仿真模型，并根据液压元件的功能与特性定义其输入输出，最后将各模块进行连接操作即可搭建该系统的仿真模型。同时，在MATLAB环境下，通过参数定义界面，也能对元件的参数进行赋值或实时修改。在后续工作中，可以在该模型的基础上，分析系统参数随输入信号变化而变化的情况以及外载荷扰动对系统的影响。例如分析外载荷的突然变化、行驶速度的变化对系统参数和各元件的影响等。

［参考文献］

［1］姚怀新.工程车辆液压动力学与控制原理［M］.北京：人民交通出版社，2006.

［2］姚凯.野战叉车静压传动系统分析与设计［J］.机床与液压，2008（11）：69-72.

［3］李良.叉车静压传动系统研究与应用［J］.起重运输机械，2003（1）：36-39.

［4］田树军.液压系统动态特性数字仿真［M］.大连：大连理工大学出版社，2012.