车库过放取车变节流液压制动系统制动性能研究*

杨 坤

(保定职业技术学院,河北 保定 071000)

0 引 言

随着车辆的不断增加,城市地面上停车难的问题更加严重。这种状况促进了立体车库的快速发展,越来越多私家车在立体车库停放[1-3]。

立体车库取车效率极大影响了立体车库使用性和便捷性。为了提高存取车的效率,存取车吊车板速度需逐步加大。而在取车吊车板的下放过程中,吊车板速度过大极易导致取车过放事故,即取车吊车板下放越过规定停车位,并产生较大的过放振动冲击,严重损害车辆零部件,进而影响车辆的使用寿命[4-7]。故有必要对立体车库过放取车振动冲击进行深入研究。

目前,已有针对立体车库过放取车产生冲击振动的相关研究。王其松[8]选型计算了立体车库过放液压缓冲系统的重要参数,并基于AMESim研究了溢流阀对吊车板制动位移的影响。季鹏[9]利用蓄能器固有的吸能减振特性,开发了一种立体车库过放能量回收液压系统,计算了蓄能器充液压力;并基于AMESim分析了系统参数对过放能量回收系统的动态影响效果。冯铃等人[10]针对已有的立体车库过放取车系统存在的压力冲击大和波动问题,采取阻尼小孔连通液压缸非缓冲腔和缓冲腔的方式,取得了良好的减振消波作用。

检索目前立体车库取车过放相关系统发现:(1)取车吊车板位移受系统参数影响较明显,车辆质量和速度略有变化,取车吊车板位移变化较大,严重影响立体车库过放取车缓冲制动装置尺寸设计;(2)现有的过放缓冲技术制动效率低下,效率低说明车辆过放仍存在大的冲击振动[11-13]。

在一定范围内,若取车吊车板制动位移不受车辆质量和速度影响,则过放取车制动停车位基本确定,对设计立体车库过放取车缓冲制动装置具有很好的指导价值。

基于此,笔者提出一种立体车库过放取车变节流液压制动系统,即首先对其变节流液压制动系统工作原理进行阐述,建立其制动过程数学模型;然后对吊车板制动位移与变节流阀阀口开度线性和非线性关系进行设计;最后基于AMESim搭建取车变节流液压制动系统仿真模型,对过放取车变节流制动系统的制动特性进行分析,对变节流制动系统的制动效率进行计算,对3种变节流阀口开度控制函数对系统制动效果的影响进行研究,为立体车库过放取车缓冲制动装置设计提供理论基础和指导。

1 车库液压制动系统原理

立体车库过放取车变节流液压制动系统原理图如图1所示。

图1 立体车库过放取车变节流液压制动系统原理1—制动液压缸;2—油箱;3—位移传感器;4—吊车板;5—阀口开度控制模块;6—变节流阀;7—控制阀;8—PID控制器;9—求和控制器;10—电机;11—泵;12—安全阀

制动系统包括两部分:PID阀控吊车板复位子系统[14-15]和过放取车变节流液压制动子系统。

PID阀控吊车板复位子系统主要有PID控制器、控制阀、泵、安全阀、马达、求和控制器;过放取车变节流液压制动子系统主要由位移传感器、阀口开度控制模块、变节流阀、制动液压缸组成。其中,位移传感器为共用元件,位移传感器实时传输制动液压缸活塞位移。

制动系统工作原理:过放取车时,承载车辆的吊车板压缩制动液压缸活塞,初始制动时吊车板动能最大,需设定变节流阀开度值最大,随着吊车板逐渐制动,设定变节流阀开度逐渐减小,直至关闭变节流阀阀口,最终吊车板制停。该方法可实现吊车板位移可控且制动平顺性较好,具有较好的实际应用价值;

取车过放制动后,启动电机,将吊车板位移x输入求和控制器中,PID阀控吊车板复位子系统启动,求和控制器实时对比活塞复位位移和输入的目标吊车板位移值,直至吊车板复位至待取车变节流制动状态。

2 液压制动系统数学模型

吊车板撞击制动液压缸活塞杆时,满足动量守恒定律:

Mv=F△t

(1)

式中:M—吊车板质量,kg;v0—吊车板过放初速度,m/s;F—接触力,N;△t—接触时间,s。

制动液压缸制动腔流量方程为:

(2)

式中:C—节流系数,C一般取0.68;A(x)—节流面积,mm2;P(x)—制动液压缸制动腔压力,MPa;ρ—液压油密度,ρ=850 kg·m2。

暂取变节流面积为吊车板制动位移的线性函数,其方程为:

F(x)=A0-kx(F1…Fx)

(3)

式中:A0—变节流阀初始节流面积,mm2;k—线性比例值。

吊车板制动过程,吊车板制动过程力平衡方程为:

(4)

3 液压制动系统仿真模型

根据立体车库过放取车变节流液压制动系统工作机理,笔者使用AMESim信号库中的SIGFXA01模型(interpolate 1D or XY table with respect to x)代替阀口开度控制模块,将吊车板位移与阀口开度的线性关系通过SIGFXA01模型输入至仿真模型中,SIGFXA01模型调用面积函数关系,实现阀口开度控制模块的控制作用,即吊车板实时位移对应阀口实时开度;并基于AMESim搭建立体车库过放取车变节流液压制动系统仿真模型。

液压制动系统仿真模型如图2所示。

图2 过放取车变节流液压制动系统仿真模型1—位移传感器;2—SIGFXA01模型(开度控制模块);3—比例模型;4—变节流阀模型;5—油箱;6—制动液压缸;7—质量块模型(吊车板)

立体车库过放取车变节流液压制动系数参数如表1所示。

表1 仿真参数设置一览表

吊车板位移与阀口开度信号的线性和非线性关系如表2所示。

表2 位移-阀口开度信号关系表

表2中,F2(x)所示的数据为吊车板位移与阀口开度信号的线性关系,F1(x)和F3(x)所示的数据为吊车板位移与阀口开度信号的非线性关系。

笔者绘制吊车板位移与阀口开度线性和非线性关系曲线,如图3所示。

图3 吊车板位移与阀口开度线性和非线性关系图

3.1 阀口开度函数对制动特性的影响

笔者分别输入3种吊车板位移与阀口开度关系,通过仿真得到不同开度控制函数下的吊车板制动位移曲线,如图4所示。

图4 不同开度控制函数下的吊车板制动位移曲线

由图4可知:不同开度控制函数下的吊车板制动位移始终可以达到1.0 m,该结果进一步验证了开度控制函数的有效性。

阀口开度函数表示吊车板位移为1.0 m时,变节流阀开度为0,处于关闭状态,该位置吊车板制动已停止。

笔者选取F2(x)和F3(x)阀口开度函数时,吊车板制动时间较短,制动相对迅速。

制动液压缸制动腔压力动态曲线如图5所示。

图5 不同开度控制函数下制动液压缸制动腔压力动态曲线

由图5可知:不同开度控制函数下的制动液压缸制动腔压力相差不明显,产生的压力冲击均低于6 MPa,处于可控范围。

制动液压缸流量输出动态曲线如图6所示。

图6 不同开度控制函数下制动液压缸流量输出动态曲线

由图6可知:不同开度控制函数下的制动液压缸制动腔输出流量最大在300 L/min内,后期输出流量变化与阀口开度控制函数走势保持一致。

吊车板制动过程速度变化曲线如图7所示。

图7 不同开度控制函数下吊车板制动过程速度变化曲线

由图7可知:不同开度控制函数下的吊车板制动过程速度均快速下降到0.3 m/s后,与阀口开度控制函数走势保持一致。

3.2 取车过放制动过程制动效率

过放取车制动能量吸收计算式为:

(6)

式中:E—吊车板过放制动能量,J;F—制动力,N;x—吊车板制动位移,m;P—缓冲液压缸缓冲腔制动压力,MPa;D—缓冲缸缓冲腔直径,mm。

过放取车实际能量计算式为:

(7)

式中:E0—吊车板过放制动能量,J;M—吊车板质量(暂按所载车辆质量计算),kg;v0—吊车板过放初速度,m/s;m—活塞质量(活塞质量相对吊车板质量较轻,计算吸收率时忽略处理),kg;g—重量加速度,g=9.8 m/s2;

变节流制动系统制动效率计算式为[16-19]:

(8)

基于AMESim,笔者求得(x,F)图形,如图8所示。

图8 不同开度控制函数下吊车板制动力变化曲线

(x,F)转化成MATLAB可读入的数据类型,使用函数E=trapz(x,F)求得位移-制动力图形与坐标轴所包围的面积值,即为变节流系统实际节流缓冲吸收的能量值E;进一步利用式(8),可求得不同阀口开度控制函数下的制动效率φ。

E0=1.236×104J;E1=1.23×104J;

E2=1.227 6×104J;E3=1.226 3×104J;

φ1=E1/E0=99.52%;φ2=E2/E0=99.32%;

φ3=E3/E0=99.21%。

显然,制动效率均达到99%以上,即立体车库过放取车变节流制动系统基本无冲击。

在F1(x)为阀口开度控制函数下,笔者研究过放质量和过放速度对吊车板制动特性的影响情况。

3.3 过放质量对变节流制动特性的影响

笔者选取过放质量为1 000 kg、1 200 kg、1 400 kg、1 600 kg进行制动特性仿真,得到过放质量对吊车板制动位移的影响曲线,如图9所示。

图9 过放质量对吊车板制动位移的影响

过放质量对制动液压缸制动腔压力的影响曲线,如图10所示。

图10 过放质量对制动液压缸制动腔压力的影响

由图(9,10)可知:过放质量增大,吊车板位移响应度增加,但吊车板位移不变,仍为1.0 m,前边已验证吊车板位移由阀口开度函数决定,同一开度控制函数下的吊车板制动位移不变;过放质量增大,制动液压缸制动腔稳定压力逐渐增大,总体上制动腔压力较小,不存在压力冲击。

3.4 过放速度对变节流制动特性的影响

笔者选取过放速度为1.0 m/s、1.2 m/s、1.4 m/s、1.6 m/s进行制动特性仿真,得到过放速度对吊车板制动位移的影响曲线,如图11所示。

图11 过放速度对吊车板制动位移的影响

过放速度对制动液压缸制动腔压力的影响曲线如图12所示。

图12 过放速度对吊车板制动腔压力的影响

由图(11,12)可知:过放质量改变,吊车板位移及其响应度均不变,即过放质量对吊车板位移无影响;过放速度增大,制动液压缸制动腔压力峰值逐渐增大,但总体上制动腔压力较小,同样不存在压力冲击。

4 结束语

立体车库过放取车吊车板位移受系统参数影响明显,直接影响立体车库过放取车缓冲制动装置设计;同时,现有的立体车库取车过放系统制动效率低下,仍存在较大的压力冲击。

为此,笔者设计了一种立体车库过放取车变节流液压制动系统,搭建了制动过程变节流系统数学模型,并构造了3种取车吊车板制动位移与变节流阀阀口开度控制关系函数,搭建了立体车库过放取车变节流液压制动系统仿真模型,研究了液压制动系统制动特性,并计算了变节流液压制动系统制动效率,重点分析了车辆质量和速度对取车吊车板位移和制动腔压力的影响情况。

研究结果表明:

(1)吊车板位移由变节流阀阀口开度控制函数决定,过放质量和速度改变,不会影响吊车板位移;

(2)同坐标下,选取阀口开度递减较缓的控制函数时,可缩短吊车板过放制动时间;

(3)变节流制动系统制动效率可达99%,取车过放制动过程基本无压力冲击;

(4)过放速度对制动腔压力峰值影响较明显,过放质量对吊车板位移响应度影响较明显;

(5)不同过放质量和速度下,吊车板制动位移均为1.0 m,与阀口开度控制函数设计吻合。

笔者后续的研究方向为:(1)基于立体车库变节流液压制动原理,设计阀口开度控制模块;(2)搭建变节流制动性能试验台,对其系统制动效率、制动位移等制动性能进行验证和评估,并将其与仿真结果进行比较,以进一步验证变节流液压制动效果和可行性。