装载机液压机械功率分流传动系统控制策略及仿真分析

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装载机是广泛应用于工程建设中的一类工程机械,其传动系统通常有纯机械、液力机械、电力和静液压等几类技术。纯机械传动系统传动效率高,但是不能实现连续无级变速;液力机械传动系统自动适应性强,但是存在高效区间窄、传动效率低等问题;静液压传动系统可以完成连续无级变速,但是也存在传动效率低等问题。近年来,将纯机械传动和静液压传动两者的优点结合起来,得到一个既具有较高传动效率,又具有无级变速性能的传动系统,称为液压机械功率分流传动。通过改变液压回路中变量泵的排量,以改变定量马达的转速实现传动系统连续无级变速。在国外农用机械上已经广泛应用液压机械功率分流传动系统,但是对于工程机械特别是装载机开展的研究相对较少。本文设计并分析了一种装载机液压机械功率分流传动系统,针对该系统提出了一种基于驾驶员驾驶意图的模糊速比控制策略,在AMESim环境下进行了基于该控制策略的液压机械功率分流传动系统以及整机作业工况的仿真,通过分析对比验证了传动系统仿真和控制策略的正确性,研究内容及结论如下(1)设计了某7吨装载机液压机械功率分流传动系统。对输入分流和输出分流两类液压机械功率分流传动方案进行了分析对比,选择输入分流式传动方案做进一步设计。通过正向行星齿轮和反向行星齿轮的复合,设计除液压工作段外四段液压机械功率分流工作段的传动系统。首先对其各项特性进行分析,然后对变量泵和定量马达进行选型,最后对传动系统的其他参数进行设计计算。建立仿真模型验证所设计传动系统的各项特性,结果表明其可以实现连续无级变速,且传动效率高于相同吨位的静液压传动系统和液力机械传动系统。(2)提出了一种基于驾驶员驾驶意图的整机模糊速比控制策略。根据所选发动机的外特性和万有特性图,构建其数学模型。根据分析,建立最佳动力性目标速比控制策略和最佳经济性目标速比控制策略。引入驾驶员驾驶意图,通过模糊控制器将驾驶员意图的模糊量转化为精确量,制定基于驾驶员驾驶意图的控制策略。通过控制器发出的信号对变量泵的排量进行调节以完成工作段内调节,当工作段内调节不再满足需求时,切换工作段进行调节。通过PID调节驾驶员意图转化的模糊速比和传动系统的实际速比,以控制整机的车速。(3)在AMESim环境下,搭建了液压机械功率分流传动系统的仿真模型。对装载机工况和整机动力学进行了分析,搭建整机的仿真模型,对液压机械功率分流传动系统装载机的典型作业工况进行了仿真分析,得出了装载机在该工况下系统参数的变化规律,包括车速、泵和马达输出转速转矩、牵引力、液压系统的压力、功率分流比等。对仿真结果进行了分析,结果表明,在装载机整个循环作业过程中,铲掘作业时功率分流比最大,其他阶段可以限制液压流的功率占总功率的50%以内,可以实现高效无级调速,所设计的液压机械功率分流传动系统及提出的控制策略可以满足装载机在典型作业工况的作业需求。
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