一、引言

工程機(jī)械作業(yè)場(chǎng)地狹窄，工作條件差。工作裝置布置在前、后輪之間的工程機(jī)械，如中置式穩(wěn)定土拌和機(jī)，其機(jī)身較長(zhǎng)，轉(zhuǎn)彎半徑大，轉(zhuǎn)向通常不靈活[1]。而這類機(jī)械通常都要求頻繁轉(zhuǎn)向，這就提出一個(gè)迫切的任務(wù)，即如何減小其轉(zhuǎn)彎半徑。本研究用4輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)改善工程機(jī)械的轉(zhuǎn)向性能[2]，并在試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)4輪轉(zhuǎn)向各個(gè)工況進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理。研究結(jié)果表明，4輪轉(zhuǎn)向比傳統(tǒng)的2輪轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性好，轉(zhuǎn)彎半徑大大減小。

二、試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)原理

該試驗(yàn)平臺(tái)是一套數(shù)字式全輪轉(zhuǎn)向電液控制系統(tǒng)，將電子技術(shù)、液壓技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)向控制的智能化、自動(dòng)化及比較高的安全性和可靠性[3-4]。具有機(jī)電一體化新技術(shù)特征，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）工作模式及工作狀態(tài)的手動(dòng)、自動(dòng)設(shè)定。

（2）控制系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)及自診斷。

（3）轉(zhuǎn)向過程的自適應(yīng)和最優(yōu)控制。

試驗(yàn)裝置主要由轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、氣動(dòng)振動(dòng)系統(tǒng)和電控系統(tǒng)等4部分組成。因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)條件下，很難達(dá)到工程機(jī)械作業(yè)負(fù)荷大且變化幅度寬、工作路面不平、機(jī)體顛簸厲害、振動(dòng)大等真實(shí)工況，所以設(shè)計(jì)加載系統(tǒng)和氣動(dòng)振動(dòng)系統(tǒng),使該研究成果更具實(shí)用價(jià)值。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是工程機(jī)械4輪轉(zhuǎn)向電液控制系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)的重要環(huán)節(jié)，主要由轉(zhuǎn)向液壓缸、流量控制伺服閥、精濾器、液壓泵、電機(jī)和溢流閥等組成。因此該試驗(yàn)裝置轉(zhuǎn)向系統(tǒng)跟隨精度高，響應(yīng)速度快，并有一定的穩(wěn)定性儲(chǔ)備，具有一定的抗干擾能力，原理如圖1所示。

工作原理如下：當(dāng)方向盤發(fā)出轉(zhuǎn)向指令后，由控制器經(jīng)過計(jì)算、分析，向流量控制伺服閥發(fā)出信息，控制閥的開度。同時(shí)，由液壓泵向系統(tǒng)供油，通過流量控制伺服閥來控制各個(gè)轉(zhuǎn)向油缸的流量和壓力，從而控制各個(gè)轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)角度，各個(gè)轉(zhuǎn)向油缸的壓力可由對(duì)應(yīng)的溢流閥調(diào)定，并通過壓力表顯示出來。此轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用并聯(lián)連接，4個(gè)輪能獨(dú)立轉(zhuǎn)向，互不干擾。

為提高控制精度，4個(gè)轉(zhuǎn)向輪上均安裝非接觸式霍爾效應(yīng)傳感器，通過傳感器把各個(gè)輪的實(shí)際轉(zhuǎn)角反饋給控制器，控制器再經(jīng)過計(jì)算、分析，重新發(fā)出指令信號(hào)，糾正希望轉(zhuǎn)角與實(shí)際轉(zhuǎn)角的偏差。整個(gè)系統(tǒng)形成閉環(huán)回路，滿足了高精度的要求。

為實(shí)現(xiàn)4輪轉(zhuǎn)向與2輪轉(zhuǎn)向的比較，該試驗(yàn)平臺(tái)裝有分配閥，通過操縱分配閥便可實(shí)現(xiàn)前輪轉(zhuǎn)向（兩輪轉(zhuǎn)向）、全輪轉(zhuǎn)向（4輪轉(zhuǎn)向）、蟹形轉(zhuǎn)向。通過試驗(yàn)，在駕駛員給方向盤相同的轉(zhuǎn)角后，前輪轉(zhuǎn)向比全輪轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)彎半徑明顯大，而且通過性差。計(jì)算試驗(yàn)結(jié)果證明，全輪轉(zhuǎn)向比前輪轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)彎半徑要小20%左右。同時(shí)，該系統(tǒng)穩(wěn)定性好，抗干擾性強(qiáng)，可持續(xù)工作并且性能可靠[5]。

三、試驗(yàn)裝置原理

該試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上分為輸入部分、處理部分和輸出部分3大部分，如圖2所示。

（一）輸入部分

本試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)的輸入信號(hào)分為2大部分：一是將轉(zhuǎn)向傳感器的輸出信號(hào)作為輸入信號(hào)，其來源是方向盤的轉(zhuǎn)向角度；二是將4個(gè)轉(zhuǎn)向輪的實(shí)際轉(zhuǎn)向角度作為輸入信號(hào)，其來源是相應(yīng)轉(zhuǎn)向輪上的霍爾效應(yīng)非接觸式傳感器的輸出信號(hào)。這樣對(duì)4個(gè)轉(zhuǎn)向輪的控制系統(tǒng)就構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，有利于提高控制精度。

（二）處理部分

這部分是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心。由輸入部分獲取機(jī)械行駛狀態(tài)信息參數(shù)，即方向盤轉(zhuǎn)角和4個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器的輸出信號(hào)，分析并處理得到相應(yīng)的4個(gè)轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向角度信息，為輸出部分提供具體的執(zhí)行指令。

（三）輸出部分

具體的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成處理部分提供的執(zhí)行指令。

這部分主要包括葉片泵、流量控制伺服閥、轉(zhuǎn)向液壓缸及各個(gè)轉(zhuǎn)向輪。為了使執(zhí)行機(jī)構(gòu)能充分模擬路感，專門設(shè)計(jì)加載回路和氣動(dòng)振動(dòng)回路，使試驗(yàn)盡量接近工程機(jī)械的實(shí)際工作狀況。綜上所述，該系統(tǒng)是數(shù)字控制系統(tǒng)。通過旋轉(zhuǎn)五位轉(zhuǎn)向模式控制開關(guān)，能夠使該試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行前輪轉(zhuǎn)向、全輪轉(zhuǎn)向及蟹形轉(zhuǎn)向。而且，通過位置反饋，形成閉環(huán)控制回路，從而提高了轉(zhuǎn)向精度。由于安裝了加載系統(tǒng)和振動(dòng)系統(tǒng)，很好地模擬了工程機(jī)械在工作狀況下的路感，使其更具有實(shí)用性。

四、測(cè)試系統(tǒng)原理

測(cè)試和記錄系統(tǒng)由磁帶記錄儀、動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀、穩(wěn)壓電源、信號(hào)發(fā)生器、二蹤示波器、壓力傳感器及位移傳感器等組成。試驗(yàn)中通過儀器測(cè)取的參數(shù)為壓力、角位移和線位移。液壓缸的流量通過分別安裝在前左輪和后左輪的2個(gè)轉(zhuǎn)向缸上的位移傳感器的位移計(jì)算得出。測(cè)試系統(tǒng)的工作原理如圖3所示。

五、試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集及處理

根據(jù)系統(tǒng)分析需要，本試驗(yàn)采集9個(gè)數(shù)據(jù)：即系統(tǒng)的輸入信號(hào)（方向盤轉(zhuǎn)向角信號(hào)）及輸出信號(hào)（4個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器信號(hào)），這5個(gè)信號(hào)分別輸入1#磁帶記錄儀的1～5通道；另外，還在1#磁帶記錄儀的6、7通道分別記錄了工作壓力傳感器信號(hào)和負(fù)載壓力傳感器信號(hào)；在2#磁帶記錄儀的1、2通道記錄了2個(gè)位移傳感器信號(hào)，這2個(gè)位移傳感器分別安裝在左前輪和左后輪上，通過這2個(gè)位移傳感器信號(hào)可以計(jì)算出左前輪和左后輪轉(zhuǎn)向缸的流量。在試驗(yàn)中，為確保準(zhǔn)確性，每次都對(duì)各個(gè)傳感器進(jìn)行標(biāo)定。試驗(yàn)完畢后，在HP3562A動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀上對(duì)各個(gè)通道信號(hào)進(jìn)行分析、處理，并讀取數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，計(jì)算出各個(gè)頻率點(diǎn)上的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)比值及相位差，從而可以得出系統(tǒng)的閉環(huán)伯德圖（如圖4）。

從圖上可以看出，系統(tǒng)的截止頻率!b=2.65Hz，系統(tǒng)的截止帶寬為0～2.65Hz。這個(gè)數(shù)值滿足工程機(jī)械作業(yè)的需要。

六、試驗(yàn)結(jié)果

利用現(xiàn)代控制工程理論[6]，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，可以得出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)

由式（1）可知，系統(tǒng)具有的幅值裕度和相位裕度分別是

Kg=13.414dB

γ=48.9°

符合系統(tǒng)穩(wěn)定性儲(chǔ)備的要求。

七、結(jié)語

綜上所述，試驗(yàn)系統(tǒng)具有充分的穩(wěn)定性儲(chǔ)備，滿足穩(wěn)定性的要求。在試驗(yàn)期間，對(duì)系統(tǒng)施加隨機(jī)振動(dòng)荷載，測(cè)量系統(tǒng)在各個(gè)頻率點(diǎn)的輸入及輸出信號(hào)，在HP3562A動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀上觀察其信號(hào)，檢驗(yàn)隨機(jī)振動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響。發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在低頻時(shí)（ω<1Hz）基本不受隨機(jī)振動(dòng)的影響；而當(dāng)頻率ω>1Hz時(shí)，輸出波形受到隨機(jī)振動(dòng)負(fù)載的影響，有了一定的鋸齒狀波動(dòng)，但其整體形狀仍然是正弦信號(hào)，其幅值基本保持原來不加振動(dòng)時(shí)的大小。由此可見，系統(tǒng)具有一定抗干擾能力，可以承受工程機(jī)械作業(yè)中的顛簸和震顫。

通過對(duì)各個(gè)工況進(jìn)行試驗(yàn)，證實(shí)了4輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)彎半徑，比傳統(tǒng)的2輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)彎半徑減小約20%，為4輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在輪式工程機(jī)械的應(yīng)用，尤其是工作裝置中置式工程機(jī)械的應(yīng)用提供了科學(xué)的理論依據(jù)和技術(shù)支持。