一、引言
工程機械作業(yè)場地狹窄，工作條件差。工作裝置布置在前、后輪之間的工程機械，如中置式穩(wěn)定土拌和機，其機身較長，轉(zhuǎn)彎半徑大，轉(zhuǎn)向通常不靈活[1]。而這類機械通常都要求頻繁轉(zhuǎn)向，這就提出一個迫切的任務，即如何減小其轉(zhuǎn)彎半徑。本研究用4輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)改善工程機械的轉(zhuǎn)向性能[2]，并在試驗平臺對4輪轉(zhuǎn)向各個工況進行試驗，對試驗數(shù)據(jù)進行采集、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、試驗平臺設計原理
該試驗平臺是一套數(shù)字式全輪轉(zhuǎn)向電液控制系統(tǒng)，將電子技術、液壓技術和計算機技術有機結(jié)合，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)向控制的智能化、自動化及比較高的安全性和可靠性[3-4]。具有機電一體化新技術特征，具體體現(xiàn)在以下幾個方面：
（1）工作模式及工作狀態(tài)的手動、自動設定。
（2）控制系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測及自診斷。
（3）轉(zhuǎn)向過程的自適應和最優(yōu)控制。
試驗裝置主要由轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、氣動振動系統(tǒng)和電控系統(tǒng)等4部分組成。因為在實驗室模擬實驗條件下，很難達到工程機械作業(yè)負荷大且變化幅度寬、工作路面不平、機體顛簸厲害、振動大等真實工況，所以設計加載系統(tǒng)和氣動振動系統(tǒng),使該研究成果更具實用價值。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是工程機械4輪轉(zhuǎn)向電液控制系統(tǒng)試驗平臺的重要環(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、電機和溢流閥等組成。因此該試驗裝置轉(zhuǎn)向系統(tǒng)跟隨精度高，響應速度快，并有一定的穩(wěn)定性儲備，具有一定的抗干擾能力，原理如圖1所示。
工作原理如下：當方向盤發(fā)出轉(zhuǎn)向指令后，由控制器經(jīng)過計算、分析，向流量控制伺服閥發(fā)出信息，控制閥的開度。同時，由液壓泵向系統(tǒng)供油，通過流量控制伺服閥來控制各個轉(zhuǎn)向油缸的流量和壓力，從而控制各個轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)角度，各個轉(zhuǎn)向油缸的壓力可由對應的溢流閥調(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個輪能獨立轉(zhuǎn)向，互不干擾。
為提高控制精度，4個轉(zhuǎn)向輪上均安裝非接觸式霍爾效應傳感器，通過傳感器把各個輪的實際轉(zhuǎn)角反饋給控制器，控制器再經(jīng)過計算、分析，重新發(fā)出指令信號，糾正希望轉(zhuǎn)角與實際轉(zhuǎn)角的偏差。整個系統(tǒng)形成閉環(huán)回路，滿足了高精度的要求。
為實現(xiàn)4輪轉(zhuǎn)向與2輪轉(zhuǎn)向的比較，該試驗平臺裝有分配閥，通過操縱分配閥便可實現(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，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。計算試驗結(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，該系統(tǒng)穩(wěn)定性好，抗干擾性強，可持續(xù)工作并且性能可靠[5]。
三、試驗裝置原理
該試驗裝置控制系統(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
本試驗裝置控制系統(tǒng)的輸入信號分為2大部分：一是將轉(zhuǎn)向傳感器的輸出信號作為輸入信號，其來源是方向盤的轉(zhuǎn)向角度；二是將4個轉(zhuǎn)向輪的實際轉(zhuǎn)向角度作為輸入信號，其來源是相應轉(zhuǎn)向輪上的霍爾效應非接觸式傳感器的輸出信號。這樣對4個轉(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
這部分是整個控制系統(tǒng)的核心。由輸入部分獲取機械行駛狀態(tài)信息參數(shù)，即方向盤轉(zhuǎn)角和4個霍爾效應傳感器的輸出信號，分析并處理得到相應的4個轉(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)向液壓缸及各個轉(zhuǎn)向輪。為了使執(zhí)行機構(gòu)能充分模擬路感，專門設計加載回路和氣動振動回路，使試驗盡量接近工程機械的實際工作狀況。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，能夠使該試驗平臺進行前輪轉(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)和振動系統(tǒng)，很好地模擬了工程機械在工作狀況下的路感，使其更具有實用性。
四、測試系統(tǒng)原理
測試和記錄系統(tǒng)由磁帶記錄儀、動態(tài)電阻應變儀、穩(wěn)壓電源、信號發(fā)生器、二蹤示波器、壓力傳感器及位移傳感器等組成。試驗中通過儀器測取的參數(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個轉(zhuǎn)向缸上的位移傳感器的位移計算得出。測試系統(tǒng)的工作原理如圖3所示。
五、試驗數(shù)據(jù)采集及處理
根據(jù)系統(tǒng)分析需要，本試驗采集9個數(shù)據(jù)：即系統(tǒng)的輸入信號（方向盤轉(zhuǎn)向角信號）及輸出信號（4個霍爾效應傳感器信號），這5個信號分別輸入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和負載壓力傳感器信號；在2#磁帶記錄儀的1、2通道記錄了2個位移傳感器信號，這2個位移傳感器分別安裝在左前輪和左后輪上，通過這2個位移傳感器信號可以計算出左前輪和左后輪轉(zhuǎn)向缸的流量。在試驗中，為確保準確性，每次都對各個傳感器進行標定。試驗完畢后，在HP3562A動態(tài)信號分析儀上對各個通道信號進行分析、處理，并讀取數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，計算出各個頻率點上的輸出信號與輸入信號比值及相位差，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。這個數(shù)值滿足工程機械作業(yè)的需要。
六、試驗結(jié)果
利用現(xiàn)代控制工程理論[6]，對試驗數(shù)據(jù)進行處理和分析，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)定性儲備的要求。
七、結(jié)語
綜上所述，試驗系統(tǒng)具有充分的穩(wěn)定性儲備，滿足穩(wěn)定性的要求。在試驗期間，對系統(tǒng)施加隨機振動荷載，測量系統(tǒng)在各個頻率點的輸入及輸出信號，在HP3562A動態(tài)信號分析儀上觀察其信號，檢驗隨機振動對系統(tǒng)的影響。發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在低頻時（ω<1Hz）基本不受隨機振動的影響；而當頻率ω>1Hz時，輸出波形受到隨機振動負載的影響，有了一定的鋸齒狀波動，但其整體形狀仍然是正弦信號，其幅值基本保持原來不加振動時的大小。由此可見，系統(tǒng)具有一定抗干擾能力，可以承受工程機械作業(yè)中的顛簸和震顫。
通過對各個工況進行試驗，證實了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)在輪式工程機械的應用，尤其是工作裝置中置式工程機械的應用提供了科學的理論依據(jù)和技術支持。
