重型工程装备液压驱动系统的匹配控制.pdf

T ECHNI C F oR UM／ 技 术论 坛 l 2 0 1 3 ／ 0 1 重型工程装备液压驱动系统的匹配控制 M a t c h i n g Co n t r o l a n d Re s e a r c h o f Hy d r a u l i c Dr i v i n g Sy s t e m f o r He a v y - du t y M a c h i n e r y 滕达岳萍贾军池贾洪云 T ENG Da e t a I 湖北三江航天万山特种车辆有限公司 湖北孝感4 3 2 0 0 0 摘要简述了WT W1 5 0 A6 平板车液压驱动系统的控制方法 ，讨论了液压驱动系统柴油机与 变量泵功率 匹配的方法 ，并推导了车辆牵 引力与速度的函数方程。通过实例计算证 明了相 关 计算方法和控制策略的正确性 ，最后通过Ma t l a b 程序优化 了计算过程 ，提高 了动力匹配的计 算效率。 关键词液压驱动系统功率匹配Ma t l a b 重型工程运输装备 Ab s t r a c t Th e c o n t r o l me t ho d o f h y d r a ul i c t r a v e l l i n g s ys t e m f o r W TW 1 5 0 A6 wa s s p e c i fie d ，a nd t h e ma t c hi n g me t h o d b e t we e n e n g i ne a n d va r i a bl e p u mp wa s d i s c us s e d ．t h e f u n c t i o n be tw e e n t r a c t i o n a nd v e l o c i t y wa s d e r i v e d． T h r o ug h a e x a mp l e the c o r r e c t n e s s o f c a l c u l a t i o n a l me t ho ds a nd c o ntro l l i n g s t r a t e g y we r e p r o ve d． F i na l l y ， the c a l c u l a t i o na l p r o c e s s wi t h Ma t l a b wa s o pt i mi z e d ， a nd the c a l c u l a t i o na l e ffic i e n c y o f po we r ma t c h wa s i mp r o v e d c o n s u m e dly． Ke y wor ds h y d r a u l i c d r i v i n g s ys t e m ；p o we r ma t c h；M a t l a b；h e a vy d u ty ma c h i n e r y tra n s p o 中图分类号U 4 6 9 ． 6 ． 0 3 文献标识码 A文章编号1 0 0 4 0 2 2 6 2 0 1 3 0 1 0 0 8 7 0 3 1 前言 近年来 ，国家对环保节能汽车的要求越来越高，对工程机械 的噪声和排放制定了明确的限制指标 ，而重型工程运输装备的能 耗和污染排放均很高 ，对环境造成了较大影响，因此 ，提高重型 工程运输装备的能源使用率十分重要。 由于液压驱动的 自重较轻 ，可靠性较为稳定 ，故重型工程运 输装备普遍选择液压驱动系统 ，而载质量为1 0 0 - 9 0 0 t 的重型工程 运输 装备 ，其驱动系统的传动扭矩很大 ，可见 ，液压驱动系统与 原动机 的匹配问题成 为提高重型工程运输装备传动效率 的关键。 本文针对重型工程运输装备的动力系统及其控制策略 ，提出了特 定环境下参数的匹配策略，并进行了理论研究与计算。 2系统匹配的策略 以某公司生产的防爆重型平板运输车 以下简称平板车 为例， 对其液压系统进行匹配计算及分析。 该车 的液压驱动 系统 采用闭式 系统 ，即“ 变量泵 变量 马 达”的驱动方式 ，其工作原理如图1 N示 。变量泵 内部的比例 电磁 铁可在发动机转速不变的情况下控制泵输出排量的变化 ，从而控 制整车的行驶速度。变量马达中比例换 向阀的二次控制 ，也可改 变马达的排量 ，亦即控制车速⋯ 。 第一作者 滕达 ，男，1 9 8 5 年 生 ，助理工程师 ，现从事重型工 程装备液压系统的设计与研究工 作。 、 r ， ＼ } l 匡 ． 一 jl I l ． 中 竭 圈 l ● 薜 l i J- 。f F ’ 亩 ’ ， 一 匕 I 圈1液 压驱 动系统 原理 圈 2 ． 1柴油机与变量泵的匹配控制 该车型的动力系统主要包括防爆型柴油机和某品牌E P 系列的 变量泵。由发动机 的万有特性可知，发动机在任意转速下，都对 应着一个最大功率和最大扭矩 ，若驱动泵与发动机 匹配 ，就必须 使发动机的输出功率与驱动泵的输入功率为一定值。 柴油机 的输出功率 公式 n 前 1 式 中， 为柴油机输出功率 ， k W；Me 为柴油机扭矩 ，N m；n e 为 柴油机转速 ，r ／ mi n 。 T E CHNI C F OR UM／ 技术 论坛I 2 ,1 J I ／ U I 根 据变量泵的选型手册可知 ，驱动泵功率 的计 算公式如 下 Ⅳ 告 2 式中， 为驱动泵功率 ，k W ； 为泵出口压力 ，MP a ； 为泵排 量 ，ml ／ r ；n 为泵转速 ， r ／ m i n 。 由于柴油机与泵之 间存在传递效率 ，外加驱动泵 自身的效 率，则由上述分析可知 ％ 3 式中， 为传递效率 ， 0 ． 9 5 ； 为泵的效率 ， 0 ． 9 5 。 该平板车动力系统的结构形式是将驱动泵通过联轴器的形式 串联在柴油机的后部 ，因此两者的转速完全相 同。当柴油机的转 速为某一定值n 时 ，驱动泵的扭矩与柴油机 的输 出功率基本相等 ， 此时输出扭矩M为某一定值 ，则有 盟 6 0 0 0 0 9 5 4 9 4 ’ ， 由公式 4 变化可得出压力与排量的关系为 P秘 M 2 n 5 由公式 5 可知 ，泵的出口压力与排量为双 曲线的关系 ，如图 2 所 示 。 较 础 口 莆 1诤 } 图2 压 力与排量 的 曲线关系 在公式 5 中，驱动泵 的压力取决于负载 。如果负载发生变 化，则会引起扭矩 的变化 。当 偏离最佳工作点时，驱动泵与发 动机将不匹配 。通过调节驱动泵的排量可控NM，使得压力与排 量始终近似于公式 5 ，以保证柴油机与驱动泵的最佳 匹配。 为了在实际运行过程 中更好地实现匹配控制 ，可在平板车的 驱动泵上加装转速传感器和压 力传感器 ，就能够通过转速和压力 参数形成闭环控制，其控制原理如图3 所示。 图3驱动泵转速， 压力反馈控制策略 2 ． 2整车牵引力与车速的匹配控制 当平板车行走时，马达输 出扭矩 和驱动轮输出力矩 的计 算公式如下所示 。 6 M Mjt l , 7 式中 ， 为马达排量 ；A p 为马达进出 口压羞 ； ，为马达机械效 率 ；沩 传动比； 为系统的机械效率。 平板车的牵引力 r ，则根据式 6 和式 7 可推导出平板车 牵引力F 的计算公式如下 F q ,j r l , G ,z Z P , , 8 ⋯ 平板车所需的牵引功率N G v ，而牵引功率又是输出力矩与 转速的乘积，则平板车行驶速度v 的计算公式如下 f 9 V 一 l y J 式中， 为马达的转速 ；G为平板车的质量。 如若不考虑系统压降，则牵引力与车速的传递函数如下 一 3 6 00 ／ - ’ ’ 一 f 1 0 式中， ， 为牵引效率，也可称系统效率 ，车速不同其效率也不 同。 由公式 1 o 可知 ，牵 引力与车速是一个双曲线关系。因为平 板车在行驶过程中，由于档位及其车速和载质量不 同，其动力性 能也有一定的区别。 另外，平板车在行驶过程 中所遇到的阻力他 不同。阻力主要 包括轮胎的滚动阻力 ；平板车在斜坡上行驶 时还需要考虑总重造 成的下滑力 ；当有风时 ，还需考虑风阻， ，所以 。考虑到 安全 因素 ，在刮风时不要求平板车工作 ，并且平板车通常为匀速 行驶 ，所以风阻和加速阻力均不作考虑。只需平板车的液压马达 提供的牵引力克服了阻力之后，平板车就可以行走。 2 ．3 差速控制 差速控制实质上就是防止车轮打滑现象的发生。重型工程运 输装备的车体较宽较长，因此车辆在转弯或牵 引力超 出附着力时 就容易发生打滑现象 ，车轮的打滑会加速轮胎橡胶的磨损 ，严重 影响运输装备的使用寿命。 平板车在转弯时 ，由于车体较庞大 ，极易打滑 ，因此要使车 轮不打滑 ，就应调节马达的排量使 内圈车轮的速度小于外圈车轮 的速度。而实际使用时 ，很多时候 内外 圈的车轮转速是一致的 ， 极易导致外圈车轮发生打滑。 现以该平板车 为计算对象来分析其在平整的路面行驶时是否 会打滑 。该车单个驱动轮的最大牵引力 。 和单轮附着力 的计算 公式如下 1 98 9 4 0 - 0 x 0．02 5 8 2 8 9 N 1 1 d O 孚 丁1 9 8 9 4 0 0 x 0 ．6 8 5 2 6 0 N 12 l斗 式中， 为附着力系数， O ． 6 ； 为驱动轴数量 ； 为悬架数量。 计算结果显示 ，该车在最大牵 引力范围内不会发生打滑。如 果车轮打滑 ，就需要降低打滑驱动轮的马达排量 ，调整牵引力， 使之在 附着力的控制范 围内，直至打滑现象消失即可恢复正常。 3 实例分析与研究 通过上述分析与研究 ，现以某公司研制的防爆型平板车为研 究对象 ，对其功率 、牵引力及车速等主要性能参 数进行分析探 讨 。该车型的主要设计指标如表1 所示。 表1 系统 参数 若要确定车速与牵引力的关系，首先必须确定牵引效率与车 速的关系，然后通过公式 1 O 即可计算出车速与牵引力的关系。根 据实际经验对牵引效率 系统工作效率 的统计 ，利用Ma t l a b 软件数 值分析与计算的优势 ，该公司开发设计了液压元件选型校核计 算 软件 ，并得到了如下曲线 。 互 ● k 料 日 僻 颧 世 H | ＼ ＼ ＼ ＼ ＼ ＼ ＼ 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 车速v ．h n ／h 图4 车 速与牵 引 力的关 系 仅 示恒 功率段 △ | l | ＼ ⋯ | ＼ | ＼ ／ | | | | 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 车速v ．k n v h 图5 车 速与牵 引效 率的 关系 T E CHNI C F ORU M／ 技术 论坛l 2 0 1 3 ／ O 1 由图4 可知 ，在前半段 ，发动机处于恒转矩阶段 ，后半段处于 恒功率阶段 。在恒功率段 ，功率可视 为额定功率值 ，即功率 随牵 弓 1 力的增大而保持不变 。平板车这类重型工程运输装备采用液压 驱动后 ，其牵引力曲线较机械传动而言更加平滑 ，这可归功于液 压系统可以实现无级调速的原 因，因此当负载变化 时，通过控制 排量和压 力可实现较平稳的牵 引特性 ，使得平板车驱动系统的稳 定性更强。 由图5 可知 ，平板车的行驶速度在 3 ～ 8 ． 5 k r n ／ h 时 ，系统最大 效率可达8 3 ％，当行驶速度超过9 k m ／ h 时 ，其效率开始下降，当车 速达到1 5 k m／ h 时 ，其效率为7 5 ％左右。 通 过 更 进 一 步 的 分 析 ，如 果 驱 动 系 统 工 作 压 力 为 0 ． 2 - 0 ． 8 5 ， 驱 动 泵 的 排 量 为 0 ． 7 - 1 q ， 泵 的 转 速 在 0 ． 3 0 ． 8 5 变化时 ，驱动泵的效率 变化不明显 ，最高可达9 0 ％； 如果马达排量 为 0 ． 8 - 1 q ，工作压力为 0 ．4 - 0 ． 8 5 ，马达转速在 0 ． 1 - 0 ． 4 5 n 变化时，效率变化不 明显 ，最高可达9 0 ％ 。 4 结语 a ． 定性分析了柴油机与变量泵的功率 匹配关系 ，简要分析 了 压力一 排量曲线及优化匹配方法 ； b ． 推导计算得出了平板车牵引力与车速的函数方程 ，并结合 实例分析 了牵 引力与车速 、效率与车速的关系，为后续车型的优 化设计提供了良好的基础 ； C ． 论述 了平板车打滑现象的原 因，提出了解决方案 ，以某平 板车 为计算对象 ，得 出了在最大牵引力范围内不会出现打滑现象 的结论。 通过推导液压驱动系统功率匹配以及牵引力与车速的函数方 程 ，给出了相关的解决方法 ，结合万山公司自主设计的计算软件 优化 了动力系统的计算过程 ，为今后重型工程运输 装备更好的发 展打下了良好的基础 。 参考文献 ⋯ 1 吴光强，王会义 车辆静液压驱动与 智能控制系统[ M] ． 上海 上海科 学技术文献出 版社 ， 1 9 9 8 ． [ 2 ] 田晋跃， 刘新磊， 刘益民．车辆静 液传动 匹配技术 的研 究[ J 1 ． 液压与气 动，2 0 0 6 1 0 4． 7． [ 3 ]陈月春， 曾育平，李耀．静压传动车辆的功率匹配节能控制研究[J ] ． 液压与气动，2 0 1 0 f 3 1 4 5 ． [4 ]柳波，何清华，发动机．变量泵功率匹配极限负荷控制[ J ] l 中国工程机械工程， 2 0 0 7 4 ． [ 5 ] 彭天好， 杨华勇，傅新 液压挖掘机全局功率匹配与协调[ J ] ．机械工程学报，2 0 0 1 1 1 5O ． 5 3 收稿 日期2 0 1 2 0 9 2 7 如 ∞ ∞ ∞ ∞ 鼬 ∞ ∞ 昭 ∞ 馋 “ 0 0 O O 0 0 0 0 0