单泵多马达液压行走系统同步方式与动力学研究.pdf

设备 管理 ＆ 维 修技术 Eq mp me n t M a n a g e me n t ＆ Ma i n t e n a n c e Te c h n o l o g y 单 泵 多 马达 液 压 行 走 系 统 同步 方 式 与 动 力 学 研 究 S t ud y on S ync hr ono us W a y a nd Dyn a m i c s o f Runni ng S ys t e m Dr i ve n by S i n- g l e - pum p a nd M ul t i m o t o r 顾 海荣 ， 一， 焦生杰 一 ， 肖种宇。 ， 刘益民 ， 王富春 GU Ha l r o n g 一 。 ， J IAO S h e n g j i e ，。 ， X I AO Ch o n g y u ， L I U Yi rai n ， WAN G F u c h u n 1 ．长 安 大 学 机 械 工 程 博 士 后 流 动 站 ， 陕 西西 安7 1 0 0 6 4 2 ．江 苏 华 通 动 力 重 工 有 限 公 司 博 士 后 工 作 站 ， 江 苏 镇 江 21 2 0 0 3 3 ．长 安 大 学 道 路 施 工 技 术 与 装 备 4 q - 育 部 重 点 实 验 室 ， 陕 西西 安 71 0 0 6 4 1．Post doc t or al M obi l e St a t i on of M echani cs，Chang’an Univer sit y，Xi’ an 71 0064，Sha anxi ，Chi na 2 P o s t d oc t o r a l W o r k s t a t i on ， J ian g s u Hu a t on g Ki n e t ic s Co． L t d． ， Z h en j i a n g 21 2 0 03 ， J i a n g s u ，Ch i n a 3．Key L abor a t ory f or Hi gh w a y Const r uc t i on Technolog y and Equi pm ent of M i nist ry of Educ at i on，Chang’ an Uni v e r s i t y ， Xi ’ a n 7 1 0 0 6 4， Sh a a n x i ， Chi n a 【摘 要 】 基 于地 面 力学 理 论 和液 压 传动 理 论 ， 对采 用 不 同 同步 方式 的单 泵 多 马达 液压 行 走 系统 的 动 力学 问题 进 行 了研 究 。 建 立 了行 走 系统 的动 力学 模 型 ， 对 比 了行走 系 统 的 牵引 力 、 速度 和传 动 效 率 。 结 果表 明 在单 泵 多马 达液 压 行 走 系 统 同步 方式 中 ， 电子 防滑 技术 的 性能 优于 同 步 分流 和 自有 分流 技术 。 【 Ab s t r a c t】T e r r a i n me c h a n ic s a n d h y d r a u l i c t r a n s mis s i o n t h e o r y we r e u s e d i n s t u d y i n g t h e d y n a mic s o f r u n n i n g s y s t e m w h i c h i s d r i v e n b y s i n gle pu m p a n d m u l t i m o t o r w i t h di f f er en t s y n c h r on y t e c hn o l o gies ．Dy n a m ic s m o d el s f or r unni n g sys t em w er e es t abl i shed；t r act i on f or c e，velocit y and dr ivi ng e f f i ci ency w er e com p ar ed．The r esult s i ndi ca t e t hat el ect r oni c ant i sli p t echnol ogy i s be t t er t h an synchr onous di s t r i but i on and f r ee di st r i but i on． 【 关 键词 】 工程 机 械 ； 液 压行 走 系统 ； 动 力学 ； 同步 【 K e y wo r d s】c o n s t r u c t i o n ma c h i n e ry； h y d r a u li c r u n n i n g s y s t e m； d y n a mic s ； s y n c h r o n y 中 图 分 类 号 U4 1 5 ． 5 文 献 标 志 码 B 文 章 编 号 1 0 0 0 -0 3 3 X 2 0 1 2 0 6 - 0 0 7 9 - 0 3 0 引 言 单 泵 多 马达结 构 形 式 的液压 系 统广 泛应 用 于 工程 机 械行 走 驱动 领 域 ，工程 机械 作 业 过程 中的偏 载和 附着 条 件 差 异 容 易 引起 行 走 液压 马达 的 不 同步 驱 动 ， 会 减 小 行 走 系统 驱 动 力 ， 降低 行走 系统 驱 动效 率 加 剧 车 轮 或 履 带 的不均 匀磨 损 。 工 程 机械 设计 中常采 用 增加 同 步 阀或 电子 防 滑控 制 来解 决单 泵多 马达 液 压行 走 系统 中液 压 马 达 驱动 不 同 步 的 问题 Ⅲ。本 文 通过 建 立 不 同 同步 方式 下 基 金 项 目 江 苏 省 博 士 后 科 研 资 助 计 划 项 目 0 9 0 1 0 6 9 C 单泵 多 马达 液压 行 走 系统 的动 力学 方程 ，对 比行 走 系统 的速 度 、 牵 引 力g u -S g 动 效 率 ， 为 工程 比选 提 供理 论 参考 。 1 单 泵 多 马 达 液 压 行 走 系 统 同 步 方 式 目前 常 见 的单 泵 多 四 马 达行 走 液压 系统 结 构 如 图 1 所 示 。 1 同步 阀 同 步 液 压 行 走 系统 简 称 “ 同 步 分 流 系 统 ” ， 如 图1 b 所 示 采 用 同步 阀 多路 调 速 阀 、 同步 分流 阀 、 同步 马 达 等 控 制 流 经 各 液压 马达 的 液压 油 流 量 。 保 持液 压 马达 转速 一 致 。 RM CM 一。 一 a 自由 分 流 系 统 b 同 步 分 流 系统 c 电 子 防 滑 系统 图1单 泵 多 马达 行 走 液压 系统 同步 方 式 2 电子 防 滑 同步液 压 行 走 系统 简 称 “ 电子防 滑 系 统 ” ， 如 图 1 c 所示 通 过 改 变 液压 马达 的排 量 ， 调 节 液 压 马达输 出扭矩 ， 使各 车 轮 的滑转 率保 持 一致 ， 即液 压 马 达 转 速 一 致 E2 ] 。 上 述两 种 同步 系统 均 为 自由 分流 液 压 行 走 系统 简 称 “ 自 由分流 系统 ” ， 如 图 1 a 所 示 的变 形 。 2 单 泵 多 马 达 液 压 行 走 系 统 动 力 学 研 究 2 ． 1 自 由分 流 系统 动 力 学 研 究 自由分 流 系统 中 ，液压 马达 排 量 l ， 2 ， 3 ， 4 ， 下 同 相 等 ； 液 压 泵 进 出 口压 差 与 液 压 马 达 进 出 口 压 差 卸 相 等 ； 液 压 泵 出 口流 量Q。 与流 经 各液 压 马达 的流 量 之 和 Q 目 等 ， 即 iv o ,-- v m { 卸 △ p nu 1 I Q p ∑Q 液压 马达 经 减速 机 驱动 车 轮前 进 ．提供 车 轮前 进 所 需 的切 线牵 引 力 为 2 兀 r． 其 中 G 6 G 式 中 i a 液压 马 达 与车 轮之 间 的传 动 比 r 车 轮驱 动 半径 m ； 车 轮 牵 引力 N ； --地 面摩 擦 阻 力 N ； G 。 车 轮 附 着 质 量 k g ； 6 _车 轮 滑转 率 ； 地面 摩 擦 系数 。 行 走 系统 的 总牵 引 力 为 i 1 i 1 G 6 砉 一 c 3 将 式 1 带入 式 3 ， 可得 自由分流 系统 的牵 弓 1 力 p 4 x 盟 一 4 一 备 4 车 轮滑 转 率 为 6 Ti 式 中 车 轮 实 际速 度 i n rai n ， 机 械 行 走 过 程 中 ， 各 车 轮 的实际 速度相 等 ； ， 一车 轮理 论 速度 m mi n 一 。 车 轮 的 实 际 速 度 ⋯ 一 1 6 将 式 1 代入 式 6 可得 自由分流 系 统 的速度 一 2 一 “ 。 4 1 。 _ r 二 7 由式 2 可知 ， 自 由分 流 系统 中 各 车 轮 的驱 动 力相 等 ， 但 由于 地 面 附着 系 数 、 车 轮 附着 质 量 和 摩 擦 系 数 的 差 异 ， 车 轮 的 牵引 力 、 转 速 与滑 转率 各 不相 同。随着 行 走 阻力 的增 加 ，附 着 条件 最 差 的 车 轮会 首 先发 生 全 滑 转 。 由式 7 可知 ， 某 一 车 轮全 滑 转 时 ， 液 压 泵 泵 出 的液 压 油 全 部 流 向发 生 全 滑 转车 轮 的驱 动 马达 ． 行 走 系统 丧 失 速 度 。 此 时 ， 液 压 系 统 的 工作 压 力 为 。 行 走 液 压 系统 的 设 定 最 高 工作 压 力 一 般 大 于 机 械 完 全 打 滑 时 所 需 的 工 作 压 力 ， 下 同 av p △pmi - - _ FK i m i ．2r d 8 rai n { G 6 ㈦。 。 ％ ， i 1 ， 2 ， 3 ， 4 各车 轮 的滑转 率 为6 每 等 行 走 系统 的最 大 牵弓I 力为 ～ 4 F K ⋯一 ∑ 1 o 不考 虑液压 泵 、 液 压 马达 以及 管路 损 失 ， 自由 分流 行 走 系统 中液压 系统 的传 动效 率叩 较 高 ， 即 ∑△ p ⋯ Q 100 ％ ％ 行 走 系 统 驱 动 效 率 ∑ j k l o0％ 1 △ p Q 1 0 O ％ 1 2 发 生 全滑 转时 ，液 压 系统 的输 出功 率完 全 消耗 于 滑 一 转 车 轮与地 面 之 间的摩 擦 ． 此时会 加 剧车 轮磨 损 。 2 ． 2 同 步 分 流 系统 动 力 学 t if f 究 同步 分流 系统 是在 自 由分流 系统 的基 础上 增 加 了 同 步 阀 3 _ 。在 同 步 阀作 用 下 ， 液 压 泵 的 出 口流 量 均 分 到 各 液 压 马 达 ． 即 J， { Q 1 3 所 以各 车 轮 的理 论速 度 相 等 ， 滑 转率 6 相 等 ， 磨 损 均 匀 。 行 走 系统 牵 引力F K P 为 P ∑ ∑G , p i ∑_A P V ／ a ～ ∑ 1 4 i 1 i 1 l 1 兀 r 1 行 走 系统速 度 为 一 Ti 1 _ 畿 1 5 随着行 驶 阻 力增加 ， 车轮 总是 同时发 生全 滑 转 。 行 走 系统 的最 大 牵弓I 力 为 一 一 G i f [ ㈦。 。 1 6 液 压 马达 的工 作压 力卸 为 △p m EK e , 27 c r d 一 G 5 1 0 0 ％ 2 r d 1 7 gm ／ d g m ／ “ d 液 压 泵 的工作 压 力通 常大 于ma x { a p ， i 1 ， 2 ， 3 ， 4} 。 不考 虑液 压 泵 、 液压 马达 以及 管路 损 失 ， 同步 分流 系 统 中液压 系统 的传 动效 率叩 ． 为 ∑△ p Q ∑却 t ； 一 0 0 ％ o 0 ％ 1 8 行 走 系统 驱动 效率r ／ 为 FK P a 1 ～ ∑a p r 、 l G P 1 0 0 ％ ／ 液 压 马达 的 工 作 压 力 差 异是 影 响 同 步 分 流 系 统 中 液 压 系统 效 率 的 主 要 因素 ， 同步 分 流 系 统 的功 率 损 失 主 要 以热 量 形 式 在液 压 系统 内循环 ． 这将 造 成 液 压 系 统 工 况 恶 化 2 ． 3 电 子 防 滑 系统 动 力 学研 究 电子 防 滑 同步 系统 是 在 自 由分 流 系统 的基 础 上 。 用 变量 液 压 马达 替换 定量 液压 马达 。通 过调 节 液 压 马达 的 排量 ， 改 变液压 系统工 作压 力和 车轮 的驱 动力 输 出 ． 使 所 有 车轮 的滑 转率 液压 马达 转 速 保 持一 致 ， 即 Eq m pme nt M a na ge m e 设 n t裹 M 管 a in理 te n a＆ n c e维 T e修c h n技o lo术g y RM CM ＆■ 1 ■ ■ ■ ● 一 一 ■ ■ I { 却 △ p m 2 0 电子 防 滑 同步 系统 中 ， 车 轮 滑转 率d ， 相 等 ， 各 车 轮磨 损 均 匀 。 行走 系统牵 引 力 为 缸 至i1 一 A rd i1一 善 行 走 系 统 速 度 为 1 --6 掣 2 2 随着 行 驶阻 力增 加 ， 车 轮 发生 滑 转 ， 但 所 有车 轮 的全 滑转 总 是 同时发 生 。行 走系 统 的最 大牵 引力 为 4 4 ～∑ 一一 ∑G 。。 2 3 液压 马达 的工作压 力△ p 为 △p 一 2 一 2 r d G f ,- 6 一 s 屯 2 4 不考 虑 液压 泵 、 液压 马达 以及 管 路损 失 。 电子 防 滑 系 统 中液压 系统传 动效 率 与 自由 分流 系统 相 同。 卸 ⋯ Q 却 杰Q 。 。 ■ 。 。 m 5 ， 7 t FK p ； 1 。。％ 等委 一 il 2rcra Q P ‘㈨ I △ p Qp Y o ～l U U 毒卜 3 结 语 综上 所 述 ， 可 以得 出以下 结 论。 1 对 比式 1 o 、 1 6 、 2 3 可 以看 出 自 由分 流 行 走 系统 的最 大 牵 引 力 ， 约 等 于 由地 面 附着 条件 决 定 的各 下 转 第 8 5页 一 墨 二 一 兰 ∑ 兰 滑 油 后 ． 还 必 须 使 两 个 相 对 运 动 件 之 间 有 一 定 的 空 隙 ， 才 能让 润 滑油 进入 两 个表 面 之间 。 当两 个表 面逐 渐 收敛 时 ， 润滑 油会 被挤 压 到一 个 窄 的空 间而 产 生一 个压 力 ，这 个 压 力 将两 个 表面 强 制分 离 ． 从 而形 成 完整 的油 膜 。 3 足够 快 的速度 。如果 轴 的转 速 不够 快 ， 它将没 有 足够 快 的速 率来 带 动 或 泵 送足 够 的润 滑油 进 入 压 力 楔 ． 以补 充 从轴 承两 端 漏掉 的 润滑油 量 ，其 结 果是 无 法保 持 完整 的油 膜 润滑 。 4 润 滑 油 必须 有 适 当 的粘度 。在 速度 、 负 荷 、 油 膜 厚 度 都 稳定 的情 况 下 ．润 滑油 的粘 度越 大 ，摩 擦 阻 力越 大 ； 摩 擦 系数越 大 ， 机 械 摩擦 损 失功 率越 大 。 但是 ， 粘度 过 小 ， 会 使 油膜 承 载能 力 不 够 ， 无法 维 持 流体 膜 润 滑 ． 则 摩 擦 阻力 更大 。 因此 ， 选 用 的润 滑油 粘度 应 与 转速 、 负荷 配 合得 当 ， 才能 使机 械在 合 适 的流体 膜 摩 擦范 围 内工作 ． 摩 擦 系数低 ， 机械 磨 损最 小 。 7 ． 3 润 滑油 压 力异 常 的影 响 润 滑 油压 力是 柴 油机 润 滑 系 技 术 状 况 的 重要 指 标 ． 工作 正 常 的柴 油机 的油 压 应 为2 9 4 ～ 5 8 8 k P a 。若 柴油机 在 中等速 下 运 行 时 的机 油 压 力 低 于9 8 ． 1 k P a ，在 怠速 下 运 行 时 机 油 压 力 低 于 4 9 k P a， 则 应 立 即 停 止 运 转 。因 为 在 机 油压 过 低 时 ． 已无 法保 证 有足 够 的机 油量 到达 每 一 个 需 要 润滑 的摩 擦 表面 。 在柴 油机 的温度 、 油 液粘 度都 正 常 的 情 况下 ， 如 果 高速 时 的压 力超 过 7 0 0 k P a ， 也应 停 机检 查 ， 因 为 过 高 的 机 油 压 力 会 使 大 量 的 机 油 涌 上 缸 盖 。并 通 过 气 门与 导 管 间的 间 隙进入 气 缸 ， 引起 烧 机油 的故 障。 压 力 再 高 ， 则 会 使 润 滑 系 的 机 件 因 承 受 过 高 的 负 荷 而 受 损 。 机 油压 力 可通 过 滤清 器上 的调压 阀进行 调 整 ．但在 调 整 之 设 备管理 ＆ 维修 技术 E q u i p me n t Ma n a g e me n t Ma in t e n a n c e T e c h n o l o g y 前 必须 查清 导 致压 力 异 常的原 因。 8 结 语 柴油机 是工程 机械 和重型车辆 配备的常用动 力装 置 ， 是 整机 的心 脏 ， 其性 能 会 影 响机 械 设 备 的 作业 效 率 、 作 业质 量 以及机 械 本 身 的使 用寿命 ，进 而 影 响到 工程 施 工企 业 的工 程 施工 进度 和 企业 的经 济 效 益 。由上 述 的分 析 可知 ， 调 整 参数 的变化 将 导致 柴油 性 能 的劣 化 ． 而 使调 整 参 数保 持 在 应 有 的范 围 内并 不 需要 很 大 的 工作 量 ． 但 在 设备 的使 用 过程 中 ，调 整参 数 的 变化和 检查 调 整 却往 往 不 为人们 所 重视 ， 从 而使机 械 的 性能 日益恶 化 。 因此 ， 在 机械 设 备 的使 用过程 中 ， 应 重视 对设 备 的维 护 ， 特 别是 调 整参 数 的检 查和 调 整 。 参考 文 献 [ 1 ] 周龙保． 内燃机学[ M] ． 北京 机械 工业出版社 ， 1 9 9 9 ． [ 2 ] 张宏春． 公路工程机械 发动机 构造 与修理 [ M] ． 北京 人 民交通 出 版 社 ． 2 0 0 7 ． [ 3 ] 高为群． 公路工程机械 驾驶 与故 障排除 [ M] ． 北京 人 民交通 出版 社 ． 2 0 0 5 ， [ 4 ] 吉林工业 大学 内燃机教研 室． 内燃机理论与设计 [ M ] ． 北 京 机械 工 业 出版 社 ． 1 9 9 7． [ 5 ] 辛 诂． 汽车拖拉机 发动机原理 [ M ] 北 京 中国农业 大学 出版 社 ， 2 0 0 9 ． 收 稿 日期 2 01 1 1 2 -1 2 【 责 任 编 辑 谭 忠 华 ] 上 接 第 8 1 页 车 轮 牵 引力 中最小 值 的4 倍 同步 分流 和 电子 防 滑 系统 的 最 大 牵 引力 ．约等 于 由地 面 附着 条件 决定 的各 车 轮牵 引 力之和 。同步 分流 和 电子 防滑 系统 的最 大 牵 引力 大于 自 由 分 流 系 统 。 2 对 比式 7 、 1 5 、 2 2 可 以看 出 液压 泵 出 口流 量 相 同时 ， 自由分流 行 走 系统 车轮 滑 转率 各 不相 同 ， 车 速 最 低 ， 各车 轮磨 损 不均 匀 ； 同步 分流 和 电子 防滑 系统 车 轮 滑转 率 一 致 ， 车速 高 于 自由 分流 系 统 ， 各 车轮 磨 损 均 匀 ， 且 电子 防滑 系统 的车 速稍 高 于 同步 分流 系 统 。 3 对 比 式 1 1 、 1 2 、 1 8 、 1 9 、 2 5 、 2 6 可 以 看 出 自由分流 系 统液压 系统 效率 较 高 ， 但 行走 系 统 总驱 动 效 率较 低 ，液压 系统输 出功率 大 多 以车 轮 与地 面 之 间 摩 擦 功 的形 式消 耗 ； 因同 步 阀存在 节 流损 失 ， 同步 分流 系 统 液 压 系统 效率 较低 ， 发热 量 大 ， 但 行走 系 统总 驱 动效 率 高 ； 电子防 滑 系统 融合 了上 述 两种 系统 的优点 ， 液压 系 统 效 率 与 自由分流 系统 相 当 ，行走 系 统 总驱 动效 率 高于 同 步 分流 系统 。 参考 文献 [ 1 ] 吴保林 ， 裘 丽华， 祁晓野 ， 等． 单泵驱动双马达速度同步控制技术 研究 L I ] _ 系统仿真 学报 ， 2 0 0 6 ， 1 8 6 1 5 8 5 1 5 8 8 ． [ 2 ] 王欣 ， 易小刚， 张超 ， 等． 全液压平地机电子抗滑转方法研究 L J ] ． 筑路机械与施工机械化， 2 0 0 7 ， 2 4 9 5 3 5 6 ． [ 3 ] 林涛 ， 王欣 ， 贾剑锋． 同步分流阀在全液压 平地机上 的试验 研究_J ] ． 筑路机械与施工机械化， 2 0 0 8 ， 2 5 5 5 2 5 4 ． 收 稿 日期 2 01 1 1 0 - 2 5 [ 责 任 编 辑 杜 卫 华 ]