液压全驱单钢轮压路机沙土作业的打滑分析.pdf

R 0AD CONS T RUCT I ON AND M ACHI NE R Y 文章编号 1 0 0 0 0 3 3 X 2 0 1 3 0 1 2 - 0 0 6 6 - 0 4 液压全驱单钢轮压路机沙土作业 的打滑分析 吴 小 丰 ， 宋鹏 飞 柳工无锡路面机械有限公司 ， 江苏 无锡 2 1 4 0 0 0 摘 要 针 对液 压全 驱单钢轮 振 动压路 机 沙土作 业 时后轮 打 滑的现 象， 对 整机 作业 时的 受力进行 分 析 ， 指 出主要原 因是 整机 牵引 力与地 面 附着性能 不 匹配 。从合 理 分 配驱 动 力及 提 高驱 动 轮 附 着性 能 两方 面 ， 提 出了新 的 防滑转液 压 系统 ， 为 解决压路 机 打滑现 象提供 了新 的 思路 。 关键 词 压路机 ； 打 滑 ； 牵引性 能 ； 附着性 能 中图分类 号 U4 1 5 ． 5 2 文 献标 志码 B An a l y s i s o n S l i p pi ng o f Hy d r a u l i c 。 - d r i v e n Si n g l e 。 _ d r u m Ro i l e r W o r ki n g o n S a nd S o i l W U Xi a o f e ng，SONG Pe n g f e i I i u g o n g W u x i Ro a d Ma c h i n e r y Co ．I t d ．，Wu x i 2 1 4 0 0 0 ，J i a n g s u ，C h i n a Ab s t r a c t Ai me d a t t he s l i p p i ng o f r e a r whe e l o f h yd r a ul i c d r i v e n s i ng l e d r u m r o l l e r whi l e wo r ki n g o n s o i l s a nd， f o r c e a n a l ys i s wa s c a r r i e d o ut ， a n d i t wa s po i n t e d o ut t ha t t he mi s ma t c hi ng o f t r a c t i o n a nd t he gr o un d a dh e s i o n pe r f o r m a nc e wa s wh a t s ho ul d be bl a me d f o r ． A ne w a n t i s ki d hy dr a u l i c s y s t e m wa s p ut f or wa r d，pr o v i di ng ne w t h o ug ht o n s ol v i n g s l i pp i ng pr o bl e m s o f r ol l e r ． Ke y wo r ds r o l l e r ；s l i p pi n g；t r a c t i v e pe r f o r man c e；a dhe s i ve p e r f or ma n c e 0 引 言 对 于 工程机 械 沙土 施 工 打 滑 的难 题 ， 普 遍 的解 决思路 包括 两个 方 面 ， 一是 改 进 行 走机 构 的结 构参 数， 如采用履带式行走机构 、 研发仿驼足步行机构 1 等 ； 二是从提高沙土承压能力， 约束沙土变形流动等 方 面人手 ， 如沙 土 限 流板 承 压 试 验研 究 _ 2 ] 、 沙 中织 物 的研 究L 4 等 。但 针 对 于 2 0 t液压 全 驱 单 钢 轮振 动压 路机 在 内蒙 古沙 土工 况下施 工 时出现后 轮 打滑 的现象， 上述措施 由于受可行性 、 可靠性及时间效率 等因素制约而无法采用。针对这一问题 ， 笔者从压 路机 沙土 工况受 力 分 析人 手 ， 找 出 了压路 机 后 轮 打 滑 的具体 原 因 ， 并提 出相应 的解 决方 案 ， 为 提高压 路 机 沙土工 况 的牵引性 能提 供 了基 础 。 1 沙土工况液压全驱的压路机受力分析 液压 全驱 的单 钢轮振 动压 路机 的液压 系统 简 图 如图 1 所 示 ， 发动 机通过 分动 箱将动 力传 递给行 走 、 振 动及转 向三大液 压系 统 。其 中行 走系统 的 动力通 收稿 日期 2 0 1 3 - 0 2 2 0 6 6 过驱 动马达及 减 速装置 以扭矩 和转 速 的形式传 递 给 钢轮 和轮胎 ， 钢轮 驱 动 马达 和 轮 胎驱 动 马达 采用 并 联 的形 式 ， 各 自得 到 的动力分 别 由钢轮 、 轮胎 各 自的 外负 载所决 定 。 鸶 L 1 l 发动机 l 行 泵 l [ ] ⋯ 轮胎 l轮 胎 驱 动 马 达 I 动 马 达 l 图 1 液 压 全 驱单 钢 轮 振 动 压 路 机 液 压 系 统 如上 所述 的液压 全驱 单钢轮 振动 压路 机在 沙土 工况 时 的受力 分析如 图 2所示 。 如 图 2所 示 ， 当钢轮 马达 、 轮胎 马达输 出相应 的 驱 动扭矩 时 ， 相 当于通过 动力半 径 给钢轮 、 轮胎 施加 一 个 与行 驶方 向相 反 的作 用力 ， 由于相互 作用 ， 此时 地 面也会 给钢 轮 、 轮 胎施 加一个 大小 相等 、 方 向相反 的作用 力 ， 该力 充 当了克 服行 走阻力 ， 驱 动整 机前进 的牵引 力 。牵 引力 的大 小一方 面受 马达输 出扭 矩 的 R OAD CONS T RUCT1 0N AND MAC HI NE RY 图 2、极压 全驱 单 钢 轮 振 动压 路 机 抄 土 受 力 分 析 约束 ， 另一方面受路面材料附着极 限所能提供的最 大摩 擦力 的限制 。当 附着 力 足 够 大 时 ， 驱 动 轮 的 最 大牵 引力 由马达输 出扭 矩 决 定 ， 一 旦 实 际 行走 阻力 大 于牵 引力 ， 发动 机会 因超 载而 熄火 ； 当马达输 出的 驱动扭矩足够大时， 牵引力的发挥便受制于附着力 ， 不论 钢轮 或 轮胎 ， 一 旦其 行 走 阻力 大 于 地 面对 其 的 附着力 ， 便会出现打滑的现象， 严重影响整机牵引力 的发 挥 。综上所 述 ， 要使 液 压全 驱 单 钢 轮 振 动压 路 机在 沙土 工况 正常 行走 就必 须满 足式 1 的条件 F 1≥ Fk 1≥ Ff l ⋯ F。 2≥ Fk 2≥ Ff 2 式 中 F 。 、 F 。 。 为 地 面可提 供 给钢 轮 、 轮 胎 的 附着 力 ； F k 、 F 。 为钢 轮 与轮胎 的驱 动 力 ； F F 为 钢 轮 与轮 胎 受 到的 阻力 。 由 1 式可 知 ， 满 足 压 路 机正 常行 走 的条 件 为 地面所能提供的附着力必须大于其牵引力 ， 而整机 恒 速行 驶 时 ， 牵 引力 必须 与行 走 阻力相 平衡 ， 即正常 驱 动 时 ， 牵 引力 应大 于等 于行 走 阻力 。 因此 ， 要 抑制 压 路机 打滑 现象 的 出 现 ， 需要 从 附着 性 能 和 牵 引 性 能 两方 面进 行分 析 。钢 轮 、 轮胎 的 附着 力 计 算 方 式 如 式 2 所示 F 1一 G c o s a 2 F 2一 G2 C O S a 。 式 中 G 、 G 。 为前 、 后 驱 动轮 分 配 到 的重 力 N ； 、 为前 、 后驱 动轮 的附着 系数 。 由 2 式 可知 ， 前 、 后 轮 的分 配质 量 及 驱 动 轮 的 附着 系数 决 定着压 路 机 附着 力 的大小 。 根据 图 1 所 示 ， 液压全 驱 单钢 轮压 路机行 走 液 压系 统采 用单 泵双 马达 并联 形式 ， 则 前 、 后 驱 动马达 工作应压力相同， 且前 、 后驱动轮的驱动力 由液压系 统 自身根 据 前、 后 轮 负 载 大小 自行 分配 ， 具体 如 式 3 所 示 Fk 1一 3 一 式 中 P为行走 系统 压力 MP a ； q 、 q 为 前 、 后 驱 动 轮 排量 mlr a d ； r _ 、 r 为 钢 轮 、 轮 胎 动 力 半 径 m ； i 、 i 为钢 轮 、 轮 胎减 速器 速 比 。 由式 3 可知 ， 压 路机可 提供 的牵 引力 大小 由发 动 机 的动 力分 配 、 行 走 液压 系统 配置 、 减速器 速 比及 驱 动轮动 力半 径决 定 。 综合上述分析 ， 2 0 t 液压全驱单钢轮振动压路 机 在 内蒙 古沙 土工 况打 滑 的主要原 因是压路 机 可提 供 的驱动 力 大于地 面可 提供 的 附着力 。驱 动力 过大 与单 钢轮 结构及 液 压 系 统 的设 计 有 关 ， 附着 力 过 小 与作 业工 况 的特殊 性相关 。 2 沙土工况及压路机结构对行走 性能 的影响 由于 沙土 颗 粒 间 粘 性 低 ， 内 摩 擦 力 小 ， 压 缩 性 小， 一方面使得沙土工况的抗剪强度较低 ， 另一方面 使得沙土在载荷作用下易变形产生塑性流动 ] 。结 合单钢轮压路机结构特点， 钢轮的宽度大于轮胎宽 度 ， 使得 轮 胎下 土壤 所 受 到 的剪 应 力 通 常 大 于 钢轮 下 土壤 所受 到 的剪应 力 ， 导 致轮 胎 比钢轮 容易 打滑 ， 其 原 因就是 轮胎 在沙 土 中的 附着系数 小 。 实 际试 验测试 及 表 1可 表 明 ， 在 沙 土工 况 时轮 胎 的附着系数会下降到 0 ． 3 5 左右 ， 而碎石路面可达 到 0 ． 6 5 ， 因此 钢轮 和轮胎 在 沙土 工 况下 附 着 性 能下 降是出现滑转的最主要因素。同时， 由于全液压单 钢 轮压路 机要 考虑 到整 机 的压 实 效果 ， 一 般 前 轮 分 配 的质 量要 达到整 机质 量 的 6 0 以上 ， 而 在 沙土 工 况下后轮轮胎的附着 系数下降明显， 全液压单钢轮 压路 机 的后 轮就容 易 出现 打滑 。 表 1 各种路面的附着系数 沥青混凝土 松铺沥青 压轮材料 干土路 碎石路 松铺土 路 混凝土 铸铁压轮 0 ． 3 3 ～0 ． 3 9 0 ． 3 4 ～0 ． 3 9 0 ． 4 0 ～0 ． 4 8 0 ． 3 3 ～0 ． 3 8 0 ． 2 5 ～0 ． 3 0 钢制压轮 0 ． 4 0 ～0 ． 4 7 0 ． 4 1 ～0 ． 4 9 0 ． 4 7 ～0 ． 6 0 0 ． 3 6 ～0 ． 4 5 0 ． 2 5 ～0 ． 3 0 光面轮胎 0 ． 5 0 ～0 ． 6 1 0 ． 5 5 ～0 ． 7 4 0 ． 5 0 ～0 ． 6 3 0 ． 5 0 ～0 ． 6 0 0 ． 5 4 ～0 ． 6 5 花纹轮胎 0 ． 6 0 ～0 ． 7 0 0 ． 7 0 ～0 ． 8 2 0 ． 5 0 ～0 ． 7 0 0 ． 6 0 ～0 ． 7 0 0 ． 6 O ～0 ． 7 0 6 7 ROAD CoNS TRUCTI ON AND MACHI NERY 3 提升整机牵引性能的两个 改善方 向 由前 文所 述可 以得 知 ， 沙 土工况 下 ， 轮胎 的附着 性 差易使 驱动 力过 剩 而 导致 驱 动 轮 出 现滑 转 ， 尤 其 表 现在 附着重 量 轻且 接 地 面 积 小 的后 轮 上 。 因此 ， 需要 提 升附着 性能 或者让 驱动 力可 随附着 力 的变化 而 变化 ， 且满 足 F ≥ f Fk 4 可 以通 过 以下 两个 方面 改善整 机 的牵引性 能 。 3 ． 1 提升驱 动轮 的 附着性 能 根据公 式 2 ， 以 附着 力 的计 算 为 依据 ， 要 提 升 单 钢 轮压路 机在 沙土 工 况 下 驱动 轮 的 附着 性 能 ， 首 先 要考 虑合 理分 配 前 、 后 轮 的质 量 。鉴 于 沙 土工 况 的特殊 性 ， 沙漠 型压路 机前 、 后 轮 的质量 分配应 由常 规 的 6 5 左右 下调 到 5 O 左 右 。 从驱动 轮 的受力 分 析 来 看 ， 驱动 轮 上 的切 线 牵 引力实际上是地面对驱动轮的反作用力 ， 即由轮胎 挤压 土壤 的反作 用力 和轮胎 表面 与土壤 的摩 擦反 力 两部 分构成 。而附着 性 能 与 土壤 的 内凝 聚力 、 内摩 擦系 数及 土壤对 车轮 的摩擦 系数 均有关 系 。 有研究表明 增大车轮直径、 降低轮胎充气气压 和采用宽基轮胎都可以增加轮胎承压面积； 通过减 小土 壤剪切 力 可 以增 大 轮 胎 与 土壤 的摩 擦 系数 ， 从 而提 升 附着性 能l l5 。 3 ． 2 合 理分 配驱 动轮的 驱动 力 常规 工况 下 ， 全 液 压 压 路机 后 轮 的 附着 系 数 远 远大于前钢轮 ， 但是在沙土工况中， 前 、 后钢轮 的附 着 系数差 异不 大 。而按 常规工况 配置 的驱 动元件 参 数 如马达排量 、 驱动轮半径及减速 比等 已经不能 适应 沙 土工况 ， 因此 必须 对前 、 后 轮驱 动元 件 的参 数 重新 进行 匹配 ， 合 理调 整 前 、 后 轮 的驱 动 力 ， 适 当降 低 系统 压力 、 减少 轮胎 马 达 排 量或 者 降 低 减速 器 速 比等使马达的输出扭矩在沙土附着极限所能提供 的 最 大摩擦 力 范围 内 。 4防滑驱动方案 由于沙 土工况 的特 殊性 ， 要 彻底 解决 后轮 打滑 、 提升牵引性能， 必须采用防滑系统 ， 考虑到成本及 防 滑 效果 ， 提 出 以下 几种解 决 防滑系统 的方 案 。 4 ． 1 采用 串并 联 回路 普 通全 液压 压路机 的驱 动系 统大 多数采 用单泵 双 马达 并联 回路 系统 ， 这种 方式优 点在 于 可 有效发 6 8 挥前 、 后驱动马达的驱动力 。其缺点在于 当其中某 一 个 驱动 轮 出现滑 转 时 ， 系统 流 量 会 全部 流 向滑 转 轮 的马达 ， 致使 另 外 一个 驱 动 轮 也丧 失 驱 动 力 。针 对 上述 问题 ， 可 将行 走 液 压 系统 改 进 为 串并 联 驱 动 系 统 ， 如 图 3 所 示 。正 常情 况 下 控 制 阀 2工 作 在 左 位 ， 两驱 动马达 并联 ， 一旦 轮边传 感器 检测 到某个 马 达 出现超 速 打 滑 ， 则 控 制 阀 2得 电 ， 换 至 右 位 工 作 ， 使得液压回路切换 为串联回路， 前 、 后驱动马达 可 以根 据 自身 的负 载 进 行 匹配 ， 保 障系 统不 会 出现 打 滑状 态 。 钢轮驱动马达 轮胎驱动马达 又 皿， l 行 走 泵 图 3 串并 联 回 路 液 j盘原 理 4 ． 2采用 分流 集流 阀 将 行走 泵提供 的高压油 通过分 流集 流 阀的重新 分流再 进入 前 、 后 行走 马达 ， 当其 中某一 驱动 轮滑转 时 ， 通过分 流 阀的强 制 节 流避 免 液 压 油全 部 流 入 滑 转轮马达 ， 保证 2 个驱动马达都有流量输入和扭矩输 出。如果采用电比例分流集流阀， 亦可通过马达传感 器 的反馈 和电控技术 E C U ， 使 分流 阀进 行更精 细 的 分流 ， 取得更好 的防滑效果 ， 具体 如图 4所示 。 一 西 图 4分 流 节 流 阀 防 滑系 统 原 理 4 ． 3 采用单 泵双 马达 电液 比例控 制驱动 系统 在单 泵 双马达并 联 的系统 基础上 ， 对 于行走 泵 ， 前 、 后驱 动马 达采 用电 比例控 制方式 ， 并 且给驱 动 马 达配备传感反馈 和控 制器装置 ， 具体 如图 5所示 。 当某 一驱动 轮 出现滑 转 或 有 滑转 趋 势 时 ， 通 过 马 达 传 感器 的反 馈 ， 控 制器 的输 出信号 适时 调节前 、 后 马 R OAD CONS TR UCTI ON AND M ACHI NE R Y 达的排量 ， 使得液压系统重新分配驱动力 ， 保障前、 而提升压路机的驱动性能和工况适应性 。 椭 刚、 于其附着力’ 避免出现滑转5结语 而丧失驱动性能。 ～ 针 对 液压全 驱单 钢轮 振动 压路 机在 沙土工 况 中 后 轮 打滑 的现象 ， 对 压路机 进行 受力 分析 ， 指 出后 轮 打滑 的主要 原 因是 系 统可提 供 的牵 引力与 地面 可提 供 的 附着 力 不 匹配 。该 问题 可 采 取 两方 面 措 施 ， 一 是 通过增 大 车轮 直径 、 降低 轮 胎 充 气 气 压 和采 用 宽 基轮胎等方式提高附着性能 ； 二是通过调节 驱动元 L 7 J 何社全． 压路机 自动滑转控制系统L J ． 建筑机械化， 2 0 0 0 1 图 6 双泵双马达 电控原理 5 1 5 2 以上几种防滑差速方案都是通过实时调整驱动 [ 8 ]刘海清． 液压双驱压路机的防滑转控 制[ J ] ． 黑龙江 科技信息， 马达排量来重新分 配驱动轮的驱动力， 使之与路况 2 0 1 2 1 3 2 7 5 ． 的附着力相适应 ， 确保驱动轮始终保持有驱动性 ， 从 [ 责任编辑 杜卫华] ‘ ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～⋯～⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ ’ 飞 6 5 文后参考文献著录规则 5 { { 筑路机械与施工机械化 杂志已于 2 0 0 6 年开始实行文后参考文献新规范， 请作者在投稿时提供的 4 参考文献著录项 目要更加齐全 。专著必须注 明所有作者 、 题名、 其他题名信息、 出版地 、 出版者、 出版年 份及引文页码 ； 如果是专著中的析出文献， 还需要注明析出文献所有作者及析出文献题名。杂志期刊必 { 须注明文章所有作者 、 文章题名 、 杂志名称、 其他题名信息、 年份 、 卷号 、 期号、 文章析 出的起迄页码。专 利文献必须注明专利 申请者或所有者、 专利题名 、 专利 国别 、 专利号、 公告 日期或公开 日期 、 引用 日期 。 { 6 9