分体运输平台液压驱动系统分析及其功率匹配-.pdf

第 8卷第 1 期 2 0 1 0年 3月 中国工程机械学报 C H I N E S E J O UR NA L O F C ON S T R UC T I O N MA C H I N E R Y V0 1 ． 8 No． 1 M a r ．2 01 0 分体 运输 平 台液压 驱动 系统分析及其功率 匹配 陈逢雷 ， 赵静一 ， 耿冠杰 ， 高建辉 1 ． 燕 山大学 机械工程学院 ， 河北 秦 皇岛0 6 6 0 0 4 ；2 ． 连云港天明特种车有限公司 ， 江苏 连 云港 2 2 2 0 0 0 摘要在分析了机械 一液压功率匹配系统原理的基础上， 根据液压系统驱动力 一速度 一液压系统效率曲线 ， 提 出了适用于 WC 8 0 Y型分体运输平台液压驱动系统与发动机功率匹配的实现方案及控制规律． 通过试验与现场 实践 ， 此功率匹配系统满足该车辆操作性能的要求， 对提高车辆的驱动性能有较大意义， 对于其他行走工程机械 也具有参考和借鉴作用． 关键词 连采设备分体运输平台；液压系统；防爆发动机； 功率匹配；液压比例 中图分类 号 T H 1 3 7 ；T D 5 2 5 文献标 识码 A 文章编号 1 6 7 2 5 5 8 1 2 0 1 0 0 1 0 0 7 7 0 4 Hyd r a ul i c al l y- dr i ve n s ys t e m a na l ys i s and p owe r m at c hi ng f or s e pa r at e t r ans po r t a t i 0 n p l a t f o r m s C H E N F e n g - l e i ，Z H AO J i n g - y i ，G E NG G u a n - j i e ，G AO J i a n h u i 1 ． C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， Y a n s h a n Un i v e r s i t y ， Qi n h u a n g d a o 0 6 6 0 0 4 ，C h i n a ； 2． L i a n y u n g a n g Ti a n mi n g S p e c i a l Ve h i c le Co ． ， Lt d，Li a n y u n g a n g 2 22 0 0 0，Ch i n a Ab s t r a c t By a n a l y z i n g me c h a n i c a l h y d r a u l i c p o we r ma t c h i n g s y s t e ms ， t h e d r i v i n g f o r c e， d r i v i n g s p e e d a nd e f f i c i e n c y c ur v e a r e at t a i ne d f o r h y dr a ul i c s y s t e ms ． M o r e o v e r， t he i mp l e me ntat i on s o l ut i o ns a n d c o n t r o l p r i n c i p l e s o f h y d r a u l i c a l l y - d r i v e n s y s t e m a n d e n g i n e p o we r ma t c h i n g a r e s p e c i f i c a l l y p r o p o s e d f o r t h e WC 8 0 Y t r a n s p o r tat i o n p l a t f o r m． Th r o u g h o n s i t e t e s t i n g， i t i s i n d i c a t e d t h a t t h e po we r ma t c h i n g s y s t e m me e t s t h e d e ma n d s o n o p e r a t i o n a l p e r f o r ma n c e s ． I n a d d i t i o n， t h i s a p p r o a c h， wh i c h s i g n i f i c a n t l y i mp r o v e s v e hi c l e d r i vi n g p e r f o r ma n c e， ha s s et a r e f er e n c e f o r ot he r d r i vi ng c o ns t r u c t i o n m a c hi ne r y d e s i gn． Ke y wor d ss e p a r at e t r a ns p o r tat i on pl a t f o r m ；h yd r a u l i c s y s t e m ；e xp l o s i o n p r o o f e n gi n e； po we r m a t c h i n g； hy d r a ul i c pr o p o r t i o n 由于连采设备在巷道内行走速度缓慢 ， 而且每行走一段距离就需要把防爆 电缆插入另外的电源插 口， 增加了工人的劳动强度． WC 8 0 Y型连采设备分体运输平台是专为煤矿巷道 内大型设备 的运输研制的， 最 大载重为 8 0 t ， 主要用来将连采设备在不 同的煤矿挖掘层之 间快速搬运 ． 同时， 该运输平台可 以搬运大型 液压支架 、 锚杆机等设备 ． 目前井下无轨辅助运输采用液压传动的车辆较少 ， 在地面工程机械得到广泛应 用． 液压传动具有 良好的无极调速性能和灵活布局的特点 ， 且可进行各种各样的调 节和控制 ， 液压元件可 靠性也已得到很大提高n ] ． 其传动系统主要 由发动机 、 分动箱 、 液压系统等组成． 液压系统主要包括液压驱 动系统、 辅助工作系统 即升降调平系统 、 转 向系统和支腿液压系统 ． 发动机功率一部分为行走液压功率 流， 另一部分为辅助工作液压功率流． 平板车满载最高速度 的闭式驱动系统的功率和辅助工作系统所需的 最大功率相加即为平板车动力装置功率[ 2 ] ． 发动机一 液压功率匹配 煤矿用液压行走系统与工程机械一样 ， 与其他 的开式系统 比较 ， 结构相对简单 ， 如图 1所示 ， 系统整体 作者简介 陈逢雷 1 9 8 4一 ， 男 ， 博士生． E ． ma i l c h e n f e n g l e i y a h o o ． c a 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中国工程机械学报 第 8卷 由变量柱塞泵 带补油泵 、 行车控制阀、 变量柱塞马达等组成 ． 由变量柱塞泵为变量马达供油． 发动机驱动 泵输出高压油， 使机械能转化为液压能， 油液经过马达将液压能转化为机械能通过减速机输出． 如何简单 有效地使发动机和传动系统 同外部负荷之问始终保持合理 的匹配是需要研究 的关键 问题． 由于液压系统 具有精细的无级速度调节和 良好的控制性能 ， 能防止发动机超载而熄火 ， 使传统的靠操作者的经验和感觉 来进行的人工操纵油门踏板和变速杆的操作大大简化， 并且也使机械的性能和作业效率大大提高． 发动机一 液压泵功率匹配控制系统使用方便 ， 工 作可靠 ， 使固定装置与液压泵集成在一起 ． 发动机 一 液压泵功率匹配控制在 R e x r o t h公司称 为转速感 应 控制 D A控制 ， 以 R e x r o t h公 司的 D A控制液压泵 和液压马达为例介绍机械一 液压功率 匹配控制 的原 理_ 3 J ， 如图 1所示 ． D A控制 阀又称转速感应控制阀， 根据阀入 口的 流量大小 ， 输出一个与其平方成 比例的控制压力 ， 因 变量泵与补油泵同轴 ， D A控制阀可将 变量泵的转速 1 ． 主泵 ； 2 ．变 量机构； 3 ． 行车控制 阀； 4 ． D A阀； 5 ． 补油泵； 6 ． 液压马达 图 1 D A控制功率匹配系统 Fi g． 1 DA c o n t r o l p o we r ma t c h s y s t e m 转变成定量泵的对应流量 ， 并将输出的控制压力通过行车控制阀 3与变量泵的变量机构 2连在一起 ， 构成 一 个典型的 D A控制闭式液压系统． 图 2为 D A阀的控制原理． 当泵转速为 时 ， 补油泵流量 Q 在节流阀上产生压降 Ap ， 其中 A p P 一 P z k n ， P ， P z 分别为图 2中测量节流 口前后的压力 ， k为节流阀常数， 而压力阀芯的力平衡方程如下 A Apl Al P s t Ft 1 式中 A 为补油泵与 阀入 口处 的截面积 ； A 为 阀输 出控制压 力 P 处 的截 面面积； P A／ A k n 一 ／ A V F Ap 一F ／ A ， F 为弹簧的调整力 ， 为固定放大系数 ． 控制压力 P 通过换向阀直接进入泵的变量缸， 在变量缸 中 P 、 对中弹簧等效压力 P 泵出口压力 P 三者之间在某一排量位置上取得平衡 ． 发动机怠速 时液压泵排 量为零 ， 发动机空 载起动． 随 着发动机转速升高 ， D A阀先 导压力增大 ， 当达到启 动压力 时液压泵排量增大． 随着发 动机转 速增 加， 液压泵排量增 大， 车辆行驶速度逐 渐增 大， 当控制压力达到最高控制压 力时 ， 液压泵排量最 大． 液压系统功率超 出发动机最大功 率后 ， 发动机失速 ， D A阀控制压力减小 ， 液压泵排量 降低 ， 车辆行驶速度随之下降 ， 实现 了恒 功率驱 动． 当车辆有其 他外加功率时， 如果两部分的功率之和超出发动机最大功 率， 发动机失速 ， D A阀控制压力减小 ， 液压泵排量 降低 ， 车 辆行驶速度下降， 分出的功率提供给转向等系统． 2 分体 运输 平台驱动液压 系统 油溢流 阀 图 2 D A阀控制原理图 Fi g ． 2 Pr i n c i p l e o f DA v a l v e c o n t r o l WC 8 0 Y型分体运输平台的驱动液压系统为闭式系统 ， 采用液压泵 一液压马达容积调速 回路_ 4 J ， 通过 调整液压泵与液压马达的排量来改变车辆的行驶速度 ， 液压马达通过轮边行星减速机输 出扭矩 ， 克服外部 负载驱动轮胎行走． 根据已知的液压系统 、 发动机和轮胎等参数 ， 可以得到如图 3所示 的液压驱动系统的 驱动力一 速度～ 液压效率 曲线 ， 其中曲线 a 为驱动力一 速度曲线 ， 曲线 b为液压系统效率 曲线 ， 图中 1 ， 2 ， 3为 关键点 ， 1点为最大驱动力点 ， 2点为液压泵最大排量点， 3点为最高车速点． 关键点的参数见表 1 ． 驱动系统消耗的功率为所有马达驱动车辆所消耗功率之和， 马达消耗功率与阻力矩 M 、 马达转速 n 有关． 整个闭式回路消耗的功率可以表示为 一丌 n1 M 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 陈逢雷 ， 等 分体运输平台液压驱动系统分析及其功率匹配 式 中 n 为马达数量 ； v为车速 ， k m h ～； 为车轮动力半径 ， m． 驱动系统消耗的功率用液压泵的输 出功率表示为 P 旦 垒翌 3 q q v q Vg Apq nf VPb 6 0 6 0 6 0 0 0 6 0 0 0 式 中 q 碉 为液压泵输出流量， L． mi n ～； V 为液压泵排量 ， ml r ～； Ap 为 系统工作压差 ， MP a ； g 、， b 为补 油泵输出流量， L．rai n ～； P 为补油泵工作压力 ， MP a ； n 为发 动机转速 ， rmi n ～； V g b 为补油泵排量， m1．r ～ ． 通过驱动液压系统的设计 ， 可以获得驱动液压系统控制的一些关键点的参数 ， 为驱动液压 系统一 发动 机功率匹配控制提供了理论依据 ． 2 4 0 2 o 0 委1 6 0 1 2 0 臀 8 O 4 0 一 一 l ＼＼一 一 ＼ 一 滚动阻力 车满载时 ＼ 一 滚动阻力 车空载时 、 4 6 8 1 0 1 2 1 4 速度 ／ k m． h 一 1 图 3 驱动力一 速度一 液压 系统效率 曲线 Fi g ． 3 Ef f i c i e n c y c u r v e o f f o r c e - s p e e d - h y d r a u l i c s y s t e m 3 泵与马达的功率 匹配 表 1 驱动力一 速 度曲线关键点数据 T a b． 1 Ke y p o i n t d a t e i n c u r v e o f f o r c e - s p e e d 对闭式驱动系统 ， 马达通过轮边减速机克服外部负载驱动车辆行驶 ， 泵与马达在系统流量上有一定的 匹配关系 ， 当马达排量一定 时， 系统的工作压力 由外部负载来决定 ． 对于马达 ， 其工作压差太大会对泵和马 达的使用寿命产生很大影响 ， 而工作压差太小又不能充分地发挥液压元件的作用 ， 所 以， 泵和马达应该始 终工作在一个压力 区间内． 车辆驱动马达采用力士乐液压 自动变量控 制 H A控制 ， 它是 自行走车辆 自适应外部负载的变量控 制方式． 当外部负载变化的情况下 ， 系统的工作压力也相应在很小的范围内变化 ， 使液压泵和液压马达在 希望 的压力区问内． 图 4中 P 为发动机怠速情况下液压泵 的压差 ， 系统设定 H A控制在工作压力达到 P 设定 1 5 MP a 时马达排量启动 ， 达到 P z 设定 2 5 MP a 时马达达到全排量 ， 设定值满足车辆的参数匹配 要求． 液压元件的高效区位中高压范围， 在高压 区有利于发挥元件动力性 ， 降低成本 ， 但传动效率和寿命降 低 ； 高压区的选择是通过额定压力和最高压力合理 匹配 ， 即通过适 当的压力降额配置来解决_ 6 ] ． WC 8 0 Y型运输平 台驱动终端是 由多马达并联而成 ， HA 控制的 液压马达排量根据外部负载来调节， 维持工作压力相对稳定， 使各 个马达保持相近的压力去工作 ， 每个车轮发挥相对稳定 的牵引力 ， 系统可以很好地解决驱动轮组的差力、 差速以及打滑问题， 不会因 为某个轮组附着条件差而使整个车辆无法行走． 车辆经过相对光滑 的路面， 可能出现打滑现象， 其原因为驱动力大于路面与轮胎间的 摩擦力， 即 F Ff 排量 比值 ／ 一 图4 HA控制参数匹配 HA c o n t r o l p a r a me ter s ma t c h i n g 斟较 罄 O 8 6 4 2 1 0 O O 0 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中国工程机械学报 第 8卷 式 中 F为驱动力 ； F 为轮胎与地面问的摩擦力． i M Ff 5 R ‘ ～ 式中 M 为轮胎的输 出扭矩 ； R为驱动桥滚动半径 ． Ap 2 Vi T ] m Ff 6 式中 Ap z为马达进出口压差 ； V为马达排量 ； i 为行星减速机传动比； 7 为马达及减速机部分机械效率． 液压马达 H A与液压泵 D A控制形成理想的驱动型式 ， 具有 自动控制、 合理负荷率、 高效率的液压传动 装置 ． HA 控制参数匹配如图 4 所示 ． 车辆行驶时马达排量范围是 ／ ～ 0 ． 4 6 ～1 ． 0 0 V 为马达实际排量 ， 一为马达最大排量 ， 压力变化范围为 P 。 ～P z ， 而在 P z ～p ～ p ～为系统最大工作压力 之间时马达全排量工作， 此时马达有 最高 的传动效率． D A HA 控制型式下 ， 马达最小排量的限制使传动效率大大提高 ， 并且随负荷波动时系统 的压力冲击小 ． 对闭式液压回路系统而言， 当车辆 由正常行车到停车时 ， 发动机转速降到低于 D A控制的 液压泵的启动转速时， 液压泵接近零排量， 此时液压马达变换为液压泵的工况， 整个液压系统变为回油高 压 ， 回油高压也使马达变为大排量 ， 形成制动转矩 ， 对整个车辆而言， 是更为安全的． 4 现场试 验及 调试 WC 8 0 Y型分体运输平台现场搬运连采机如 图 5所示 ． 测试项 目理论值与测试值见表 2 图 5 WC 8 0 Y型运输 平台现场搬运 连采机 Fi g ． 5 W C 8 0 Y t r a ns p o r t a t i o n p l a t f o r m c a r r i n g s u c c e s s i v e c o a l - mi n i n g e q u i p me n t 表 2 测试项 目理论值与测试值 的比较 Ta b ． 2 Co mp a r i s o n o f t h e o r e t i c a l v a l u e a n d t e s t v a l u e 由于车辆的支腿系统的作用是在连采机通过爬梯上下平板车的时候 ， 支腿和平板车的悬挂系统共同 支撑重量 ， 防止车辆来 回窜动 ， 现场没有测试其工作压力 ． 在实际测试中还发现 ， 车辆空载在凹凸不平的道 路行驶时 ， 马达处于小排量工况 ， 车辆抗负荷波动能力较差 ， 工作不平稳 ， 为应对这种工况 ， 基于 HA 控制 ， 引入人工越权控制 ， 通人外控压力 ， 强行使马达处于大排量工况 ， 改进后 ， 整个 系统工作平稳 ． 5结论 本文针对 WC 8 O Y型分体运输平台驱动液压系统 的特点和整车驱动性能的要求 ， 开发 了适用于该运 输车的功率匹配系统 ， 通过试验调试 ， 改进了系统中存在的不足和缺陷， 运输车的功率匹配系统得到进一 步完善 ． 在工作现场 ， 该运输平台在各种载荷和不同工况下均能运行平稳 ， 各项参数满足设计要求 ， 填补了 国内煤矿巷道连采机及其附属设备运输的空 白， 大大地提高运输效率 ， 减轻劳动力． 参考文献 [ 1 ] 姚怀新 ， 孙组望 ． 行走机械液压传动与控制I -M] ． 北京 人 民交通出版社 ， 2 0 0 1 ． Y A O Hu a ix i n ， S U N Z u w a n g ． H y d r a u l i c tr a n s mi s s i o n a n d c o n t r o l o f mo b i l e ma c h i n e r y M] ． B e ij i n g C h i n a C o mmu n i c a t i o n s P r e s s ， 2 0 0 1 ． 下转第 9 0页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中国工程机械学报 第 8卷 5 结论 本文在 R B F神经网络成熟的基础上， 应用归一化 的 R B F神经网络对旋转机械的转子系统进行故障 诊断 ， 并且针对梯度下降法容易产生梯度消失的问题 ， 提出用 E KF对权重进行调节 ， 经过实验分析和 比较 发现 ， 用 E K F训练的归一化的 R B F神经网络不仅在性能上优于 B P网络 ， 在精度和迭代速度上亦优于用 梯度下降规则逐步迭代的方法 ， 相信在今后的实际应用 中可以更大地发挥其优势 ． 参考文献 闻邦春， 顾 家柳 ， 夏松波 ． 高等转子动力学[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 0 ． WE N B a n g c h u n ， G U J h l i u ， X I A S o n g b o ． A d v a n c e d r o t o r d y n a m i c [ M ] ． B e i i i n g C h i n a Ma c h i n e P r e s s ， 2 0 0 0 ． 涂序彦． 人工智能 回顾与展望I- M] ． 北京 科学出版社， 2 0 0 6 ． T u X u y a h ． A r t i f i c ia l i n t e l l i g e n c e r e v i e w a n d p r o s p e c t [ M ] ． B e i j i n g ．． S c i e n c e P r e s s ， 2 0 0 6 ． 张雷， 秦宗慧． 改进的单层前向神经网络用于核电百万千瓦级汽轮发电机的故障诊断[ J ] ． 振动与冲击， 2 0 0 2 ， 2 1 4 9 5 9 7 ． Z HA NG L e i ， QI N Z h o n g h u i ． I mp r o v e d N N u s e d o n d i a g n o s i s i n g ma l f u n c t i o n o f 1 0 0 0 MW r o t o r - g e n e r a t o r [ J ] ． J o u r n a l of V i b r a t io n a nd S h o c k， 2 0 0 2， 2 1 4 9 59 7 ． 王璐 ． 基于 E KF训 练的 R B F神经网络及其故 障诊断应用L J ] ． 振动 、 测试与诊断 ， 2 0 0 8， 2 8 4 3 5 83 6 1 ． WA NG L u ． R B F NN a n d d i a g n o s i s i n g ma l f u n c t i o n t r a i n e d b y E K F 口] ． V i b r a t i o n ， Te s t in g a n d D i a g n o s i s ， 2 0 0 8 ， 2 8 4 3 5 83 6 1 ． S I MO N D． T r a i n i n g r a d i a l b a s i s n e u r a l n e t wo r k s wi t h the e x t e n d ed K a l ma n f i l t e r l [ J ] ． N e u r oco mp u t i n g ， 2 0 0 2 ， 4 8 4 5 54 7 5 ． 上接第 8 0页 [ 2 ] 李侃， 赵静一． 重型平板车液压系统与发动机功率匹配研究[ J ] ． 中国机械工程， 2 0 0 9 6 7 4 5 7 4 9 ． L I Ka n ， Z HA O J i n g y i ． R e s e a r c h o n h y d r a u l i c s y s t e m a n d e n g i n e p o we r ma t c h i n g f o r h e a v y t r a n s por t e r i, J ] ． C h i n a Me c h a n i c a l E n g in e e r i n g ， 2 0 0 9 6 7 4 57 49 ． [ 3 ] 赵静一 ， 王智勇． T L C 9 0 0型运梁车驱动液压系统与发 动机功率匹配研究[ J ] ． 中国机械工程， 2 0 0 7 7 8 7 88 8 1 ． Z H A O J i n g y i ， WAN G Z h i y o n g ． R e s e a r c h o n h y d r a u l i c d r i v i n g s y s t e m a nd e n g i n e p o w e r m a t c h i n T L C 9 0 0 t r a n s p o r t i n g g i r d e r v e h m l e i, J ] ． Ch i n a Mec han i cal En g i n e e r i n g， 2 0 07 7 8 7 88 8 1． [ 4 ] 王庆丰， 魏建华 ， 吴根茂． 工程机械液压控制技术的研究进展与展望[ J ] ． 机械工程学报， 2 0 0 3 ， 3 9 1 2 5 1 5 6 ． WAN G Q i n g f e n g ， WEI J i a n h u a ， Wu G e n ma o ． P r o g r e s s a n d p r o s p e c t s i n the r e s e a r c h o f h y dra u l i c c o n t r o l f o r c o n s t r u c t i o n ma c h i n e r y i, J ] ． J o u r n a l o f Mech a n i c a l E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 3 ， 3 9 1 2 5 1 5 6 ． [ 5 3 李荣湘． 闭式液压泵与原动机的匹配计算[ J ] ． 矿业研究与开发， 2 0 0 5 ， 2 5 3 5 1 5 2 ． L I R o n g x i a n g ． T h e ma t c h i n g cal c u l a t i o n o f p u m p a n d p r i m e m o v e r i n c l o s e d h y d r a u l i c s y s t e m[ J 3 ． Mi n i n g R e s e a r c h a n d D e v e l o p m e n t ， 2 0 0 5， 2 5 3 5 15 2． [ 6 - 1 姚怀新 ． 工程机械地盘及其液压传动理论 [ M] ． 北京 人民交通 出版社 ， 2 0 0 1 ． Y A O H u a ix i n ． C has s is a n d h y dra u l i c tra n s m i s s i o n the o r y o f c o n s t r u c t io n ma c h i n e r y i- M] ． B e i j i n g C h i n a C o mmu n i cat i o n s P r e ss， 2 0 0 1 ． ] ] ] ] ] 口 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m