（机械电子工程专业论文）小功率全液压推土机行驶驱动系统研究.pdf

捅斐 小功率全液压推土机( 1 1 0 马力及以下) 主要用于土方回填施工及市政辅助性工程 等场合。国内的小功率全液压推土机产品及理论研究可以说是一片空白；国外的小功率 产品比例也较小，且技术基本处于保密状态。小功率全液压推土机的最大特点是机动灵 活、操纵简便、传动平稳及易于实现无级调速和自动控制，而行驶驱动系统的性能又是 影响其作业性能发挥的重要因素。因此，对小功率全液压推土机行驶驱动系统进行研究 可以为国内在此方面的理论研究做技术储备。 论文研究了小功率全液压推土机行驶驱动系统，提出了单变量泵双变量马达串并联 回路切换的方案，并对系统控制方案进行了分析选择。根据发动机动力储备性能综合评 价指标动力储备系数k ，结合推土机用发动机选型所需考虑的问题进行了发动机的 选型；对行驶驱动系统进行了参数匹配计算以及液压泵、马达等主要元件选型，根据系 统参数匹配结果对其控制参数进行了匹配计算。对串并联切换回路工作原理、特性及行 驶与转向等性能进行了分析和讨论，并对串并联回路驱动系统效率进行了分析研究。基 于软件a m e s i m ，进行了小功率全液压推土机行驶驱动系统建模与仿真；对单变量泵双 变量马达串并联方案、单变量泵双两档马达串并联方案及双变量泵双两档马达方案同时 进行了仿真比较研究。论文的研究对同类机型的开发也具有一定的借鉴作用。 关键词：小功率全液压推土机，串并联回路，液压驱动，匹配，a m e s i m 仿真 a b s t r a c t l o w - p o w e rh y d r o s t a t i cb u l l d o z e r ( 1 10 h pa n db e l o w ) i sm a i n l yu s e df o rt h eo c c a s i o no f e a r t h w o r k sa n da c c e s s o r i a lm u n i c i p a lw o r k s i ti sa l m o s tab l a n ki nl o w - p o w e rh y d r o s t a t i c b u l l d o z e r sm a n u f a c t u r ea n di t st h e o r e t i c a lr e s e a r c hi nh o m e t h ep r o p o r t i o no fl o w p o w e r p r o d u c t si ss m a l la n dt h el o w - p o w e rh y d r o s t a t i cb u l l d o z e r st e c h n o l o g yi si nt h es t a t eo f s e c r e ta b r o a d t h em a i nc h a r a c t e r i s t i c so fl o w p o w e rh y d r o s t a t i cb u l l d o z e ra r em o b i l ea n d v i v i d ，o p e r a t i o nc o n v e n i e n t ，s t e a d ym o v i n g ，c o n v e n i e n ts t e p l e s ss p e e dr e g u l a t i n ga n d a u t o c o n t r o le t c f o r h y d r o s t a t i cb u l l d o z e r , t h ep e r f o r m a n c eo fi t s d r i v e n s y s t e mi st h e i m p o r t a n tf a c t o rt h a ti n f l u e n c e si t sw o r k i n gp e r f o r m a n c et od e v e l o p f r o ma b o v e ，t h es t u d yo n t h ed r i v i n gs y s t e mo fl o w - p o w e rh y d r o s t a t i cb u l l d o z e rw i l lb et e c h n i c a ls t o r a g ef o rt h i sa r e a o ft h e o r e t i c a lr e s e a r c hi nh o m e t h ea u t h o rs t u d i e dd r i v i n gs y s t e mo fl o w - p o w e rh y d r o s t a t i cb u l l d o z e r ，p u t t i n gf o r w a r da n e ws c h e m eo fs i n g l ep u m pa n dd o u b l em o t e r ss e r i e s - p a r a l l e lc o n n e c t i o no i l - w a yd r i v e n s y s t e m ，a n a l y z e da n dc h o s ei t sc o n t r o lm e a s u r e s t h ee n g i n ew a ss e l e c t e da c c o r d i n gt ot h e e v a l u a t i o nc r i t e r i o n ( p o w e rr e s e r v ef a c t o rk ) o fe n g i n e sp o w e rr e s e r v ep r o p e r t ya n dg e n e r a l c o n s i d e r a t i o np r o b l e mo fe n g i n e sl e c t o t y p e ，p a r a m e t e r s m a t c h i n gc a l c u l a t i o nw a sd o n e ， p u m pa n dm o t o r sw e r ea l lc h o s ef o rd r i v i n gs y s t e m ，a n dt h ec o n t r o l p a r a m e t e r s c a l c u l a t i o n a l s ow a sd o n ea c c o r d i n gt ot h er e s u l to fp a r a m e t e r s m a t c h i n gc a l c u l a t i o n t h ea u t h o r a n a l y z e ds e r i e s - p a r a l l e lc o n n e c t i o no i l w a yd r i v e ns y s t e m sw o r kp r i n c i p l e ，c h a r a c t e r i s t i ca n d p e r f o r m a n c eo fd r i v i n ga n dt u r n i n ge t c ，a n da l s oa n a l y z e dt h ee f f i c i e n c yo fs e r i e s p a r a l l e l c o n n e c t i o no i l w a yd r i v e ns y s t e m b a s e do nt h es o f t w a r ea m e s i m ，t h ea u t h o rm a d em o d e l a n ds i m u l a t e df o rt h ed r i v i n gs y s t e mo fl o w - p o w e rh y d r o s t a t i cb u l l d o z e r , a n dc a r r i e do n s i m u l a t i n ga n dc o m p a r i n gf o rs i n g l ep u m pa n dd o u b l em o t e r ss e r i e s p a r a l l e lc o n n e c t i o n o i l w a ys y s t e m ，s i n g l ep u m pa n dd o u b l et w o s p e e dm o t e r ss e r i e s p a r a l l e lc o n n e c t i o no i l w a y s y s t e ma n dd o u b l ep u m pd o u b l et w o s p e e dm o t o r ss y s t e ma tt h es a m et i m e t h es t u d ya l s o w i l lb eag o o dg u i d a n c ef o rr e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n gt h es a m ek i n d o fh y d r o s t a t i c b u l l d o z e r k e y w o r d s ：t h el o w - p o w e rh y d r o s t a t i cb u l l d o z e r , s e r i e s - - p a r a l l e lc o n n e c t i o no i l - w a y , h y d r a u l i c d r i v i n g ，m a t c h i n g ，s i m u l a t i o no na m e s i m i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 耙孚怨 - 论文知识产权权属声明 瑚g 年6 只2 - e l 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 耙莓超 纠8 年6 目ze t 渺鼍年只2 te t * 女学ml 位论文 第一章绪论 1 1 小功率全液压推土机行驶驱动系统研究的背景及意义 推上机是以履带式或轮胎式拖拉机牵引车专用底盘等为主机，配以悬式铲刀( 有的 还配有松土装置) 的一种自行式铲土运输机械“1 ( 如图1 1 所示) 。推土机在作业时，将 铲刀切入土中，依靠行走驱动系统提供前进动力，完成土的切削、推运工作有时还可 用作填上、平地、松土等工作。推土机的使用能解除繁重的体力劳动，加快施t 进度， 保证旌工质量。因而它是一种被广泛应用于建筑、筑路、采矿、农业、林业、国防建设 等的基本工程机械。 国11 推土机施工图 除高速公路建设需要大、中功率推土机外，高等级公路建设和县乡级公路网的建设 和水利工程、环保工程建设，势必造就太批量的个体施工者。这样，对小功率推土机的 需求量必然要增加。同时，我国已建成的高速公路和高等级公路已逐渐进入维修期，随 着东部沿海地区经济的发展和人民生活水平的提高，小功率推上机将逐步成为人们替代 体力劳动的工具。这正是小功率推土机的市场所在。另外，与北美、西欧和日本市场相 比，中国小功率推土机市场无论足销量还是其与太、中功率推士机销售总量中所占的 比重，都有相当大的差距。据介绍，目前小型机市场己进入成长期，2 0 0 8 2 0 1 2 年自口后 进入成长期后期和成熟期前期，2 0 2 0 年前后进入成熟期9 1 。 虽然自二十世纪八十年代以来，我国通过“引进、消化和吸收”，传统的机械式、 液力机械式推土机从制造能力、生产规模和技术水平上基本接近或达到国外同类产品的 水平。但是近年来随着机电液一体化技术的长足发展，传统的机械式、液力机械式推土 机的操作繁琐，劳动强度大、乍产效率低、系统故障多等缺点已使其不能很好的满足生 第一章绪论 产作业的要求，发展智能型工程机械已是大势所趋。随着科学技术的不断发展，液压传 动愈来愈显现出强大的生命力，国外的液压传动技术日趋成熟，在推土机上的应用愈来 愈多，大有取代传统传动形式的趋势，且国外的推土机液压传动理论和技术处于保密状 态。而我国在作为推土机智能化基础的液压传动方面的研究刚刚起步，理论研究基本处 于空白状态。国内个别厂家生产的全液压推土机基本上模仿国外产品，由于缺乏理论支 持，牵引性能远远不能满足推土机作业工况的要求，其动力性和经济性与国外差距甚远。 为此，开展小功率全液压推土机牵引动力学研究，解决目前国内在全液压推土机行驶驱 动方面的理论问题，解决全液压推土机匹配的准则、方法和控制方式。通过国内外传动 形式和控制模式的分析研究、推土机的野外实验和台架实验研究及计算机模拟仿真，提 供全液压推土机液压系统设计的基本步骤与方法、液压系统合理的参数配置；行驶系统 的控制形式与方法；建立全液压推土机匹配性能评价体系；完善目前国内全液压推土机 ( 特别是小型机) 行驶驱动系统方面的理论研究n 2 3 1 。 1 2 小功率全液压推土机行驶驱动系统国内外研究现状 1 2 1 国内研究现状 国内传统机械式和液力机械式推土机已初步形成一定生产研制水平，且有了长足的 进步，但在静液压( 全液压) 推土机研究上，还处于研发起步阶段，与世界先进水平相 比还有较大差距。鞍山第一工程机械股份有限公司技术中心、宣化工程机械厂、黄河工 程机械集团技术中心均从事过静液传动技术在推土机上的应用研究工作。在这三家中又 以鞍山第一工程机械股份有限公司技术中心取得的技术最完善，其在1 9 9 6 年与德国 l i e b h e r r 公司合作开发全液压推土机，并引进了三个系列多种规格l i e b h e r r 推土机制 造技术。1 9 9 7 年7 月出p r 7 5 1 样机，1 2 月出p r 7 4 2 样机，1 9 9 8 年5 月出p r 7 3 2 样机， 且p r 7 5 1 推土机在1 9 9 7 年实现国产率达6 0 ，9 8 年实现国产化率8 0 ，2 0 0 0 年实现国 产化率9 0 ，鞍山第一工程机械股份有限公司是国内最早生产、研发全液压推土机的工 程机械厂家。但是，这几个厂家均因技术原因，全液压推土机及其行驶驱动系统的研究 工作均未能取得突破，部分厂家已经放弃了全液压推土机的研究工作n 心引。三一重工先 后开发了t q l 6 0 、t s q l 6 0 、t q 2 3 0 a 、t q 2 3 0 h 全液压推土机，填补了国产推土机在这一领 域的空白，代表了国内全液压推土机及其行驶驱动系统的发展水平，但这些产品也都集 中在大中型，并且与国外同类产品相比，性能方面还存在较大差距3 。另外，目前由于 种种原因，三一重工也已经在全液压推土的研究生产方面做了较大收缩。 2 长安大学硕十学位论文 1 2 2 国外研究现状 液压技术和计算机控制技术的不断发展进步，为液压传动赋予了完美的特性与巨大 的生命力。特别是近十多年来，装载机、沥青混凝土摊铺机、水泥混凝土摊铺机、混凝 土搅拌运送车、振动压路机与建筑机械，特别是小型工程机械的静液化得到了迅速发展， 如同本小型装载机几乎完全实现了静液化。 对于静液压推土机，国外研发商的产品系列从小功率到大功率相对比较齐全，主要 研发商有l i e b h e r r 、j o h nd e e r e 、n e wh o l l a n d 、c a t e r p i l l a r 、k o m a t s u 等公司h 一一1 。德国 l i e b h e r r 公司较早地把静液压技术应用于推土机产品中，实现了推土机行走系统全部 采用静液压技术，是世界上静液压推土机的重要生产商和研究商，其p r 系列推土机传 动每侧履带分别由一个双向斜盘变量泵和一个变量马达闭式回路驱动，液压泵与发动机 的飞轮分动箱相连接，液压马达直接与履带终传动减速器相连接，采用转速感应功率控 制系统使推土机的行走速度与牵引力可实现无级调节，其底盘设计采用柔性可摆动的底 盘形式，提高了推土机对工作场地的适应能力和通过性能，其操作方式采用单手柄控制 前进、后退、转向和制动，可实现无级变速。发动机转速由电子油门和转速感应装置联 合控制，l i t r o n i c 电子智能装置则对整个系统和液压装置进行自动控制。j o h nd e e r e 公司开发了建设、林业、园艺工程用h 系列静液压推土机，取代了1 3 4 k w 以下的g 系列 履带推土机，h 系列标准型为4 5 0 ，它装备加长履带，接地比压较低；动力采用非增压 或增压型4 缸柴油机；采用液压变速装置，用单手柄完成操纵和转向控制，可实现无级 变速。电子智能装置对整个系统和液压装置进行自动控制。n e wh o l l a n d 公司也是世界 上静液压推土机的重要生产商和研究商。它的产品装备长履带，低重心。带有减速器的 静液传动使得动力能适应推土机转向，能改善推土机直线和斜坡推土能力。9 0 年代术， 日本小松( k o m a t s u ) 首次在d 1 5 5 a x 一3 推土机使用h m t ( h y d r o m e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ) 液压机械传动，它由机械传动、液压传动、动力合成三部分组成，发动机输出动力由分 动箱分成两路，一路作为机械力，通过离合器直接传给行星架；另一路作液压动力，通 过液压传动传给太阳轮，然后动力经差动轮合成后由齿圈输出，可实现在l 挡工作时采 用液压传动，使推土机原地启动平稳，发动机性能好，在其它挡位工作时，由于机械和 液压传动相结合，可实现在很大转速范围内无级变速，电子控制系统由信号输入传感器、 电子控制器执行元件三部分组成，结合元件换挡控制，可实现发动机恒速控制。h m t 也 仅适宜大功率推土机。 在以上几家研发商当中，c a t e r p i l l a r 和k o m a t s u 公司在其小功率推土机上都应用了 第一章绪论 激光控制自动找平系统。推土机安装激光控制机械自动找平系统主要是将激光信号转化 为电信号，根据电信号的变化控制电磁比例液压换向阀，最终控制铲刀提升液压缸实现 平整作业。g p s 三维控制系统集成了定位技术、设计软件和强大的控制系统，能够实现 对推土机的精确控制、铲刀的实时定位以及平整、掘土和运土的完全自动化。满足垂直 曲线、过渡点、超高曲线和复杂站点等要求苛刻的工程建设需要。 l - 3 课题的提出 1 国内外部分推土机情况统计 表1 1 国内著名推土机生产厂家推土机生产情况 厂商推土机型号( 马力)驱动形式 黄j 二 1 0 0 ，1 2 0 ，1 6 0 ，2 2 0 ，2 3 0 ，3 2 0液力机械 山推 8 0 ，1 1 0 ，1 3 0 ，1 6 0 ，2 2 0 ，2 3 0 ，3 2 0 ，4 2 0 液力机械 一拖8 0 ，9 0 ，1 0 0 ，1 2 0 ，1 4 0 ，1 6 5液力机械 宣丁 1 2 0 ，1 4 0 ，1 6 5 ，2 2 0 ， 3 3 0 液力机械 彭浦1 2 0 ，1 4 0 ，1 6 5 ，1 8 5 ，2 2 0 ，3 2 0 ，4 1 0液力机械 天津建机 1 2 0 ，1 6 0 ，1 8 0 ，2 2 0 液力机械 内蒙一机1 6 0 ， 2 3 0 液力机械 1 6 0 ，1 9 0 ， 2 3 0 全液压 从统计结果表1 1 可以看出，国内8 家著名推土机生产厂家中只有3 家生产8 0 1 1 0 马力小型推土机，产品大多集中在1 1 0 马力以上的中大型产品，产品过于集中正是导致 企业生产与市场需求部分脱轨的重要原因。 表1 2 国外著名工程机械公司部分小马力全液压推土机牵引比和比功率统计 最人牵 额定功率工作质量 牵引比 牵引比比功比功率均 厂商型号引力 ( k w )( t ) 均值 窒 值 ( k n ) j o h n d e e r e 。4 5 0 h1 1 6 。75 26 8 1 8 1 7 57 。6 3 j o h n d e e r e5 5 0 h1 2 5 26 07 6 3 61 6 7 1 5 8 7 8 6 7 5 2 j o h n d e e r e6 5 0 h1 3 4 56 78 3 9 01 6 4 7 9 9 l i e b h e r rp r 7 1 21 4 5 87 71 1 7 0 01 2 76 5 8 表1 3 国内著名工程机械公司部分小马力推土机牵引比和比功率统计 最人牵引额定功上作质量 牵引比比功比功率均 厂商型号牵引比 力( k n ) 率( k w )( t ) 均值 盔 值 一拖 t 1 0 09 87 31 0 6 5 00 9 26 8 5 一拖 t 9 09 06 61 0 0 0 00 9 o 8 5 6 6 0 6 6 9 一拖 t 8 06 45 98 7 0 00 7 46 7 8 黄i ： h d l 0 07 3 51 1 2 7 0 |6 5 2 从统计结果表1 2 表1 3 可以看出，全液压推土机牵引比平均值为1 5 8 ，远远高于 国内液力机械式推土机牵引比平均值0 8 5 ：全液压推土机比功率平均值为7 5 2 ，显然也 高于国内液力机械式推土机的比功率平均值6 6 9 。另外，有资料统计国外著名工程机械 公司的全部全液压推土机的牵引比均值为1 5 1 ，比功率均值为7 2 7 ，都优于国内液力机 4 长安大学硕十学位论文 械式推土机。 国内推土机几乎全为液力机械传动，相比于液压传动( 上文已叙述其优良特性) 操 作繁琐，劳动强度大，生产效率低，系统故障多。所以，全液压推土机可以很好的解决 以上问题。 2 课题的提出 根据参考文献 9 ，我们也可以看到，开发新的小型履带推土机是工程推土机走向之 一。另外，国内目前生产的小功率推土机，其牵引性能还达不到国外同类产品的技术水 平，其作业性能也不能满足用户大负荷连续、持续工作的要求，且在使用过程中还存在 非常多的问题。由于国外的技术封锁，目前国内对于全液压推土机( 特别是小型机) 的 研究还处于一种摸索阶段，还没有能够形成一套完整的理论体系和评价方法，而且研究 手段比较单一，样机实验研究和液压行走驱动系统的台架试验是目前全液压推土机技术 研究的主要手段，这两项工作均要耗费巨大的人力物力，且周期比较长。因此有必要引 入各种先进、经济的技术手段，对全液压推土机的匹配理论进行深入详细的技术研究， 在全面提升全液压推土机的技术水平的同时，能够压缩研究成本和研究周期。 论文以1 0 0 马力全液压推土机为研究对象进行设计研究，因其成本相比中大型小， 所以从开发风险性方面考虑也小。基于小功率推土机载荷小，机动灵活等特点，对传统 全液压推土机驱动系统所采用的双泵双马达方案进行较大改变，提出单泵双马达串并联 回路切换的新方案，重点凸现其低速大扭矩与高速行驶的特性，对此方案进行分析研究， 同时验证其可行性。 r 4 论文研究的主要内容 1 对国内外推土机行驶驱动与控制系统的技术水平、现状、发展情况进行调研；国 内外全液压推土机方面的技术专利检索。 2 对小功率全液压推土机驱动方案、控制方案进行分析选择；并对全液压推土机行 驶液压驱动系统进行了元件选型及参数匹配计算。 3 对串并联回路方案进行了分析讨论，并对串并联回路驱动系统效率进行了分析研 究。 4 基于a m e s i m 软件，建立全液压推土机行驶液压驱动系统的物理仿真模型。采用 计算机仿真手段，研究小功率全液压推土机行驶液压驱动系统理论牵引性能、对载荷的 响应及串并联回路换档冲击等特性。 第- 二章行驶液压驱动系统传动及控制方案研究 第二章行驶液压驱动系统传动及控制方案研究 2 1 行驶液压驱动系统传动方案研究 2 1 1 行驶液压驱动系统传动方案 全液压推土机行驶液压驱动系统主要有以下六种传动方案，图2 1 图2 6 为各方案 原理图。 方案一：双变量泵+ 双变量马达系统 图2 1 双变量泵+ 双变量马达系统方案液压系统原理图 其动力传递方式为分置式结构，即发动机通过分动箱带动左、右变量泵，经左、右 液压马达后传递至轮边减速装置，再经减速后驱动左、右履带使机器行走。 这是传统的履带式全液压推土机常采用的变量泵一变量马达组成的闭式变量液压系 统，且为双泵一双马达组成的左右独立驱动回路。这样，两边回路进行统一控制，既可 联动实现车辆的前进、后退及相应的速度改变，又可分别动作，实现不同半径的转向或 原地转向。前进最大速度和后退最大速度相同。多应用于大中功率的全液压推土机上。 方案二：双变量泵+ 双两档变量马达系统 图2 2 双变量泵+ 双两档变量马达系统方案液压系统单边同路原理图 6 长安大学硕 ：学位论文 系统单边回路如图2 2 所示。驱动系统由变量泵及其调整机构1 、变量马达2 、安全 阀3 、单向阀4 、补油溢流阀5 、梭阀6 、溢流阀7 、滤油器8 、补油泵9 和油箱等组成。 在这个系统中，变量泵既是液压能源又是主要的控制组件，通过调整的泵的排量改变泵 流量的大小和方向，就可以改变液压马达输出速度的大小和方向。通过改变两档变量马 达的排量，使系统在外负荷较大时，马达为大排量，输出大扭矩；外负荷较小时，马达 为小排量，提高行驶速度。系统的最大工作压力由安全阀3 所限定。因为是闭式系统， 在工作中油路的高低压要互换，因此设置了两个安全阀。补油泵9 向系统的低压管道补 油，其作用主要有以下几个：一是通过单向阀4 向系统的低压管道补油，以补充系统的 泄漏量，并可在低压管道中建立起一定的低压，改善泵的吸入性能，防止气蚀现象和空 气渗入系统；二是通过补油路中油液的循环，使系统温度下降；三是提供变量控制机构 的控制压力油路，保证控制系统正常工作。梭阀6 用于系统适度泄漏，以利于换热。 其动力传递方式亦为分置式结构，动力传动路线也与方案一相同。不同之处在于变 量马达换成两档变量马达，与方案一相比调速范围与档位划分较少，但也为无级变速。 之所以采用两档变量马达主要为了适应主机高速时所需扭矩小( 如推土机空行驶工况) ， 低速时所需扭矩大( 如推土机推土作业工况) 的场合。两档变量马达与变量泵结合，实 现低速全扭矩，高速部分扭矩，无级变速；可提高工作效率，同时减小原动机功率。即 实用，又节能，更经济。其控制相比方案一简单，可用于中小功率的液压驱动系统。 方案三：单变量泵+ 双变量马达系统 矗4 v 6 图2 3 单变量泵+ 双变量马达系统方案液压系统原理图 动力传动路线是：发动机一分动箱一变量柱塞液压泵一变量柱塞液压马达一减速平 衡箱一车轮。用改变变量泵和变量马达的斜盘来实现对机器行驶方向和车速变换的控 制。在该系统中，一个主油泵通过分流集流阀将油液分成两路分别带动左右变量马达工 作，马达通过变量油缸无级变量。前进车速与后退车速对称。 7 第二章行驶液压驱动系统传动及控制方案研究 这种驱动方式的特点是结构非常简单，成本低。小型履带底盘为降低成本可以采用 这种驱动方式。在低速工作时，采用分流集流阀实现两马达速度同步。分流集流阀的同 步回路简单、经济，纠偏能力大，同步精度可达1 3 ，可以保证机器在工作过程中 的直线行驶性。另外，对于牵引机械来说，液压系统压力都处于中高压，正好避免了分 流集流阀不适于低压系统( 用于低压系统时，分流集流阀的压力损失大，效率低) 的缺 点。 方案四：单变量泵+ 双两档变量马达系统 a 4 ，6 图2 4 单变量泵+ 双两档变量马达系统方案液压系统原理图 此方案与方案三大体相同，不同之处在于驱动马达由全变量马达换成两档变量马 达。马达变量可采用液压两点控制或e p 控制，相比全变量马达变量控制更为简单。虽 然马达为有级变量，档位划分少，但通过与变量泵配合同样可以达到无级变速的目的， 在摊铺机和双钢轮压路机等非牵引型机械中较常见，也适用于小型牵引型工程机械的驱 动系统。 方案五：单变量泵+ 双变量马达串并联切换系统 图2 5 单变量泵+ 双变量马达串并联切换系统方案液压系统原理图 此回路中应用压差流量阀组成串并联切换回路，即推土机铲土运输工况时两马达并 联连接( 此时与方案三相同) ，空行驶或空载倒退时两马达串联连接。这样可以充分发 长安人学硕j ：学位论文 挥推土机低速大牵引力和高速行驶性。此方案主要考虑到了小马力推土机机动灵活的特 点，在推土机非作业工况下行驶时，利用压差流量阀使两马达串接，大大提高最高行车 速度，并提高作业效率。马达无级调速与泵无级调速相结合，能很好的适应推土机复杂 多变的外负载。 方案六：单变量泵+ 双两档变量马达串并联切换系统 a 4 v g 图2 6 单变量泵+ 双两档变量马达串并联切换系统方案液压系统原理图 此方案与方案五大体相同，不同之处在于驱动马达由全变量马达换成两档变量马 达。显而易见，这种方案是方案四与方案五的结合：马达采用两档变量并利用串并联转 换阀进行串并联切换。 2 1 2 驱动系统传动方案比较 从上文液压驱动系统传动方案介绍可以看出，对于我们所要设计的i o o h p 推土机， 方案二、方案五及方案六最有可比性。方案二是在传统的传动方案基础上改进之后提出 的，从控制角度来考虑，可以借鉴传统的控制方法，不用考虑太多；方案五与方案六的 提出，系统中增加了分流集流阀与压差流量阀，方案最为新颖。这种串并联驱动方式特 别适合于我们所要设计的作业工况和行驶工况差别明显的小功率推土机上，马达并联用 于作业，马达串联用于行驶。与方案二相比，方案五、六的缺点在于：马达并联工作 时直线行驶性稍差，且会产生压降，消耗部分能量。这主要是由于受限于同步阀( 分流 集流阀) 的分流精度。但是随着同步阀设计制造精度的提高，此缺点有望进一步改善。 由于存在串并联回路切换的问题，推土机在两种工作模式下行驶时需控制不同的阀： 油路并联时控制分流集流阀，油路串联时控制压差流量阀。看似控制或操纵繁琐，但用 专用控制器会很容易实现。另外，从论文后述可以看到，除了发挥同样大小的最大牵引 力( 最大牵引力均为1 1 8 k n ) ，可实现传统双泵双马达方案推土机所有功能，如原地转向， 无级变速，自动换档等之外，方案五、六最大的优点在于低速大扭矩与高速行驶性( 最 9 第_ 二章行驶液压驱动系统传动及拄制方案研究 高速度达1 7 4 k m h ，比方案二最高速度1 0 4k m h 高出6 7 3 ) ，可大大提高作业效率。 对于方案六，其采用两档变量马达，相比方案五结构稍简单，但从论文后述的仿真结果 可以看到，此方案与方案二性能均不如方案五好。 另外，从系统结构上三种方案的硬件及其成本粗略比较见表2 1 。 表2 1 串并联方案与双泵双马达方案硬件及其成本粗略比较 方b 3 9 1 1 0 发 1 分动 4 单向补 案动机( 成本 箱( 成 双a 4 v g 5 6 双a 6 v e 8 0分流集压筹流2 冷却冲 本一 泵( 成本高) 马达( 成本 流阀量阀洗阀( 成 油溢流 一样) f 氐) 尢) f 尤)本高) 阀( 成本 样) 高) 方b 3 9 1 1 0 发 1 分动1 分流1 乐差 1 冷却冲 2 单向补 案动机( 成本 箱( 成 亟a 4 v g l 2 5 双a 6 v e 8 0 集流阀流量阀 洗阀( 成 油溢流 本一泵成本低) 马达( 成本 ( 成本( 成本阀i 成本 、一样)低)本低) 样)高)高) 低j 方b 3 9 1 1 0 发 1 分动1 分流1 压差 1 冷却冲 2 单向补 案动机( 成本 箱( 成单a 4 v g 泵 双a 6 v m 8 0 集流阀流量阀 洗阀( 成 油溢流 本一1 2 5 ( 成本低) 马达( 成本 ( 成本( 成本阀( 成本 五 一样) 高)本低j 样) 高)高)低) 定性的来分析，从上表可以看出，串并联回路方案五、六成本的增加主要在1 个分 流集流阀与1 个压差流量阀，但单1 2 5 m l r e v 泵的成本( 1 7 $ q ) 低于双5 6 m l r e v 泵的成 本( 2 3 $ q ) ；另外，相比于双泵双马达方案二，方案五、六省掉了1 个冷却冲洗阀，2 个单向补油溢流阀，节约了成本；方案五因为采用全变量马达，成本比方案六稍有增加。 总体来讲，硬件方面三种方案成本相差不大。所以从性价比方面考虑，方案五较好。 综合考虑之后，我们选择单变量泵+ 双变量马达串并联切换系统传动方案，后面我 们将对此方案进行详细分析、计算与建模仿真，并对其可行性进行验证。 2 2 行驶液压驱动系统控制方案研究 2 2 1 行驶液压驱动系统控制目标 如同机械传动和液力机械传动方式一样，当发动机与液压泵、马达组成一个传动系 统后，该系统的综合性能不仅受发动机、液压泵、液压马达各元件性能及参数匹配的影 响，还特别要受到控制方式的制约和影响。在选择控制方案之前，必须首先明确控制目 标。 1 发动机一液压传动系统的控制目标 在推土机行驶液压驱动系统中，发动机的控制目标为低油耗、较高的功率利用率( 9 0 1 0 0 ) ，液压传动系统的控制目标为高效率、且使发动机满负荷率( 1 0 0 ) ，各控 制目标的核心最终归结为选定合适的发动机负荷率。然而，发动机和液压传动系统的控 制目标之间存在着一些差异，因此当发动机和液压传动装置组成一个复合动力装置，就 1 0 长安人学硕上学位论文 要充分考虑各自的特点，确定合理的控制目标值，使复合动力装置有最高的综合性能。 由此确定的目标值为：在发动机怠转速n 而。至最大扭矩转速n m 而。之间取目标值负荷率为 9 0 或更低一些。按此负荷率工作，即满足了复合动力装置高效率、高动力性的要求， 又使发动机有一定的动力贮备，利于提高加速性能，并且在推土机遇到突发载荷而控制 装置因惯性滞后调节时，可以防止发动机熄火。但在最大扭矩至额定功率之间的高转速 范围内，由于液压系统的特性一般都是粘性摩擦扭矩随转速上升而增加，从而传动装置 的各效率显著降低，所以应使目标值负荷率与转速成正比的增加，即由最大扭矩点的9 0 变至额定功率点的1 0 0 。这样，由于负荷率增加使泵排量增加，由此产生的仇、仇 增加补偿了由于转速增加引起的玩降低的负面影响，最终使液压传动装置有较高的效 率。 2 液压系统泵和马达的控制目标 ( 1 ) 应使泵、马达和液压系统多数时间内在效率较高的中高压范围内工作，压力 范围约为( o 5 - 1 2 ) p h ，使元件的工作能力得以充分发挥，成本适宜且有足够的寿命。 ( 2 ) 应使马达和车辆对负荷变化有自适应能力，小负荷时高速工作以提高作业生 产率，大负荷时低速工作以提高牵引力。 满足上述条件将使推土机具有良好的动力性、经济性和作业生产率，可靠性、成本 也有较好指标。 2 2 2 行驶液压驱动系统控制方案 1 发动机控制方案 发动机与液压传动装置的匹配是要考虑到对于各作业工况不同的负荷要求，提出最 适合于发动机和液压传动系统的最为合理的控制原理及装置，从而使发动机的转速及其 输出扭矩能适应外部负荷的变化而连续变化n 1 们。并将发动机的实际工作点配置在相应 转速下的最大功率输出点和最佳节能点附近，保持较高的功率利用率及较低的燃油消 耗。不考虑机械传动功率损失时发动机的匹配方程为： ( f ) = 匕 在发动机转速保持不变的时候有， ，m 。( f ) = 屹 ( 2 1 ) 泵的吸收扭矩等于发动机最佳工作点的输出扭矩m 。，又 m p ( f ) = p ，q p 式中：p p 取决于负载，当负载变化时，引起p p 和m p ( f ) 的变化，当m p ( f ) 偏离最佳工 第二章行驶液慷驱动系统传动及箨制方案研究 作点时，泵与发动机不匹配，通过调节泵的排量g ，以改变m ，( f ) ，使得m ，( f ) 始终近似 满足式( 2 1 ) ，这就实现了泵与发动机的匹配。 由以上所提到的匹配方式出发，将工程机械的发动机一液压传动装置一负荷看作是 一负荷驱动系统，提出最适合于发动机和液压传动系统的控制方案。 ( 1 ) 发动机恒功率控制：不论外界负荷扭矩的大小如何变化，都要将发动机输出轴 扭矩控制为一定值，即通过液压传动系统的变换作用，使发动机定值扭矩适应变化的负 荷的扭矩，若给定合适的负荷率，在这一工况下工作，则发动机性能不为外界负荷的变 化所影响，功率利用情况最好。 ( 2 ) 发动机变功率控制：据外界负荷扭矩的变化来控制调整发动机的转速，保证发 动机的功率利用和燃料经济性对于外负载始终处于最佳状态。 2 变量泵控制方案 变量泵的控制方案主要分为液压控制和电气控制两大类。在液压控制中，根据控制 压力的形成方式的不同，分为与液控压力有关的h a h d 控制和与转速有关的d a 控制： 在电气控制中，按照排量的有级或无级变化，分为带开关电磁铁的e z 两点控制和带比 例电磁铁的e p 控制。下面对其工作原理和特点作以简单介绍。 ( 1 ) h d 控制 如图2 7 所示，h d 控制与两个控制油路( 油口y 1 和y 2 ) 的控制压力e 。的压差有 关，经h d 控制阀将控制压力提供给油泵的变量活塞。斜盘和排量可以无级变化。每个 控制管路对应一个特定的液流方向。 图2 7 变量泵曲控制原理图 h d 泵多应用于非牵引型机械液压系统，如凿岩钻车液压系统的无级变速就是靠h d 泵的控制来完成的。 ( 2 ) d a 控制 如图2 8 所示，控制压力与驱动转速有关，由d a 控制阀通过一个三位四通换向阀 作用在油泵的变量油缸上。泵的排量可以无级变化，液流方向由开关电磁铁确定。 1 2 长安大学硕 ：学位论文 变量泵d a 控制的特点是：驱动转速升高，控制压力增大，泵的排量增大；根据泵 的工作曲线，工作压力升高，泵的排量减小。d a 控制是一种专门用于行走驱动的无级 调节。与具有自动变速箱的载重汽车一样，行走速度取决于油门操纵杆的位置即发动机 转速、直线行驶状态下的滚动阻力、坡度和加速度的大小以及工作装置液压系统所消耗 的发动机功率等因素。 图2 8 变量泵d a 控制原理图 d a 泵除了具有速度自动控制的功能外，还具有受人工选择控制的功能，以满足许 多特殊工况，完成这种工作的即其微调功能，它使泵的排量按人为的要求变化，达到控 制车速和分配发动机功率的目的。 ( 3 ) e p e z 控制 如图2 9 所示，控制压力与预先选定的比例电磁铁( a 和b ) 的电流有关，通过e p 阀作用在变量活塞上，泵的排量可以无级变化。电流越大，控制压力越大，泵的排量越 大。每一个比例电磁铁对应一个确定的液流方向。泵的排量与控制电流成正比。e p 2 型 泵的控制电流i 。- - 2 0 0 一- 6 0 0 m a ，直流电的电压为2 4 v ，在此范围内，泵的排量由0 增 大到v g 一。与d a 控制类似，e p 控制在行走机械液压驱动系统控制中也较常见，其控 制方便简单，但成本较高。e z 两点控制用于排量有级( 两档) 变化的变量泵。 磐苷 蠢糍8 r 1 m h 奠人 s m 户 _ 8 a 图2 9 变量泵e p 控制原理图 3 变量马达控制方案 与变量泵一样，变量马达的控制方案也分为液压控制和电气控制两大类。 第二章行驶液k 驱动系统传动及控制方案研究 ( 1 ) 高压自动变量( h a 控制) 马达h a 控制的原理如图2 1 0 所示。这是一种与高压有关的自动控制，排量的设 定值随工作压力的变化而自动控制。控制装置由工作油口a 或b 的工作压力来控制， 不需要控制压力，一旦达到控制器的设定压力，随着工作压力的升高，则马达由最小排 量( v g 嘶。) 向最大排量( v g 一) 摆动们。 , l f 38 x 狮 l m aa￥l2f ； 图2 1 0 马达l i a 控制原理图 这种控制方式是根据工作压力的变化来调节马达排量：负载扭矩增大，工作压力升 高时，自动增大马达排量使工作压力重新降低到比原来略高的水平；负载扭矩减小，工 作压力降低时，自动减小马达排量使工作压力重新升高到比原来略低的水平。 其结果是：马达和液压系统多数时间内在效率较高的中高压范围内工作，压力范围 约为( o 5 1 2 ) p h ，使元件的工作能力得以充分发挥，成本适宜且具有足够的寿命。 液压传动系统对负载变化有自适应能力，小负载时高速工作以提高作业效率，大负载时 低速工作以提高输出扭矩。 h a 控制极大地扩展了液压传动适应变负荷的变矩范围，负荷扭矩为压力与马达排 量的乘积，若为定量马达，则负荷扭矩与工作压力一次方成正比；采用h a 控制的变量 马达，则负荷扭矩与工作压力平方成正比，因此对应于一定的工作压力范围，变矩能力 增大。 ( 2 ) 转速液控变量( d a 控制) 马达的d a 控制为力士乐a 6 v m 马达所独有，仅用于与带有d a 控制的a 4 v g 泵 相配合的闭式系统。 马达d a 控制的原理如图2 1 1 所示，由a 4 v g 变量泵的驱动转速确定的控制压力p s t ( 2 1 2 作压力在a 处，接x 。；在b 处，接x ：) 和工作压力p w 之间的变化关系控制液压 马达的摆角。 当发动机转速较低时，控制压力p s t 也较低，马达排量不受p s 。控制保持为全排量。 1 4 长安人学硕士学位论文 此时尽管液压泵提供的压力较低，但马达在全排量下工作也可以为车辆提供较大的启动 和驱动扭矩。 当泵的驱动转速升高，控制压力p s t 也升高，同时也使工作压力p w 升高，马达向排 量减小