（机械电子工程专业论文）小功率全液压平地机行驶驱动系统研究.pdf

摘要 小功率全液压平地机( 1 0 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。国内小功率全液压平地机还未见产品，研究也处于起步和摸索阶段； 国外小功率全液压平地机也不十分普遍，其理论与实验研究还未公开报导。小功 率全液压平地机的最大特点是机动灵活、操纵简便、易于实现无级调速和自动控 制。因此，对小功率全液压平地机行驶驱动系统的理论研究可以为国内在产品系 列的开发方面作一些参考。 论文在综合分析研究传统机械式，液力机械式平地机传动方案的基础上，提 出了全液压平地机行驶驱动系统的三种方案，经方案对比确定了单变量泵单双速 马达后接两档变速箱与驱动桥的方案；依据平地机的负荷特性及整机性能参数要 求，对行驶液压驱动系统进行了参数匹配，并对发动机，液压泵，马达，驱动桥 等关键元件进行选型计算与校核。对平地机在作业工况，行驶工况下系统的传动 效率，牵引性能也进行了详细的计算与分析。基于软件a m e s i m ，对小功率全液压 平地机行驶驱动系统进行了建模与仿真，得到了液压系统的响应特性。仿真结果 表明：系统可行，合理，与理论计算一致。其研究方法对其他工程机械行驶液压 驱动系统同样具有借鉴意义。 关键词：小功率全液压平地机，匹配，牵引性能，传动效率，a m e s i m 仿真 a b s t r a c t l o w - p o w e rf u l l y h y d r a u l i cg r a d e r ( 10 0h p a n db e l o w ) u s e dm a i n l yf o r c o n s t r u c t i o na n db a c k f i l l i n go fe a r t hs u p p o r t i n gm u n i c i p a lp r o j e c t sa n d8 0o n d o m e s t i c l o w - p o w e rf u l lh y d r a u l i cg r a d e rh a s1 1 0p r o d u c t s ，r e s e a r c ha n de x p l o r a t i o na tt h ei n i t i a l s t a g e ；f o r e i g nl o w p o w e ra l l - h y d r a u l i cm a c h i n ei sn o tv e r yc o m m o ng r o u n d ，a n di t s t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c hh a sn o tb e e np u b l i c l yr e p o r t e d l o w p o w e r f u l l - h y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h eg r o u n dp l a n ei st h el a r g e s tm o b i l ea n df l e x i b l e ，e a s y t om a n i p u l a t e ，e a s yt or e a l i z es t e p l e s ss p e e dr e g u l a t i o na n da u t o m a t i cc o n t r 0 1 t h e r e f o r e ， l o w - p o w e ra l l h y d r a u l i cd r i v es y s t e mm o v i n gt h eg r o u n dp l a n eo ft h et h e o r e t i c a ls t u d y f o rt h ed o m e s t i cp r o d u c tl i n e si nd e v e l o p m e n tf o rs o m er e f e r e n c e c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so fr e s e a r c hp a p e r si nt h et r a d i t i o n a lm e c h a n i c a l ，h y d r a u l i c m e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o nt h eg r o u n dp l a n eo nt h eb a s i so faf u l l yh y d r a u l i cd r i v es y s t e m m o v i n gt h eg r o u n dp l a n eo ft h et h r e eo p t i o n s ，t h ep r o g r a mc o m p a r e dt od e t e r m i n ea s i n g l ev a r i a b l ep u m pf o l l o w e db ys i n g l e - a n dd o u b l e - s p e e dm o t o rt w or e s p e c t i v e l y t r a n s m i s s i o na n dd r i v ea x l eo ft h ep r o g r a m ；b a s e do nt h el o a dc h a r a c t e r i s t i c so ft h e g r o u n dp l a n ea n dm a c h i n ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so f t h er e q u i r e m e n t so ft h eh y d r a u l i c d r i v es y s t e mf o rm o v i n gt h ep a r a m e t e r st om a t c ht h ee n g i n e ，h y d r a u l i cp u m p s ，m o t o r s ， d r i v ek e yc o m p o n e n t sb r i d g es e l e c t i o no fc a l c u l a t i o na n dv e r i f i c a t i o n m a c h i n e si n o p e r a t i o no nt h eg r o u n dc o n d i t i o n s ，t r a f f i cc o n d i t i o n so ft h ed r i v es y s t e me f f i c i e n c ya n d t r a c t i o n p e r f o r m a n c e i sa l s oc a r r i e do u tad e t a i l e dc a l c u l a t i o na n d a n a l y s i s s o f t w a r e b a s e da m e s i m ，f u l lh y d r a u l i cp o w e rt os m a l lr o a dg r a d e rd r i v e ns y s t e m m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nh a sb e e nt h er e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eh y d r a u l i cs y s t e m t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ：t h es y s t e mf e a s i b l e ，r e a s o n a b l ea n dc o n s i s t e n t 嘶t l lt h e t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n t h e i rr e s e a r c hm e t h o d st oo t h e rr o a dc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y h y d r a u l i cd r i v es y s t e mw i t ht h es a m er e f e r e n c e 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 cg r a d e r , m a t c h i n g ，t r a c t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ， t r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y ，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已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 2 急纱 垆箩日 论文知识产权权属声明 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：彳爻乙夕 p 别帷各协 ，、七、 加伊 分鲈 年 年 芗髟 k 安大学硕学位论文 第一章绪论 1 1 小功率全液压平地机行驶驱动系统研究的背景及意义 平地机是一种以铲刀为主，配以其他多种可换作业装簧，进行土地平整和整 形作业的施工机械“1 ( 如图11 所示) 。主要用于道路，机场农田水利等大面积 、f 整作业以及刮坡，挖沟推土，松土清除路面冰雪等方面的施工作业，是国 防1 程，交通，矿山，水利基本建设施工中的重要设备之一。 圈1 1 平地机施工圈 平地机自上世纪问世至今以后1 0 0 多年的发展历史，虽早出现于1 91 纪后期 的拖式平地机。2 0 世纪2 0 年代出现了自行式平地机，2 0 l 仆纪8 0 年代后期，平地 机逐步开始采用机电液一体化技术，开始走向自动化，智能化的发展道路。自2 0 世纪8 0 年代开始，平地机经历了从低速到高速，小型到大型，机械操纵到液压操 纵，机械换档到动力换档，机械转向到液压助力转向再到全液压转向及整体机架 到铰接机架的发展过程，整机的安全性，口t 靠性，动力性与舒适性都得到了很大 程度的提高。 除高速公路建设需要大、中功率平地机外，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，势必造就大批量的个体施工者。这样，对小 功率平地机的需求量必然要增加。同时，我国己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甲的提高，小功率 甲地机已逐渐开始走向人们的视野，这正是小功率平地机的市场所在。据介绍， 目前小型机市场已进入成长期，2 0 0 8 - 2 0 1 2 年前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”1 。 第一章绪论 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、液力机械式平地机从制造能力、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、 液力机械式平地机的操作繁琐，劳动强度大、生产效率低、系统故障多等缺点已 使其不能很好的满足生产作业的要求，发展智能型工程机械已是大势所趋a 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。而我国在作为平地 机智能化基础的液压传动方面的研究也已开始起步，国内三一重工，在世界上首 次将液压驱动技术应用在平地机上，整机技术性已经能够达到国际先进水平。但 应注意到的是，由于缺乏理论支持，其牵引性能，动力性能和经济性能还与国外 的同类产品存在着一定的差距。为此，开展小功率全液压平地机牵引动力学研究， 解决目前国内在全液压平地机行驶驱动方面的理论问题，解决全液压平地机匹配 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、平地机 的野外实验和台架实验研究及计算机模拟仿真，提供全液压平地机液压系统设计 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 立全液压平地机匹配性能评价体系；完善目前国内全液压平地机( 特别是小型机) 行驶驱动系统方面的理论研究n 2 1 。 1 2 小功率平地机行驶驱动系统国内外发展概况 1 2 1 国内发展概况 中国平地机生产始于2 0 世纪6 0 年代。目前国内生产平地机的厂家主要有天津 鼎盛天工，哈尔滨四海，常林，成工，徐工，柳工，三一等十余家企业呻3 。其中在 小功率平地机领域，天津鼎盛天工与徐工由于起步较早，目前在小功率机方面拥 有多个自主品牌，并且其技术水平相较于国外同等机型也基本达到了较高的水平。 国内其他企业( 如山东兖工，常林) 也开始进行相关产品的研制工作，但都处于 起步阶段。 其中天工是国内最早生产平地机的厂家，经过几十年的发展与创新，其产品 的类型与技术水平在国内一直处于领先地位。在小型机方面，天工的主要产品有 p y l 2 0 1 3 0 系列。该类型平地机主要性能特点如下所述。 采用先进的板金冲焊型液力变矩器和公司自制的z 3 0 4 定轴式动力换档变 速箱与高原型发动机匹配，可在海拔4 5 0 0 米的高原施工。 2 妊安人学硕士学位论文 后驱动桥，二段式结构，装有公司专利“无滑转差速嚣”。同步灵敏的双 泵双回路作业液压系统，配有美国操纵阀。 中后轮轮边制动，采用气动液压操纵。铰接机架，前桥超大摆动角，卜下 摆动平衡箱。 司机室装有法国“f 绿”玻璃。前机架整体热压成型，数控焊接。 重型刀l 可提高1 0 帆使用寿命。 圈12 鼎盛天工p y l 2 0 g 平地机 徐工集团虽然进入1 z 地机市场较晚，但凭借其自身的技术优势，已经独立开发 并研制了1 0 多个规格型号的甲地机产品，产品的更新换代也比较快。在小型机方 而，徐t 主推的g r l 3 5 型号其技术水平已达到国内i 川类产品先进水平骚动系统 采用静液压传动取代了传统的液力机械传动系统。该系统性能先进，结构简单， 传动路线短，传动部件少，维修方便，质量可靠。 与其他工程机械产品相同，国产平地机经过了几1 年的发展与改革，已经达 到了与国际产品同步竞争的水平上。但也应该清楚的看到：中国平地机的技术主 要来源于国外，国内企业缺乏核心竞争力和自t 产权，总体缺乏对国际前沿技术 的研发能力，使得国产平地机和国际知名品牌还有一定的差距。 12 2 国外发展概况 以荚固、阿本和欧洲为代表的：i 业发达国家，其平地机融合了其他领域的先进 成果：全轮驱动技术、自动找平装胃、电子监控系统、液压负荷传感系统及悬浮 式座椅等己广泛采用，其液压系统采用巾间闭路的负荷传感器、离合器式的铲刀 回转装置，使其平地机作业性能和舒适性等方面得到了很大提高“5 “。 美国卡特镀勒公司足世界主要的平地机制造商之一，其代表产品为h 系列， 第一章绪论 在小型机方面，其1 2 0 h ，1 3 5 h 1 2 h 等型号主要部件基本都由率公司自行生产制造。 技术特点如下： 卡特彼勒3 1 2 6 b 柴油发动机能提供人型发动机的性能。其6 缸发动机是 涡轮增压和空对窀后冷式发动机。在高速档时根据机器需要增加功率。 卡特彼勒先进的电子控制、单体喷射燃油系统具有高喷射压力，有助于实 现完全燃烧、提高燃油使用率并减少排放。双滤清器系统减轻了零部件磨 损。 8 个前进档和6 个后退档为操作员提供最高的操作灵活性。 轻松、平顺地换档保证换档时行车平稳，并通过减轻变速箱离合器压力延 长变速箱的使用寿命。 变速篇控制装置实现变速箱的升档，消除超速工况。 图13k 特被勒1 2 0 1 1 系列平地机 瑞巩沃尔沃公司是历史最悠久的平地机牛产制造商，丰要产品有b 系列，以 及最新推出的g 9 0 0 系列。其中中小型机g 7 1 0 b 和g 7 2 0 b 具有3 种驱动模式：高 效的标准后驱模式，驱动力更大的全轮驱动模式以及独有的用于整平作业的纯前 轮蠕动模式。其中前进方式可额外增加3 8 k n 驱动力并同时达到3 8l k m h 时速”1 。 美国凯斯公司也是全球平地机的主要生产厂家，其小功率平地机型号主要为 $ 4 5 d h p ，8 6 5 v h p 和8 6 5 d h p 。并且其主要特点为全轮驱动。 日本小松现也已成为世界上平地机规格品种较多的一家公司，规格品种有2 0 多种。主要产品为g d 系列，小型机型号主要为g d t 0 5 r 系列。其最大特点支持 传动方式切换。大负荷作业可选液力变矩器模式，牵引力大，低速性能好，高速 行驶时可选直接传动模式”。另外纽荷兰公司的b 系列中小型平地机主要包括 r g l 4 0 b ，r g l 7 0 b ，r 0 2 0 0 b 这三个规格型号。美国德莱塞公司在中小型平地机 长安人学硕士学位论文 方面主要包括8 5 0 b ，8 5 0 c 和8 5 0 g 等型号，传动方式为带整体液力变矩器的全功率 动力换档变速箱。 1 3 课题的提出 1 国内外部分平地机情况统计 表1 1 国内著名平地机生产厂家平地机统计情况 厂家平地机型号( 马力) 驱动形式 天下 p yl2 0 g p y l6 0 g p y18 0 g p y 2 0 0 ，p y 2 2 0 g p y 2 8 0 液力机械 徐t g r l 3 5 ，g r l 6 5 ，g r l 8 0 ，g r l 9 5 ，g r 2 0 0 ，g h 2 0 5 ，g r 2 1 5 液力机械 柳工p y l 8 5 a ，p y l 8 5 b ，p y l 8 5 h ，p y l 9 0 c ，p y 2 0 0 f 液力机械 常林 p y16 5 c ，p yl9 0 c ，p y 2 2 0 c 液力机械 成上 m g13 2 0 a ，m g13 2 0 b ，p y16 5 a 液力机械 洛建 p y18 0 d p y 2 2 0 c液力机械 黄 二 p y l 6 0 b p y l 8 5 液力机械 山东兖工 p y 8 0 p y l0 0 液力机械 三一重工p q l 6 0 ，p q l 9 0 ，p q l 9 0 g 全液压 从统计结果表1 1 可以看出，国内平地机生产厂家只有3 家生产小马力平地机， 大部分厂家的产品大多都集中在了1 5 0 马力以上的中大型产品上，可以看出小型 机产品的过于单一也正是目前要大力发展小马力平地机的重要原因。 表1 2 国外著名工程机械公司部分中小马力平地机牵引比和比功率统计 最大牵引额定功率工作质量 牵引比比功率 厂商型号牵引比比功率 力( 1 洲) ( k w )( t )均值均值 卡特彼勒 1 2 0 h8 1 71 1 51 2 6 5 o 6 69 0 9 卡特彼勒1 2 0 m9 3 4 1 2 81 4 0 9 30 6 89 0 8 沃尔沃 g 7 l o b9 1 41 2 4 1 3 8o 6 80 6 68 9 99 0 4 凯斯 8 4 5 d h p8 6 711 21 3 1o 6 78 5 5 小松 g d 7 5 0 r7 4 59 7 1 0 20 7 49 5 1 表1 3 国内著名工程机械公司部分中小马力平地机牵引比和比功率统计 最大牵引额定功率 工作质量牵引比 比功率 厂商型号 牵引比比功率 力( k n ) ( k w )( t )均值均值 天工p y l 2 0 g5 0 4 9 19 8o 5 29 2 9 徐t g r l 3 56 1 31 0 01 1 3o 5 58 8 5 常林 p y l 6 5 c7 5 71 2 31 3 8 0 5 6o 5 38 9 l8 9 l 东究工p y 8 03 7 5 97 5o 5 07 8 7 l ij 东究工p y l 0 04 28 18 4 o 5 19 6 4 从统计结果表1 2 - - - 表1 3 可以看出，国外平地机的牵引比平均值为0 6 6 ，要 高于国内平地机的牵引比平均值o 5 3 ；国外平地机的比功率平均值为9 0 4 ，国内 平地机的比功率平均值为8 9 1 ，两者的值基本相同。国外平地机的比功率平均值 5 第一章绪论 要稍高于国内平地机比功率的平均值。 另外也可以看出，国内平地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， 开发全液压平地机可以很好的解决以上问题。 2 课题的提出 根据参考文献 8 】，也可以看出，开发小马力全液压平地机是未来平地机的趋 势之一。由于国外的技术封锁，目前国内对于全液压平地机( 特别是小型机) 的 研究还处于起步和摸索的阶段，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 液压平地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，对全液压平地机的匹配理 论进行深入详细的技术研究，在全面提升全液压平地机的技术水平的同时，能够 压缩研究成本和研究周期。 本论文以1 0 0 马力全液压平地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。基于小功率平地机载荷小，机动灵活 等特点，对国内全液压平地机驱动系统所采用的单泵双马达方案进行改进，提出 单泵单马达闭式回路后加变速箱与驱动桥的新方案，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。 1 4 论文研究的主要内容 1 对国内外平地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；国内外全液压平地机方面的技术专利检索。 2 对小功率全液压平地机驱动方案、控制方案进行分析选择；并对全液压平 地机行驶液压驱动系统进行了元件选型及参数匹配计算。 3 对平地机行驶驱动系统的运动学和动力学进行分析和研究，并对整个驱动 系统的牵引性能和传动效率进行分析研究。 4 基于a m e s i m 软件，建立全液压平地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，研究小马力全液压平地机行驶液压驱动系统理论牵引性能、 对载荷的响应及牵引效率等特性。 6 长安大学硕士学位论文 第二章行驶液压驱动系统传动及控制方案研究 2 1 传统平地机行驶驱动系统传动方案介绍 随着现代工程车辆和科学技术的发展，车辆的速度在原来的基础上有了很大 的提高，这样对车辆驱动系统的要求也越来越高，随着科技的进步与发展，研发 人员在不断的寻求高效的、稳定的、操纵灵活的驱动系统来适应复杂的路面情况， 以下几类是平地机上常用的动力传动系统。 2 1 1 机械式平地机行驶驱动系统动力传动方案 此种方案为早期设计平地机时使用的最为广泛的一种动力传动形式。其传递 路线为发动机一主离合器一机械换挡变速箱一驱动桥。由于它具有结构简单，制 造方便，机械传动效率高等特点，尤其在中小型平地机上仍采用这种传动方案啼1 。 甚至世界上最主要的平地机生产厂家如卡特彼勒，沃尔沃等，在它们的一些平地 机型号上仍采用这种传动方案。 后经技术发展，出现了性能上比传统的机械换挡变速箱更为优异的动力换挡 变速箱。此变速箱多为行星齿轮式，由发动机直接驱动，它通过液压系统操纵控 制多个换档离合器，换挡时无冲击，操作简单，迅速。因此，目前世界上许多厂 家生产的平地机多采用这种型式的传动系列。但由于动力换档变速箱结构复杂， 制造精度要求高，因此制造成本也比较高。故平地机的动力传递路线可简化为发 动力一动力换挡变速箱一驱动桥。结构的简化可以使传动精度进一步提高，并且 有利于降低驾驶员的操作强度。 平地机上使用的动力换挡变速箱多为定轴式动力换挡变速箱，除少数国外厂 家有自身设计能力及型号外，其他厂家及国内平地机厂家多使用z f w g 系列动力 换挡变速箱，此型号传递路线如图2 1 所示。 7 第二章行驶液压驱动系统传动及控制方案研究 输入轴 k vk iz l z y_ _ 卿f l i l t k i 口圾2 z m l i i- r z x山li l i i 一 时 瓦j _2 n t _ ：k 矬 岫p z! 。k 3 e ；“ mi 前输出 z w 图2 1 变速箱传动方案 此种变速箱采用3 * 3 传动方案，为3 自由度的变速箱。它能够提供六个前进 挡和三个后退档。前进挡有4 个档位通过4 对齿轮啮合传动。有1 个档位( 第4 档) 经池6 对齿轮啮合传动，有一个档位( 第2 档) 经8 对齿轮啮合传动；后退 档经3 对或5 对齿轮啮合传动。此变速箱提供的档位较多，因此使用更为广泛。 图2 2 为柴油机与动力换挡变速箱的布置图。 图2 2 柴油机与动力换挡变速箱布置图 2 1 2 液力机械式平地机行驶驱动系统动力传动方案 由于平地机主要用于精平整作业，较推土机、铲运机等其它工程机械载荷稳 定，目前各厂商在较大功率的平地机上通常都使用带有液力变矩器的这种结构形 式。中、小型平地机趋向不使用液力变矩器，结构简单，传动效率高，易获得较 高的平整精度。 采用此种设计的平地机的动力传递路线为：发动机一液力变矩器一动力换挡变 速箱一驱动桥：这种传动形式由于增加了液力变矩器，变速箱档位可适当减少， 便于驾驶员集中精力操纵工作装置，使车速自动适应载荷变化。但平地机用变矩 8 长安大学硕十学位论文 器失速工况的变矩系数不应太大，推荐取k 。= 1 8 2 3 ，这样可以有效地避免车轮 滑转，防止破坏平整精度。工作阻力变化时，车速变化明显，便于司机察觉而及 时换档。 目前国内一些厂家多采用了单级三相双导轮综合式液力变矩器，变矩系数k 。 = 3 0 ，可液压操纵摩擦盘将泵、涡轮闭锁为一体，使液力机械传动转换为机械传 动，既能实现轻负荷精平整作业时的高精度高效率，又能减缓重负荷恶劣工况下 的冲击载荷，保证机器平稳工作，可以在大范围内适应载荷变化，满足多种用途 对牵引性能的要求，特别适合机械化和设备成套水平较低的施工单位选用。图2 3 为液力机械式平地机动力传递路线图。 图2 3 液力机械式平地机动力传递路线图 1 发动机2 联接盘3 液力变矩器4 变速器5 前桥驱动油泵6 前桥7 车轮 8 液压马达9 停车制动器1 0 传动轴1 l 行驶制动器1 2 平衡箱1 3 后桥 2 2 全液压平地机行驶驱动系统传动方案研究 液压传动系统主要由液压泵和液压马达组成，根据泵和马达的不同组合，可 以使机械获得不同的牵引特性。由于对机器前进、后退及制动等的要求，行走机 械液压传动装置的泵、马达大多采用闭式回路方式。以闭式回路系统构成的静液 传动装置在保留了液压传动所共有的功率密度高，布局方便，过载保护能力强和 控制方式灵活的优点的同时，又具备了在由马达输出转速矢量级扭矩为坐标轴组 成的所有四个象限中无级调速和连续运转的能力。 2 2 1 方案一及其工作原理 此方案的全液压平地机采用的是由变量泵一变量马达组成的闭式变量液压系 9 第二章行驶液压驱动系统传动及控制方案研究 统，且为单泵一双马达组成的左右联合驱动回路n 1 。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，又可实现相应的速度改变。动力传递方式为分 置式结构，即发动机带动主变量泵，经左、右液压马达后传递至左、右减速平衡 箱，经减速后驱动左、右轮使机器行驶，动力传递路线如图2 4 所示。 发分主叫右双速马达卜_ 叫左减速平衡箱卜- 一左驱动轮 动 动 机箱泵 叫右变量马达卜_ 叫右减速平衡箱卜- 叫右驱动轮 图2 4 轮胎式平地机行驶系统传动方案 图2 5 为全液压平地机液压驱动系统图： 图2 5 单变量泵+ 双变量马达系统方案液压系统原理图 1 变量主泵；2 双向液压缸；3 三位四通换向阀；4 溢流阀；5 溢流阀； 6 补油泵；7 变量马达；8 冲洗阀；9 溢流阀；1 0 比例电磁阀；1 1 液压缸 液压驱动系统由变量泵l 、双向液压缸2 、三位四通换向阀3 、安全阀4 、5 ， 辅助泵6 、变量马达7 、冲洗阀8 、溢流阀9 、比例电磁阀1 0 、液压缸1 1 和油箱等 组成。在这个系统中，双向变量柱塞泵1 既是液压能源又是主要的控制组件，它 把高压油直接提供给双向变量液压马达7 。液压马达旋转方向靠改变主泵的摆角的 大小和摆角方向实现，即主泵的摆角大小是由补油泵输出的压力油按着需要输送 到伺服变量机构电磁阀3 相应得控制端，从而使补油泵输出的油进入变量机构液 压缸相应腔室，使活塞移动并带动缸体摆动，从而实现液压泵排量的改变。液压 l o 长安大学硕士学位论文 马达旋转的快慢靠改变液压缸1 1 的运动方向来实现的。系统的最大工作压力由安 全阀4 、5 所限定。因为是闭式系统，在工作中油路的高低压油路会互换，因此设 置了两个安全阀。该系统中补油泵6 有三个作用：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；三是给变量控制机构控制压力油路提供压力，保证控制系统正 常工作。冲洗阀8 用于系统适度泄漏，以利于换热。 2 2 2 方案二及其工作原理 此方案与方案一大致相同，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。图2 6 为方案二液压驱动系统原理图。 矗4 、6 图2 6 单变量泵+ 双两档变量马达系统方案液压系统原理图 这种驱动方式的特点是结构非常简单，成本低。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。 2 2 3 方案三及其工作原理 此方案的行驶驱动系统采用单置式结构，即发动机输出轴驱动单变量泵，经 过单双速马达组成的液压闭式系统后连接两档变速箱，变速箱输出的动力传递给 第一二章行驶液爪驱动系统传动及控制方案研究 整体式三段驱动桥，后经减速平衡箱把动力传递给4 个驱动轮，使机器行走。其 整个动力传递路线如图2 7 所示： 图2 7 行驶系统传动方案 对于这种采用全液压驱动外加驱动桥复合传动形式的平地机来说，元件便于 布置，给工程机械设计带来了极大的便利，使结构多样化并且提高性能。并且其 操作简便，灵敏，准确又是它的另一个特点。由于有液压传动装置的无级调速作 用，整机只需设置两个工作档位，两个行走档位。操作的简便性大大减少了操作 人员的劳动强度，使之能够集中精力用于主要的作业任务而提高生产率。后接的 三段式驱动桥也可最大程度的提高整机的行驶稳定性。通过改变变量泵斜盘倾角 和方向即可方便的实现机器的平稳换向和变速。前进，倒退，制动，变速只需一 根操作手柄即可完成。而且液压传动装置的功率密度大，扭矩惯性比大，因而动 态性能好，加之系统采用闭式传动，在减速过程中已具有制动能力，因而速度变 化快捷柔和，冲击小，速度的变换方向和加减速不会损坏传动系统和车辆。液压 系统回路如图2 8 所示： 图2 8 单变量泵+ 单两档变量马达系统方案液压系统原理图 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 1 2 长安大学硕十学位论文 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。 本液压系统选择的马达为两档变量马达，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( 如平 地机空行驶工况) ，低速时所需扭矩大( 如平地机推土作业工况) 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。主要用于中小功率的液 压驱动系统。 2 2 4 驱动系统传动方案比较 方案一是传统全液压平地机经常使用的一种传动方案，方案二是在方案一的 基础上稍加改进得来的，方案三是本次设计中提出的一种全新的传动方案。 1 从成本上考虑，可以参考一些厂家全液压平地机的液压系统选型，且选用 力士乐液压元件对成本进行比较，结合闭式系统压力较高以及压力匹配方面的问 题，对各方案主要不同元件选型进行成本分析。分析结果见表2 1 。 方 b 3 9 c 7 5 分动单双1 分流2 冷却2 单向补 变速箱 案发动机( 成 箱( 成 a 4 v g l 2 5a 6 v m 8 0 集流阀冲洗阀油溢流阀 与驱动 本相泵( 成本马达( 成本 ( 成本 ( 成本( 成本相 本相同)桥( 无) 同) 高)高) 高)高)同) 方b 3 9 c 7 5 分动 单 1 分流2 冷却2 单向补 变速箱 案发动机( 成 箱( 成 a 4 v g l 2 5 双a 6 v e 8 0 集流阀 冲洗阀 油溢流阀 本相 泵( 成本 马达( 成本 与驱动 本相同) 低) ( 成本( 成本( 成本相 桥( 无) 同) 高) 高)高)同) 方 b 3 9 一c 7 5 分动 1 冷却 2 单向补 变速箱 案 发动机( 成 箱( 成 单a 4 v g 9 0单a 6 v e 8 0分流集 冲洗阀油溢流阀与驱动 本相 泵( 成本马达( 成本流阀 ( 成本( 成本相桥( 成本 本相同)低)低)( 无) 同)低)同)低) 表2 1 各方案主要不同元件成本列表 三种方案其他元件基本一致，成本方面主要对表中的元件进行对比，由表可 以看出，方案一的成本最高，方案二相较方案一的成本略低，主要体现在使用了 双速马达。方案三的成本在三种方案中最低。 2 从系统效率方面分析，方案一采用的是双变量马达，为了达到工作和行驶 第二章行驶液压驱动系统传动及控制方案研究 过程中整车的同步性与稳定性，系统最好选用同步阀。但考虑到同步阀的精度问 题，在车辆遇到大负载或者发生偏载作业时，同步阀的控制速度远没有系统压力 的速度变化快，故系统依然会存在一定的能力损失。方案二由于选用的是双速马 达，从结构上分析，双速马达的内部结构相较全变量马达要简单许多，故其易于 实现控制，并且效率也要比全变量马达高。方案三由于选择的是单双速马达，相 较方案一与方案二系统更为简单。并且由于后加的变速箱与驱动桥是机械传动方 式，系统效率相较于液压传动会有所提高。 3 从控制策略方面考虑，三种方案都是通过调节变量泵的斜盘倾角来改变泵 的排量从而改变负载的转速，控制精度基本相同。从马达的控制方式考虑，方案 一的控制方式主要为e p 或d a 控制，控制精度较高，但控制方式复杂，成本相应 也较高。而方案二，三选用双速马达，控制方式主要为e z 控制，控制精度虽没有 上者高，但依然能够满足工作中的使用要求，并且其控制方式没有上者复杂，成 本也相对较低。 4 从车辆的同步性及稳定性考虑，方案一与方案二虽然可以选用同步阀来提 高车辆的同步性和稳定性，但从目前同步阀的技术发展水平以及同步精度来看， 车辆在行驶过程中依然会存在不同程度的不同步问题以及抗偏载能力问题。方案 三带有驱动桥，驱动桥内由于装有差速器，其技术发展已经非常成熟，可以很好 地解决车辆行驶的同步性问题。并且从驱动桥的结构特点分析，也足以保证车辆 行驶的稳定性。 综合考虑之后，我们选择单变量泵+ 单双速马达后加变速箱与驱动桥的传动方 案，后面我们将对此方案进行详细的分析、计算与建模仿真，并对其可行性进行 验证。 2 3 全液压平地机行驶驱动系统控制方案研究 2 3 1 发动机控制方案研究 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。作为不同与传统传动方式的具有可控性的液压传动系统，其性 能还特别受到控制方式的制约与影响。 1 4 长安大学硕上学位论文 1 发动机的控制目标 全液压平地机为典型的牵引性机械，其行驶驱动系统全部承受来自工作装置 的波动剧烈的非平稳随机载荷。为了能够提高整机的动力性，经济性和作业生产 率，选择合适的发动机控制方案就显得尤为重要。 平地机的负荷工况变化较为复杂，考虑到发动机的机械性能以及成本等因素， 选择其装机功率为1 2 h 标定功率n 们。取9 0 1 0 0 的负荷率作为发动机的最终控 制目标值，即满足了燃料消耗率最小化的要求，又保证了较高的功率利用率，同 时也能够满足工程机械使用条件下负荷工况的要求。 由此确定的目标值为：在发动机怠转速至最大扭矩点转速m ；。之问取目 标值负荷率为9 0 或更低一些。在此负荷率下工作，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。但在最大扭矩至额定功率之间 的高转速范围内应使目标值负荷率与转速成正比的增加，即由最大扭矩点转速的 9 0 变至额定功率点转速的1 0 0 。最终可使液压传动装置有较高的效率。 2 发动机的控制方案 从以上的控制目标出发，将传动系统看作由发动机，传动系统和负荷三者组 成的一个复合驱动系统，针对各作业工况不同的负荷要求，提出最适合于发动机 与液压传动系统的最合理的控制原理及装置。同时，努力提高液压装置的传动效 率，根据各种外界负荷的变化，使发动机和传动系统的各项性能指标最佳化。由 此提出的两种控制方案为： ( 1 ) 发动机恒功率控制装置：该装置主要考虑动力性。当外部负荷发生变化时， 通过控制马达转速一即泵的排量使发动机的转速和负荷率始终保持不变。 ( 2 ) 发动机变功率控制装置：该装置主要着眼于燃料的经济型，以恒扭矩控制 为基础，根据外界负荷扭矩的变化来控制发动机的转速，目的为使发动机以最适 宜的输出功率运转。 2 3 2 泵与马达控制方案研究 1 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( 0 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。 1 5 第_ 二章行驶液压驱动系统传动及控制方案研究 ( 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。 满足上述条件将使平地机具有良好的动力性、经济性和作业生产率。可靠性 和成本也有较好指标。 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 9 所示，h d 控制与两个控制油路( 油口y l 和y 2 ) 的控制压力p 吼的压 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 9 皿变量泵控制原理图 ( 2 ) d a 控制 如图2 1 0 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。 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 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。 1 6 长安大学硕上学位论文 图2 1 0d a 变量泵控制原理图 ( 3 ) e p e z 控制 如图2 1 l 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，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 吐= 2 0 0 - - - 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 增大到懈。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。e z 两点控制用于排量有级