（机械工程专业论文）履带式摊铺机行走系统的驱动与控制设计.pdf

摘要本文从沥青混凝土摊铺机的运动学和动力学出发，理论上论述了行走系统的参数设计，并对行走系统的驱动与控制理论进行了分析，得出了其控制系统的传递函数，为摊铺机行走系统的数字化控制奠定的基础，并把其成果应用到实际设计中，该文章的研究具有重要的理论意义和工程利用价值。1 、本文采用传统的方法对沥青混凝土摊铺机的运动学、动力学以及液压驱动系统的参数进行了分析计算和校核，建立了速度特性方程。分析了工程条件下摊铺机作业速度的设计现状和使用现状，从效率的角度详细论证了液压系统合理的工作点。2 讨论了行驶液压驱动系统液压泵、马达以及相关比例阀的控制模式，分块建立了斜盘倾角位置回路、活塞一斜盘倾角调节机构、泵一马达组合系统、马达一整车速度环节等传递函数，构造了整个行驶液压驱动系统的动态特性数学模型，同时就车辆行驶系统的负载作了等效处理。3 对摊铺机的行走控制系统的基本要求、及行驶启动、停车运行速度曲线特点进行了分析。论述了行驶系统的设计方案，以实现摊铺机前进后退、起步、停车、加速减速控制，以及左右转向和原地转向控制，重点研究了恒速控制技术。运用数控微处理器，采用数字p i d 控制算法，满足了行走系统的恒速控制直线行走同步加载的功能要求。实现了摊铺机行走驱动的全过程。4 通过样机的性能考核和模拟验证，证明了研究分析的正确和设计的合理。关键词：沥青混凝土摊铺机数字控制器数学模型液压系统恒速控制a b s t r a c ti k sa r t i c l e f r o mt h ev i e wo f t h ek i n e m a t i c sa n dk i n e t i c so f a s p h a l tc o n c r e t ep a v e r ，e l a b o r a t et h ep a r a m e t e rd e s i g no f r u n n i n gs y s t e mt h e o r e t i c a l l y a n di ta l s oa n a l y z et h ed r i v e ra n dc o n t r o lt h e o r yo f t h er u n n i n gs y s t e m ，a c q u i r et h et r a n s f e rf u n c t i o no f i t sc o n 心o ls y s t e m ，w h i c hl a yt h eb a s i sf o rt h en u m b e rc o n t r o l ( n c ) o f t h ep a v e r r u n n i n gs y s t e m ，i tp u tt h i sa c h i e v e m e n ti n t or e a l i t yd e s i g n ，t h i sr e s e a r c hh a v es i g n i f i c a n tm e a nb o t hr e a l i t ya n dt h e o r y 1 t h i sa r t i c l ea d o p tt r a d i t i o n a lm e a n sa n a l y z e c a l c u l a t ea n dc h e c kt h ek i n e m a t i c sa n dk i n e t i c so fa s p h a l tc o n c r e t ep a v e ra n dt h ep a r a m e t e ro ft h eh y d r a u l i cd r i v e rs y s t e m ，e s t a b l i s hv e l o c i t ys p e c i a l t ye q u a t i o n a n a l y z et h ed e s i g na n du s es t a t u sq u oa b o u tp a v e rw o r ks p e e dw h e ni ti su n d e rw o r kc o n d i t i o n ，f r o mt h ea n g l eo fe f f i c i e n c y , i td e m o n s t r a t et h er a t i o n a lw o r kp o i n to f t h eh y d m u l i cs y s t e mi nd e t a i l 2 i td i s c u s st h ec o n t r 0 1m o d e lo ft h eh y d r a u l i cp u m p m o t o ra n di t sr e l a t ep r o p o r t i o nv a l v eo ft h et r a v e lh y d r a u l i cp r e s ss y s t e m ，i te s t a b l i s ht h et r a n s f e rf u n c t i o n so ft i l t e dt r a yo b l i q u i t yp o s i t i o nl o o p ，p i s t o n t i l t e dt r a yo b l i q u i t ya d j u s te q u i p m e n t ，p u m p - m o t o ra s s e m b l e ds y s t e m ，m o t o r - v e h i c l ev e l o c i t yt a c h e ，a n ds oo n i tc o n s t r u c t st h ed y n a m i cs p e c i a l t ym a t h e m a t i cm o d e lo f w h o l eh y d r a u l i cp r e s sd r i v e rs y s t e m ，a n di ta l s od o e ss o m ee q u i v a l e n tt r e a t m e n tw i t ht h el o a do ft h ev e h i c l er u n n i n gs y s t e m 3 i ta n a l y z e st h eb a s i cr e q u i r e m e n to ft h ep a v e rr u n n i n gc o n t r o ls y s t e m ，t h ev e l o c i t yc b r v eo ft h er u n n i n g ，s t a r t i n g ，s t o p p i n gp r o c e s s e l a b o r a t et h ed e s i g ns c h e m eo fr u n n i n gs y s t e m ，i no r d e rt or e a l i z et h ec o n t r o lo ft h ep a v e r jf o r w a r d ，b a c k w a r d ，s t a r t i n g ，s t o p p i n g ，a c c e l e r a t e ，d e c e l e r a t e ，l e f t - r i g h tt u r n i n g ，a n dt u r n i n ga tt h es a m ep l a c e ，i tp u te m p h a s i so nc o n s t a n ts p e e dc o n t r o lt e c h n o l o g y m a k eu s eo fn cm i c r o p r o c e s s o r ( m p u ) ，a d o p tn u m b e rp i dc o n t r o la r i t h m e t i c ，f u l f i l lt h ec o n s t a n ts p e e dc o n t r o lo fr u n n i n gs y s t e m ，l o a ds y n c h r o n i z a t i o n ，s t e e r i n gs t r a i g h t ，r e a l i z ew h o l ec o n t r o lo ft h ep a v e rr t m n i n ga n dd r i v e r 4 a l t e ra s s e s st h ep r o p e r t yo f t h ep r o t o t y p e ，i td e m o n s t r a t et h er a t i o n a l i t yo f t h er e s e a r c h k e y w o r d s ：a s p h a l tc o n c r e t ep a v e rh y d r a u l i cs y s t e mn u m b e rc o n t r o l l e rm a t h e m a t i cm o d e lc o n s t a n ts p e e dc o n t r o l独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得垂壅盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名签字日期：石一，年矿月，厂日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权墨洼盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)虢卜弓签字日期：跏1 ，年，月，r 同导师签名：签字日期：弘嘎r 年扩月心日第一章绪论第一章绪论1 1 课题提出的背景及及意义随着社会的进步和各类基础工程建设的不断发展，人们对工程机械产品提出了愈来愈高的要求，如环保节能、综合高性能、安全舒适、操纵简便、可靠耐用等。其中，核心技术之一是工程机械的操作与控制的智能化，已经受到越来越多的重视并得到不断的发展。机电液一体化技术的发展正是反映当代新技术革命这种大趋势的典型代表，它集中体现了现代科学技术对传统机械产品的渗透和改造。先进的筑养路机械，集机、电、液技术于一体：液压传动与控制技术是工程机械的主要特点，电子控制是工程机械技术创新的主流，它在很大程度上体现和决定了车辆的整机性能( 舒适性、经济性、作业质量、行驶性能等) 。交通运输事业的快速发展，为我国路面机械带来了空前的发展机遇，“十五”期间公路建设投资1 0 0 0 0 亿元，铁路建设投资3 5 0 0 多亿元，高速公路和高速铁路里程数也在增加。港口、机场建设任务相当繁重。据交通部“十五”规划，二级以上高等能公路要达刭2 3 万k m ，其中新增里程6 万k m ，含高速公路1 万k m ；并要求提前十年完成“五纵七横”国家主干线的建设任务，从2 0 0 0 年开始，公路建设投资每年在1 8 0 0 亿元以上。十年内将投资7 0 0 0 亿元，用于重点开发西部地区的交通建设。另外地方政府还自筹资金建设高等级公路。如江苏省提出，用十年时间，把省内高等级公路建设水平赶上目前德国水平，要求每年建成约3 0 0 k i n 高等级公路，到2 0 1 0 年达到3 5 0 0 k m 。这些基础建设为工程机械发展又提供了新的市场。沥青混凝土摊铺机是进行沥青摊铺作业的主要机械设备，用来将拌制好的混合料，按照路面的形状和厚度均匀地摊铺在已经整好的路基或路面基层上，并给以初步的捣实和整平，形成满足一定宽度、厚度、平整度和密实度要求的路面基层或面层。沥青混凝土摊铺机是边行驶边作业的施工机械，其行驶速度的恒定性及行驶的直线性对摊铺路面的平整度、初始密实度、离析程度有着很大的影响，第章绪论行驶驱动系统及行驶控制系统的性能是影响摊铺机作业性能的重要因素，在很大程度上决定了作业质量的好坏。因此，对沥青混凝土摊铺机行驶驱动系统和行驶控制系统的研究具有重要的现实意义。随着国内高速公路建设的迅猛发展，8 0 年代末期、9 0 年代初期国内厂家纷纷引进生产了一批国外同类型设备，如徐工集团的v o g e i e l 7 0 0 型摊铺机，陕建集团的a b g 4 1 1 摊铺机。但由于静液压传动的控制技术掌握在外企手中，国内在这方面的研究才刚刚起步，这些引进生产的机型以及自生产的机械液压系统和电控系统，目前均来自国外，采取整套完全进口的模式。随着知识经济的到来，高技术已成为各国争夺的焦点，面对国外先进控制技术工程机械的严峻冲击，国家“工程机械“十五”发展规划”中把提高9 m 宽以下沥青混凝土摊铺机技术水平作为十五期间科技投资开发的重点产品之一。2 0 0 2年2 月，国家正式启动的8 6 3 计划项目中将智能化摊铺机作为第一重点产品进行开发和技术提升。因此，该项目的研究具有十分显著的社会效益和经济效益，应用前景广阔。1 2 沥青混凝土摊铺机的现状在二十世纪3 0 年代之前，沥青摊铺机尚未出现，各种类型的沥青路面铺设主要由人工来完成，当时沥青混合料主要用于城市道路建设，铺设时需要大量劳动力。1 9 3 1 年圣路易斯道路展览会上首次展出了由美国b a r b e r - - g r e e n e 公司研制的沥青混合料摊铺设备。该机使用螺旋输送枫摊平混合料料，用2 0 英尺宽刮板对道路进行刮平，机器在预先铺设的轨道上，由一台路拌设备牵引。其后机器经改进，由原来的牵引戒改为自行式。直到二十世纪5 0 年代，b a r b e r g r e e n e 公司先后生产了b g 7 9 型( 1 9 3 4 年) ，b g 8 7 9 型( 1 9 3 6 年) ，b g 8 7 9 一a 型( 1 9 4 0 年) 摊铺机，这一时期该公司的摊铺机成为世界上各生产厂家参考的标准机型。此时的摊铺机熨平板与牵引部分刚性连接。进入二十世纪6 0 年代，由于液压技术及机电液一体化技术的应用，研制出现了浮动式熨平板技术，自动找平系统在摊铺机上逐渐普及，液压驱动工作装置如熨平板的振动系统，振捣梁的振捣系统，刮板输料系统等逐渐得于应用，但液第章绪论行驶驱动系统及行驶控制系统的性能是影响摊铺机作业性能的重要因素，在很大程度上决定了作业质量的好坏。因此，对沥青混凝土摊铺机行驶驱动系统和行驶控制系统的研究具有重要的现实意义，随着国内高速公路建设的迅猛发展，8 0 年代末期、9 0 年代初期国内厂家纷纷引进生产了一批国外同类型设备，如徐工集团的v o g e i e l 7 0 0 型摊铺机，陕建集团的a b g 4 1 l 摊铺机。但由于静液压传动的控制技术掌握在外企手中，国内在这方面的研究才刚刚起步，这凿引进生产的机型以及自生产的机械液压系统和电控系统，目前均来自国外，采取整套完全进口的模式。随着知识经济的到来，高技术已成为各国争夺的焦点，面对国外先进控制技术工程机械的严峻冲击，国家“_ 丁程机械“十五”发展规划”中把提高9 m 宽以下沥青混凝土摊铺机技术水平作为十青期间科技投资开发的重点产品之一。2 0 0 2年2 月，国家正式启动的8 6 3 计划项目中将智能化摊铺机作为第一重点产品进行开发和技术提升。因此，该项目的研究具有十分显著的社会效益和经济效益，应用前景广阔。1 2 沥青混凝土摊铺机的现状在二十世纪3 0 年代之前，沥青摊铺机尚末出现，各种类型的沥青路面铺设主要由人工来完成，当时沥青混合料主要用于城市道路建设，铺设时需要大量劳动力。1 9 3 1 年圣路易斯道路展览会上首次展出了由美国b a r b e r - g r e e n e 公司研制的沥青混合料摊铺设备。该机使用螺旋输送机摊平混合料料，用2 0 英尺宽刮板对道路进行刮平，机器在预先铺设的轨道上，由一台路拌设备牵引。其后机器经改进，由原来的牵引戒改为自行式。直到二十世纪5 0 年代，b a r b e r - - g r e e n e 公司先后生产了b g 7 9 型( 1 9 3 4 年) ，b g 8 7 9 型( 1 9 3 6 年) ，b 0 8 7 9 一a 型( 1 9 4 0 年) 摊铺机，这一时期该公司的摊铺机成为世界上各生，“厂家参考的标准机型。此时的摊铺机熨平板与牵引部分刚性连接。进入二十世纪6 0 年代，由于液压技术及机电液一体化技术的应用，研制出现了浮动式熨平板技术，自动找平系统在摊铺机上迓渐普及，液压驱动工作装置如熨平板的振动系统，振捣梁的菰捣系统，刮板输料系统等逐渐得于应用，但液如熨平板的振动系统，振捣梁的菰捣系统，刮板输料系统等逐渐得于应用，但液第一章绪论压驱动行走系统才刚刚起步，机械传动仍占主导地位【l l 。二十世纪8 0 年代，随着液压技术及电子控制技术的不断发展，全液压驱动的履带式摊铺机、轮胎式摊铺机得到了广泛应用。1 9 8 7 年，交通部西安筑路机械部与交通部公路科研所合作，引进了德国d y n a p a c 公司的摊铺机制造技术，分别研制出摊铺宽度为3 1 2 m 的摊铺机。之后徐州工程机械厂和陕西建设机械厂先后从德国v o g e l e 公司和a b c 公司引进了国外高性能大型摊铺机制造技术，形成了批量生产能力，摊铺机生产数量、规格、种类、功能都在急剧增加，整机的技术性能得到了普遍提高，这一时期工作装置的控制以电开关量为主，行驶控制以模拟电路控制为主，自动找平控制技术的研究和应用进一步深入。当今世界有八大摊铺机制造商：a b g 、v o g e l e 、b l a w - k n o x 、d y n a p a c 、d e m a g 、m a r l n i 、b t e l l i 、c a t e r p i l l a r 公司。英格索兰瞄准中国路面机械市场，相继兼并了德国a b g 公司和美国b l a w - k n o x 公司，其目的是要在国际市场对摊铺机实行龚断，a b g 公司的产品目前是国际摊铺机市场首选取品牌，其大型摊铺机在中国市场占占有率已达到7 0 以上。a b g 、b l a w - k n o x 被兼并后，形成了英格索兰与v o g e l 和s v e d a l e 三足鼎立的态势。2 0 0 3 年，徐工集团路面机械分公司推出了具有国际先进水平的代表我国摊铺机制造水平的r p 8 0 0 型沥青混凝土摊铺机。该机采用了当今世界先进的数字式、微电脑控制技术，整机技术性能接近当今世界先进水平，但还未开始产业化生产。陕西建设机械集团有限责任公司与德国a b g 公司联合生产摊铺机已近十年的历史，1 9 9 2 年该公司通过技贸合作，与德国a b g 公司联合生产摊铺机，其技术水平与德国a b g 保持同步。生产的a b g 4 2 3 已成为我国修筑高等级公路的首选品牌。天津鼎盛工程机械有限公司，近几年开发了w t 7 5 0 0 、w t 9 0 0 0 稳定土系列摊铺机，该系列产品参照了a b g 4 2 3 结构及技术，行走驱动系统采用美国萨澳公司微电脑控制技术及液压电器元件和德国m o b a 公司电子自动找平技术。摊铺机技术正在向着微电脑数字控制技术，程序化作业的方向发展，要求具有良好的人机交互界面数据传输、工作参数检测、故障诊断与报警、恒速控制、第一章绪论作业速度与输料和分料速度，作业速度与振捣和振动频率的协调控制等功能目前沥青混凝土摊铺机最先进的形式，它们的共同特点是：采用双泵一双马达独立的行驶驱动液压回路，两套回路完全相同，即可以联动实现直线行驶，又可以分别动作实现转向。变量马达趋向于有采用双速马达，其控制形式和制动解除都采用电液控制方式。国外在行走驱动与控制技术方面的研究都是针对具体传动系统中的关键元件，关键问题大都以专利的形式出现。如传动装置的恒速控制、1 自适应控制。等。国外的一些著名液压元件生产厂家：如m a a n e s m a r m r e x r o t h 公司、s a u e r - s u n d s t r a n d 公司等都是以系统的形式推荐给中国用户使用。而国内在该方面的研究很少，甚至包括行驶驱动、系统的匹配理论，主要是整机引进或液压系统成套引进，对国外深层次的技术问题了解不是十分透彻，对国内外摊铺机施工中工程条件的差异性不能引起足够的重视。1 3 国内外摊铺机液压驱动系统研究应用现状由液压泵一马达组成的沥青混凝土摊铺机行驶驱动系统传动路线为：发动机一液压泵一液压马达一减速器一驱动轮，如图所示。由于泵、马达数量和组成的形式不同，也区分以下两种方式。1 ) 发动机一单液压泵一单液压马达i 左减速器，电磁离合器寸左驱动传轮i 右减速器，电磁离合器寸右驱动轮( 如a b g 4 1 1 摊铺机)z ，发动机一 喜鎏篆蓁：喜鎏墨耄蓑釜蒙薹芸( 如a b g 4 2 3 摊铺机)图1 - 1 泵一马达动力传向简图图1 - 1 所示的系统发动机通过分动箱，直接驱动行走系统中的变量塞泵，然_ _ _ j _ ： 藏燧一一1第一章绪论后驱动行走变量柱塞马达，组成一个双泵调速闭式回路。即变量泵和变量马达组成的调速系统。用电磁铁控制液压泵和马达斜盘角度，改变系统流量，实现车辆行驶速度的控制。行驶系统压力一般在3 5 4 0 m p a ，压力由系统溢流阀来调定，闭式系统的外泄漏由补油泵补充，补油压力为2 o 3 5 m p a ，排量为1 0 1 5 m l r 图1 - 2 为a b g 4 2 3 行驶液压驱动系统原理图，该几种机型代表了当今世界上履带式沥青混凝土摊铺机液压系统最先进的驱动形式2 1 1 3 1 。图1 2a b g 4 2 3 液压驱动同路1 4 国内外摊铺机控制系统研究与应用现状早期的摊铺机行驶控制采用的是手动操作，即利用手动控制阀控制变量泵和变量马达的排量，达到控制行驶速度的目的。由于手动操作不能保证速度的精确控制，无论在提高摊铺机的作业质量上，还是在简化操作、降低驾驶员的劳动强度上，都无法得到满足。随着机电液一体化技术的发展逐渐出现了摊铺机的行驶电控制技术，即以电液( 磁) 伺服阀或比例阀代替原来的手动操纵阀，从而利用电子技术和测试技术设计一套系统实现对伺服阀或比例阀的控制，最终控制摊铺机的行驶速度。在摊铺机行驶电控技术的发展中，出现了两种类型的系统：模拟式电控系统e 第一章绪论和数字式电控系统。模拟式电控系统出现于二十世纪八十年代，此类系统以模拟电路为主，结构简单，成本低廉，但其控制不够精确且系统工作不太稳定，多用于前期的产品及适宜修筑低等级路面的摊铺机中。进入二十世纪九十年代后，出现了数字电路为主的数字电控系统，此类系统结构较为复杂，成本与前者相比较高，但操作方便、控制精确且工作稳定可靠，不易受外界环境的影响，因此在大型高性能摊铺机中得到广泛应有用，成为目前的主流方向。图1 3 至图1 5 展示了将现代控制系统应用于该领域的实例【2 0 j 。图1 3多马达合成的轮式摊铺机传动控制系统图1 。4 微控器m c 和软件f g r 在装载机行驶传动中的应用第一血绪论图1 - 5电子调节系统在大型履带式摊铺机行驶传动中的应用在摊铺机功率匹配理论研究中有两个假设，一是摊铺机摊铺速度不变；二是物料的供给量恒定不变。在这两个假设的基础上，对浮动熨平板进行受力分析，建立力学模型，进行理论上的分析研究。这两个假设是摊铺机理想的工作状态，在此理想状态下，摊铺机施工可获得较高的路面平整度指标。这也是摊铺机设计者在设计中不断追求的目标。所以，摊铺机恒速摊铺技术一直是摊铺机设计制造中的关键技术之- - 2 2 1 。摊铺机的作业过程是：当热料送入料斗后，操作者给出作为工作主命令行驶指令，于是刮板输送器开始工作，热料送入摊铺料槽，再由螺旋输送器将其分送至两边，熨平板在振动、振捣器运转的同时，在主机牵引作用下，将热料形成摊铺层。在这个工作过程中，高度、坡度控制系统，根据预设的控制点，不断地调节摊铺层几何尺寸。这种模式工作的摊铺机，其各功能部分实质上是相互独立的，只不过通过开关信号来实现各部分的互锁、互动的逻辑关连。这种独立系统，各自预设参数之间协调、优化只能靠操作者人为感觉来完成，过去由模拟电路组成的控制系统，这些参数之间的关联、加权处理，模拟电路实现是十分困难的。当以微处理器为核心的数字化控制系统介入后，情况变得简单多了，通过摊铺宽度、厚度、热料温度、配比等基本参数的输入，数字化控制控制器依照内置的程序，综合最基本信息，产生最理想的输出，使摊铺机按照最优化的方式运行。目前，国内在摊铺机匕的应用大多采用r e x r o t h 公司的r c 6 控制器和s a u e r d a n f o s s 公司的s 11 控制器，国内在控制器的研究方面的研究才刚刚起步，其研究还不深入、不够广泛。第一章绪论1 5 本文研究的主要内容与国外相比，国内工程机械生产厂家在沥青混凝土摊铺机全液压动力系统匹配方面所作的研究工作不多，尤其在控制技术方面几乎处于空白，导致国内引进生产或自行生产的产品在液压和控制关键技术方面全部依赖于进口，在技术上的差距越来越大。本课题的主要目的是立足于国内技术水平，追踪国外先进技术，首先在软件设计上有所突破，开发适合于中国国情的摊铺机液压驱动与控制技术，根据目前沥青混凝士摊铺机国内外的发展状况，结合目前工程机械智能化的发展趋势，确定本课题的研究内容如下：1 ) 了解和研究国内外沥青混凝土摊铺机液压行驶驱动与控制系统的研究现状与形式2 ) 建立行驶系统运动方程及动力方程，提出面对工程条件下的沥青混凝摊铺机液压传动匹配的合理设计参数。为此，首先需要对行驶系统进行运动学分析和动力学分析，研究履带式摊铺机作业过程中行驶的特点；同时研究国内混凝土摊铺机作业工程条件的差异，并进行分析比较，提出解决的方法与途径。3 ) 建立摊铺机行驶传动系统的数学模型，并通过相关的实验研究对系统中的参数进行校正。4 ) 研究沥青混凝土摊铺机行驶系统电液比例控制技术，构建整个系统的控制框架，运用现有的可编程控制器对行走系统进行控制，以满足沥青摊铺机对行走系统的要求。5 ) 以实际机器为样机，模拟实际工作工况，对摊铺机的行驶驱动与控制技术进行验证，以证明本文思路的正确。第一。章履带驱动系统力学参数的设计第二章履带驱动系统力学参数的设计2 1 摊铺机的运动学与动力学2 1 1 摊铺机行驶系统的运动学分析履带行驶机构是由大节距链轮和链轨组成，并且一般在低速工况下运行，它的运动情况具有低速链传动的特性。在履带车辆行驶时，若履带与地面之间无滑转，则履带车辆的行驶速度就等于链轮与链轨传动时动力半径的圆周速度。这时车辆的理论行驶速度为 2 1 ：矿= 2 n n r k ( r r d m i n )( 2 1 )实际行驶速度v 为：v = 船o l ( 1 一j ) ( m r a i n )( 2 2 )式中：r 卜一驱动链轮的转速( r r a i n )r k 一驱动轮动力半径( m ) ；l _ 一链轨节距( m ) ；6 一履带相对地面的滑转率。2 1 2 额定滑转6 。的确定额定滑转率6 。是履带式行驶车辆设计计算中最重要的参数之一，尤其对沥青砼摊铺机来说显得尤为重要，原因是在现代摊铺机作业过程中，为提高路面工质量都采用闭环恒速控制，对于轮边行驶速度的采样信号目前国内外均从液压马达驱动边取得，而对于车辆在作业过程中由于外来干扰，作j 阻力变化，如卡车卸料过程( 料斗中的料是一个动态的减料过程) 等引起滑转率的变化，使得实际作业速度与检测到的速度不一致。滑转率的大小随路面条件有所差异，摊铺机作业时的路况，按规范要求，土基、稳定土层或沥青基层压实度均应大于o 9 6 ，其摊铺机的额定滑转率6 。- - 4 ，这样才不致于影响摊铺料的初压均匀“。第二章履带驱动系统力学参数的设计2 。1 3 履带式摊铺机的动力学履带式摊铺机在工作时，其上作用着抵抗车辆前进的各种外部阻力和推动车辆前进的驱动力一切线牵引力，如图2 一l 所示，而切线牵引力本身则由驱动链轮上的驱动力矩所产生。一f 4f 1图2 - 1 履带式摊铺机作业时受力剧当摊铺机在等速工况下工作时，存在着以下两种平衡关系f = 疋f k = r r m k | r k式中，f 一各种外部阻力的总和( n ) ；f k 一切线牵引力n ) ；n ，一履带驱动段效率( 取o 9 6 o 9 7 ) 1m k 一驱动力距( n m )r r 驱动轮动力半径( m ) ；f = 一+ 五十+ 只+ ef i 摊铺机作业时的滚动阻力( n ) ；f 厂摊铺机作业时的坡道阻力( n ) ；f 3 一项推卸料车的阻力( n ) ：f 4 _ 一挂熨平装置的工作阻力( n ) ；f s 一摊铺机顶排自卸汽车起步时的惯性阻力。e = g ( m ，+ m 。) f c o s ae = g ( m 。+ 。) s i n a( 2 3 )( 2 4 )( 2 6 )( 2 7 )第二章履带驱动系统力学参数的设计曩= g ( m 。+ ) ( f c o s a + s i n a )f 4 = + 2f 4 1 = g m p l2 = g m l 2e = ( 加y + 加。+ 。+ m 6 ) v p t p以上各式中：( 2 8 )( 2 固)( 2 一l o )( 2 1 1 )( 2 一1 2 )m 。摊铺机不计悬挂部分( 振捣熨平工作机构) 的质量( 蚝)m ) 摊铺机的总质量( 连)i t i 广摊铺机接收料斗的混合料的质量( 蝇)讪r 摊铺机振捣熨平工作机构的质量( k g ) ( m y = m 。1 + m p )m a 一一白卸汽车质量( 蝇)m b _ 一卸料汽车开始时车上混合料质量( 埏)m r 混合料堆质量( 埏) 。取混合料堆长度为l 。，等于摊铺机的摊铺宽度；料堆高度h t = 2 h 3 ；其中h 为振捣器高度；料堆底宽( 前后方向) b = 1 1 t ：松散混合料密度为p t = ( p t = 1 8 0 0 k g m 3 ) ，则m t _ - p t l t h t b ；f 一履带行走机构的滚动阻力系数( 取o 0 7 ) ；a 一路面最大纵向坡度( 一般取6 0 ) ：g = 9 8 m s 2 ；t 。一加速时间( 1 2s ) ；“l 一工作机构沿混合料的滑动磨擦系数( ul = 0 5 o 6 )“r _ 混合料的内磨擦系数( 22 = o 7 o 8 )一轮式车辆滚动阻力系数( 取o0 3 )v r 一摊铺机的工作速度( m m i n ) ( 按设计的最大摊铺速度)为保证摊铺机无打滑j 下常的工作，应满足条件f 茎g m ，妒( 2 1 3 )其中，m 一摊铺机在各工况下j 二作时的附着质量( k g ) ：沥青混凝土摊铺机工作时，驱动轮所需的驱动功率p k 为最= f v p ( 1 0 0 0 印，)( 2 1 4 )其中，n 。一速度效率( r l 沪卜r l 。，n 。取0 0 4 ) ；p ，驱动轮所需驱动功率( k w )第二章履带驱动系统力学参数的设计2 2 行驶液压驱动系统参数计算2 2 1 液压系统的传动方案及工作原理现代大型履带式沥青砼摊铺机行驶驱动系统大都采用全液压驱动方案，动力传递方式为分置式结构，即发动机带左、右变量泵，经左、右液压马达后传递至左、右轮边减速装置，经减速后驱动左、右履带使机械行驶，动力传递路线图2 2 所示。图2 - 2 履带式摊铺机行驶系统传动方案图2 3 为典型履带式摊锚机单边行驶液压系统驱动四路。由变量泵一变量马达组成闭式变量液压系统，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，即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。i 随i ，。= 一u拊埘#r1汪l ll ii ：由到也阳睹寒糟古嶝弼8r 僵：囝l!i。8lji一一冷妇h 赢乙图2 - 3 履带式摊铺机行驶液压系统单边驱动回路液压系统由变量泵、变量马达、比例电磁阀、变量机构、补油单向阀、溢流阀、梭阀、滤油器、补油泵和油箱组成。在这个系统中，变量泵即是液压能源又是主要控制元件，通过比例电磁阀和变量机构调节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。系统的最大工作压力由溢流阀限定。第二章履带驱动系统力学参数的设讪2 2 2 驱动马达外负载扭矩针对本文所研究的对象，需要计算单边液压系统驱动回路的驱动力，因此根据2 1 部分的分析计算结果，取整机行驶阻力的6 0 作为单边驱动的行驶阻力，即单边有效切线牵引力f k s ，单边驱动轮驱动功率p k s 为死= 0 6 z f( 2 1 5 )屹= o 6 f - v ，( 1 0 0 0 7 ，仉)( 2 1 6 )m。=丝玉(2-17)| | rf k r 摊铺机单边履带有效切线牵引力( n ) ；0 6 e f ，摊铺机单边履带行驶外部阻力( n ) ；m 。一单边履带驱动力矩：v ，摊铺机工作速度( m s ) ；n ，一履带驱动段效率( 0 9 6 o 9 7 ) ；qs 速度效率( = l 一瓯，r i b = 0 0 4 ) 。设轮边减速机构传动比i ，传动效率为r i l ，马达轴转度为，驱动链轮转速为n 。，马达负载力矩n 则有公式r , n 。r ，= m h n l( 2 一墙)故瓦；丝逝：警：垫( 2 - - 1 9 )2 2 3 液压行驶驱动系统参数计算在作业工况下由各种外部阻力所决定的液压马达的工作压力r ( n m 2 ) 为巴：丝+ 办( 2 - - 2 0 )1m。，rr m q 式中，q r 一马达作业工况下的排量( m 3 r ) ；r 1 一马达的机械效率；p ，一系统的补油压力( n r n 2 ) 。在作业工况下由各种外部阻力所决定的液压泵的工作压力p ，( n m 2 ) 为第二章履带驱动系统力学参数的设计0 = 匕+ 印：，等+ 卸( 2 - - 2 1 )= 二+ p ，+ 7 p野。f q ，一式中，卜为管道压力损失( n t m 2 ) 。考虑到沥青砼摊铺机行驶系统所采用的容积调速回路中，变量泵与液压马达之间多为橡胶管和钢管混合连接，长度也较短，且属于中压系统，故采用估算值，取p - 1 5 m p a 。按照液压系统设计计算及元器件选取原则，应使液压泵的额定工作压力比其实际工作压力大2 0 3 5 ，即= a ，0( 2 2 2 )式中，a ，一压力储备系数( a ，= 1 2 1 3 5 )液压马达的流量q 由最大作业速度和非作业工况最大行驶速度所决定q 。= ! 逝( 2 2 3 )1 | m v式中，n f 一马达转速( r r a i n ) ；n ，一马达的效积效率。车辆最大作业速度v 。( m m i n ) 为v 。= 2 删女”，叩j = 2 7 _ ? 一kn 。( 1 一协)( 2 2 4 )因此由最大作业速度所决定的流量q 。，( m 3 s ) 为既2 警2 骊v p 1 q m , , , x a ( 2 - 2 5 )叩。，z ，砟蹿。，【j 一叩5 j式中，n i ，一由最大摊铺速度所决定的马达转速( m 3 m i n ) ；q 一摊铺作业工况下马达的最排量( m 3 r ) 。由最大摊铺速度所决定的液压泵的流量q ( m 3 m i n ) 为q 叫= 4 v 瓯?( 2 2 6 )式中，a 。漏损系数或流量储备系数( a 。= 11 1 3 ) 吲第二章履带驱动系统力学参数的设计2 3 参数校核2 3 1 行驶液压系统参数校核根据关系式( 2 2 1 ) 、( 2 2 2 ) 、( 2 2 5 ) 、( 2 2 6 ) 初步选定泵和马达的型号，然后根据泵和马达工作参数进行校核。式( 2 2 2 ) 中，泵的工作压力p 。实际上确定的是系统的平均工作压力，即连续工作的额定压力，系统设计的由安全阀限制的系统最高压力是该压力的2 3 倍，压力储备系数a 。值在上述范围内，说明设计满足要求；若a 。 1 2 5 ，虽然能满足设计中最值上的要求，但由于额定压力太大，系统压力也随之升高，当系统突然出现超大载荷时，易使系统中出现超高压，损坏液压元件，此时认为设计能满足要求，但不能过大，且系统的最高压力要适当降低。关系式2 2 6 泵的流量校核可初通过验证漏损系数a 。是否在其取值范围或更大，来校核泵的最大排放量选择是否合理。选定的泵和马达的工作参数己满足摊铺机在最大作业工况f 工作阻力和工作速度的要求，因此还需校核一些其它特殊工况下系统工作压力、流量是否满足要求。2 3 2 最高行驶速度工况的校核马达的最大流量q 。( m 3 s ) 为2 彘( 2 - 2 7 )式中，q r _ 一液压马最小排量( 即双速马达的小排量位置，高速小扭矩工况( m 3 r ) ；6 ，一非作业工况f 的滑转率( 取8 1 0 ) ；q 。，一液压马达允许的最大工作流量。其它符号同前。上式中6o 取值和额定滑转率6 。有所区别，对于摊铺机这样的连续作业机械来讲最大牵引效率工况和最大生产率工况是不一致的，为了提高路面平整度，将额定滑转率限定在很小的范围，为了获得最大生产率，尽量发挥发动机功率，应第二章履带驱动系统力学参数的设计将工作的平均阻力配置在最大生产工况附近，并根据最大生产率工况和滑转率对摊铺速度的影响来确定额定滑转率。在校核最高行驶速度时，属于非作业工况，因此可将其滑转率6 。取8 1 0 。泵的最大流量q 。必须大于马达的最大允许流量。即q m 一g q m 。x( 2 2 8 )2 3 3 最大爬坡度校核摊调制l 仕最灭爬驳厦_ 上肌r 上作峒，具碳追阻刀f 。( n ) 为c = g m ，( f c o s a 。+ s i n a 。)( 2 - 2 9 )式中，a m 日。一最大爬坡度( 一般取2 0 0 ) 。由式( 2 1 7 ) 、( 2 - 1 9 ) 、( 2 - 2 0 ) 、( 2 - 2 1 ) 、( 2 2 9 ) 得系统压力( n m 3 )驴朵+ 肇= 石2 a - m 。f l 研+ p ，+ 印= 雩葛+ 只+ z a p ( 取f k s 2 。s f a ，作为单边系统阻力)：塑型等等掣+ 印( 2 - 3 0 )叩。f 叩l 即，i q 。一只。( 2 3 1 )即系统设定的最高压力p + 。要大于最大爬坡度所决定的系统压力。2 3 4 地面附着力校核为保证摊铺机的作业质量，必须使机器能够无打滑，最大行驶阻力必须满足f 争翌( 2 3 2 )一此式主要校核摊铺机在作业工况_ f ，且料斗中物料认为已接近无料情况下地面所能提供的有效牵引力，a 。附着条件决定的有效牵引力储备系数，一般取a t _ 2 。第二章履带驱动系统力学参数的设计2 4 驱动系统的速度特性行驶驱动系统的速度特性指的是整车行驶速度与行驶变量泵输入电流之间的关系。该特性不仅是摊铺机作业性能的一个重要指标，而且是行驶控制系统设计时的重要依据。在绝大多数采用电液控制的摊铺机的行驶控制平台上，普遍设置有两个速度控制装置，一为速度预选旋钮，一为速度控制手柄。速度控制手柄是用来调节车辆行驶方向( 前进后退停止) 及速度大小无级调节的装置，其位置对应于输入行驶变量泵的电流( 电压) 的大小和方向。同时，速度控制手柄位于极限位置所能提供的最大电流又受速度预选旋钮的限制和设定，也就是说速度预选旋钮的每一选定位置，决定着一个能够供给行驶变量泵的输入电流的最大值，而决定了该状态下车辆所能达到的最大行驶速度。因此，一个重要的问题是，速度预选旋钮位于某一调定位置时，应咳限定控制系统多大的输出电流，爿能使得该状态下车辆的最大行驶速度与所调节速度相一致，即解决电流信号幅值与行车速度二者之间的对应关系。这一关系是建立在静态特性的基础上，对摊辅机行驶速度与控制电流作一个基本的预测或设计刖。2 4 1 基本假定由于负载扭矩与速度特性之问的制约关系，在推导速度特性方程之前，先作如下假定：1 ) 负载恒定不变，负载扭矩不发生突然的增大或减小；2 ) 发动机转速不变( 在正常行驶状态下，发动机转速等于最大油门转速) ；3 ) 负载扭矩计算选用行驶摊铺作业工况，公式涉及的各参数采用常用值。2 4 2 建立速度特性方程在设计行驶控制系统时，行驶液压系统是己经给定且已知不变的，在行驶变量泵的技术资料中，可以得到泵排量与输入电流u 之问的变化关系，如图2 4所示。由于曲线关于原点对称，故仅考虑曲线在第象限的情况。调节段排量第二章履带驱动系统力学参数的设计为2 矗( u o )图2 - 4 变量泵排量比例调节曲线式中，q p 。一变量泵最大排量 m 3 r ) ：u b 一最大排量对应的电流值( m a ) ；u 。一变量泵斜盘开始动作时临界电流值( m a ) 。由于变量机构的非线性，u n 0 变量泵输出流量驴等一c , p ( p p - p r ) - c 。f p ，式中，1 1 。一变量泵输入转速( r m i n ) ；c b 一泵的内部泄漏系数( m 5 n s ) ；c 。一泵的外部泄漏系数( m n sp 口泵的出口压力( n m 2 ) ；p ，- * b 油压力( 常数) ( n m 2 ) 。液压马达高压腔流量方程驴等蝙( p p - p r h 舻，式中，r i m 一马达的输出转速( r m i n ) ，q 。马达的排量( 在所研究的问题中，q m 有两个值) ( m 3 r )c i 。一马达的内部泄漏系数( m 5 n s ) ，c 。一马达的外部泄漏系数( m 5 n s ) ，根据流体的连续性，有q 。= 统( 2 - 3 3 )( 2 - 3 4 )( 2 3 5 )( 2 3 6 )第二章履带驱动系统力学参数的设计联立式( 2 3 4 ) 、( 2 3 5 ) ( 2 3 6 ) ，并化简得百n , q p 十( c ，+ c i 。) p = c f 0 + 百n m q m ( 2 - 3 7 )其中，c t = c i p + c 。十c 。p 十c 。为泵和马达总泄漏系数之和。这里，忽略了管道的压力损失，认为- s 达高压腔的工作压力等于泵的输出压力。马达和负载的静态力矩平衡方程( p ，一) 芝= + 疋( 2 3 8 )t l 一作用于马达轴上的外负载扭矩( n m ) ；t d 一马达阻尼扭矩( n m ) ，取t d = b 。2n 6 0 n 。其中，b 。为马达粘性阻尼系数( n