（机械工程专业论文）沥青路面铣刨机行走系统研究.pdf

摘要 沥青路面铣刨机是道路养护工程的重要设备，针对国产沥青路面铣刨机技术与国际 先进技术水平之间存在较大差距这一现状，论文对沥青路面铣刨机行走系统相关技术展 开研究。研究了沥青路面铣刨机行走系统结构、工作原理和优缺点，研究了沥青路面铣 刨机全轮驱动行走液压系统的同步方式，对比分析了采用不同同步方式时路面铣刨机行 走系统动力学特性，指出采用分流阀同步是现阶段沥青路面铣刨机行走系统理想同步型 式；研究了采用分流阀同步路面铣刨机转向运动学问题，指出应对转向过程中沥青路面 铣刨机的最高行走速度进行限制，以避免补油流量过大造成补油压力降低；设计了沥青 路面铣刨机行走系统，完成了关键零部件选型；探讨了沥青路面铣刨机行走控制技术； 建立了沥青路面铣刨机行走系统仿真模型，研究了路面铣刨机起步过程及外部载荷对起 步过程、行走速度的影响。 关键词：工程机械、铣刨机、行走系统、动力学、控制、仿真 a b s t r a c t m i l l i n gm a c h i n ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tm a c h i n e su s e di na s p h a l tp a v e m e n tm a i n t a i n s t h e r ei s o b v i o u s l yt e c h n o l o g yd i s t a n c eb e t w e e nt h em i l l i n gm a c h i n em a d ei nc h i n aa n dt h ea d v a n c e do n ei nt h e w o r l d h lt h i sp a p e r , t r a v e ls y s t e ma n ds o m ec o r r e l a t i o nt e c h n o l o g yi ss t u d i e d a s p h a l tm i l l i n gm a c h i n e s t r u c t u r e ，w o r kp r i n c i p l ep e r f e c ta n di m p e r f e c ti ss t u d i e d h y d r a u l i cs y n c h r o n i z em o d e so fa l lt r a v e ls y s t e m i ss t u d i e d ，a n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa r ec o m p a r e d , t h er e s u l t si n d i c a t e sd i s t r i b u t i n gv a l v es y n c h r o n i z e m o d ei sa ni d e a lo n eu s e di na s p h a l tm i l l i n gm a c h i n eh y d r a u l i ct r a v e ls y s t e m t h et u r nk i n e m a t i c si s s t u d i e do nt h ea s p h a l tm i l l i n gm a c h i n et r a v e ls y s t e mw i t hd i s t r i b u t i n gv a l v e ，t h er e s u l ti n d i c a t e sm a x i m u m t r a v e ls p e e ds h o u l db el i m i t e df o rt h ec h a r g ep r e s s u r ed r o pw h e ni ti su s e dt oc h a r g et h et r a v e lm o t o r s a t r a v e ls y s t e mc a nb eu s e di nm i l l i n gm a c h i n ei sd e s i g n e d ，a n dm a i nc o m p o n e n t sa r ei d e n t i f i e d a n dt r a v e l s y s t e mc o n t r o lm e a n si sa d v i s e d as i m u l a t i o nm o d e lo fm i l l i n gm a c h i n et r a v e ls y s t e mi se s t a b l i s h e d ， s i m u l a t i o ni sd o n eo ns t a r tp r o c e d u r e ，a n dl o a de f f e c t i n go ns t a r tp r o c e d u r ea n dt r a v e ls p e e d k e y w o r d s ：c o n s t r u c t i o nm a c h i n e ，m i l l i n gm a c h i n e ，t r a v e ls y s t e m ，d y n a m i c s ，c o n t r o l ， s i m u l a t i o n i l 长安大学工程硕士论文 1 1 课题研究背景 第一章绪论弟一旱瑁t 匕 路面铣刨机是沥青路面养护施工的主要机种之一，使用铣刨机铣削路面，可以快速 有效地处理路面病害，使路面保持平整；可以将破损路面切除，用新材料填补原有空间， 保持路面原有的水平高程；可以使填料坑边侧及底部整齐、深度均匀，形成新旧料易于 结合的齿状几何表面，提高翻修后新路面的使用寿命；可以控制切削深度，铣削的材料 小颗粒规则，不用破碎加工即可在现场或固定料场再生利用，降低了施工成本，同时也 保护了自然环境【l 】。 截至2 0 0 9 年底，我国等级公路里程达到了3 0 5 6 3 万公里，较2 0 0 1 年的1 3 3 6 万公 里增加了1 7 2 万多公里，其中沥青路面为4 8 8 9 万公里【2 3 1 。公路建设事业的快速发展在 对国民经济产生巨大推动作用的同时，也对公路养护事业提出了更高要求。沥青混凝土 路面的设计年限一般为6 1 5 年不等【4 】，2 0 0 1 年以前及部分2 0 0 1 年以后修建的沥青混凝 土路面已逐步进入大修期。为了节约道路建设材料、保护自然环境，公路行业大量采用 冷、热再生技术，再生利用旧沥青混凝土材料。 事实上，以铣刨机为主要设备的机械化养护作业方式已经在全国许多公路上被采 用，成为目前形势下的一种标准养护模式【5 】。在市场前景看好、市场需求强劲的形势下， 路面养护设备大发展的时代已经来临，沥青路面铣刨机作为道路机械化养护必不可少的 设备之一，在国内市场的需求量会越来越大。国内生产企业应抓住机遇，使国产沥青路 面铣刨机尽快形成完整的系列，并不断提高产品的使用性能和可靠性，为用户提供经济、 实用、高质量的铣刨机。 1 2 国内外研究现状 根据铣削是否需要加热，铣刨机可分为冷铣式和热铣式两种。 冷铣式路面铣刨机主要用于沥青混凝土路面材料的清除，热铣式路面铣刨机增加了 加热装置，一般用于路面再生作业【6 】。 第一章绪论 图1 1冷铣刨机铣创作业 图1 2 热铣刨机铣刨( 摊铺) 作业 按铣削转子的旋转方向，路面铣刨机可分为顺铣式和逆铣式两种，目前一般采用逆 铣作业方式。 图1 - 3逆铣刨作业原理 2 长安大学工程硕士论文 根据行走驱动装置的结构，路面铣刨机可分为轮式和履带式两种。 按铣削转子的位置，可分为后悬式、中置式和与后置式。 根据铣削转子的作业宽度，可分为小型、中型和大型等三种。 根据铣刨鼓传动方式路面铣刨机可分为机械式和液压式。机械式工作可靠、维修方 便、传动效率高，但其结构复杂、操作不轻便；液压式结构紧凑、操作轻便、机动灵活， 但传动效率低，主要用于小型路面铣刨机中。 1 2 1国内研究现状 国内沥青路面铣刨机研究始于2 0 世纪8 0 年代。1 9 8 5 年交通部对沥青路面旧料再生 设备进行了立项研究。随后，湖北襄樊公路机械厂及镇江路面机械厂研制出了铣刨宽度 o 5 m 、全机械传动的简单铣刨机，不带回收装置和铣深自动控制系统；1 9 9 0 年天津市道 桥机修厂研制出了l z 1 0 0 0 型铣刨机。随后的十几年，我国主要处于公路建设期，路面 维护保养并不十分迫切，国产铣刨机因市场容量有限，没有得到相应发展。2 0 0 2 年以后， 随着2 0 世纪8 0 年代末和9 0 年代初修筑的一批高速公路陆续进入大修期，我国对路面 铣刨机的需求明显增加【 1 1 1 。2 0 0 8 年以来，国产路面铣刨机的销售量连续突破1 0 0 台的 规模。 目前，国产2 m 铣刨机产品技术水平类似，零部件采用国际化配套。主要借鉴了欧 洲技术和经验，如：四履带全液压两挡行走驱动系统，具有前轮转向、后轮转向、全轮 转向以及蟹行转向四种转向模式；皮带转子驱动系统等8 1 。 表1 1几种国产路面铣刨机技术参数 生产塑号最大铣削宽铣削深上作速度行驶速刀头发动机功行走艘机质 厂家 疙( 皿衄)度( 懈)( r n ，m i n )度o 皿旧 个数 率取奶 方式 最憾) 天津 l x l 3 0 01 3 1 0o 3 0 0o - 3 0o - 4 53 0 0 轮式 鼎盛 l x 2 0 0 02 0 1 00 3 0 0o 3 0o 4 51 6 24 0 0稷带3 0 0 0 0 镇江k 瓦姗1 0 0 0 1 0 0 0o 1 0 0o 1 3o 1 l8 01 1 2 轮式 1 3 5 0 0 像艇e 咒删1 3 0 01 3 0 00 1 2 00 1 40 1 21 0 41 3 6轮式1 5 8 0 0 徐二 r g l 0 01 0 2 00 1 2 0o 1 l0 1 18 41 2 5 轮式 1 4 0 0 0 r g 2 1 02 1 0 00 - 3 0 0o 3 l o - 4 51 7 44 1 9 履带3 0 0 0 0 巾联 b g 2 0 0 02 0 0 0 o 3 0 0o 2 9 5 o 4 51 5 83 2 0 履带 2 8 2 0 0 霭科 陕建 c h 位0 0 02 0 0 0 0 3 0 0o 3 0 o 5 41 6 24 4 8 腥带 2 9 4 7 0 第一章绪论 1 2 2 国外研究现状 2 0 世纪7 0 年代以来，随着沥青路面1 日料再生技术的发展，德国、美国、瑞典、意 大利等国相继开发了沥青路面铣刨机。国外铣刨机市场以维特根公司四履带驱动欧洲风 格和美国c m i 公司三履带驱动北美风格路面铣刨机为代表阮13 1 。 图1 - 4北美风格路面铣刨机 目前全球范围内冷铣刨机的年产量超过2 0 0 0 台，铣刨宽度在1 5 0 0 m m 以上的中宽 型冷铣刨机占3 0 以上。维特根公司的产量最大，约占总量的5 5 以上，其次为c m i 公司的产量，约占总量的1 3 以上，其余的产量主要被d y n a p a c 公司、c a t e r p i l l a r 公 司、r o a d t e c h 公司、m a r i n i 公司等公司占有。【7 9 ，1 4 枷1 表1 2国外路面铣刨机技术参数 生产型蟹 最大铣朗宽 铣朝深 i _ i ：= 作速度行驶速 刀头 发幼机功行走整机质 家 度( 舭)度伍唧)( 删 度肌) 个数率方式 最o 【g ) w 5 0 05 0 00 1 6 0o _ 60 2 05 07 9 轮式 6 8 0 0 维特撤w 1 0 0 01 0 0 0o 2 5 00 5 8o 2 59 61 4 9 轮式1 5 9 0 0 w 2 0 0 02 0 0 00 3 2 0o 50 8 41 6 24 2 1履带3 1 2 0 0 藏那派克 p l 2 0 0 0 $2 0 1 00 3 2 0o 5o 4 0l 贷4 4 8艘带3 8 0 0 0 比特利 s i l 2 0 0 l2 0 0 0 0 3 2 0 o 4 5 o 3 01 5 43 7 0 履带2 8 7 0 0 玛莲尼凇0 0 02 0 0 00 3 2 0o - 4 7o 3 3 1 5 6 3 6 4履带2 7 0 0 0 忙特彼勒p r 4 5 01 9 0 50 - 2 5 4o 3 20 5 41 4 43 3 6腥带2 4 9 5 0 进入中国的路面铣刨机品牌包括w i r t g e n 、d y n a p a c 、c a t e r p i l l a r 等，为适应中国 市场的巨大需求，w i r t g e n 公司已在中国廊坊设厂，c a t e r p i l l a r 已在中国徐州设厂生产路 面铣刨机产品。 4 长安大学工程硕士论文 1 3 课题的提出 路面铣刨机行走系统是路面铣刨机的重要组成部分，提供路面铣刨机的行走驱动， 提供铣刨转子的进刀力，最重要的是行走系统速度调节可以改变路面铣刨机的铣刨进刀 量，改变路面铣刨机铣刨系统的功率消耗及路面铣刨机总功率消耗，与控制系统相结合， 完成路面铣刨机功率自适应控制，调节发动机负荷，使发动机转速始终稳定在额定转速 附近，发动机功率输出最大，整机生产率最高。 为达到上述目的，行走系统必须具备足够的驱动能力和速度稳定性。因此，设计满 足路面铣刨机工作要求的行走系统，设计满足路面铣刨机工作要求的行走控制系统，具 有重要工程应用价值。 1 4 本文研究的主要内容 本文以2 0 0 0 型四履带路面铣刨机行走系统为研究对象，对以下问题展开研究： ( 1 ) 收集整理国内外路面铣刨机技术资料与文献，统计、分析现有的路面铣刨机 行走系统结构型式； ( 2 ) 研究大型路面铣刨机全轮驱动行走系统同步性能与动力学特性，分析其优缺 点； ( 3 ) 设计2 m 路面铣刨机行走系统，并完成主要部件的计算与选型； ( 4 ) 分析路面铣刨机负荷自适应控制原理，研究路面铣刨机行走系统控制技术与 实现方法； ( 5 ) 建立路面铣刨机行走系统仿真模型，对路面铣刨机起步过程和负载对路面铣 刨机行走系统的影响进行仿真研究。 5 第二章路面铣刨机行走系统典型结构 第二章路面铣刨机行走系统典型结构 2 1 路面铣刨机行走系统结构分类 路面铣刨机整机包括动力系统、传动系统、铣刨系统、升降系统、行走系统、转向 系统、车架系统、液压系统、集料系统、覆盖件系统、电气系统、洒水系统十二个子系 统【17 1 。 o2 7 48 1 动力系统2 升降系统3 传动系统4 洒水系统 5 行走系统6 液压系统7 铣刨系统8 转向系统 9 集料系统l o 车架系统1 1 覆盖件系统1 2 。电气系统 图2 1 路面铣刨机结构图 ( 1 ) 按照行走驱动机构的形式，路面铣刨机行走系统可分为轮式和履带式。 图2 - 2 铣刨机轮胎行走机构 6 长安大学工程硕士论文 1 履带总成2 导向轮3 行走支架4 支重轮 5 履带张紧装置6 。驱动链轮7 行走马达 图2 3铣刨机履带行走机构 中小型路面铣刨机一般选用轮式行走机构，具有良好的机动性能。 大型路面铣刨机整机重量大，铣刨作业宽度、深度参数高，冲击较大，轮式结构由 于本身弹性，可能增加铣刨转子的额外冲击，损坏铣刨转子，因此大型路面铣刨机的行 走系统不能选用轮式结构，而选用具有支撑刚性好、附着力好等优点的履带结构。 ( 2 ) 按照驱动轮的数量，路面铣刨机行走系统可分为前轮驱动方式( 前桥驱动方 式) 、后轮驱动方式以及全轮驱动方式。 ( 3 ) 按照调速范围，路面铣刨机行走系统可分为两档无级调速系统和全程无级调 速系统。 2 2 路面铣刨机前桥驱动行走系统 小型路面铣刨机重量较轻，进刀力波动较小，在设计切深较小时，部分采用前轮驱 动形式( 如江苏华通动力，徐工集团的小型路面铣刨机，行走系统结构如图2 5 所示， 采用前桥驱动方式时，通常还要再前桥上集成转向功能，即采用转向驱动桥) 或后轮驱 动形式( 如中联重科，柳工集团的小型路面铣刨机行走系统结构如图2 - 6 所示) 。图2 6 所示结构也可用于前轮驱动系统中，如w i r t g e n 公司部分小型路面铣刨机产品。 7 第二章路面铣刨机行走系统典型结构 彳 封 图2 4 前桥驱动路面铣刨机 图2 5路面铣刨机前桥驱动行走系统结构 图2 - 6路面铣刨机后轮驱动行走系统结构 小型路面铣刨机多采用出料结构，铣刨鼓后置( 位于两条后支腿中间) 。铣刨过程 8 长安大学工程硕士论文 中，铣刨鼓切削路面材料时的接地反力，会影响路面铣刨机后轮附着重量，减小最大驱 动力，驱动轮频繁滑转，造成轮胎早期损坏：驱动力过小导致进刀力不足，整机铣刨过 程的连续性和平稳性被破坏。实践证明单纯采用后轮驱动的路面铣刨机行走驱动方案是 不成功的。 小型路面铣刨机采用前轮驱动方式时，仅前轮附着重量用于牵引，另考虑到后轮需 要有足够的重量克服铣刨鼓的接地反力，整机牵引力小。调整重心位置，会导致后轮附 着重量变轻，路面铣刨鼓铣创作业过程中发生剧烈跳动。折中方法是在前桥附近增加额 外的配重，不改变后轮附着重量的情况下，加大前桥驱动能力，但与此同时也会增加机 器重量，加剧前轮磨损。 大型、切深较大的路面铣刨机，为了增加行走系统最大驱动力，已基本放弃了前桥 驱动方案，选用全轮驱动方式。但前轮驱动或后轮驱动型式结构简单，具有成本优势， 在小型、切深较小的路面铣刨机中还有较多应用。 2 3 路面铣刨机全轮驱动行走系统 全轮驱动行走系统中，所有的车轮( 或履带，为方便起见，文中均简称“全轮”) 均 为驱动轮，即整机重量均为附着重量，路面铣刨机行走系统可以获得最大驱动力，在大 型铣刨机，特别是切深较大的路面铣刨机行走系统中应用广泛。 全轮驱动系统中，由于轮胎数量较多，且结构布置受限，一般采用液压泵和液压马 达组成的闭式液压系统进行驱动。常见的采用全轮驱动型式的路面铣刨机行走液压系统 有四组单泵单马达结构、两组单泵双马达结构和单泵四马达结构。 多组液压系统用于驱动行走时，由于零部件制造、附着重量、地面条件等存在差异， 组与组之间不可避免会发生驱动力或速度差异，导致机器最大牵引力得不到发挥，同时 加剧轮胎( 履带) 的磨损，这些问题可以通过增加控制系统的实时纠偏功能予以解决， 但需要消耗较多的控制系统资源，或需要增加额外的成本。 出于对成本的考虑，大型路面铣刨机一般采用单泵四马达结构，如下图所示。 9 第二章路面铣刨机行走系统典型结构 图2 7路面铣刨机全轮驱动行走系统( 自由分流) 单泵四马达结构中，行走系统的速度和方向由液压泵排量( 工作状态下) 唯一参数 进行控制，不会产生组与组之间不协调的工作状态，但是路面铣刨机作业过程中，难以 保证所有轮胎的附着重量一致，附着重量越大，摩擦力越大，即液压马达阻力矩越大。 根据液压系统的工作原理，多马达并联驱动的液压系统中，工作阻力大的液压马达转速 越低，意味着液压马达同步驱动的性能得不到保障，这在路面铣刨作业过程中是不希望 出现的。因此必须在液压系统中增加同步装置，以保证作业过程各液压马达的转速相等。 常见液压系统同步方式有分流阀同步、节流阀加整流板同步，同步马达( 齿轮) 同 步、液压马达( 径向柱塞) 和电液控制同步，如表2 1 所示。 表2 1液压系统同步方式与性能 同步方式分辨率 分流阀 节流阀加整流板 同步马达( 齿轮) 同步马达( 径向柱塞) 电液控制同步 + 4 + 5 5 3 + 1 5 + 2 5 + 0 4 + o 8 0 3 上表中，前4 种同步方式是硬件同步方式；最后一种是软件同步方式。硬件同步方 长安大学工程硕士论文 式的同步性能，主要由元件制造精度( 如流量调节孔孔径，弹簧刚度，阻尼孔孔径等) 保证；软件同步方式的同步性能，主要由控制算法和系统元件的响应性能决定。实际使 用中，需要根据所需要达到的精度、成本等因素综合考虑。 目前，应用于路面铣刨机全轮驱动系统的液压系统同步方式主要有分流阀同步方式 和电液控制同步方式两种。 2 3 1分流阀同步全轮驱动行走系统 分流阀同步全轮驱动行走系统结构如下图所示，以w i r t g e n 公司路面铣刨机产品为 代表，国产大型路面铣刨机均采用这一同步方式。 图2 - 8路面铣刨机全轮驱动行走系统( 分流阀同步) 采用分流阀同步方式( 亦称“同步分流方式”) 的路面铣刨机行走液压系统中，液压 马达为双速马达或全变量马达，液压马达排量采用统一控制参数，即任何工况下液压马 达排量始终保持相等。液压回路中增设有一分流阀( r e x r o t h 公司是行走液压系统分流 阀的主要供货商，其分流阀产品工作原理如图2 - 9 所示) ，保证流经各液压马达的液压 油流量相等。 分流阀工作过程中会发生节流损失，各车轮负载不同导致各液压马达工作压力不 等，还会增加额外的压力损失，因此行走系统工作于同步分流方式时，液压系统发热量 较大，行走液压系统设计中，有必要考虑减小分流阀的节流损失( 如保证各车轮的附着 重量一致等) ，特别是不需要同步状态时分流阀的节流损失。 1l 第二章路面铣刨机行走系统典型结构 ：扭 妒 ：一 ：扭 _ 一 l i 鬣址出嗣 ll 谨l l n 硒ip l l ；玉l ! 最上】ll 鬻i il：lil 飞迅心一 1 1 ；l l i i ：i 1 1 出必一 l i ；圜：；r 一 ，i ljl= l 1量 ljf 一 鲻也出l 性! f 谨，一! 田嘲 鲻 雠；：矧ii | l l 图2 - 9r e x r o t h 同步阀原理图 图2 - 9 所示同步阀，具有自由分流切换功能，不进行铣刨作业、高速行走时，行走 液压系统可工作于自由分流状态，分流阀的节流损失几乎为零。铣刨作业过程中，由于 工作压力较低，整个行走系统的功率消耗小，即使路面铣刨机工作在同步分流状态下， 也不会造成过大的发热量。 因此，采用分流阀结构的路面铣刨机行走系统，具较好的性能和较低的成本，国内 外大型路面铣刨机产品大多采用这一结构。 2 3 2电液控制全轮驱动行走系统 电液控制全轮驱动行走系统结构与图2 7 相同，以d y n a p a c 公司路面铣刨机产 品为代表( d y n a p a c 公司部分路面铣刨机产品也采用分流阀同步全轮驱动行走系统) 。 采用电液控制( 又称“电子防滑控制”，a n t i s l i pc o n t r o l ：a s c ) 的路面铣刨机行走液 压系统中，液压马达均为全变量马达，所有马达上均装有转速传感器，控制系统能够对 各液压马达的转速进行控制【1 8 ，1 9 1 。 ( 1 ) 差速控制 转向过程中，内外侧履带驱动链轮转速不等，在路面铣刨机机架和转向机构共同作 用下，内外侧履带驱动链轮按照由转向角决定的转速旋转，并在内外侧履带液压马达驱 动轴上形成力差，液压泵泵出的流量按比例分配到内外侧液压马达，自动实现差速转向 功能。 1 2 长安大学工程硕士论文 ( 2 ) 差力控制 地面情况差异，会造成路面能够提供给铣刨机各行走履带的最大驱动力不等，各履 带的滑转率不等，当合力不足以驱动路面铣刨机行走时，首先在附着条件最差的履带上 发生全滑转。履带驱动力不等，意味着驱动液压马达的负载扭矩和所需要的工作压力不 等，液压泵流向各液压马达的流量也不相等。 a s c 系统差速控制原理就是根据液压马达的扭矩平衡方程：在液压马达工作压力保 持不变的情况下，驱动扭矩发生改变时，调节液压马达排量可以恢复方程平衡。即通过 调节各液压马达的排量，使各液压马达所需要的工作压力相等，液压泵流量各液压马达 的流量相等，实现差力控制。 2 万心= ( 2 1 ) 式中：鸭液压马达扭矩，n m ； 液压马达工作压力，b a r ； 液压马达排量，m l r ； 2 4 本章小结 论文在对国内外路面铣刨机行走系统的结构形式进行充分调研的基础上，重点分析 了路面铣刨机前桥驱动行走系统和全轮驱动系统的结构、组成及适用范围，研究了路面 铣刨机全轮驱动行走液压系统结构，并对单泵4 马达结构路面铣刨机行走液压系统同步 方式进行了论述。 第三章路面铣刨机全轮液压驱动系统动力学研究 第三章路面铣刨机全轮液压驱动系统动力学研究 3 1 路面铣刨机全轮驱动系统牵引动力学研究 路面铣刨机全轮驱动行走系统主要有：分流阀同步全轮驱动行走系统和电液控制全 轮驱动行走系统两种形式，这两种形式均为自由分流行走系统的变形。 下文对这几种典型结构的动力学问题展开研究【2 0 】。 3 1 1自由分流系统动力学研究 自由分流行走系统中，4 个行走液压马达与液压泵直接连接，液压马达的排量 ( 产1 ，2 ，3 ，4 ，分别代表4 个液压马达，下同) 相等，液压泵进出口压差铒与液压 马达进出口压差瓴，相等，液压泵出口流量g 与流经各液压马达的流量q m ，之和相等， 即： = 峨= 饥 ( 3 1 ) 4 q p = q m ； j = l 液压马达经行走减速机驱动履带前进，单个液压马达提供给履带前进的切线牵引力 为民： 死= 警 2 ， = 如，+ 凡 其中：= g ，e 。( 4 ) 易2 q ，z 式中：液压马达与履带链轮之间减速机的传动比； 履带链轮节圆半径，1 t l ； 履带牵引力，n ； 1 4 长安大学工程硕士论文 易地面摩擦阻力，n ； 瓯履带附着重量，蚝； 瞑履带滑转率； z 地面摩擦系数。 四条履带输出总的牵引力为如： 4 = 4 - i g q 。f ：一( 色) = 喜( 等一乃) 将式3 1 带入式3 3 ，可得自由分流行走系统总牵引力： 如叫等一喜巳 2 万，= 智一 ( 3 3 ) ( 3 4 ) 履带滑转率为峨： 让t 悟 = l - 素事 5 ， 式中：，履带实际速度( 路面铣刨机行走过程中，由于机架同步作用，各履带 的实际速度相等) ，m m i n ； v n 履带理论速度，m m i n 。 履带的实际速度，： v = v t , ( 1 4 ) = 酱”4 ) 。石) 将式3 1 代入式3 6 可得自由分流行走系统的速度v ： v ；三堕垒 ；| ；去 ( 3 7 ) 由式3 2 可知，自由分流系统中各履带的驱动力相等，但由于地面附着系数、履带 第三章路面铣刨机全轮液压驱动系统动力学研究 附着重量和摩擦系数差异，履带的牵引力、转速与滑转率各不相同。随着行走阻力的增 加，附着条件最差的履带首先发生全滑转。 由式3 7 可知，某一履带全滑转时，液压泵泵出的液压油全部流向发生全滑转履带 的驱动马达，造成液压马达超速，但整个行走系统丧失速度。 此时，液压系统的工作压力为瓴( 行走液压系统的设定最高工作压力一般大于机 械完全打滑时所需的工作压力，下同) ： 铒：卸删：警 ( 3 8 ) 铒呻删2 菁 。名 其中： 瓦曲刊n q ，( c 。1 ( 点) 阳慨+ z ) ，i = 1 ，2 ，3 ，4 ) 各履带的滑转率为龟： 鞘( 争 ：睁刁 。9 ) 一= 4 瓦曲一4 t = l ( 3 1 0 ) 不考虑液压泵、液压马达以及管路损失，自由分流行走系统中液压系统的传动效率 较高。 行走系统驱动效率： a p 。， 7 7 t 2 订1 0 0 = 1 0 0 3 11 1 6 长安大学工程硕士论文 ”茜枷蝴 f4xappv鲫ia一4易12 l z r r d智， 毛喜去 4 4 1 e i - 瓦hv f 铒鳞 南j x l 0 0 + 易i l = l 1 0 0 ( 3 1 2 ) 发生全滑转时，液压系统的输出功率完全消耗于滑转履带与地面之间摩擦，加剧履 分流阀同步系统是在自由分流系统的基础上，在液压泵与液压马达之间增加了分流 阀。在分流阀作用下，液压泵的出口流量平均分配到各液压马达，即： 麓 限 所以各履带理论速度相等，滑转率点相等。 行走系统总的牵引力为： 如= - - e 瓯一1 ( 艿) ( 3 1 4 ) ：堡l圭饥一壹易27 r r a 鲁“智一 行走系统速度为1 ，： 性”酗2 甓”6 ) ( 3 1 5 ) 随着行驶阻力增加，履带总是同时发生全滑转。行走系统的最大牵引力为f k p m l l * ： 1 7 第三章路面铣刨机全轮液压驱动系统动力学研究 液压马达的工作压力为卸“： 一= ( 一一易) 5 酶f ：。1 ( 嗍 ( 3 1 6 ) 。一如触2 n r d = 玉脚宁 v 矗0 ( g 0 _ ( 6 ) 6 ：1 0 0 + 巴) 2 巧屹 = _ _ _ _ _ _ _ - - _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - i 一 毛 ( 3 1 7 ) 液压泵的工作压力通常大于m a x 卸耐，i = l ，2 ，3 ，4 ) 。 不考虑液压泵、液压马达以及管路损失，同步分流系统中液压系统的传动效率为7 7 t ： 44 卸。，q 删卸m ， t 7 t = 订1 0 0 = 耘1 0 0 行走系统驱动效率为7 1 - ： ( 3 1 8 ) ”嚣川似 ：盥矍二必墨型 枷。 瓴9 p 4 ( 1 6 ) 瓴， = 兰1 4 瓴 x 1 0 0 液压马达工作压力差异是影响同步分流系统中液压系统效率的主要因素，同步分流 系统的功率损失主要以热量形式在液压系统内循环，造成液压系统工况恶化。 3 1 3电液控制同步系统动力学研究 电液控制同步系统是在自由分流系统的基础上，用变量液压马达替换定量液压马 达。通过调节液压马达的排量，改变液压系统工作压力和履带的驱动力输出，使所有履 带的滑转率( 液压马达转速) 保持一致，即： 1 8 年肇 一岛 长安大学工程硕士论文 吩2 饧 铒= 瓴t 4 g = 瓯 t = l ( 3 2 0 ) 电液控制同步系统中，履带滑转率蠡相等，各履带磨损均匀。 行走系统牵引力为，k p ： = = 喜( 警一乃 2 t ， = 等喜一喜易 行走系统速度为1 ，： ，= v t ，( 1 4 ) 。 ：三亟( ) ( 3 2 2 ) 2 1 。l l o j 、“ 毛 随着行驶阻力增加，履带发生滑转，但所有履带的全滑转总是同时发生。行走系统 的最大牵引力为一： 4 一= ( 一一巳) 硝 ( 3 2 3 ) 4 = 瓯e 。1 ( 6 ) 糊慨 i = 1 液压马达的工作压力为卸耐： 哦：堡丢塑 肿b 2 万，：i ( q ，1 ) 渊慨+ 易) ( 3 2 4 ) = j 生i 一 f d 不考虑液压泵、液压马达以及管路损失，电液控制系统中液压系统传动效率与自由 分流系统相同。 1 9 第三章路面铣刨机全轮液压驱动系统动力学研究 瓴，线 叩t2 钉1 0 0 卸，q m ， = 堡l 一1 0 0 铒q p = 1 0 0 陪弘一纠 f ：( 1 - 6 ) f 每一 l + 善易 卸，q p x 1 0 0 ( 3 2 5 ) 1 0 0 ( 3 2 6 ) 理论上讲，电液控制同步系统具有最佳性能，但是需要安装较多传感器，且控制系 统需要不断检测液压马达转速，并输出信号对液压马达的排量进行控制，其结果需要消 耗较多的控制系统资源，且控制的滞后，不可避免会造成驱动力中断，影响整机作业的 平稳性。 而采用分流阀同步的系统不需要控制系统干预，成本低，且能保证动力传递不中断， 因而是目前技术条件下路面铣刨机理想行走系统同步方式( 3 2 作状态下) 。 3 2 同步分流系统转向运动学研究 路面铣刨机转向是通过转向油缸驱动转向套，带动支腿、履带旋转，完成转向功能， 如下图所示。 旦弘 磐 长安大学工程硕士论文 图3 1路面铣刨机转向机构 目前，大型路面铣刨机的转向形式有两种： ( 1 ) 四支腿独立转向，四只支腿均安装有转向套，通过四只转向油缸独立驱动实 现前履带转向、后履带转向、原地转向和蟹行； 静静 图3 2四轮独立转向 ( 2 ) 前后转向架转向，前侧两支腿和后侧两支腿安装有转向架，通过前后转向油 缸驱动实现前履带转向、后履带转向、原地转向和蟹行。 第三章路面铣刨机全轮液压驱动系统动力学研究 图3 3前后转向架转向 上述两种转向形式都采用角度传感器( 或油缸位移传感器) 精确控制转向角度，都 能实现精确转向。四支腿独立转向需要四个传感器进行监控，双转向架转向通过两个传 感器进行监控( 有时仅安装后转向架传感器) ，配置成本相对较低，应用最为广泛。 图3 - 4前履带转向 图3 5后履带转向 长安大学工程硕士论文 图3 - 6全履带转向 图3 7蟹行转向 n _ 1 7 哆 一 _ f ， 彬 f7 、 i ? f p 琴 f歹 ， _ 区 乡 _ 止 厶 图3 8路面铣刨机前履带转向空间位置图 o 在转向过程中，路面铣刨机内侧履带转速应低于外侧履带转速。而为了获得最大驱 第三章路面铣刨机全轮液压驱动系统动力学研究 动力，路面铣刨机行走系统采用同步阀控制流经各液压马达的流量，使其相等，即各液 压马达的转速相等。 吐李1 = q ( 3 2 6 ) 恐2 = o ) o 碍 、 式中：路面铣刨机转向速度，l a d s ； 内侧履带转向半径，m ； 恐z 外侧履带转向半径，m ； q 内侧履带转速，r a d s ； 外侧履带转速，r a d s ； 肆履带链轮驱动半径，m 。 路面铣刨机转向角0 一定时， p , c l = s 1 l n 4 万 如：= 厶 式中：厶路面铣刨机轴距，m ； 厶路面铣刨机轮距，m ； 七路面铣刨机轮距与轴距之比。 内外侧车轮转速差为 一q 2 毒( ：一) = ( 3 2 7 ) 一面1 2 8 ， 显然，随着转向角0 的增加，路面铣刨机内外侧履带速差增加。 路面铣刨机行走系统中采用同步分流阀后，流向四个履带驱动液压马达的流量相 等。在机架同步作用下，内侧履带的转速决定了路面铣刨机的转向速度，外侧履带转速 长安大学工程硕士论文 与内侧履带转速之间存在一个与转向角0 相关的转速差，即流经分流阀的液压油不足以 供给外侧履带旋转的需要。 为防止转向过程中液压马达吸空，必须通过补油装置给外侧液压马达补油。补油流 量由补油泵提供时，由于补油泵排量有限，补油量不能过大，需要对内外侧液压马达的 转速差即转向角较大情况下的路面铣刨机的行走速度进行限制。还可以在补油泵出口处 增加蓄能器，减小转向过程过快造成的补油压力瞬时降低。 3 3 本章小结 本章研究自由分流、分流阀同步和电液控制同步方式下，全履带驱动路面铣刨机行 走系统动力学问题，结果确定了分流阀同步全履带驱动行走系统是目前技术条件下，路 面铣刨机理想的行走系统驱动方案。在此基础上，研究了分流阀同步全履带驱动行走系 统转向运动学问题，指出在转向过程中，要对路面铣刨机的最高速度进行限制，以避免 造成补油压力下降。 第四章路面铣刨机行走液压系统参数设计与控制 第四章路面铣刨机行走液压系统参数设计与控制 4 1 路面铣刨机行走液压驱动系统方案 根据路面铣刨机结构特点和作业要求，此处选择采用分流阀同步的行走系统驱动方 案，行走液压系统如图2 8 所示。 4 1 1变量马达排量控制 路面铣刨机的行走液压马达一般有两挡变量和连续变量两种型式，采用连续变量液 压马达，可以改善路面铣刨机的高速作业性能，即高速时仍可获得较大的行走驱动力。 液压马达的排量可以采用液动比例控制或电比例控制。 电比例控制方式的最大特点是适应能力强，其硬件通用性强，对于各类机械( 牵引 性、非牵引型) 都可使用，设计使用方便，不同的车辆工况只需要改写控制目标函数即 可实现控制功能，且可以达到比较高的控制精确，智能化程度高，是机械实现自动化、 节能化、环保化、高机械性能化的必要条件。 正因为如此，电动比例控制已成为一种流行趋势，其应用范围迅速扩大，在路面铣 刨机行走控制中应用广泛。 、 u日m 1 4 1 2变量泵排量控制 ag墨 图4 1e p 控制的变量液压马达结构 电比例控制运用与液压泵的排量控制，可以使液压泵的排量控制可以不依赖于阀的 结构和驱动装置的转速。与比例电磁铁电流相关的控制压力通过e p 阀控制液压泵的变 量控制压力。 长安大学工程硕士论文 b a 图4 - 2e p 控制的液压泵结构 通过改写控制器的控制程序，能够灵活改变液压系统的工作特性，实现d a 等控制 功能，但是编写的程序较为复杂，在实际使用中，也有采用e p 控制的泵配d a 控制阀 方案，降低程序编写的难度。 b a 图4 3 e p 与d a 联合控制的液压泵结构 路面铣刨机行走系统的速度与铣刨系统功率消耗密切相关。在发动机总功率一定的 情况下，调节路面铣刨机的行走速度，可以改变铣刨系统的功率消耗，使总功率消耗值 保持恒定，不随铣刨系统负荷的变化而变化，即所谓的负荷自适应控制。负荷自适应控 制要与合适的算法相配合，才能获得比较好的效果，控制算法的实现一般要控制器的参 2 7 第四章路面铣刨机行走液压系统参数设计与控制 与，即路面铣刨机行走系统液压泵的排量控制必须采用e p 控制形式。 4 2 路面铣刨机行走系统设计计算与校核 4 2 1行走系统参数确定 国内外2 m 铣刨机技术参数调研结果显示：国内路面铣刨机参数与维特根公司 w 2 0 0 0 路面铣刨机行走系统参数类似。本文以维特根公司w 2 0 0 0 型路面铣刨机为蓝本， 确定2 m 路面铣刨机行走系统设计参数如下表所示。 表4 12 m 铣刨机行走系统设计参数 由地面附着能力决定的最大切线牵引力昂衄： 疋懈= 妒心g 式中：9 地面附着系数，取o 7 ； ( 4 1 ) 机器使用质量，k g ； g 重力加速度，取9 8 m s 2 。 将m , = 2 7 7 0 0 k g 代入上式，计算得到路面铣刨机最大切线牵引力最一为1 9 0 k n 。 4 2 2行走液压系统工作压力配置 工程机械行走液压元件的额定压力的匹配，一般是以元件最高压力只为基准， 取巧：( 0 5 0 6 ) 名为宜，负荷最高压力为o 8 己左右。按照这一原则，既可保证元件 有合理的工作寿命，又可以满足工程机械波动载荷工况要求( 当匕不变，如取岛过高， 则压力适应系数k p 较小，有可能使限制己值的溢流阀频繁溢流，增加液压系统的发热 2 究 长安大学工程硕士论文 量) 【2 1 1 。 根据路面铣刨机的作业特点，行走工况下，液压马达排量较小，系统压力最高；作 业工况下，马达处于最大排量，液压系统工作压力较低；路面铣刨机行走系统采用全程 无级调速技术后，行走工况和作业工况已没有绝对界限，即传统技术中的行走工况亦能 进行铣刨作业。 考虑到路面铣刨机行走液压系统选用r e x r o n l 公司的产品，液压泵为a 4 v g 系列， 液压马达为a 6 v e 系列，液压泵和液压马达的最高工作压力均为4 5 m p a ，因此，可以确 定路面铣刨机行走液压系统的最高工作压力约为3 6 m p a 。 4 2 3行走液压系统参数计算 行走液压系统选型，一般遵循液压马达、减速机、液压泵的顺序 2 2 , 2 3 】。 l 、马达选型计算 马达选型是路面铣刨机行走液压系统设计首先要完成的工作。 路面铣刨机行走驱动机构由液压马达、减速机和履带总成共同组成。现有的可供货 零部件产品中，液压马达排量和减速机速比均为非连续可选，采用试选法效率低。 萨奥公司提供了一种较为实用的选型算法一角功率法【2 1 , 2 2 ，可以不考虑减速机速一 比，直接选定液压马达参数。 角功率的计算公式如下： 己= 址9 5 4 9= 姓3 6 0 0 ( 4 2 ) ， 、7 式中，1 彳亍走系统角功率，( k w ) ； 坂懈履带驱动链轮最大扭矩，n m ； 履带驱动链轮最高转速，r m i n ； ，嘣行走系统最大切线牵引力，n ； 巧一行走系统最大理论速度，k m h 。 角功率大于液压系统实际需要的功率，但是满足角功率要求的液压马达，总能与适 合的减速机配合，满足行走驱动的需要。根据角功率公式计算2 m 铣刨机行走系统所需 要达到的角功率如下： 第四章路面铣刨机行走液压系统参数设计与控制 乞= 每簪= 等= 2 6 4 又因为驱动链轮的转速体与行驶速度，具有下列关系： 0 0 6 7 r d n k = 1 ， ( 4 3 ) 式中：仇驱动链轮转速，州n ： d 驱动链轮直径，m ； v 铣刨机行驶速度，k m h 。 由驱动链轮直径0 4 3 1 2 m ，铣刨机最高速度5 k m h ，计算可得液压马达最高转速： 嗽2 蕊v t m a x = 而石菽5 砑涵6 2 ( r r a i n ) 驱动链轮的最大扭矩m t 一，与最大切线牵引力疋一的关系如下： 鸩麟2 壶k d ( 4 3 ) 式中：乙行走系统中驱动轮个数。 将疋一= 1 9 0 k n ，d ：0 4 3 1 2 m 代入，得到液压马达最大扭矩为： 心一2 i 1 1 9 0 0 2 2 o 4 3 1 2 = 1 0 2 4 2 ( n m ) 综上所述，2 m 铣刨机的角功率参数如下表所示。 表4 2 2 m 铣刨机角功率参数 由行走系统角功率计算要求的马达的角功率： = 老 式中：前走系统要求的马达角功率k w ； z 行走系统驱动马达数量； 叩2 马达与驱动链轮间