（机械设计及理论专业论文）全液压双钢轮振动压路机反拖控制方法研究.pdf

s t u d yo nt h er e v e r s e d r i v i n gc o n t r o l m e t h o d o fh y d r o s t a t i ct a n d e m d r u mv i b r a t o r yr o l l e r ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：z h a n gx i a o ji n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f w a n gx i n c h a n g a nu n i v e r s i t y , x i a n ，c h i n a 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，均己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。 敝储躲m 聊 帅年6 月矽日 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) 敝储躲够 如晦移月7 日 导师签名： 妊乞 年月日 摘要 全液压双钢轮振动压路机在停车过程中，一般通过调节行驶系统变量泵排量至零， 利用闭式液压系统自身的制动能力，达到减速、停车的目的。这一制动过程易因为反拖 而产生发动机超速、液压系统峰值压力过高等问题，严重影响施工质量。因此，对全液 压双钢轮的反拖过程进行研究具有重要的理论意义和工程应用价值。 本论文在分析研究全液压双钢轮振动压路机反拖制动工作原理的基础上，通过对反 拖制动过程中能量传递和车辆动力学关系的研究，结合样机的制动性能试验结果，分析 了造成双钢轮压路机反拖制动过程中发动机超速、安全溢流阀打开的原因，建立了行驶 系统停车过程中能量传递与扭矩传递的动态方程，提出了对反拖过程进行合理控制以减 小反拖不利影响的思路，给出了理想停车曲线及液压系统的控制方法，采用此方法，可 充分利用液压系统和发动机的反拖制动能力，实现快速平稳停车换向，并达到抑制发动 机转速过度升高和系统峰值制动压力过高的目的。基于a m e s i m 软件进行了振动压路 机反拖过程的建模与仿真，计算了理想停车曲线下行驶变量泵的排量曲线方程，仿真了 此控制方法下反拖制动过程中的液压冲击及发动机转速变化，并对结果进行了分析，验 证了控制方法的合理性和可行性。 关键词：全液压双钢轮振动压路机，反拖制动，发动机超速，a m e s i m 仿真 a b s t r a c t h y d r o s t a t i ct a n d e m - d r u mv i b r a t o r yr o l l e r sg e n e r a l l yu s et h er e v e r s e d r i v i n gb r a k i n g d u r i n gt h ed e c e l e r a t i n go rs t o p p i n gp r o c e s s b ya d ju s t i n gt h ed i s p l a c e m e n to fv a r i a b l ep u m po f d r i v i n gs y s t e mt oz e r o ，t h en a t u r a lb r a k i n ga b i l i t yo fc l o s e dc i r c u i t sh y d r a u l i cs y s t e mi s u t i l i z e dt om a k et h em a c h i n es t o p p i n g t h i sb r a k i n gm o d ew i l lc a u s et h ee n g i n et oe x c e e dt h e s p e e dl i m i t ，b n n gh i 曲p e a kp r e s s u r et oh y d r a u l i cs y s t e ma n di n f l u e n c et h ec o m p a c t i o nq u a l i t y s e r i o u s l y t h e r e f o r e ，i ti so fg r e a tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n da p p l i c a t i o nv a l u et os t u d yo n r e v e r s e d r i v i n gp r o c e s sf o rh y d r o s t a t i cv e h i c l e s 。 b a s e do nt h e a n a l y s e s a n dr e s e a r c ho nt h er e v e r s e - d r i v i n g b r a k i n gp r i n c i p l eo f h y d r o s t a t i ct a n d e m - d r u mv i b r a t o r yr o l l e r , c o m b i n i n gt h et e s td a t ao fb r a k i n gt e s t ，t h er e a s o n s t h a tc a u s et h e e n g i n es p e e de x c e e d i n gi t s l i m i ta n d ，t h er e l i e fv a l v e o p e nd u r i n gt h e r e v e r s e - d r i v i n gb r a k i n gp r o c e s so fh y d r a u l i cv e h i c l e sa r ef o u n do f d y n a m i ce q u a t i o no f d r i v i n gs y s t e mi se s t a b l i s h e d ，t h ei d e at h a tc o n t r o l l i n gr e v e r s e d r i v i n gp r o c e s si no r d e rt o r e d u c et h eh a r mi sp r o p o s e d ，t h ec o n t r o lm e t h o do fi d e a ls t o p p i n gc h iv ei sg i v e n b yu s i n g t h i sm e t h o d ，t h eb r a k i n ga b i l i t yo fc l o s e dc i r c u i t sh y d r a u l i cs y s t e mc a nb em a d eu s eo ft o r e a l i z es t o p p i n gf a s ta n ds m o o t h l y ，w i t h o u tt h ee n g i n es p e e dr i s i n ge x c e s s i v e l y , a n dh i g h p r e s s u r ep e a ko c c u r r i n g t h es i m u l a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e dt or e s e a r c ht h er e v e r s e d r i v i n g p r o c e s sw i t ha p p l i c a t i o no ft h ec o n t r o lm e t h o dp o s e di nt h i st h e s i sb a s e do nt h ea m e s i m s o f t w a r e g i v e nt h ep u m pc h iv ed e s i g n e d ，t h eh y d r a u l i cp r e s s u r es h o c ka n dt h ee n g i n es p e e d i ss i m u l a t e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t r o lm e t h o di sf e a s i b l ea n de f f i c i e n t k e yw o r d s ：h y d r o s t a t i ct a n d e m d r u mv i b r a t o r yr o l l e r ；a n t i - d r a g g e db r e a k i n g ；e n g i n e s t a l l e d ；a m e s i ms i m u l a t i o n 目录 第一章绪论1 1 1 j ；l 言l 1 2双钢轮振动压路机的国内外研究现状1 1 2 1 双钢轮振动压路机的主要产品和技术特点。l 1 2 2 国外双钢轮压路机的技术研究现状2 1 2 2 1新型结构2 1 2 2 2 振动压实技术的发展。3 1 2 2 3 自动化、智能化及网络技术的应用3 1 2 2 4 人性化设计理念4 1 2 2 5 注重绿色环保设计4 1 2 3 国内双钢轮压路机的技术研究现状4 1 3车辆反拖控制技术的研究现状5 1 4 课题的意义及论文的主要研究内容5 第二章双钢轮振动压路机的制动性能分析7 2 1双钢轮振动压路机的组成与工作原理7 2 1 1双钢轮振动压路机的基本机构。7 2 1 2 双钢轮振动压路机的液压行驶系统及工作原理8 2 2双钢轮振动压路机的制动系统1 l 2 2 1双钢轮振动压路机的两种制动方式1 1 2 2 2 双钢轮振动压路机的反拖制动原理一1 2 2 2 2 1 发动机制动阶段1 2 2 2 2 2 马达制动阶段1 4 2 2 3 反拖制动过程中的不利影响1 4 2 3双钢轮振动压路机的反拖制动性能试验1 5 2 3 1双钢轮振动压路机的停车性能试验1 5 2 3 2 试验结果分析及说明1 8 2 4本章小结2 0 第三章双钢轮振动压路机反拖过程的控制方法研究2 1 3 1双钢轮振动压路机传动系统动态方程的建立2 1 3 1 1双钢轮振动压路机制动过程中的能量传递2 l 3 1 2 理想状态下车辆制动过程中液压系统分析2 4 3 2关于双钢轮振动压路机制动距离的探讨2 9 3 2 1 反拖制动过程中的车辆临界减速度3 0 3 2 2 实际工况下的车辆制动距离分析3 0 3 3停车过程中泵排量曲线的确定3 l 3 3 1 发动机摩擦扭矩方程的确定一3 1 3 3 2 变量泵排量曲线的确定3 7 3 3 3 关于停车过程中最大减速度的探讨4 0 3 4 本章小结4 1 第四章全液压双钢轮振动压路机反拖制动过程的建模与仿真4 2 4 1 液压仿真技术概况4 2 4 2 a m e s i m 仿真软件简介4 3 4 3仿真模型的建立4 4 4 3 1 仿真模型的建立4 4 4 3 2 仿真模型组件说明及系统参数设定4 6 4 3 3 停车过程的液压系统仿真5 0 4 4 本章小结5 2 结论与展望5 3 参考文献。5 5 致 射5 7 长安大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着改革开放以来国民经济的迅速增长，国内基础设施建设力度的加大，特别是交 通运输事业、高速公路、铁路的迅速发展，施工节奏越来越快，对高效率、高质量压实 设备的需求越来越大，为我国压实机械提供了巨大的市场和前所未有的发展机遇。 压路机的压实效果对最终路面质量及道路的强度和稳定性起着关键性的作用，而双 钢轮振动压路机作为面层压实的主导机型，是所有压路机中技术最复杂的，因此受到业 内人士的普遍关注，对性能和可靠性的要求也更高。 由于液压传动具有操纵灵活、传动平稳、可无级变速等特点，目前的振动压路机大 多采用全液压驱动方式，以提高车辆的压实效果和行驶性能。对于全液压驱动的双钢轮 振动压路机，在作业过程中易出现振幅不均，在停车过程中易出现惯性负载冲击过大、 发动机反拖超速等问题，这些问题的存在将会严重影响双钢轮压路机的作业质量。因此， 解决双钢轮振动压路机在作业过程中出现的各类问题，提高路面施工质量，已成为筑路 机械行业的研究重点之一。 1 2 双钢轮振动压路机的国内外研究现状 1 2 1 双钢轮振动压路机的主要产品和技术特点 与传统的静作用压路机比较，振动压路机生产效率高，压实后的基础压实效果好， 在使用振动压路机压实沥青混凝土面层时，由于振动作用，可使面层的沥青材料与其他 骨料充分渗透、揉合，因此路面耐磨性好，返修率低；与普通的单钢轮振动压路机相比， 双钢轮振动压路机具有较高的压实度，适应于不同层次和不同材料的振动压实要求，行 驶速度快，作业效率高。 目前，国内外生产双钢轮振动压路机的公司有：美国英格索兰公司、德国宝马公司、 日本小松公司、瑞典戴纳派克公司、日本酒井公司、徐工、柳工、中联重工、三一重工 以及一拖等，各公司生产的双钢轮压路机主流机型及产品特点如表1 1 所示t 第一章绪论 表1 1 双钢轮振动压路机主要产品与技术特点 生产厂家产品型号产品特点 1 振幅和频率的合理选择产生最优的压实效果；2 针对不同的施工条 件，可选用先进的高频技术：3 拥有专利的前插后销式结构，方便路 戴纳派克 c c 5 2 2 缘施工；4 铰接转向加上选配后轮转向，可使前后钢轮错开5 0 0 m m 工作。 国 1 防振橡胶悬架结构：2 独特的振动旋转方式；3 振动马达和前进马 酒井s w 8 5 0 外达的左右对向布置方式。 产 1 激振系统采用圆周振动器；2 采用静液压铰接转向；3 整机的重心 宝马2 0 3 a d 4 品 低，有效防止倾翻；4 驾驶室舒适安全，备有翻滚保护系统。 英格 1 八振幅设计；2 自动转向偏心系统减少钢轮阻力；3 振动间隔表； d d 一1 3 0 h f 索兰4 完全独立双喷水设计。 1 全轮液压驱动；2 紧急停车开关，3 个制动系统；3 旋转式驾驶员 悍马 h d1 3 0 座椅；4 双水泵的洒水系统。 1 两档振幅，前后轮同时振动；2 采用全液压传动和全电液控制技术； 徐工 x d l 2 0 3 双铰接及蟹行机构。 1 采用闭式液压回路，能量损耗少；2 采用液压释放的自动抱死制动 柳工 t y l 7 0 0 方式；3 采用驱动液压回路及振动液压回路相互独立的液压回路设 国 计。 内 1 双钢轮全液压驱动，行驶两档无级自动变速；2 采用离心式注油润 寓 中联y z c l 2 滑专利技术；3 智能报警系统。 品 y z c l 2 1 具有专利保护的振动轴承强制润滑结构：2 振动系统具有双频、双 1 2 e 幅振动功能，能适应各种工况要求；3 采用三级减振结构。 1 静液压全轮行走驱动：2 双频双幅振动装置；3 内置湿式多盘制动 一拖l d d 2 1 2 h 器。 1 2 2 国外双钢轮压路机的技术研究现状 1 2 2 1新型结构 为保证双钢轮振动压路机的作业效果，文献【1 1 介绍了目前双钢轮振动压路机采用的 一些新型结构，例如：采用前、后钢轮驱动侧与振动侧交叉布置型式，有利于保持压路 2 长安大学硕士学位论文 机直线行驶，保护路面质量和改善铰接转向的受力性能；采用钢轮振动侧与驱动侧对称 布置型式，有利于提高双钢轮振动压路机的减振效果和振幅均匀现象；采用蟹行机构， 提高钢轮的贴别压实性能；采用无级调幅机构，克服了振动压路机的起跳，实时调节击 打土壤的频次，达到很好的压实效果。 1 2 2 2 振动压实技术的发展 为了增强压实效果和提高压实效率，目前的双钢轮振动压路机在振动技术方面不断 创新，一方面通过优化振动参数，采用高频振动、多振幅与无级调频机构等提高振动频 率和激振力，使产品能够在高速状态下压实较多结构类型的土壤，从而提高施工范围和 施工效率，如文献【2 】中介绍了一种能够实现无级变幅功能的振动轮；另一方面通过新型 的振动压实技术，增强压实效果，例如：采用水平振动压实技术，利用土壤力学中交变 剪应变原理，重新排列土壤等材料的颗粒排列以进行密实，形成对地面的压实；采用振 荡压实技术，使钢轮与受压材料保持恒定接触而获得更快的压实1 3 j ；采用垂直振动压实 技术，通过安装在振动器上的两组反向旋转偏心块，使水平方向的振动力相互抵消，只 产生垂直方向的振动，在保证压实效果的同时节省能量。此外，为适应特殊工程的需要， 近些年来还出现了混沌振动、摆振压实等特种压实技术【4 1 。 1 2 2 3 自动化、智能化及网络技术的应用 随着自动控制技术和计算机技术等高科技的迅速发展，各种新型技术在双钢轮振动 压路机中得到了广泛应用，使得产品向着自动化、智能化方向发展。 在自动控制技术方面，采用防滑转控制技术，可防止钢轮在上下坡或恶劣工况下打 滑：采用闭环数字转向控制【5 1 ，可方便实现压路机的各种转向功能和蟹行功能，快速实 现轮子和整体车架的对中；文献【6 】介绍了宝马振动压路机采用的智能压实管理系统，通 过智能管理系统，不仅能使振动系统自动根据现场条件输出相应的压实能量，而且可以 保证振动施力方向与行驶方向一致，提高了压实表面质量。 在压实过程监测技术方面，如文献【7 】所述，德国的b t m 0 5 型压路机可以通过计算 机对压实过程中的压实度变化情况进行实时测量和分析处理，显示或打印出压实层各剖 面点的压实质量；在网络化、智能化方面，文献【8 】介绍了德国宝马公司的g p s 定位系统， 通过安装在压路机上的g p s 脉冲装置，不仅可以精确记录压路机的工作区域、工作轨 迹、碾压密度等，还可以根据压实路面的实际工况向压路机发出指令，启动自动调幅机 构，随时调节工作激振力大小，有的压路机通过机身周围布置的方向传感器和超声波发 气 第一章绪论 射接收装置，检测行驶过程中是否有障碍物，提醒驾驶员注意；在远程监控方面，如文 献1 9 】所述，d y m i c 公司融合了网络技术、卫星技术和无线电技术，及时准确地为用户提 供机器的实时性能状态，不仅能够帮助用户合理有效的制定维护保养和施工计划，而且 能够避免故障停机和迅速发现失窃设备。 1 2 2 4 人性化设计理念 近些年来，国内外双钢轮振动压路机在产品设计方面更加注重人性化设计理念，尽 量满足操作人员希望达到的美观、实用、舒适的目的。在操纵及控制方面，大量采用电 控或电、液联控，操作轻便灵活；在车辆减振性能方面，文献【1 0 1 对振动压路机的减振性 能进行了研究，通过采用驾驶室与机身之间的多层电子橡胶阻尼元件，振动轮与机身柔 性连接等方式，使座椅振幅显著减小，妥善解决了既要提高振动效果又要防止有害振动 这一矛盾，极大提高了操作人员的舒适性；在安全性方面，普遍采用了防倾翻及落物保 护装置，并配有重型工程座椅及安全带。 1 2 2 5 注重绿色环保设计 为满足目益苛刻的环保要求，国内外振动压路机生产厂商纷纷引入绿色环保设计的 理念，目前主要是从开发低耗能产品、提高燃油经济性、降低发动机尾气排放、减少振 动和降低噪音几个方面入手，如：目前国内外产品均选用热效率高、可靠性好、耐久性、 燃油经济性好的知名柴油机，这些柴油机采用废气在循环、氧化催化技术和微粒收集器、 电控燃油喷射系统等，取得了良好的应用和环保效果【1 1 】；酒井s w 8 5 0 双钢轮振动压路 机采用防振橡胶悬架结构，可有效吸收振动轮传来的振动；戴纳派克c c 5 2 2 型双钢轮 振动压路机采用可降解液压油，以满足环保要求； 1 2 - 3 国内双钢轮压路机的技术研究现状 此外，近年来国内企业与相关高校还对双钢轮压路机的行走驱动系统匹配技术、钢 轮振幅一致性、惯性负载对振动驱动系统的影响、发动机变功率控制技术、起步加速与 停车减速过程协调控制及减振技术等方面开展了理论与实验研究，旨在对被国外封锁的 核心技术方面取得突破，进一步缩短与国外产品的差距。如：三一重工采用发动机转速 自动调节控制技术【1 2 】，能根据各种工况下机器所需要的动力，自动控制发动机功率输出， 使发动机的全程自动化调速性能得到充分发挥，达到整机与发动机最佳功率匹配。文献 3 j 着重研究了橡胶减振器减振性能随负荷的变化关系，通过先进的仪器设备和试验方 法，得到了橡胶减振器一阶、二阶模态的动态参数与静载荷的函数关系，为进一步优化 4 长安大学硕士学位论文 设计振动压路机的减振系统及橡胶减振器提供了理论依据。 1 3 车辆反拖控制技术的研究现状 目前，随着车辆功率的不断增大，车速越来越高，在车辆制动过程中，利用反拖控 制技术提高制动能力已经成为保证车辆安全停车的重要途径，因此对于反拖控制技术的 研究也得到越来越多的重视。目前，反拖控制技术的研究包括三个方面：一是反拖过程 中的动力学与运动学研究，二是反拖制动能量的利用，三是反拖过程中不利现象的消除。 这些研究涉及工程机械与汽车等领域。 文献【1 4 】【1 5 1 研究了汽车下长坡时发动机制动扭矩与发动机转速之间的关系，通过建立 制动模拟实验台和汽车下长坡时传动系统的双质量惯性模型，验证了利用发动机制动 c v t 控制策略的正确性；文献【1 6 】【1 7 】对如何利用液压泵马达工作的可逆性建立辅助 制动系统，回收制动能力进行了研究；文献【l8 j 研究了发动机制动对整车制动效能和制动 方向稳定性的影响，通过理论计算和试验，得到了避免发动机制动过程中制动跑偏、侧 滑、车轮抱死等不利影响的方法。文献【1 9 】【2 0 1 对液压驱动车辆的长下坡制动性能进行了试 验和理论分析，研究了泵排量对发动机和液压系统在下坡制动中的影响。从以上研究现 状可以看出，汽车领域在反拖控制技术上的研究较多，对于双钢轮振动压路机的反拖控 制研究目前尚未见到报道。 1 4 课题的意义及论文的主要研究内容 相对于传统的机械传动，液压传动具有良好的动力性能和控制性能，因此在工程机 械领域得到广泛的应用，挖掘机械、路面机械等非牵引机械几乎全为液压传动，即使典 型的牵引机械如平地机、推土机等也在大量采用液压传动。 双钢轮振动压路机工作过程为循环作业方式，需要连续不断的起步、停车、起振、 停振。在反复停车过程中，由于大多采用静液制动方式，其制动能力不仅与发动机本身 的制动性能有关，还与液压泵和液压马达的状态密切相关，因此，经常遇到以下问题： ( 1 ) 在反复停车过程中，由于反拖而出现的发动机超速运转现象，对发动机造成 极大损害，使故障率提高，寿命缩短；由此进一步引起泵的超速，进而引起泵的损坏或 缩短其寿命。 ( 2 ) 由于静液制动产生的反向高压使安全溢流阀处于常开状态，系统发热量增大， 效率降低。 5 第一章绪论 ( 3 ) 由于变量泵排量在短时间内突然调零，易在反拖制动过程中形成液压冲击， 情况恶劣时可能导致车辆的钢轮抱死，使被压材料产生推移，引起鱼脊、拥包等现象， 严重影响施工质量。 为解决以上问题，可通过寻求合适的控制方法，合理控制反拖过程中的能量，使全 液双钢轮压路机在平稳快速地制动的同时，避免或减轻上述有害情况的发生。在静液制 动过程中平稳、可靠运行。这种控制方法也可推广到其它全液压驱动车辆中。 目前，国内对于全液压驱动车辆反拖制动过程的研究，大多只是定性描述拖制动过 程中泵与马达排量大小对发动机转速及制动性能的影响，对于如何通过确定泵的排量控 制规律，避免或减轻发动机超速现象，在这些研究中均未涉及。因此，这也是本课题的 研究重点所在，论文的主要研究内容如下： ( 1 ) 双钢轮振动压路机的制动形式与制动过程研究。从能量守恒、扭矩传递的角 度出发，分析制动过程中发动机超速的原因，找到影响发动机转速变化的因素，为实现 反拖过程控制提供理论依据。 ( 2 ) 根据理论分析，同时以样机的试验数据作为参考，建立数学模型。将理论分 析与试验数据相结合，确定反拖制动过程中能量、扭矩的传递关系，提出合理的控制方 法，采用此方法后，发动机在发挥理想制动性能的同时不会发生超速现象。 ( 3 ) 运用仿真软件，模拟振动压路机的停车制动过程，对理论分析的结果进行验 证。 6 长安大学硕士学位论文 第二章双钢轮振动压路机的制动性能分析 2 1 双钢轮振动压路机的组成与工作原理 2 1 1双钢轮振动压路机的基本机构 双钢轮振动压路随机型的不同，其总体结构虽然略有差异，但主要包括动力装置、 传动系统、振动系统、车架以及转向与制动系统五部分【2 1 】。双钢轮振动压路机的机构简 图如图2 1 所示。 图2 1 双钢轮振动压路机结构简图 附注1 ：1 洒水系统；2 后车架总成；3 动力系统总成；4 发动机机罩；5 驾驶室总成；6 空调系统； 7 。操作系统总成：8 电气系统；9 前车架总成；1 0 振动轮总成；11 中心铰接架；1 2 液压系统 动力装置为振动压路机各个部分提供动力，一般采用柴油发动机；传动系统一般分 为机械传动和液压传动两大类：采用机械式传动的振动压路机，发动机通过离合器、变 速器、差速器、轮边减速器，最后到达驱动轮，转向和振动轮的动力通过分动箱引出； 采用液压传动的振动压路机，发动机通过液压泵和液压马达，将动力传递给驱动轮。液 压传动过程平稳，操纵灵活省力，并且为自动控制创造了条件易于实现无极调速和调频。 特别是振动压路机的行走静液压驱动，可以大大提高压路机的压实效果。振动压路机的 转向和制动系统一般采用液压转向和液压制动系统【2 2 1 。 振动系统主要由振动轮体、轴承支座、偏心轴、调幅装置、减振块、振动轮驱动发 动机、振动轴承、振动发动机、十字轴承、轴承座、梅花板、左右连接支架等组成，当 振动压路机工作时，振动轴带动偏心块高速旋转，偏心块产生的离心力形成了“压路机 土壤”的振动系统的干扰力，在干扰力的作用下，压路机的振动轮将产生具有一定 7 第二章双钢轮振动压路机的制动性能分析 振幅和频率的振动，此时，振动轮将其振动作用传递到土或其它被压实材料上，达到压 实路面的效果。振动压路机的车架由前车架、后车架、中心铰接架三部分组成，它们连 接成一个铰接整体支撑机器的上部。 2 1 2 双钢轮振动压路机的液压行驶系统及工作原理 双钢轮振动压路机采用全液压传动方式，其行驶系统由连接在一个闭式回路中的液 压泵和液压马达构成，既具有良好的驱动能力，又方便安装和维修。针对全液压驱动的 振动压路机所选用的泵和马达，除了有与一般液压元件相同的高功率密度，高效率，长 寿命等性能要求外，还要求两者均能在逆向工况下运行，即在必要时马达可作为泵，泵 可成为马达运行，使整个系统具备双向传输功率或能量的能力2 3 1 。当车辆在行驶工况下， 其功率传动路线如图2 2 所示： 图2 2 行驶系统传动路线示意图 当车辆需要停车制动时，只要将液压泵的斜盘角度调零，利用液压系统的制动能力 即可实现停车制动。因此，全液压驱动的双钢轮振动压路机的行驶系统即是车辆的工作 制动系统，其行驶系统原理图【2 4 】如2 3 所示。 8 寸 匝翻隧褥曦苗船nz圃 垦褰走i芝一稚蒋器ici o_：墨煅堪i岔”垦器辍i”稚趱趔i卜厘蔷sr甚i心屡媛想曩毒l价。垦涩督蚺i寸 垦娶星ln熙需辞i一_：熙震袭厦斟l_【 杈秘掣扑誉赤强必 第二章双钢轮振动压路机的制动性能分析 上图所示为双钢轮振动压路机的行驶系统原理图，其行驶液压系统采用一泵双马 达组成的并联闭式回路，为避免液压油的泄漏，提高元件的工作寿命，系统的最大工 作压力限制为4 0 m p a 。行驶泵为斜盘式轴向变量柱塞泵，压路机工作时通过手动伺服 阀3 控制驱动泵的斜盘摆角以改变泵的高压油的流量和方向，从而改变压路机的行驶 速度和方向。液压泵通过管路直接与前、后驱动马达相连。前、后驱动均采用斜轴式 轴向柱塞马达加减速机，其中变量柱塞马达通过外加的控制阀8 控制斜轴摆角，使马 达在最大排量和最小排量之间切换，以实现不同的行驶速度。当马达大排量时，车辆 低速行驶，此时压路机才能进行振动压实工作；当马达小排量时，车辆高速行驶，此 时为行驶档。通过两档无级可调的行驶速度，使双缸轮振动压路机可以适应不同行驶、 压实等工况的要求。 当压路机在作业或行驶过程中突然过载时，行驶泵的输出油压将随之迅速上升， 若系统工作压力超过4 0 m p a ，行驶泵的双向溢流安全阀4 则迅速开启，直接卸荷，确 保行驶系统安全。但高压溢流阀如果长时间溢流会导致油温升高，系统发热量过大， 对系统不利，压力切断阀6 ( 其压力设定值比高压溢流阀低2 m p a ) 将使排量伺服油缸 朝小排量方向回摆，自动控制驱动变量泵2 的排量回零，进一步确保系统的安全。双 向溢流安全阀4 除了具有高压溢流的作用，还同时具备单向补油的功能。单向补油阀 的作用是向系统低压侧补油，以弥补因为冲洗阀的冲洗和系统泄漏损失的流量，避免 产生吸空。为保证液压系统的可靠性，双钢轮振动压路机的补油泵l 一般都配有过滤 器7 和补油溢流阀5 ，通过过滤器7 可以提高油液的清洁度；通过补油溢流阀5 维持 系统的补油压力，其设定压力为2 4 m p a 。 前、后驱动马达配有冲洗阀1 4 ，其作用是把闭式系统中的部分热油排出，将主油 路中低压侧的液压油冲洗出一部分至油箱，和单向补油阀一起维持主油路液压油的交 换。 冲洗阀1 4 同时也可作为液压行驶马达的背压平衡阀，当背压过大时，溢流阀自行 开启，并通过平衡阀出口处节流卸荷，减轻双钢轮振动压路机作业时频繁换向、调速 带来的冲击，进一步提高压路机的行驶平稳性，这样，压路机换向、加速和减速行驶 都不会产生冲击，方向和速度变换平稳，进一步提高了被压层的压实均匀度和密实度， 同时也提高了操作人员的舒适性。 双钢轮振动压路机同时配有紧急制动系统。当行车制动失灵时可采用紧急制动， 即按下控制阀8 的紧急制动按钮使制动阀断电，进入制动器1 3 的压力油被切断，常闭 1 0 长安大学硕士学位论文 式制动器在弹簧力的作用下啮合制动片实现紧急制动。同时，当制动阀8 断电，常闭 式制动器处于制动状态时，进入手动伺服阀3 的油路也同时被切断，即使误操作手柄， 驱动变量泵2 的斜盘倾角也不会改变，驱动泵没有压力油输出，因此能够实现误操作 保护，从而实现了驱动和制动互锁功能。 2 2 双钢轮振动压路机的制动系统 制动系统在行驶车辆中起着非常重要的作用，是保证人身安全、确保车辆正常运 行的关键所在。双钢轮振动压路机的制动系统一般分为以下几种主要制动工况：坡道 式停车制动、压实作业中缓慢制动和高速行驶中快速制动，而高速行驶中快速制动又 分为一般快速制动和紧急制动。坡道上的停车制动，一般也称作“驻车制动”或“坡 道制动 ，是指机器在坡道上停车后，依靠制动器保持机器不滚动下滑，相当于汽车等 车辆的手刹车，因此，“停车制动”并不是严格意义上的车辆制动形式，而是利用制动 器使车辆保持“制动 状态的一种方法【2 5 1 。除去坡道上的停车制动，其余两种工况的 目的均是迫使行驶的车辆停车，但不同工况下对制动器的要求及操作方式是不同的， 制动效果也存在差异。为适应不同的制动工况，确保压路机停车制动时安全可靠，目 前的全液压双钢轮振动压路机大多采用两种制动方式。 2 2 1双钢轮振动压路机的两种制动方式 双钢轮振动压路机的两种制动方式：即工作制动和紧急制动。两者根据不同的情 况分别采用。 ( 1 ) 工作制动 工作制动是压实过程中，在压路机进行前进、倒退工况作业换向时停车使用的， 要求制动过程缓慢、平稳、柔和，以避免对地面产生破坏，操作过程由控制行驶操纵 杆来实现，将操纵手柄由工作位置回中位，此时行走泵的斜盘角度回零位，行驶泵供 给行驶马达的流量减小至零，利用闭式液压系统的闭锁功能使行驶马达停止工作，实 现停车，即静液制动，从制动器的效果出发，可以形象地称之为柔性的“工作制动器。 ( 2 ) 紧急制动 紧急制动是指在非常紧急的情况下，来不及将手柄拉回中位( 在驾驶压路机过程 中，要求一手始终不离方向盘；另外，在匆忙中将手柄回中位很容易“回过 ，造成压 路机反方向运行，更增加紧张气氛) ，直接按下紧急制动按钮，使压路机在行走过程中 第二章双钢轮振动压路机的制动性能分析 强行制动，直至液压行走系统溢流而失去驱动能力并逐渐停车，这一过程完全靠制动 器作用。不同的是，紧急制动按钮控制的是整车电路，制动器不仅要克服压路机的运 动惯性，而且要克服行走系统的驱动力，这是制动器最恶劣的工况，对液压系统冲击 最大，尤其是可能造成驱动桥或减速机内的制动器摩擦片磨损破坏，在某种程度上可 以说是一种“不计后果”的制动方式，相当于汽车脚制动的急刹车，因此，紧急制动 只是一种应急的安全装置，在停车过程中尽量不使用；。 在工程实践中，工作制动是使用最频繁的一种制动形式，对应的工况速度较低。 本论文主要研究的是全液压双钢轮振动压路机工作制动( 静液制动) 时的制动性能。 2 2 2 双钢轮振动压路机的反拖制动原理 全液压双缸轮振动压路机在牵引工况下，功率的传递方向为发动机泵马 达，泵的输出流量往往大于马达在特定转速下需要的流量，而多余的流量就使马达驱 动车辆加速，同时加速力的反作用通过马达迫使入口压力升高，液压能转化为车辆的 动能增量；反之，在制动工况下，功率传输过程与牵引工况相反，能量通过驱动轮经 马达、泵传到发动机，即泵马达发动机，由于泵排量的减小，当其流量不敷 于马达的需求是，马达出口阻力增大，在马达轴上建立起反向扭矩阻止车辆行驶，同 时在马达出油口建立起压力，迫使泵按马达工况拖动发动机运转，车辆的动能转化为 热能并由发动机和液压系统中的冷却器吸收和耗散掉。这种制动方式即是反拖制动。 一般说来，全液压驱动车辆在行驶过程中遇到以下几种情况时，经常会出现反拖 现象：1 、行驶过程中( 泵全排量时) 突然将泵排量减为零，车辆迅速减速；2 、车辆 连续下坡行驶( 或坡道转换，由上坡转为下坡) ；3 、紧急制动或者突然松油门。 全液压驱动车辆在反拖制动过程中分为两个阶段( 方式) 。其一为泵排量不为零， 液压传动装置反向传递动力，发动机通过摩擦扭矩进行制动，称之为发动机制动；其 二为泵排量为零，仅马达工作，由液压管路中的封密油液来制动，称之为马达制动 2 6 】。 因此，全液压驱动车辆的制动性能由发动机和液压系统共同决定。 2 2 2 1发动机制动阶段 在泵排量逐渐调零的过程中，当行驶马达需要的流量大于行驶泵所提供的流量时， 就可以利用发动机制动。此时，泵和马达的功能发生了相反的变化，马达变成泵，而 泵则在其排量和发动摩擦负荷的基础上向马达提供阻力，泵和马达只是将发动机的制 动能量传输给车辆，就像在牵引模式下将发动机的驱动能量传输给车辆一样，液压系 1 2 长安大学硕士学位论文 统仅仅是一个传动装置。在发动机制动过程中，动刹车能量反向传输，车辆动刹车能 力是发动机吸收功率能力的函数，一般认为发动机可以吸收其额定功率的2 5 左右【2 7 1 。 设发动机摩擦制动扭矩为m ，行驶液压系统变量泵排量为d ，泵的反向( 制动) 机 械效率为叼：，则系统制动压力n 为 所2 畿 眨。 发动机的摩擦扭矩m 与发动机被拖动的转速有关，转速愈高则m 愈大，在 制动过程中，允许的发动机极限转速值为空载最高转速( 心。) 的1 0 5 ，而发 动机的最高空载转速为其额定转速( ) 的1 0 8 ，因此，制动最高转速体一可 表示为： 珲一= 1 0 8 x 1 0 5 n , , 2 1 1 3 4 ( 2 2 ) 体一即为发动机的临界转速，当发动机的转速超过体一时，即认为发动机“超速 ， 发动机超速不仅严重影响发动机的使用寿命，也可能使液压元件超速损坏。当发动机 转速达到砟一时，摩擦扭矩m 也达到最大值，该值约为额定扭矩的2 5 ，根据 式( 2 1 ) ，则发动机临界转速下的系统制动压力所一可表示为： p ，：2 n rx 0 2 5 r m , ( 2 3 ) 所m “2 矿 “3j 最大制动能力时马达最高转速为： 2 而n m a x d p ( 2 4 ) 式中：o 9 卜马达制动时容积效率； d 埘行驶马达排量； ，7 鼻泵制动容积效率； 将式( 2 2 ) 代入( 2 4 ) 式，得到： 唬。乩2 箍 泣5 ， 第二章双钢轮振动压路机的制动性能分析 则马达最大制动扭矩为： 耻豢= 笋 6 ， 式中：o 9 2 马达机械效率； 在反拖制动中，马达的制动扭矩直接影响车辆的制动能力，由式( 2 5 ) 、( 2 6 ) 可 知，马达的制动扭矩与泵的排量有着直接关系，排量愈小则刀愈小，坂，愈大，制 动能力愈强。因此希望制动时泵排量愈小愈好，最好为零排量。但是当泵排量在接近 小排量范围内，泵的容积效率和机械效率极低且不稳定，在这样的状态下制动会使工 作极不可靠，这是需要注意的。 2 2 2 2 马达制动阶段 当泵排量为零时，仅马达工作，由于油液的非压缩性，系统能够利用反向回油压 力制动时，此时马达的最大制动扭矩由系统的高压溢流阀的调定压力e 所决定： m 。，：盟 (27-mum) 帆，2 丽 ( 2 ) 泵排量为零的制动一般为车辆高速紧急制动，或低速下坡制动。对第一种情况又 可分为d a 控制马达制动方式和非d a 控制。 当采用h a 控制的马达时，当系统达到高压( 无论是正向牵引还是反向制动) 时 马达都会处于大排量，因此当反向制动压力升高到溢流压力时，马达排量会由高速行 驶时的小排量变为大排量。d a 控制的马达尽管反向制动高压对排量不进行控制，但由 于紧急制动时泵为发动机怠速，马达得到的变量伺服控制压力很低，马达也会由高速 行驶时的小排量变为大排量。因此，d a 或h a 控制的马达在泵排量为零制动时为大排 量，可以提供与最大牵引力相当的制动力，具有良好的制动性能。 但对于双钢轮振动压路机，其行驶马达为两档变量马达，并非d a 或h a 控制马 达。当车辆高速行驶时马达排量较小，产生的制动扭矩也较小，制动过程是一种减速 过程，马达的最高转速为开始制动的瞬时。 2 2 3 反拖制动过程中的不利影响 在双钢轮振动压路机的反拖制动过程中，双钢轮振动压路机的反拖制动性能与行 走系统的可靠性和使用寿命，以及压实作业的质量等息息相关。在压路机的停车减速 1 4 长安大学硕士学位论文 过程中，由于系统负荷迅速减小产生制动扭矩，反向施加在发动机上使其超速，甚至 有可能出现“飞车 现象，严重影响发动机的可靠性和使用使用寿命。在停车过程中， 机器的振动轮由驱动轮变为被动( 制动) 轮，被压材料在轮前极易形成鼓包。当机器 的停车减速太快时，还有可能造车振动轮滑移现象，从而产生严重的压实质量问题。 根据施工现场试验和观察结果，发生被压路面平整度不合格的多数区域通常出现在压 路机的停车减速过程。这一结果进一步证明压路机的减速性能是影响被压路面平整度 的关键因素。此外，由于减速过程中，行走液压泵的排量在短时间内迅速调零，系统 压力过高造成溢流，使液压系统温度升高并导致液压元件寿命缩短，系统效率降低。 为解决车辆反拖制动过程中的这些