（机械设计及理论专业论文）双钢轮压路机动态特性分析及惯性负荷的抑制.pdf

摘要 双钢轮压路机由于其良好的面层压实能力得到了越来越广泛的应用。然而，在起步 停车的动态过程中存在的问题，一直是影响国产双钢轮压路机的可靠性和作业质量的主 要问题。本文针对双钢轮压路机动态过程中发动机和液压系统的动态特性进行了探讨， 分析了影响动态特性的因素，并对抑制动态过程中惯性负荷的方法进行了较深入地研 究，试验证明该方法可以明显提高压路机的动态品质和可靠性。 论文通过分析双钢轮压路机工作循环中的载荷特征，发现惯性负荷是影响动态过程 负荷过大的主要因素，造成动态最大负荷是平稳负荷的2 倍多。惯性负荷在动态过程中 主要表现为压力冲击、发动机掉速和反拖升速等现象。据此，提出了动态特性控制的目 标：在满足压路机动态品质的情况下，减小动态载荷对机器的可靠性的影响，降低液压 传动系统的压力冲击和发动机功率输出，并保证作业质量要求。 根据动态特性的测试分析，提出了动态过程以调整时间、压力冲击、发动机速度波 动、动态功率这四个指标来衡量和调整，而惯性负荷可通过减小惯性质量或加速度进行 控制。其中，惯性加速度应当由调整和控制液压系统特性的方法来抑制；惯性质量则可 以通过合理匹配马达惯量与减速器速比来抑制。 针对惯性负荷在液压系统中表现为压力冲击的特点，提出液压系统动态过程的调整 要在优先保证调整时间的条件下，减小压力冲击、瞬时功率和发动机速度波动。研究了 行走系统、振动系统工作时的动态特性和相应控制方法，行走系统采用节流控制和液压 系统参数( 马达排量) 共同调整，对串联振动系统的惯性负荷采用节流或电控方法调整， 并确定了各主要技术指标的取值范围。 通过对液压系统和发动机共同作用分析，提出了发动机与传动系统共同工作时动态 特性的调整方法。对于双工作系统和发动机共同工作的动态载荷的控制可以采用抑制单 系统峰值、错开双系统峰值叠加的方法。单系统峰值的抑制以节流、电控为主：双系统 错峰以起动延迟控制为主。 建立了满足精度要求的动态加载的仿真平台，实现了a d m a s 和a m e s i m 的联合动 态仿真。在平台上对节流孔选取、三段式电控及安装蓄能器等抑制惯性负荷的方法进行 了探讨，进一步拓展了惯性负荷的抑制空间。 本文的研究弥补了国内双钢轮压路机动态性能研究方面的空白，对国产双钢轮压路 机性能的提升及节能有重要理论意义和工程应用价值，提出的发动机与传动系统共同工 i 作时动态特性的调整方法，也为其它工程机械动态性能的调整提供了思路。 关键词：双钢轮压路机，动态特性，惯性负荷，压力冲击，峰值功率，联合仿真 h a b s t r a c t o w i n gt oh i g l lp e r f o r m a n c eo fs u r f a c ec o m p a c t i o n ，t a n d e mv i b r a t o r yr o l l e rh a sb e e n u s e d w i d e l yt o d a y h o w e v e r ，t h es t a r t s t o pd y n a m i cp r o c e s so fv i b r a t o r yr o l l e rh a sb r o u g h ts o m e p r o b l e m sw h i c hs e r i o u s l ya f f e c tt h ep e r f o r m a n c ea n dr e l i a b i l i t yo ft h ev i b r a t o r yr o l l e r s t h i s p a p e rd i s c u s st h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ee n g i n ea n dh y d r a u l i cs y s t e m ，a n a l y s et h e f a c t o r sa f f e c t i n gt h ed y n a m i cp r o c e s s ，s t u d yt h em e a n st oc o n t r o lt h ei n e r t i a ll o a dp r o d u c i n g i nd y n a m i cp r o c e s s a r e rt e s tv a l i d a t i o n , t h o s em e t h o d sc a no b v i o u s l yi m p r o v i n gt h e d y n a m i cq u a l i t ya n dr e l i a b i l i t y a f t e ra n a l y s i st h el o a dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ew o r kc y c l e ，t h ea u t h o rf o u n dt h a ti n e r t i a l l o a dp l a y sam a j o rr o l ed u r i n gd y n a m i cp r o c e s sa n dt h ep e a l ( 1 0 a da r em o r et h a n2t i m e so f s t e a d yl o a d i nt h ed y n a m i cp r o c e s si n e r t i a ll o a ds h o w e da st h ep r e s s u r ei m p a c t i o n , o f fs p e e d o re x c e e dt h es p e e dl i m i to ft h ee n g i n ea n ds oo n a c c o r d i n g l y , t h ep a p e rb r i n g sf o r w a r dt h e g o a lo ft h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cc o n t r o l l i n g s o ，t h em a j o rc o n t e n tt oi m p r o v i n gt h e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h et a n d e mr o l l e rs h o u l db er e d u c et h ep r e s s u r ei m p a c t i o na n d d e c r e a s ed y n a m i c p o w e ro u t p u to fe n g i n ec a u s e db yd y n a m i cl o a d s a tt h es a m et i m ei m p r o v e r e l i a b i l i t yo ft h em a c h i n ea n de n s u r et h ec o m p a c t i o nq u a l i t y a c c o r d i n gt ot h et e s ta n a l y s i so fd y n a m i cp r o c e s s ，d y n a m i cp r o c e s sc a nb ej u d g e db yt h e v a l u e so ft h ea d j u s t m e n tt i m e ，p r e s s u r ei m p a c t i o n ，e n g i n es p e e df l u c t u a t i o n , t h ed y n a m i c p o w e r t h ec o n t r o lo fi n e r t i a ll o a dc a nm e e tt h ed e m a n db ys u p p r e s si n e r t i a lm a s sa n d a c c e l e r a t i o n i n e r t i a lm a s sc a l lb er e a s o n a b l ym a t c h e db yc h o s et h em o t o rd i s p l a c e m e n ta n d t h es p e e dr a t i oo fr e d u c e r a n da c c e l e r a t i o nc a nb er e d u c e db ya d j u s t i n ga n dc o n t r o l l i n gt h e c 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 i nt h eh y d r a u l i cs y s t e mi n e r t i al o a di ss h o w na sp r e s s u r ei m p a c t i o n s a d ju s t m e n to ft h e d y n a m i cp r o c e s ss h o u l dg i v ep r i o r i t y t ot h ea d j u s t m e n tt i m e ，a n dr e d u c et h ep r e s s u r e i m p a c t i o n ，i n s t a n t a n e o u sp o w e ra n de n g i n es p e e df l u c t u a t i o n s t h ep a p e rs t u d i e st h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i ca n dt h ec o n t r o l l i n gm e t h o do fd r i v i n gs y s t e ma n dt h ev i b r a t o r ys y s t e m t h e d r i v i n gs y s t e m s h o u l d a d o p tt h r o t t l e c o n t r o la n dh y d r a u l i cs y s t e mp a r a m e t e r s ( m o t o r d i s p l a c e m e n t ) t o g e t h e r , a n dt h ev i b r a t o r ys y s t e mc a l lu s et h r o t t l ec o n t r o la n de l e c t r i cc o n t r 0 1 t h r o u g ht h et e s t ，t h ev a l u er a n g e so ft h et e c h n i c a lh a v eb e e nm a k i n gc e r t a i n a f t e rt h ea n a l y s i so ft h ep r o p e r t i e so fe n g i n ea n dd o u b l et r a n s m i s s i o ns y s t e mw o r k t o g e t h e r , a d j u s t m e n tm e t h o dh a s b e e nl o d g e d d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fe n g i n ea n dd o u b l e t r a n s m i s s i o ns y s t e mw o r kt o g e t h e rc a nb ec o n t r o l l e db ys u p p r e s st h ep e a kv a l u eo ft h es i n g l e s y s t e ma n ds t a g g e rt h a to fe a c ho t h e r p e a k - v a l u es u p p r e s s i n gs h o u l dc o n s i d e rt h r o t t l ec o n t r o l a n de l e c t r i cc o n t r 0 1 a n dt h ei a g i n gc o n t r o ls h o u l du s et h es t a r t - u pl a g i n gc o n t r 0 1 g r o u n d i n go nd y n a m i cc o - s i m u l a t i o no fa d a m sa n da m e s i m , p l a t f o r mh a sb e e nb u i l d u pa f t e re x p e r i m e n tr e g u l a t i o na n dt h e o r e t i ca n a l y s i s t h em e a s u r eo f t h r o t t l es e l e c t i o n , t h r e e s e g m e n te l e c t r i cc o n t r o l s ，a n da c c u m u l a t o ra n ds oo nh a v eb e e nd i s c u s s e do nt h ep l a t f o r m t h e s ec a l ls p r e a dt h es p a c eo ft h ei n e r t i al o a dc o n t r o l l i n g t h es t u d yo ft h ep a p e rm a k ep r o g r e s si nt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h ed o m e s t i c t a n d e mv i b r a t o r yr o l l e r t h ec o n c l u s i o n so ft h ep a p e ra l es i g n i f i c a n ti nb o t l lr e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o ni nu p g r a d i n gp e r f o r m a n c ea n de n e r g ys a v i n go ft h et a n d e mm i l e r t h es t r a t e g yo f a d j u s t i n g t h e e n g i n ea n dt r a n s m i s s i o ns y s t e mw o r k i n gt o g e t h e r , w o u l do f f e r m e a n st o i m p r o v i n gd y n a m i cp e r f o r m a n c eo f o t h e rc o n s t r u c t i o nm a c h i n e s k e yw o r d s ：t a n d e mv i b r a t o r yr o l l e r , d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，i n e r t i a ll o a d ，p r e s s u r e i m p a c t i o n , p e a l ( p o w e r ，c o s i m u l a t i o n 长安大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 本课题提出的背景 双钢轮压路机产生于上世纪8 0 年代末、9 0 年代初，为适应面层压实的需求而产生。 得益于其优越的面层压实能力，很快就获得了市场的青睐。其优越性表现在以下几个方 面【1 - 3 】； l 、前后钢轮可实现双驱双振1 4 , 5 】，不仅大大增强了驱动能力，而且增压了压实效率。 和同规模单钢轮相比，压实效率提高一倍。 2 、铰接转向使得转弯半径较小，灵活机动。 3 、蟹行机构和切边装置等使其压实功能更加强大。 双钢轮压路机进入我国是本世纪初的事，经过l o 年左右的发展已经形成了以徐工、 洛建、三明、柳工为代表的几家双钢轮压路机的龙头企业。但由于国产双钢轮压路机可 靠性差，作业质量不稳定，在高等级路面施工中还没有得到普遍使用。 对于振动压路机研究国内已有很多报道，但是对双钢轮压路机的技术研究却鲜有报 道，相关的文章基本均为介绍双钢轮压路机结构 6 - 9 1 或产品【1 1 2 1 的文章。目前，主要是 长安大学工道路施工技术与装备教育部重点实验室对其动态特性及新型机构进行着相 关研究探讨。 国外双钢轮压路机新技术突飞猛进，新技术层出不穷。以戴那派克、宝马格、悍马、 英格索兰等为首的双钢轮压路机代表了面层压实的项尖技术。近年来主要有以下几个方 面【1 3 1 s 】： l 、结构上改进【1 6 1 。剖分式钢轮减少了转向阻力，减弱了对面层的破坏作用。 2 、振动参数的优化和调整。高频振动( 7 0 h z ) 使得双钢轮更适合薄面层作业的需 求，同时提高了压实效率；多振幅与无极调幅机构【1 7 1 使得双钢轮具有更广的适应能力。 3 、振动方式与压实力的自动调节【堪】。 虽然，国外也很少有专门进行双钢轮动力学研究的学术文章，但是国外双钢轮机型 的变化和发展却很快1 1 9 - 2 3 】。戴那派克早期双钢轮压路机是采用齿轮泵串联振动系统，行 走采用高速马达匹配减速器；上个世纪9 0 年c c 5 2 2 系列【2 4 1 中已采用振动系统柱塞马达、 行走系统低速大扭矩马达的匹配形式；近年，其高频压实机6 2 4 h f 系列振动系统前后独 立、行走系统采用动力换挡，两档变速箱大大改善了起动特性。每一次改进都是为了更 好地动态过程特性及向高频、高效、节能方向发展1 2 5 】，重点是为了更好适应动态过程的 第一章绪论 特性。 1 2 课题研究的意义 一 高等级路面施工标准规定，高等级沥青路面的压实必须使用双钢轮振动压路机。根 据公路沥青路面施工技术规范【2 6 】，压路机碾压段的总长度应尽量缩短，通常不超过 6 0 - - 一8 0 m 。因此，压路机往复循环的工作：起步前进压实停车一后退起步一 一后退压实停车，整个工作过程中起步和停车的时间要占整个循环过程的2 0 。 双钢轮压路机是大惯量机器，频繁的起步、停车过程必然带来大的惯性负引2 7 1 。不 合理的动态过程，一方面引起过大的惯性负载导致液压冲击、发动机速度变化剧烈，效率 低下；另一方面引起元件寿命剧减，尤其是造成混合料推移等压实质量问题。双钢轮压 路机起步停车的动态过程产生的问题一直是困扰国产双钢轮压路机发展的主要问题。 如图1 1 图1 4 所示是通过测试得到的双钢轮压路机起步加速过程中的动态特性曲 线【2 引。 0 3 1 4 4 62 5 7 03 蠲崞4 尉8 时阀，t 垂； r 出 蚤 端 蚝 裂兰 0 3 兹1 4 4 62 5 7 03 6 舛4 8 1 8 时问八 1 1 行走液压系统进油腔压力变化图1 2 行走液压系统回油腔压力变化 一p - 薯寸 、 、 髫一 雹一 薯j 斟 世 餐j 0 3 2 21 4 4 62 5 7 03 6 9 34 8 1 7 0 3 2 21 4 4 6 2 5 7 03 最玲4 翻7 嗍t嗍 图1 3 发动机转速变化图1 4 加速度的变化曲线 从测试结果可以看出：起步加速过程中压力冲击非常严重，峰值压力已超过系统设 定最大压力；回油腔压力在起动瞬间明显降低；发动机转速在起动过程中也有明显下跌。 这种不加控制的动态过程大大影响了机器可靠性和作业质量。 2 长安大学博上学位论文 双钢轮压路机的动态特性反映在机器上主要有以下几个特征： 一是压路机本身的动态特性。双钢轮振动压路机主要用于沥青混凝土路面面层的压 实，其在一次压实作业过程中的载荷是比较平稳的，通常可以认为压路机处于静态或准 静态的工作状态，那么所谓的动态特性则主要指的是压路机在起动或停车时所表现出来 的系统特性，其中起主导作用的是系统的惯性负荷，惯性负荷的变化会引起钢轮和混合 料接触作用特性的变化，是动态过程中压实质量变差主要原因。当瞬时驱动力大于混合 料能够提供的附着极限时，会引起材料的推移影响压实平整度 2 9 3 0 j 。同时，振动系统起 动过程中，如果不能迅速穿越共振区引起机架共振的话，也会严重影响压实质量。对压 路机本身的动态特性进行研究的意义在于通过分析惯性负荷产生的原因，寻求对其进行 控制的有效方法，以降低其对路面压实质量的不利影响。 二是传动系统的动态特性。液压系统作为压路机行走系统和振动系统动力传递的途 径，起着联系发动机与工作机构( 钢轮) 纽带的作用。工作机构的动态特性将直接反映 到液压系统上，引起液压系统的变化【3 1 ，3 2 1 ，其中最显著的是压力的变化所形成的压力冲 击现象。压力冲击会严重影响元件寿命；同时超过溢流阀设定的压力的出现也会频繁导 致溢流阀开启，影响系统传递效率【3 3 , 3 4 ，造成液压油严重发热。这一方面研究的主要意 义在于分析工作机构的动态特性对液压系统的影响，重点分析液压冲击产生的原因及抑 制方法，以保证液压系统各元件的可靠性与寿命，从而保证动力传递的可靠性；同时匹 配可靠、高效的传动系统，使得发动机动态波动较小，平均动力输出较大，工作装置运 动特性、动力特性适合作业、运输等多种工况的需求 三是发动机的动态特性。发动机作为传动系统的源头，为整个压路机系统提供动力， 所谓的动力主要是以发动机输出功率来表征的。传动系统的动态特性最终要作用在发动 机上，要靠发动机提供足够的动力来克服，对于发动机来说就是动态输出功率的变化和 动态过程中速度波动。对于双钢轮振动压路机而言，主要有两条相互独立的动力输出途 径，发动机的功率输出更加复杂。双钢轮压路机的双动力系统均是循环作业，且惯性负 荷都较大，起动过程引起发动机掉速，停车过程使处于发动机被反拖的非正常工况【3 5 1 。 控制起动和停车时瞬时载荷，合理有效地匹配发动机工作点【3 6 】，使得平均动态输出最佳 是发动机动态特性研究的方向。该方面研究的意义在于分析满足压路机动态特性要求的 发动机匹配方法，以降低发动机的匹配功率为主要目标。 因此，探讨双钢轮压路机的动态特性，对提升双钢轮压路机技术水平就很有必要， 主要原因是： 3 第一章绪论 一、动态过程是影响机器可靠性的主要环节。负荷的动态特性将直接反映到液压系 统上，引起液压系统的变化，其中最显著的是压力的变化所形成的压力冲击现象。压力 冲击一方面会严重影响元件寿命；同时超过溢流阀设定的压力的出现也会频繁导致溢流 阀开启，影响系统传递效率，造成液压油发热严重。分析工作机构的动态特性对液压系 统的影响，分析液压冲击产生的原因及抑制方法，以保证液压系统各元件的可靠性与寿 命，是迫切需要解决的问题之一。 二、动态过程是功率需求严重不足的过程。对于循环工作瞬时功率需求很大的双钢 轮压路机来说，功率需求问题表面上是发动机的匹配问题，其实是一个系统匹配问题。 对于双钢轮振动压路机而言主要有两条相互独立的动力输出途径，发动机的功率输出更 加复杂。起动过程引起发动机掉速，停车过程导致发动机被反拖。单从发动机入手无法 妥善解决动态功率需求不足的问题，必须从发动机和传动系统共同工作时的匹配关系来 调整。 三、动态过程中产生的惯性负荷必然作用在被压实材料上，如果不加控制将会严重 影响路面压实质量，甚至造成质量事故。 1 3 课题研究的主要内容 本课题以双钢轮振动压路机动态特性为主要研究对象，探讨双钢轮压路机起步停车 过程特性。进行动态过程的载荷特性分析，着重探讨动态过程的系统的可靠性及动态功 率需求问题，具体内容包括： 1 、双钢轮压路机动态载荷分析 通过对双钢轮压路机动态过程测试，获得工作循环过程中负荷特性，根据负荷特性 分析动态特征。 2 、惯性载荷的分析与组成 根据试验测试结果和系统仿真，分析影响惯性负荷的主要因素。对影响惯性质量 和惯性加速度的因素进行了理论分析，对惯性质量进行优化选取，对惯性加速度的选取 与控制进行探讨。 3 、行走系统的动态特性及惯性负荷抑制 惯性负载在液压系统中主要表现为液压冲击。在所有影响因素中，结构参数、路面 负荷属于基本不可调整的；液压系统参数、发动机工作参数、速比等一旦选定，在动态 过程中调整难度也较大，因此优先采取调整斜盘变化规律的方法。试验证明，采用节流 控制改变斜盘变化规律和改变马达排量，都可以有效控制系统惯性负荷引起的压力冲 击。 4 长安大学博：t 学位论文 4 、振动系统动态特性及惯性负荷的抑制 通过对串联振动系统动态特性测试分析，发现串联振动系统存在压力冲击和瞬时功 率不足的问题，其根本原因是串联振动系统瞬时负荷和平稳负荷之间的协调问题。通过 节流控制和电控斜坡函数调整的办法对惯性负荷的冲击程度进行了调整。结果表明，适 度的调整可以在不影响系统动态要求的情况下抑制惯性冲击。 5 、双系统与发动机共同作用分析与控制 通过对发动机动态特性分析，表明发动机应工作在调速段。发动机的动态特性的控 制需要通过控制液压系统的功率需求来进行。双钢轮压路机通常是双动力系统，通过双 动力系统的峰值功率的抑制和双系统功率之间错峰控制，可以有效的选取发动机工作 点，满足发动机与液压系统联合工作时的要求。 6 、基于a d a m s 和a m e s i m 的联合动态仿真平台开发【3 7 。3 9 1 试验研究投入过高，在理论分析和试验验证结合的基础上建立合适的动态仿真平台 是动态过程研究的一个有效的途径。在基于a d a m s 和a m e s i m 的联合动态仿真的基础z k 上，通过理论分析与试验调整，建立了动态加载、精度合理的仿真平台，在该平台上进 行惯性负荷抑制的探讨和优化。通过对节流抑制的优化、自动换挡、三段式电控及蓄能 器抑制等方法的探讨，进一步拓展了惯性负荷抑制的方法。 1 4 课题研究的方法 l 、理论分析与样机试验结合 理论分析能够反映出事物的本质，能够清晰的表达出各影响因素之间的关系。理论 分析又非常复杂，需要推导大量的公式及相互关系。因此，在公式推导和建立过程中， 采用了一些必要的假设和简化，必然导致理论的准确性降低，其精确程度有待试验验证。 试验研究是理论研究的基础，也是检验理论正确与否的惟一标准，它为我们提供了深入 了解研究对象的最直接的途径。 2 、试验与仿真优化的结合【4 0 4 1 1 试验研究通常成本太高，在试验的基础上，采用一些专业的仿真软件建立系统的模 型进行相关参数的优化则是最有效的途径之一。在此模型基础上还可进行新的结构和参 数匹配的探索。 理论研究是通过将研究对象用数学的方法抽象为物理模型，所有的后续研究都是在 该模型的基础上展开的。然而，纯粹的理论建模过程是异常繁琐的。采用计算机仿真软 件可以将这一建模过程大大简化，如a b a q u s ，a n s y s ，e a s y 5 等。本课题采用理论分析、 5 第一章绪论 样机试验与模型仿真优化相结合的研究方法，通过对双钢轮振动压路机样机的试验测试 对其形成全面深入的了解，在此基础上采用a m e s i m 和a d a m s 联合仿真建立样机的动 态仿真平台，利用动态仿真平台对影响压路机动态特性的各因素进行研究。 6 长安大学博士学位论文 第二章双钢轮压路机动态特性的分析 双钢轮压路机的动态特性主要指双钢轮压路机起步停车过程中由于状态的改变引 起的机器的一系列特性变化。动态过程可以用加速度来描述，动态过程的各种性能参数 就可以用加速度与它们的关系来观测。 2 1 动态特性的测试 为了清楚的观测动态过程的特性，对某1 3 t 压路机和c c 5 2 2 进行了详细对比测试和 分析，表2 1 为试验研究样机的主要参数，部分试验结果如图2 1 2 6 。 衰2 1 试验压路机主要参数 c c 5 2 2 国产1 3 t 工作重量k g 1 1 8 5 01 3 5 0 0 前后轮分配重量1 唱 5 8 9 0 5 9 6 06 8 5 0 6 6 5 0 振动频率h z 5 l 5 l4 2 ，5 0 名义振幅m m 0 6 7 ，0 3 40 7 3 o 31 康明斯4 b t a 3 9 发动机型号及功率 9 7 k w 陀4 0 0 r m i n 9 3 k w 2 2 0 0r 1 m i n 行走液压系统形式单泵双低速大扭矩马达并联单泵双斜轴式马达并联 行走泵最大排量( m l r ) 7 55 5 行走马达最大排量( m l r ) 2 1 0 06 0 振动液压系统形式单泵双定量马达串联单泵双定量马达串联 振动泵最大排量( m l r ) 4 25 5 振动马达排晕( m l r ) 3 53 5 o 与o o1 0 52 0n 0拍 造煌( m ) 圈2 11 3 t 压路机不同档位速度、加速度关系圈2 2 ( ) c 5 2 2 加速度和速度关系 7 拍 撕 侣 ” u v 签嚣毒 第二章双钢轮压路机动态特性的分析 o柏柏8 01 0 0 柏 拙锺炯 2 5 如 l - 5 ，、 跫t o v n 5 鞭 翌0 0 善 舶 - ；o 5 2 0 0 002 0 0蛳翻o at 01 2 0 01 4 0 01 0 0 0 1 8 0 0 扭鸳阳 图2 31 3 t 压路机马达扭矩与加速度关系 图2 4c c 5 2 2 加速度和马达扭矩关系 琶。 一 魁 静 局 厂、 d 、一， 捌 耋t o m c c ) 图2 51 3 t 压路机动态功率与加速度关系图2 6c c 5 2 2 加速度和功率关系 从上图2 1 也6 比较可以看出： 国产双钢轮压路机与国外同级别相比，动态特性差异明显。主要表现在加速特性不 好、动态功率需求过大，动态过程中功率消耗比c c 5 2 2 大2 0 k w 左右；负荷和加速度成 线形比例关系，表明动态负荷主要是惯性负荷；档位特性差异明显，表明传动系统设置 对动态特性影响很大。 因此，双钢轮压路机动态特性的主要内容就应该是：在满足压路机动态品质的情况 下，减小动态载荷对机器的可靠性的影响，降低动态功率需求。具体来讲，就是减小对 液压系统和发动机的动态影响，降低发动机动态功率需求。 8 o 5 o 5 o 5 d 趵 伤 伪 帖 ：g 伯 |，山v掣麓墓 长安大学博士学位论文 2 2 双钢轮压路机的载荷分布 系统的动态特性都是和系统的动态负荷紧密相关的，负荷特性是机器动态特性的 基础。因此，了解双钢轮压路机动态负荷的特性对系统对态特性的分析和理解就很有必 要。 表2 2 所示为瑞典戴那派克( d y n 邺c ) 公司所做的c c ( 串联双钢轮) 系列压路机的载 荷过程【4 2 1 。 表2 2c c 系列压路机载荷过程 工况转矩百分数( )速度百分数( )时间百分数( ) 运输 3 3l o o1 0 一般压实 4 06 05 3 艰难压实 4 6 4 23 0 爬坡 6 04 85 瞬时最大载荷 1 0 01 82 通过对c c 5 2 2 压路机液压系统测试与分析，得到的结果见表2 3 2 6 。 衰2 3c c 5 2 2 行走系统( 单个工作循环) 负荷特性表( 运输档水泥路面) 时间百分数 工况工作状态转矩百分数( ) ( ) 加速前 0 起步 加速 瞬时最大 1 0 0 4 1 一 前加速终了 7 匀速 74 1 7 进 停车 减速前 7 瞬时最大 9 7 4 2 减速 减速终了 0 加速前 o 起步 加速 瞬时最大 9 4 4 2 后 加速终了 5 匀速 54 0 8 退 停车 减速前 5 瞬时最大 9 7 5 减速 减速终了 0 9 第二章双钢轮压路机动态特性的分析 表2 4c c 5 2 2 压实工况行走系统负荷特性表 压实 工作状态 最大输出扭矩 扭矩百分平稳输出扭扭矩百分 ( n m ) ( 单马 数( )矩( n m ) 数( ) 遍数 高幅振动 达) l1 0 4 3 9 38 6 23 7 4 8 93 1 o 21 1 8 2 3 59 7 62 5 6 6 62 1 2 39 5 4 5 37 8 82 9 9 9 l2 4 8 41 0 2 3 7 48 4 52 7 9 7 32 3 1 57 1 8 0 65 9 32 3 6 4 71 9 5 69 2 5 6 97 6 43 5 1 8 22 9 o 高幅振动 77 1 5 1 85 9 o2 1 0 5 21 7 4 81 0 6 4 1 18 7 93 2 0 1 02 6 4 9 7 1 8 0 65 9 3 2 4 8 0 l2 0 5 l o9 1 4 1 67 5 53 6 6 2 43 0 2 l l7 7 2 8 56 3 83 2 8 7 52 7 1 1 27 9 3 0 46 5 51 4 9 9 61 2 4 表2 5c c 5 2 2 压路机振动系统( 单个工作循环) 负荷特性表( 级配土第遗) 工况工作状态转矩百分数( )时间百分数( ) 起振前 0 起振高幅 2 7 前 瞬时最大 1 0 0 振动高幅稳定工作 4 74 6 6 进 停振前 4 7 停振高幅 3 瞬时最大 5 3 起振前 0 起振高幅 3 3 后 瞬时最大 9 8 振动高幅 稳定工作 4 5 4 2 3 退 停振前 4 9 停振高幅 2 1 瞬时最人 4 9 1 0 长安大学博士学位论文 表2 6c c 5 2 2 振动系统压实负荷特性衰 压实 工作状态最大输出扭矩 扭矩百分数平稳输出扭矩扭矩百分数 遍数 高幅振动( n m ) ( 单马达) ( )( n m )( ) l1 9 2 61 0 78 7 84 8 8 21 9 1 71 0 68 2 54 5 8 31 9 1 61 0 67 8 94 3 8 41 9 1 61 0 67 9 94 4 4 51 8 9 41 0 57 8 94 3 8 高幅振动 61 9 1 51 0 67 1 23 9 6 71 8 9 51 0 57 8 44 3 6 81 8 9 71 0 57 1 73 9 8 91 8 7 01 0 47 1 93 9 9 1 01 8 9 71 0 57 2 34 0 1 附注l ：表中最大扭矩是根据马达瞬时提供的最高撬力，参照兀件样本进行计算，扭矩超过1 0 0 输出扭矩 是代表压力值超过了系统设置的压力极限 从上面表2 3 2 6 中可以看出，不管振动系统还是行走系统，动态负荷都超过了马 达所能提供的最大负荷，必然对元件构成冲击；而平稳工作负荷均较小。具体来说，行 走系统在压实工况，动态负荷超过马达提供的最大扭矩，平稳负荷时只有最大扭矩的 3 5 左右；运输工况动态负荷超过了马达提供的最大扭矩，平稳负荷时只有最大扭矩 的7 。总的起步加速和停车减速的时间大约占一个循环周期的2 0 。振动系统的动态 负荷也接近或超过了马达提供的最大扭矩，平稳负荷时只有最大扭矩的4 4 左右，总的 起振停振时间大约占工作循环时间的1 5 。因此，动态过程总时间占循环周期的 1 5 2 0 ，但瞬时负荷超过元件极限负荷，是平稳负荷的2 倍以上，引起压力冲击、发 动机速度波动，导致机器可靠性变差。 2 3 惯性载荷分析 从双钢轮压路机负荷分布特征可以看出，惯性负荷在动态过程中起着决定性作用。 2 3 1 惯性负荷的组成 惯性负荷是机器改变其运动状态过程中所产生的附加载荷。惯性负荷的大小和特征 与机器的当量惯性质量及运动状态改变的规律有关。 第二章双钢轮压路机动态特性的分析 1 、惯性质量 双钢轮压路机动态过程中，有平动质量，也有转动惯量。各部分质量分配不同，状 态改变速率不同，其总的当量质量就不同。 2 、惯性加速度 机器运动状态改变用其加速度参数来衡量。加速度变化的规律很大程度上代表了惯 性负载的变化特征。对于双钢轮压路机来说，由于压实作业需要，工作质量调整空间很 小，因此只能设法改善加速度变化特性来控制惯性负荷。 2 3 2 惯性负荷在系统中表现 惯性负荷与工作阻力一起作用在传动系统上，通过传动系统影响发动机工作。对于 流量耦合的传动系统来说，负荷的变化就直接反应为系统压力的变化。当惯性负荷变化 剧烈时就引起液压系统压力冲击，瞬时功率过大引起发动机掉速或反拖，超过溢流阀设 置的压力冲击会引起溢流发热，频繁的压力冲击严重影响系统的可靠性。 l 、压力冲击 压力冲击的实质是液压系统瞬时驱动力小于克服惯性负荷所需要的推动力时引起 的液压系统高压腔压力的急剧上升。由此可见，压力冲击是由两个因素决定的：一个是 瞬时惯性负荷大小；另一个就是液压系统的驱动能力。 1 ) 瞬时惯性负荷的大小影响 瞬时惯性负荷受惯性质量和惯性加速度影响。惯性质量变化不大，瞬时负荷就取决 于惯性加速度大小。对于双钢轮压路机来说，在满足要求的情况下希望加速度尽可能大， 加速周期尽可能短。由于要考虑到整机功率特性和整体效率特性，加速度不可能取得很 大。对于泵控马达的传动系统来说，加速度变化是和变量泵斜盘变化规律直接相关的， 可以通过调整斜盘的变化规律来控制加速度的变化特性，从而抑制压力冲击。如图2 7 所示。 2 ) 液压系统驱动能力的影响 对于流量耦合系统来说，承受同样大小的瞬时惯性负荷时驱动能力较大的系统其瞬 时压力冲击就小，反之则大。从抑制压力冲击角度来说，应该匹配较大的液压驱动系统 能力，液压系统驱动能力越大，对动态特性越能较好地适应：但由于平稳工作时效率下 降，其整机工作效率也会降低，如图2 8 所示。因此，对于压力冲击，应该采取不同的 措施去解决。 1 2 长安大学博士学位论文 舔 兰 甘 卜o m c r ， n o 若蕃 ( - 一 商 蓦岛 “ c o 善荨 邑 一 囊 一 唧 r n 岁一 鑫 o 可兽 h 图2 7 受惯性加速度影响的压力冲击 图2 8 受液压系统驱动能力制约的压力冲击 二 2 、发动机掉速与反拖升速 惯性负荷是通过液压系统作用在发动机上。惯性负荷急剧增大会导致液压系统输出 功率的剧增，引起发动机转速的下降，出现掉速现象( 如图2 9 ) 。当液压系统停止工作，每 泵斜盘回中位时，负载在惯性力作用下继续推动马达转动引起发动机反拖( 如图2 1 0 ) 。 掉速严重会导致起动特性变差，反拖剧烈会对发动机各部件及机油管路造成损伤。 圈2 9 起步时发动机掉速 1 3 i蜀n m 协i - i 一 州仍n 西l | 互丘j】n，凸l-sil 第二章双钢轮压路机动态特性的分析 “ n 中 一f n c 毛 望嚣 k n 司 h 一 “ 图2 1 0 停车时发动机被反拖 3 、系统效率低、发热大 在惯性负荷作用下，由于驱动系统驱动能力不足或瞬时惯性负荷过大引起压力冲击 超过溢流阀设置的压力值时，引起溢流阀开启。溢流阀开启，高压油直接回油箱，引起 油液升温。频繁的开启导致溢流量过大，系统发热大，整体效率低下。双钢轮压路机是 循环作业机器，频繁的冲击要大大降低元件寿命。 2 4 当量惯性质量mr 的确定 惯性质量是惯性载荷组成部分，压路机质量较大，惯性质量的作用越不容忽视。 依据轮式车辆行驶理论【4 3 】，车轮在运动中可处于三种状态：纯滚动、滑移、滑转。 由于纯滚动是滑转率6 = o 时的特殊情况，而振动压路机滑移时【4 钔，即为整机平动，情 况较为简单。故以下只讨论在振动压路机起步加速阶段，滑转率为6 的情况。 当钢轮存在滑转时，则由v = ( 1 6 ) ，其中v 为实际行驶速度，咋为理论行驶速 度，两边求导可得： a = ( 1 4 ) s l = ( 1 一晚) s 2 吃 ( 2 1 ) 即： 式中：，；一前钢轮的动力半径，m ； 呢一后钢轮轮的动力半径，m ； 磊为前钢轮的滑转率，； 暖一为后轮的滑转率，。 压路机在起步加速阶段，其加速阻力等于平移质量惯性力和旋转质量惯性力之和， 1 4 长安人学博士学位论文 ，= ( 肘+ y ! 芷) 口 ( 2 2 ) 智 上式中，m 是比较容易确定的，而转动的质量的计算就比较难，用图2 1 l 来说明。 因为压路机起动前发动机转速已经调到额定转速，而且保持不变，因此发动机转动惯量 和泵的转动惯量在加速过程中就不会产生额外当量惯性质量。产生惯性质量的只有马达 的转动惯量。因为马达转动角加速度和钢轮转动的角加速度是不同的，需要把马达的折 算成钢轮的当量转动惯量后才可以进行相关叠加。 图2 1 1 加速当量质量必须考虑的转动惯量 转动惯性的换算要根据能量守恒的原则，即换算前后马达存储的能量不变。能量的 表达式为： e = 互1 唧马2 = 吉七吒 ( 2 3 ) 所以马达等效转动惯量为厶。 对于压路机来说，加速和减速的过程中，发动机油门处于恒定不变的位置，其由于 功率输出变化而引起的速度波动通常比较小，可以认为发动机此过程为恒速系统，其所 有质量稳定。同样的，由于液压泵转动是和发动机固联的，液压泵转速也保持基本不变， 可以看作质量稳定。马达和变速器由于速度变化剧烈，不能看作稳定质量。由于钢轮既 平动又转动，平动部分的平动质量惯性力fi - m a 。其中m 为整机质量。钢轮加速滚 动时，其旋转部分的惯性力矩分别为