（机械设计及理论专业论文）工程车辆液压驱动系统参数匹配及牵引特性曲线的cad绘制.pdf

摘要 工程车辆液压驱动系统由发动机、液压泵、液压马达、行走机构组成，这四 个部分之间相互联系和影响。因此，对其各部分变量进行参数合理匹配与最佳控 制方式的选择，使车辆达到最佳综合性能发挥并实现自动化，构成t i 程车辆液 压驱动理论与技术即车辆液压动力学的主要内容。 本文首先对工程车辆液压技术发展状况及工程车辆液压驱动系统的研究现 状进行了分析与综合，对由发动机、变量液压泵、变量液压马达、行走机构组成 的工程车辆液压负荷驱动系统的性能参数合理匹配进行了分析，在此基础上得出 了发动机一泵一马达组成的负荷驱动系统的控制目标及控制方法。即，发动机最 佳的工作状态是在静态工况下工作，液压元件( 液压泵、液压马达) 性能参数的 匹配实质是在工作性能、寿命与可靠性、成本之间进行综合平衡。并对影响液压 元件综合性能的压力、转速、和效率进行了分析，提出了以压力降额匹配原则为 主，选择合适的速度，以提高液压元件的性价比。行走机构最好的控制方式是采 用动态参数匹配方法。从而，得出了对于负荷剧烈波动的牵引型工程车辆，采用 具有自动控制功能，且具有高效率大传动比范围的液压无级变速装置，有可能使 发动机始终在准静态工况下工作，使车辆驱动系统发挥最大的平均输出功率，并 使之实现自动化、智能化。 牵引特性是评价工程机械的牵引性能和燃料经济性的基本依据。本文从动力 学、运动学并结合效率对液压驱动工程车辆牵引特性进行了分析与研究，在此基 础上建立了液压驱动工程车辆牵引特性数学模型，并利用m a t l a b 语言编程， 对牵引特性曲线进行了绘制与分析。 关键词：工程车辆 液压驱动系统性能参数合理匹配牵引特性 a b s t r a c t c o n s t r u c t i o nv e h i c l e sh y d r a u l i cp m s s l l r ed r i v es y s t e mi sc o m p o s e do fd i e s e l ， h y d r a u l i cp u m p ，h y d r a u l i cm o t o ra n dw o r k i n gs y s t e m ，t h e yi n t e r a c te a c ho t h e r s o ， c h o o s i n gr e a s o n a b l e - m a t c ho fp e r f o r m a n c ep a r a m e t e ra n do p t i m a lc o n t r o lm e t h o dt o m a k et h ev e h i c l er e a c h e dt h ei d e a lh i g he f f i c i e n c ys t a t et h e nr e a l i z e da u t o m a t i o n b e c o m et h em a i nc o n t e n t so ft h ec o n s t r u c t i o nv e h i c l eh y d r a u l i cp r e s s u r ed r i v e t h e o r ya n dt e c h n o l o g yn a m e l yv e h i c l eh y d r a u l i cp r e s s u r ed y n a m i c s i n t h i sp a p e r , t h r o u g ha n a l y z i n ga n dd i s c u s s i n gc u r r e n td e v e l o p m e n to ft h e c o n s t r u c t i o nv e h i c l e sh y d r a u l i cp r e s s u r et e c h n o l o g ya n dt h ec o n s t r u c t i o nv e h i c l e s h y d r a u l i cp r e s s u r ed r i v es y s t e m ，r e a s o n a b l e - m a t c ho fp e r f o r m a n c ep a r a m e t e ro ft h e c o n s t r u c t i o nv e h i c l e sh y d r a u l i cp r e s s u r el o a d i n gd r i v es y s t e mw a ss t u d i e dw h i c hi s c o m p o s e do f t h ed i e s e l ，t h ed i s p l a c e m e n th y d r a u l i cp u m p ，t h ed i s p l a c e m e n th y d r a u l i c m o t o ra n dw a l k i n gs y s t e m t h e nt h ec o n t r o l l i n gg o a la n dm e t h o d so fl o a d i n gd r i v e s y s t e mw e r ee l i c i t e db a s e do ni t n a m e l y , s t a t i cs t a t ei st h ei d e a lw o r k i n gs t a t eo f d i e s e l ，t h ee s s e n t i a lo fp e r f o r m a n c ep a r a m e t e rm a t c h i n go fh y d r a u l i cc o m p o n e n t si sa b a l a n c ei nt h ep r e s s u r e ，t h ev e l o c i t ya n dt h ee f f i c i e n c yo f t h e m t h ep a p e ra l s ob r i n g s f o r w a r dt h a tc h o o s i n ga p p r o p r i a t ev e l o c i t yu n d e rt h ec o n d i t i o no fd e g r a d i n gt h e p r e s s u r et oi m p r o v et h ec a p a b i l i t ya n dd e b a s et h ec o s to ft h eh y d r a u l i cc o m p o n e n t s d y n a m i cp a r a m e t e rm a t c h i n gi st h eb e s tc o n t r o lm e t h o d st ot h ew o r k i n gs y s t e m t h e n a u t oc o n t r o l e da n dt h eh i g he f f i c i e n c yh y d r a u l i ci n f i n i t e l yv a r i a b l es p e e d sd r i v e e q u i p m e n ti su s e di nt h et r a c t i v ev e h i c l e st h a to f t e nr e c e i v e dt h et e m p e s t u o u s l y f l u c t u a t i n gl o a d i n g i nt h i sw a y t h ed i e s e lw i l lb ea b l et ow o r ki nt h ea d j a c e n ts t a t i c s t a t et om a k et h ev e h i c l eo u tp u tt h em a x i m a la v e r a g ep o w e ra n dr e a l i z et h e a u t o m a t i o na n di n t e l l i g e n t i z a t i o n t r a c t i o nc h a r a c t e r i s t i ci st h eb a s a lc r i t e r i o no f e s t i m a t i n gt h et r a c t i o np e r f o r m a n c e a n df u e le c o n o m yo ft h ee n g i n e e rm a c h i n e r y s ot h et r a c t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f h y d r a u l i cd r i v es y s t e m so f t h ec o n s t r u c t i o nv e h i c l e sw e r ea n a l y z e da n ds t u d i e du s i n g m e t h o d so ft h ed y n a m i c s ，t h ek i n e m a t i c sa n dr e a s o n a b l ek e yp a r a m e t e r s - m a t c ho f h y d r a u l i cd r i v es y s t e mt o g e t h e r 、v i t l lt h ee f f i c i e n c yo ft h ew h o l es y s t e m l a s t ，t h e c o m p l e t em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft r a c t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h eh y d r a u l i cd r i v es y s t e m w a ss e tu pa n dt h et r a c t i o nc h a r a c t e r i s t i cc u r v e sw e r ep l o t t e db ym a t l a bs o f t w a r e i nt h es a n l et i m e ，t h et r e n da n dt r a i to f t h ec u r v e sw e r ea n a l y z e d k e y w o r d s ：c o n s t r u c t i o nv e h i c l e s ；h y d r a u l i cp r e s s u r ed r i v es y s t e m ；p e r f o r m a n c e p a r a m e t e r ；r e a s o n a b l em a t c h ；t r a c t i o nc h a r a c t e r i s t i c 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： l 刃拈弘 夕柳年月占日 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： 、习和青匕 夕弼年岁月日 导师签名： 枷豫 泖乡年夕月嘭日 第一章绪论 1 1 工程车辆液压技术发展概述 科学技术的飞速发展加速了液压技术的进步，扩大了液压传动与控制技术的 应用范围和领域。尤其是近2 0 年来，随着新材料、新工艺和加工手段的完善， 液压传动元件的性能和可靠性、寿命得到显著提高，设计良好的液压传动具有与 液力机械传动相媲美的传动效率和工作寿命；随着使用的普及，液压元件价格大 幅下降：特别是计算机控制技术与液压技术相结合，使得实用液压控制技术不断 发展与完善，为液压传动赋予了完美的特性与巨大的生命力。从而使液压技术得 到了迅速的发展，反映在工程机械行业内，一方面是在以牵引功能为主的铲土运 输机械上，大量采用液压传动，并以迅猛之势快速扩展，传统的液力机械传动出 现了被液压传动取代的某种趋势( 虽然还不是全方位的) ，而另一方面大量的不 以牵引功能而以恒速调节为主要功能的路面与压实机械几乎全面地采用了液压 传动和液压控制技术。 1 1 1 液压传动与控制系统的特点 目前常用的动力传递主要有三种方式：即电力传动、机械传动和流体传动。 流体传动包括气压传动和液压传动，而流体传动中应用广泛的是液压传动与控制 系统。液压传动系统之所以能得到广泛应用，正是由于液压传动具有通用性、多 功能性和可控性的特点。液压传动系统外形设计灵活、多样；调节和控制方式多 种多样，另外，液压系统所传递功率大小不像电气系统那样受材料的物理特性的 限制，但是受材料的力学性能如强度等方面的制约。现在液压传动在现代工业产 品、生产过程和工业自动化中显示了如此越来越重要的作用和地位，是因为液压 传动与控制系统具有如下特点： ( 一) 操纵和控制的多样性。操纵简便、灵敏、准确是液压传动的一大特点；其 次与液力机械传动相比其显著的优点就是可控性好，易于实现反馈控制， 引入计算机和各类传感器后还可达到自动化控制。 ( 二) 理想的增力系统。液压系统是一个简单而且高效的增力系统，它无需借助 笨重的机械传动( 如杠杆、滑轮、齿轮等) ，可以轻而易举地实现增力和 增大扭矩。这一特点增加了液压传动与控制系统的柔性化，扩大了他们的 应用范围和领域。 ( 三) 以输出恒定的力和扭矩。在液压传动中，工作压力取决于外负荷，而输出 速度取决于泵流量，速度与负荷之间无必然联系，就是不管速度如何变化， 它都可以保证为负载提供连续稳定不变的力和扭矩。这对于负载速度( 或 转速) 要求经常改变而力( 或扭矩) 又要求恒定的场合是非常合适的。 ( 四) 具有负载敏感特性。与其他传动方式不同，液压系统中工作油泵的输出压 力取决于负载的变化，在流量不变的情况下，消耗的动力也随负载变化， 这一特点减少了能源浪费，提高了传动系统的经济性，而且由于液体压力 变化范围大，适应各种负载变化较大的场合。 ( 五) 可以实现复合传动与控制。在液压传动与控制系统中，使用一个动力源可 以实现负载的各种运动，包括直线运动和旋转运动。同样，一套液压系统 可以通过串连或并联等方式驱动多个负载，控制各种动作。除了传递动力 外，液压系统还可以控制各执行机构运动方向、速度和驱动力。 ( 六) 系统设计柔性化。由于液压油等液体介质具有自由改变形状的特性和向所 有方向传递力和功率的能力，故提高了液压传动与控制系统设计的柔性 化。设计人员可以根据传动的目的和控制要求，充分利用各种执行元件、 控制元件和动力元件的功能，任意加大自由想象空间，设计出多种方案。 可以充分发挥设计人员的想象力、创造力和智慧，通过研究、比较，确定 更高效、更优化、更经济的设计方案。 ( 七) 与气压系统相比更易于控制。由于液压油具有流动性、黏性和几乎不可压 缩性等特点，因此与气动控制相比，更容易实现执行元件运动速度和位移 的精确控制，提高系统的响应灵敏度和动态特性。 ( 八) 液压系统工作平稳、冲击小。由于液压油具有一定的缓冲和阻尼作用，在 一定程度上可以消除或缓和机械系统刚性碰撞产生的冲击、震动和噪声， 因此，液压传动与控制系统较机械传动工作平稳、冲击和震动小、噪声低。 ( 九) 简单、安全、经济。般来说，液压传动系统比机械传动和电气传动所使 用的运动部件少，因此系统简单、紧凑且便于操作和维护，同时增加了济 性、安全性和可靠性。 除此之外，液压传动系统还有诸多如转向运动反应灵敏，可以实现自动过载 保护以及可以实现无极调速等优点。在单位零部件所传递的最大功率方面，液压 传动系统也优于目前各种传动方式。 尽管液压传动系统具有上述许多优点，但它并非一种万能的传动方式，也存 在一些不足，例如如果处理不好，液压油的泄漏会造成环境污染；如果设计、调 试不当，高压系统或管路中万一出现暴裂，高压液体或零部件喷出会伤人。另外， 液压系统常用的工作介质一一液压油具有可燃性，出现泄漏和遇到明火会引发火 灾。随着科学技术的不断进步，新技术、新工艺、新材料、新元件以及新型液压 介质的不断涌现和推广应用，将在一定范围内消除、克服和避免液压传动与控制 系统存在的上述缺点，使得液压传动与控制技术在更大范围和更多领域得到更广 泛的应用。 1 - 1 2 工程车辆对传动系统的要求 工程车辆尤其是牵引式工程车辆，其工作过程中面对的负荷变化剧烈，因此，。 需要一种最佳的传动系统并结合一定的控制方式适应剧烈波动的外载荷，从而使 机器的综合性能得到提高。 牵引式工程车辆的传动应该具有的性能是： ( 1 ) 与发动机有良好的适配控制性，使发动机在任一油门下均具有最高的动 力性和燃料经济性。 ( 2 ) 传动系统有很高的传动效率和足够的调节比范围。 ( 3 ) 最好为无级调速方式以避免动力中断和换档冲击，或至少为工序转换时 进行换档，而在同一工序中不进行换档的少档位有级自动换档传动装置。 ( 4 ) 换向方便，操纵简单，司机劳动强度小，低速牵引性好等。 显然，液压传动系统完全满足上述要求。因此，液压传动系统在牵引式工程车 辆上应用的研究正在不断的深入。 1 2 液压传动应注意的关键问题 ( 1 ) 必须合理解决发动机、液压传动装置、负荷之间的参数匹配以利功率利用， 同时最大限度的提高元件工作寿命并降低成本。 ( 2 ) 根据不同机器的作业要求，选择合适合理的液压传动装置，提高传动装置 性能，降低成本并简化控制方式。 ( 3 ) 解决液压传动装置本身的控制问题并进而解决由发动机、液压传动装置与 行走装置组成的整个负荷驱动系统的合理控制，从而构成一个性能良好、价格低 廉、机构简单、操纵方便的车辆负荷系统。 1 2 1 液压牵引动力学的主要内容 ( 1 ) 采用通用液压传动与控制元件组成传动系统，必要时辅之以自控式机 械变速装置，通过液压传动元件参数的过程控制与调节，对工程车辆剧烈波动的 负荷非平稳随机过程的趋势项进行调节，使发动机始终在准静态工况下工 作。通过控制让发动机在各种转速( 不仅是额定工况) 状态下均有最高的动力性 和燃料经济性外，还应保证液压系统有最高的平均效率和最大的变速范围，其次 要求液压传动与控制系统有合理的成本和寿命。 ( 2 ) 对动态的随机振动项负荷，利用液压系统的蓄能器回路进行平均化处 理并充分利用。 ( 3 ) 对行走机构仍然采用近代牵引动力学的动态参数匹配方法进行统计平 均的参数匹配处理。 ( 4 ) 对工作装置采用极限负荷控制手段使之与传动系统以及行走机构相协 调。 1 2 2 液压传动系统性能研究的主要方法 研究液压系统特性尤其是动态特性研究的主要方法有传递函数分析法、模拟 仿真法，实验研究法和数字仿真法等。 传递函数分析法是基于经典的控制理论的一种研究方法。用经典的控制理论 对液压系统进行动态特性分析通常只局限于单输入、单输出的线性系统，一般先 建立系统的数学模型，写出其增量形式，然后进行拉普拉斯变换，从而写出传递 函数，再将传递函数用波德图表示。通过相频曲线或幅频曲线分析其响应特性， 或是进行拉式逆变换。遇到非线性问题，常常不考虑其非线性或简化成线性系统。 而实际上的液压控制系统又多是非线性的，因此这种方法分析液压系统的动态特 性具有一定的局限性，也不可避免地会出现误差。 在计算机特别是微型计算机还未发展到如今这样普及的时候，用模拟计算机 或是模拟电路来进行液压系统动态特性的模拟与分析，也是一种实用的研究手 段。模拟计算机是一种连续计算装置，它把实际系统物理量用电压量表示，通过 连续计算，求解描述系统动态特性的微分方程。该方法具有接近实际情况、系统 参数调整和调试简单以及运算速度快等优点，但最大的缺点是预算精度低。 用实验研究法分析液压系统的动态特性也曾是一种行之有效的研究手段，特 别是在过去还没有数字仿真等实用的理论研究方法时，只能依靠实验方法进行分 析。通过实验研究可以直观地、真实地了解液压系统动态特性和参数变化，但是 用这种方法分析系统周期长、费用大，且往往不具有通用性。如今，实验研究法 常常作为对重要的液压系统动态特性的数字仿真或其他理论研究结果进行验证 的手段，或是作为对液压系统动态建模与仿真方法、对所建模型与仿真结果进行、 验证的方法与手段。 近年来，控制理论研究的进步及计算机技术的发展为液压系统动态特性研究 开辟了新的途径，数字仿真法便是利用计算机技术研究液压系统动态特性的一种 新方法。此方法先建立液压系统动态过程的数学模型一一状态方程，然后在计算 机上求初系统中各参数的变化情况，从而获得对系统动态过程直接的全面的了 解，使得设计人员在设计阶段就可以预测液压系统动态性能，以便及时对设计结 果进行验证和改进，以保证系统的工作性能和可靠性。与其他研究系统动态性能 的手段和方法相比，数字仿真技术具有精确、可靠、适应性强、周期短和费用低 等优点。 1 3c a d 在液压技术中的应用概述 计算机辅助设计( c a d ) 技术对于提高产品设计质量、缩短设计周期、降低 设计成本以满足社会高速发展的需要，正起着越来越大的作用。随着计算机软硬 件水平的不断提高，c a d 技术也在以极快的速度向前发展着，它已逐步成为一 个国家工业现代化和科学技术现代化的重要标志之一。 随着各种机械设备性能要求和机电液一体化程度的不断提高，其对液压传动 与控制系统的性能和控制精度等提出了更高的要求。传统的以完成设备工作循环 和满足静态特性为目的的液压系统设计方法，已不能适应现代产品的设计和性能 要求，而对液压系统进行动态特性分析和采用动态设计方法，已成为机械设计中 非常必要的手段和步骤。这使得计算机辅助设计( c a d ) 在液压系统设计分析中 大显身手，尤其是计算机数字仿真技术已成为液压系统动态特性分析最实用有效 的方法和手段。将液压系统动态特性研究带入了一个新阶段。对液压元件、回路 及液压系统动态特性进行数字仿真便成了一项方便、可行而且必要的工作。研究 人员更是在这方面投入了大量的精力。有关液压系统建模理论与方法、仿真方法、 仿真软件、仿真精度以及液压系统参数优化和动态性能改进等方面的研究论文， 成果层出不穷。 总之，随着液压技术的普及应用和人们对液压系统的动态响应要求越来越 高，液压系统数字仿真技术也越来越受到重视，而数字仿真技术的发展也必将推 动液压技术的加速发展。 1 4 工程车辆液压驱动系统研究现状 在上世纪七十年代以前，工程车辆液压驱动技术采用的是以点工况参数匹配 的静态研究，自七十年代以后，进入动态研究阶段，工况由常值变为动态变化过 程，数学关系由确定关系变为随机统计关系，研究由与时问无关的点工况变为随 时间变化的线工况以及考虑到随机离散的面工况。 在工程车辆的静态研究阶段，由于负荷的固定，发动机、传动系、行走机构 均在各自静态特性的某一固定点工作，因而关注的只是所谓的额定参数工作点描 述和参数匹配问题，不需要对各部件和机器系统的变参数工作过程进行讨论和描 述。稳定工作的机器只要在额定参数的工作点匹配合理，就能获得最好的性能指 标。 动态研究分为几个阶段： 第一阶段：2 0 世纪7 0 年代工程车辆液压系统动态研究主要集中在发动机动 态性能和工作阻力的动态特性方面，而对传动系统的动态特性和行走机构的动态 特性则关注不多，且主要是采用动态微分方程。7 0 年代中期，前苏联国立拖拉 机研究所( h 舢) 开展的农业拖拉机动态牵引性能的研究主要集中在发动机动 态特性及整机动力学等方面。1 9 8 0 年以后，日本小松公司发表的描述工业推土 机动力学的微分方程，方程未考虑发动机、行走机构动态特性，且工作阻力仍按 静态处理1 2 】。 第二阶段：8 0 - 9 0 年代，以原西安公路学院为主的国内多所高等院校学者在 工程车辆牵引动力学的研究方面发表了一系列论文并取得了一定的研究成果，达 到国际同期的先进或领先水平。 第三阶段：9 0 年代以后，由于与其相关的车辆地面力学系统研究基本上处于 停滞状态，加之，缺乏提高行走机构动态性能的过程控制的手段，牵引动力学的 总体研究发展缓慢，至今还找不到提高机器动态滑转性能的有效控制方法。而此 时，传动系统的研究一如既往地快速发展着，通过其结构变革到机电液一体化控 制方式的引入，使车辆的动态性能得到极大提高，同时其自动化程度也显著改善。 第四阶段：至今，工程车辆牵引动力学正步入一个崭新的阶段车辆液压 牵引动力学。工程车辆液压动力学研究目的在于改善提高机器在动态条件下工作 的适应能力。该阶段研究车辆实际动态变负荷工况下的真实性能及其为达到最佳 性能而应该采取的相关措施。工况由常值变为动态变化过程，数学关系由确定关 系变为随机统计关系，研究由与时间无关的点工况变为随时间变化的线工况以及 考虑到随机离散的面工况。 随着液压牵引动力学的发展，研究将深入到机器系统各部件的动态工作过程 中去，探讨各主要影响因素对液压驱动车辆性能的影响规律，通过静态参数匹配 方法并结合现代工程控制的动态思想，实现液压传动在牵引车辆上应用的参数合 理匹配与过程优化控制。希望能通过液压传动与控制的引入很好地解决工程车辆 在变负荷工况下的适应问题。 1 5 本课题的背景和意义 经典的工程机械底盘理论对于行走式工程机械在变负荷下发动机的性能和 牵引性能参数的合理匹配，更多的只是在机械传动和液力机械传动方面取得了很 大的成果。伴随着工程机械向着液压化方向发展，实用液压控制技术不断发展完 善，液压元器件也得到了很大的推广和普及。此时，大量液压传动与控制方面的 著作仅对液压元件本身的结构、性能与控制进行讨论，工程机械液压系统方面的 著作更多的则是对系统回路的组成进行介绍，而真正将液压传动纳入工程机械底 盘理论，进而从发动机一液压传动与控制一行走机构一工作装置这个整机系统方 面分析讨论，进行参数合理匹配的文章极为少见。 其次，发动机、液压泵、液压马达、行走机构组成为一个负荷驱动系统时， 其最佳的动力输出不仅取决于各元件本身，而且取决于各元件性能参数之间的合 理配置，这一配置要同时兼顾元件的工作寿命与制造成本。而目前这方面的研究 尚不完善。 再次，发动机、液压泵、液压马达、行走机构组成的负荷驱动系统是一个多 变的复杂系统，为使该系统在任何状态下都有最佳的动力输出，必须对该系统进 行控制。这一切均需从发动机性能、液压传动和车辆理论方面进行综合研究分析， 而目前却多是对液压元件性能方面研究的完善，因此，对于整个系统的综合研究 还很欠缺。 另外，工程机械剧烈变化的工况，也会对各种结构形式的液压元件性能的发 挥产生影响，因此，也需考虑这种影响因素，对其参数进行一定的调整，从而使 得液压元件在工程机械上合理高效地使用。这在目前也是尚待研究得领域。 此外，在现行的液压系统设计计算中，匹配、参数和牵引力等的计算多采用 手工和绘图相结合的方法，计算量大，循环时间长，计算精度差，经常还需要反 复校核。随着计算机在液压系统设计分析中的推广和应用，使得液压系统效率设 计的概念及校核、匹配、效率和牵引特性等的计算在短时间内完成。辅助计算软 件具有良好的人机界面，以图形和数据两种方式显示计算结果，使人们能更直观、 更形象地了解问题，解决问题。 基于以上原因，本文通过对发动机、液压泵、液压马达、行走机构组成的整 个系统中各个环节及其相关性进行分析研究，进而应用c a d 对牵引型工程机械 的牵引特性进行仿真，从而找出整个系统各元件在变负荷下其主要性能参数的最 佳匹配。这既从局部出发分析了各个体的特点，也兼顾影响因素联系局部对整体 进行了综合分析，同时也尽力完善了工程机械底盘理论在液压传动上参数的合理 匹配问题。 1 6 论文的主要研究内容 1 对液压技术发展状况及工程机械液压驱动系统的研究现状进行总结，提出了 本论文的研究背景及论题意义。 2 工程车辆液压驱动系统的参数匹配 对发动机、液压传动系统、行走机构组成的负荷驱动系统中的各元件的性能 进行分析，找出各部件性能参数的最合理的匹配方案，及控制方法，从而使工程 车辆最大程度的发挥动力性、经济性和最大作业生产率。 3 工程车辆液压驱动系统的牵引特性 从功率平衡及牵引力平衡角度对工程车辆液压驱动系统的牵引特性进行研究， 提出了工程机械液压驱动牵引性能参数合理匹配的原则，并对牵引性能有关参数 进行了分析研究。 4 工程车辆液压驱动系统牵引特性曲线的c a d 绘制 通过m a t l a b 软件中的绘图功能对液压驱动系统的牵引特性曲线进行绘 制，并对所绘曲线进行了分析。 5 论文的总结和展望。 第二章工程车辆液压驱动系统的参数匹配 牵引式工程车辆动态负荷及动态牵引特性的研究表明”，这类车辆的发动机、 传动系统、行走机构的静态特性与波动剧烈、变化幅度大的动态负荷之间存在着 极大的不适应性，导致机器的动态性能恶化。在作业工序中，频繁换档( 包括自 动换档) 的限制决定了提高机器动态性能的最有效方法是提高传动系统的高效区 无级调速范围。因而采用液压无级调节传动系统有望使发动机实现静态工况( 发 动机只有在静态负荷下才能获得其最高的动力性和经济性) ，保持机械始终适应 负荷变化而在最佳状态工作，从而提高机械的动力性、经济性和作业生产率，且 方便机器实现自动化、智能化。 工程车辆液压驱动系统一般均由泵、马达组成闭式系统，以满足在转矩一 一转速四象限中工作的需要并适应车辆传动的一系列其他特点。 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 到各元件本身性能的影响，而且还要受到各部件性能参数之间是否合理匹配的制 约。因此，必须很好地解决下列匹配问题。 2 1 液压传动合理匹配的条件 1 ) 液压系统最高压力所对应的最大牵引力应大于等于由土壤附着条件所决 定的附着力。 2 ) 液压系统额定压力工况应与行走机构之最大生产率工况相一致，即液压系 统额定压力所决定的牵引力应等于行走机构滑转率所决定的牵引力，以保证最大 的作业生产率。 3 ) 平均最大工作阻力应等于机器的额定有效牵引力。 2 2 发动机与液压泵的参数匹配 工程机械牵引系统长期以来一直存在的关键问题就是：如何简单而又适宜地 使发动机和传动系同外部负荷之间始终保持最合理的匹配。 l o 2 2 1 发动机与泵的功率匹配原理 工程机械常选用全程式调速柴油机，这里简称发动机。表征发动机机械性能 的参数，主要有燃料消耗率和机械效率，而影响燃料消耗量和机械效率的重要因 素是发动机的功率利用率。因而力求使燃料消耗最少、机械效率最高并提高功率 利用率是发动机的机械性能达到最佳 化的必要条件。在上述要求中，机械效。 率最大化和燃料消耗最小化意义相同。 发动机万有特性与调速外特性如 图2 2 1 1 所示，横坐标为发动机转速 限，纵坐标为输出转矩且f ，虚线双曲 线为等功率线心，实线环线为等油耗 线g。0 发动机等功率线与等油耗线相切 ne 图2 2 1 - 1 发动机万有特性与调速外特性 点是该功率下的最低油耗点，不同的负荷等功率曲线与各等油耗曲线的切点相 连，构成一条最经济的工作曲线，如图2 2 1 i 中曲线a b 所示，这就是理想的 经济性目标控制曲线。 对于发动机来说，综合性能指标同时包含着动力性与经济性要求，需要在充 分发挥其功率的条件下追求经济性，所以经济性目标控制曲线还不能直接作为目 标控制曲线。 通过对 v e t o c u m m i n s 等国内外大量发动机标定功率进行统计，最大功 率外特性与最低油耗功率( a 点) 外特性在同一 转速下扭矩或功率约相差( 10 - 1 5 ) ，工程车辆 洳 装机功率一般取1 小时或1 2 小时标定功率，其动 力性最高的转矩外特性曲线穿越发动机的最低油 耗区，而与图2 2 1 - l 所示的经济目标曲线相吻合 或靠近。即在最大转矩附近油耗最低，在最大转 矩与额定转矩之间很大一段转矩外特性上均为经 济油耗工作区。因此，取1 2 小时标定功率的外特0 图2 2 卜2 发动机负荷特性 性作为发动机的控制目标曲线，从经济性和动力性角度看都是合理的，也满足工 程车辆选用1 2 小时标定功率装机以提高可靠性寿命的需要。 工程机械的负荷工况变化复杂，考虑到发动机的机械性能及成本等因素，装 机功率为1 2 h 标定功率。取机械工作装置“满铲平均负荷”为额定负荷，该负荷 功率大致与发动机1 2 h 标定功率相等。通过对柴油机的负荷特性和万有特性曲线 的分析可知，在比较大的工作范围维持较低的燃油消耗率，大约在9 0 1 0 0 负荷率下燃料消耗率最低( 在万有特性曲线上，扭矩外特性穿过低油耗区) 。1 2 因此，按1 2 h 标定功率计，取9 0 l o o 负荷率作为发动机的最终控制目 标值，1 2 1 1 4 8 l 既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 时又符合工程机械实际使用条件下负荷工况的要求。 而a p n 酝q b 2 ( 式中：肇一液压泵进出口压差，m p a ； q 。一泵理论排量， r 一一泵驱动转速，r m i n ； r 。一一泵机械效率； 一一发动机驱动泵的净功率，k w 。 ( 2 1 ) 上式未计补油泵功率消耗。作用于液压马达的外界负荷扭矩同液压系统即泵 的进出口4 p 之间存在着正比关系，因此，只要给出泵在一定转速刀时的发动机 输出功率只和泵的机械效率叩，就能够确定对应于任何外界负荷扭矩所需要的 q 。最大值，也就是说，q ，的大小表现了作用于发动机的负荷的大小，q 。的最大 值要受到发动机输出功率的限制。 当然吼的大小对液压泵性能( 主要指效率) 也有影响。根据变量泵本身的特 性曲线知【2 1 ，变量泵的排量比愈大，即泵的实时排量愈大，其机械效率与总效率 愈高，因此应使泵尽量在大排量下工作。根据这个结论和式( 2 1 ) 知，为了使 液压传动装置效率最高、且使发动机动力性和燃料经济性最好，就应选取发动机 目标值负荷率范围内最大的功率即各转速时最大输出功率( 为发动机调速外特性 对应之功率，是转速刀的函数) 为液压传动系统控制装置的目标值，若以负荷压 差作为传感量，则有 6 0 0 _ 0 0 p e m “一r p m ：吼力门 ( 2 2 ) 满足这个基本关系的值就是液压传动装置的最佳工况。这意昧着控制装置应 使液压传动系统经常在最大负荷率的排量下运转，在发动机油门固定、转速一定 的工况下，这是液压传动系统获得最佳机械性能的充要条件。 2 2 2 发动机与泵的扭矩匹配 当发动机期望工作在某一最佳工作点时，其输出转矩为一常值，所以泵与发 动机扭矩匹配，有关系式： m 。：粤丝= 常值 z 万 式中m 。一一泵吸收的转矩( n 埘) 。 ( 2 3 ) 因此，当负载变化时，通过调节泵的排量使得泵的输出转矩不变，就实现了 泵与发动机之间的扭矩匹配，发动机的转速为设定的最佳工作点处的转速。从而 得出结论：当发动机在设定的最佳工作点运行时，欲实现泵与发动机匹配，则要 求泵具有恒功率特性。 2 2 3 发动机与泵的控制原理及装置 发动机与液压传动装置的匹配主要是提出最为合理的控制方法，从而使发动 机的转速、输出转矩能适应外部负荷的变化而连续变化，保持发动机的实际工作 点在最大功率输出点和最佳节能点附近，有较高的功率利用和较低的燃油消耗。 由以上的匹配关系出发，将发动机一液压传动装置一负荷看作是一个负荷驱动系 统，从而提出最适合于发动机和液压系统的最为合适的控制方式。 1 ) 发动机恒功率控制装置：当转速给定后，不论外界负荷转矩的大小如何 变化，都要将发动机输出轴转矩控制为一定值。即通过液压传动系统的变换作用， 使发动机在该转速下的定值转矩适应变化的负荷转矩恒功率工作。由于发动 机的负荷率( 功率利用率) 取决于控制系统的目标值，因此，若正确给定负荷率， 使发动机性能不为外界负荷的变化所影响，功率利用情况最好，动力性、经济性 指标最好，液压传动装置的效率也能提高。恒功率控制就是当发动机转速确定后， 不论外部负荷如何变化都控制发动机为恒功率工作，充分发挥功率且具有高经济 性能指标。 2 ) 发动机变功率控制装置：以恒转矩控制为基础，根据外界负荷转矩的变 化以及功率需求来控制发动机的转速( 有液压传动装置的无级调节作用，对任意 的外界负荷，发动机在任意转速下都可以适应，但有一可以使发动机功率得以充 分发挥且燃料经济性最好的工作转速) ，保证发动机的功率和燃料经济性对于外 负荷始终处于最佳状态，并使驾驶员的操作进一步简化。变功率控制是根据负荷 需要选择最优发动机转速、功率，着重点在提高燃料经济性。 通过上述两种控制的组合，极大地扩展了发动机的工作能力，使发动机在 整个转速范围内都能适应负荷变化，保持最佳的功率利用率，最佳的动力性和经 济性；液压系统具有较高的传动效率；整个负荷驱动系统具有自适应能力且具有 最高的综合性能指标。 上述控制原理的控制目标值是基于：在发动机怠速i 至最大扭矩转速 一之间取目标值负荷率为9 0 或更低一些。按9 0 的负荷率工作时，满足了 复合动力装置高效率、高动力性的要求；当按低于9 0 的负荷率工作时，发动机 有较大动力储备，利于提高加速性能，并且在遇到突发载荷而控制装置因惯性滞 后调节时，可以防止发动机熄火。上述区域可按工况要求灵活选择合适的负荷率。 但在最大扭矩至额定功率之间的高转速范围内，由于液压系统的特性一般都是粘 性摩擦扭矩随转速上升而增加，从而传动装置的各效率显著降低，所以应使目标 值负荷率与转速成正比地增加，即由最大扭矩点的9 0 变至额定功率点的1 0 0 。 这样，由于负荷率增加使泵排量增加，由此产生的r 。增加补偿了由于转速增加引 起的降低的负面影响，最终使液压传动装置有较高的效率。发动机扭矩外特 性与目标值负荷率的关系如图2 2 3 1 所示，其中曲线1 2 3 为理想的目标值 负荷曲线。 实际中由于液压泵在低转速范围内形成的负荷扭矩较低，如图2 2 3 1 中l 2 段直线所示，明显低于理想的目标值负荷率1 2 段。发动机在低转速范围时 仅有较低的负荷率，仅适合于起步、辅助工作等阶段，因而，该范围内不必过分 要求理想目标值。高转速区是发动机的主要工 作区间，控制装置必须保证目标值负荷率的实 he - 发动机有效扭矩 现。 为了简化设计，中高速范围内的负荷往往 取等值方法，如图2 2 3 1 中直线2 - 2 、3 所示， 这样在转速他7 范围内可能使发动机超 载，转速由降至慢，由于他与差异较 小，且比点油耗更低，特别是可充分利用蛩2 2 3 一l 发动机扭矩，潸性与目标值负荷率 发动机额定工况附近的功率，因而实践中多用这种简化方法。 相应泵的排量控制算法如下： 乳2 6 0 0 0 0 0 9 p u m a , ( n - n o ) j 堕 一体p 俨- _ - 一确舱n m m n , ( 2 4 ) g m一一一，m 1 2 5 p h ，类似的有7 1 2 5 p u 。参照 前面的分析取p 埘= ( 1 2 5 1 4 ) p u 7 ，所以有 p m = ( 1 2 5 1 4 ) x o 6 5 p 。, ( 0 8 1 0 9 1 ) p m ( 2 9 ) 取p m = 0 8 5 p , 。 同时，为有效的防止行走机构的全滑转，避免传动装置的能量消耗，将液压 传动装置的最高匹配压力p 。7 所对应的最大牵引力和车辆的地面附着力相配置。 3 ) 结论： ( 1 ) 液压元件使用压力的选择应根据工作对象的负荷特点及寿命要求进行， 高效、可靠、低成本发挥液压元件的工作性能是元件压力参数选择的最终要求。 ( 2 ) 工程车辆额定匹配压力p ；应以元件最高标定压力p 0 而非额定压力p 。 为基础，取p ；= ( 0 5 0 6 ) p 删即为合理的降额匹配方法。 2 3 2 液压元件转速的选择及参数匹配 对工作压力、转速与综合性能之间关系进行的研究表明：适当地降低压力和 转速来进行元件工作参数的配置是提高元件工作寿命、可靠性以及传动效率的有 效措施，然而这种降额配置会因元件排量增大而增加成本。从功率传递角度考虑， 转速与压力具有相同的作用，降低同样比例的压力和降低同样比例的转速会使元 件增大同样比例的排量，因而成本相同。然而压力对寿命的影晌远大于转速( 前者 与寿命呈高次方指数反比关系，而转速只是一次方反比关系) ，因此，提高元件工 作寿命和可靠性应以压力降额配置的方式为主，尽量将元件配置在允许的转速极 限上。 1 转速的限制因素 一般认为，最高转速是指允许的最高工作转速，是在元件不受异常损坏的 情况下不可超越的最高转速极限。持续标定转速即额定转速是工作寿命与转速近 似成反比的转速域极限，当转速超过额定转速后工作状态迅速恶化，寿命将急剧 降低。 元件的转速能力受到流量和旋转组件机械负荷的影响，它是元件排量和压 力的函数，当压力降低或排量减小时允许转速提高。因此，元件的允许转速极限可 以分为持续标定转速和最高标定转速，而这两种标定转速根据排量不同又 可分为大排量和小排量的标定值，图2 3 2 1 显示了斜盘式轴向柱塞泵、柱塞马达 典型的转速标定值和排量的关系。 在同等压力条件下，标定转速随排量减小而增加，到最小排量( 不一定为零 排量) 与全排量之间的某一排量时达到极限值不再增加，这一极限值称为小排量 标定转速( 用上标z 表示) 。额定 转速( ) 为在持续最大功 转速n 7 r 。m n m - i 率和额定压