（机械设计及理论专业论文）牵引车辆液压驱动系统自适应控制策略研究.pdf

要 工程车辆牵引动力学研究目的是改善牵引车辆在变载荷条件下工 作的适应能力，从而实现车辆性能指标的最优化，操纵的全面自动化 和智能化，其核心内容之一为变量泵一变量马达闭式系统的控制策略 研究，核心目的是通过液压系统的变换作用使发动机在较大的动态外 载荷条件下保持静态工况或准静态工况。 本文首先分析了发动机和液压泵的各自特性，提出了发动机和液 压泵系统联合工作时的理想控制目标，提出了实现控制目标的静态控 制策略；其次分析了变排量马达的特性，比较了马达在流量耦合和压 力耦合时的不同控制特性，提出了三种马达变排量的静态控制方法。 之后建立了变量泵一变量马达系统的动态数学模型，在已有泵控马达 数学模型基础上加入了模型参考自适应环节，并构建了基于 m a t l a b s i m u l i n k 的仿真模型，以某型液压试验台的参数为例，对该控 制方法进行仿真，在变参数条件下获得较好动态性能。 关键词：控制；发动机；变量泵；流量耦合；变量马达；自适应 a b s t r a c t t h ep u r p o s eo ft h ec o n s t r u c t i o nv e h i c l ed r a wd y n a m i c si s t oi m p r o v et h ea d a p t i v ec a p a c i t yo fd r a ww h e nt h ev e h i c l e 一w o r k su n d e rt h ev a r i a b l el o a dc o n d i t i o n ：t h u so p t i m i z et h e v e h i c l ep e r f o r m a n c e 。r e a l i z et h eo v e r a l la u t o m a t i o na n d i n t e l l i g e n t ，o n eo fi t sk e yc o n t e n ti s r e s e a r c ht h ec o n t r o l s t r a t e g yo fc l o s i n gt y p ed i s p l a c e m e n tp u m p - d i s p l a c e m e n tm o t o r s y s t e m ，i t sk e yp u r p o s ei st h r o u g hh y d r a u l i cs y s t e mv a r y i n g f u n c t i o n m a k i n ge n g i n ek e e p s s t a t i co rs u b - s t a t i co p e r a t i n g m o d eu n d e rg r e a t e rv a r i a b l el o a d a tf i r s t t h i sp a p e ra n a l y z e de a c hc h a r a c t e r i s t i co ft h e d i e s e le n g i n ea n dh y d r a u l i cp u m p ，a n dp r o p o s e dt h ei d e a l c o n t r o lg o a lw h e nt h ee n g i n ea n dh y d r a u l i cp u m ps y s t e mj o i n t l y w o r k i n g ，t h e np u tf o r w a r ds t a t i cc o n t r o ls t r a t e g yw h i c hc a n r e a l i z et h ec o n t r o lg o a io fv a r i a b l ep u m p s e c o n d l ya n a l y z e d t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ed i s p l a c e m e n tm o t o r a n dc o m p a r et h e d i f f e r e n c eo ft h ed i s p l a c e m e n tm o t o rc o n t r o lb e t w e e np r e s s u r e c o u p l i n ga n df l o wc o u p l i n gs y s t e m ，p u tf o r w a r dt h r e es t a t i c c o n t r o lm e t h o d so fd i s p l a c e m e n tm o t o r a f t e rt h a t ，b u i l du p m a t hm o d e lo fc l o s i n gt y p ed i s p l a c e m e n tp u m p d i s p l a c e m e n t m o t o rs y s t e m ，h a v ej o i n e dt h em o d e lr e f e r g n c ea d a p t i v el o o p t ot h ee x i s t e dm a t h e m a t i c sm o d e lo ft h em o t o rc o n t r o lp u m p ， a n ds t r u c t u r et h es i m u l a t i o nm o d e lb a s e do nm a t l a b s i m u l i n k 。 t a k i n gp a r a m e t e rf r o ms o m et y p e - h y d r a u l i ct e s t b e da s a n e x a m p l e ，t oc a r r y i n go ns i m u l a t i o n ，a n do b t a i nb e t t e rd y n a m i c p e r f o r m a n c eu n d e rv a r i a b l ep a r a m e t e r k e y w o r d ：c o n t r o l ；e n g i n e ； c o u p l i n g ；d i s p l a c e m e n tm o t o r ； d i s p l a c e m e n tp u m p ；f l o w s e l f - a d a p t i v e 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。 本沦文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表 的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 沦文作者签名：朝蛑扣彳年珥月工。目 il 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：纠哞御g 年。牛月助日 导师签名： 孑们煅砷莎年争月纫目 1 1 课题背景介绍 第一章绪论 1 1 1 液压牵引动力学研究的内容及目的 工程车辆牵引动力学主要研究内容是，为了使自行式工程车辆行走驱动系 统满足作业性能要求，合理匹配发动机、传动系、牵引元件( 行走机构) 、工作 装置之间的参数，对各部分及系统采用适当的控制方法及控制策略【1 1 。对于无 作业质量要求的牵引式机械，车辆行走驱动系统即为车辆的唯一系统，因而对 这类车辆的研究构成了对牵引动力学研究的主要内容。对于有作业质量要求的 非牵引式机械，研究分为两个方面：其一为发动机与工作装置之间的动力匹配 与控制，其二为发动机、传动系、牵引元件、工作装置之间的动力匹配与控制。 为了满足作业质量要求，采用稳态工作方式是最好的选择，因而这类机械的行 走驱动系统是一种单参数、载荷平稳的恒速控制系统，从理论上讲，较之载荷 波动剧烈、多参数自适应控制的牵引式车辆来说要简单得多，或者说是牵引式 车辆的某一特定工况。因而牵引动力学的研究重点在牵引车辆的驱动系统方面。 工程车辆牵引动力学的研究分为两个阶段，即静态研究阶段和动态研究阶 段。静态研究阶段主要集中在上世纪七十年代以前。其工况是静态，方法是点 工况参数匹配，不涉及到参数变化的过程问题。自七十年代以后，牵引动力学 研究进入动态阶段，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阁。 牵引动力学的研究表明【1 】嘲：车辆系统的四个组成部分一发动机、传动系统、 行走机构及工作装置之间互相联系和影响，工作装置的最佳控制是极限负荷控 制，行走机构最好的方式是采用动态参数匹配方法，发动机最好的状态是静态 工况下工作，因此，对动态负荷进行最有效调控的环节只能是传动系统。经过 数十年的发展，液压传动以机械传动所不具有的可控性强及可靠性适宜等特性 成为一种有效的工程车辆传动方式。特别是液压元件已经形成产品标准系列和 规格，控制手段和产品均已成熟。通过这些成熟产品的不同组合及引入新的算 法则可满足车辆需要的各种性能，在技术和成本方面与其它方法相比均有着无 第一章绪论 与伦比的优势。因而工程车辆牵引动力学进入了液压动力学研究阶段，是牵引 动力学在传动领域的深入，目的在于进一步改善提高机器在动态条件下工作的 适应能力。 车辆液压动力学研究对象为工程车辆液压驱动系统与整机性能，通过对不 同结构不同控制方式的系统在不同负荷模式作用下性能的研究，寻求车辆最优 控制方法，使车辆牵引性能、作业性能与自动化程度得到提高，同时具有合理 成本、寿命与舒适性，满足日益提高的环保要求等。其重点在于对其发动机一 液压传动与控制系统进行研究，希望通过对液压传动系统的结构和控制策略进 行研究，达到提高机器在动态工况下作业性能的目的。 液压牵引动力学的研究内容可归纳如下【l l ： 1 理论研究 ( 1 ) 动态性能指标体系与计算方法研究； ( 2 ) 动态测试数据的模型和处理方法研究。 2 动态性能试验方法与设备研究 ( 1 ) 现场试验方法与设备； ( 2 ) 台架模拟试验方法与设备； ( 3 ) 负荷车模拟试验方法与设备。 3 现场试验与台架模拟试验研究 ( x ) - r 作装置与工作介质相互作用的动态特性( 现场试验或土槽模拟) ； ( 2 ) 行走机构与地面相互作用的动态特性及其影响因素研究( 现场试验或土 槽模拟) ； ( 3 ) 发动机和传动系在变负荷工况下的动态性能研究( 现场试验或台架模 拟) 。 4 使用优化研究 使用条件对机器动态性能的影响和使用参数优化的研究。 5 综合应用研究 ( 1 ) 机器动态过程的数学模型和动态性能预测方法研究； 但) 牵引参数合理匹配和优化研究 动态牵引参数合理匹配和优化，是对动态工况下各参数的特征值进行优化， 尽管这是一种以点工况考虑问题的静态意义上的思想，但对牵引动力学从参数 2 k4， 长安大学硕士学位论文 的变化过程进行讨论的动态研究来说仍是必要的。因为从过程控制角度来看， 只有将参数的特征点匹配合理，才有可能采用简洁的控制方法 ( 3 ) 机器动态过程的计算机模拟与牵引参数设计的c a d 系统研究； ( 4 ) 机器机械化施工的优化系统c a d ； d ) 机器动态过程最优控制方法和设备研究 这一研究将要结合机器的结构参数、工作环境参数、使用参数( 动力学参 数) 来进行机器整体参数的过程优化控制，使机器在自动化或半自动化状态下 实现最优的综合性能。 ( 6 ) 机器动态性能试验标准的研究。 1 1 2 研究现状 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，关注的只是所谓的额定参数工作点描述和参数 匹配问题。额定参数的工作点匹配合理，则在这一点上稳定工作的机器就能获 得最好的性能指标 不讨论机器变参数的最优过程控制问题，只讨论特征点的参数匹配问题， 这是静态研究和动态研究的根本差别。 7 0 年代步入动态研究阶段，由英国农业工程研究所d w y c r m j 提出了系统 描述车辆( 拖拉机耕地作业) 牵引动力学的微分方程。基本上属于用静态特性 描述动力学问题的方程，研究的对象是机械传动车辆。之后，该研究所c 棚ad a 研究了车辆在波动负荷工况下的性能，改进了上述动力学方程，主要增加了柴 油机调速系统的动态方程。7 0 年代中期，前苏联国立拖拉机研究所( h a t u ) 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 学等方面由以上研究来看，7 0 年代牵引动力学的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。8 0 年代以后，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 【2 j f 4 】 8 叽9 0 年代，工程车辆牵引动力学的研究从多方面兴起，其中原西安公路 第一章绪论 学院等院校发表了一系列的研究成果，达到国际同期的先进或领先水平1 4 j 5 1 1 7 。 9 0 年代以后，牵引动力学的总体研究发展缓慢，特别是行走机构的动态特 性研究如同与其相关的车辆地面力学系统研究一样，基本处于停滞状态。其主 要原因除了该领域研究的应用效果不十分显著外，与提高机器行走机构动态性 能的过程控制手段贫乏有着极大关系，至今还找不到提高机器动态滑转性能的 有效控制方法相反，那些易于找到有效控制方法的环节，特别如传动系统的 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 发展到今天，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。如同经典车辆底盘动力学的发展，工程车辆液压牵引动力学也由 静态匹配研究阶段发展至系统动态性能研究的新阶段。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 由常值改进为动态变化过程，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。 在近代动态研究中，主要涉及的仍然是机械传动和液力机械传动的车辆性能， 这两种传动方式所决定的系统在采用线性控制方法方面存在着较大的困难，因 而还无法利用简易可行的过程控制方法来提高机器的动态性能。 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。 因此，液压牵引动力学中的重要内容为【1 】【5 】：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。经典的车辆底盘理论和牵引动力 学很少涉及到机器的可靠性与成本价格指标，为使研究更具有实用性，应将可 靠性、成本价格的指标理念引入到液压牵引动力学的研究中，即牵引车辆液压 传动系统的综合性能指标为：动力性，燃料经济性，可靠性寿命及成本。 4 长安大学硕士学位论文 近十年来，工程车辆的研究如同其它领域一样，正进入全面的自动化、智 能化阶段，而智能化的核心是运用过程控制的思想和方法通过对工作过程的参 数控制调节使整机获得动态条件下的最好性能。最终实现工程车辆综合性能最 优化、环保化及智能化。 1 2 本课题的意义 车辆发动机、液压驱动系统静态控制特性给出了系统的宏观控制目标与原 则，其基础建立在对车辆即驱动系统的动力性、经济性、作业生产率以及可靠 性寿命、成本、对变工况的适应性等综合要求的基础上。循环式工作车辆的牵 引负荷是一个变化剧烈的非平稳随机过程，在对负荷进行适应调节的过程中， 驱动系统是一个具有剧烈波动负荷干扰的恒功率与变功率结合的速度自适应调 节系统，对动态调节过程的稳定性、快速性等要求，决定了必要建立该系统的 动态数学模型，从变化过程分析其性能，并由此进行系统的控制策略与方法设 计 ， 工程车辆液压动力学的核心内容为通用变量泵一变量马达闭式系统的模型 结构与控制理论研究，其方法为流量耦合与压力耦合相结合，目的为充分发挥 两种系统的特点。变量泵一变量马达闭式系统的线性化模型将为液压传动控制 理论提供一种新的系统与方法。对上述控制系统进行理论研究的内容分为三个 方面f 1 】：其一为特征参数合理匹配。参数匹配是一种静态观点，而特征参数的 合理匹配是系统保证综合指标与动态性能的必要条件；其二为系统的过程控制。 在过程控制中参与检测、控制、计算的各参数反映了工作负荷的准静态趋势项 特性，各种控制目标都是针对这一趋势项进行的。作为一个具有动态控制特性 而非单一的静态传动的系统，必须具有动态系统的一系列要求，特别要进行稳 定性研究。其三为系统中高频随机动载的预防。 与以往车辆用液压驱动系统相比，上述系统分析中考虑工程车辆作业工况 下发动机变转速，以及变量马达的引入，系统变量增加，需要对泵参数和马达 参数两者共同进行调节才能实现闭环，使控制问题变得复杂。分析表明，车辆 驱动系统属于模型结构己知，参数变化且干扰剧烈的系统，对这种参数变化、 模型结构确定的系统需要一种随被控对象模型改变而自动变化的控制方法。 5 第一章绪论 在上述车辆液压牵引动力学发展状况的背景条件下，针对出现的液压传动 控制问题提出了本课题。对车辆的非线性动态系统而言，自适应控制、变结构 控制及智能控制等现代控制方法均是崭新的提法，至今这方面的研究仍是空白 1 3 论文主要研究内容 本文主要对以下几个方面展开针对性的讨论研究： ( 1 ) 分析发动机的输出特性，以及泵的工作特性，得出两者联合工作时的 理想控制目标，为了实现控制目标曲线，当发动机在低转速域时，以发动机转 速和系统压力为输入量，控制变量泵的排量，实现发动机的负荷控制目标曲线。 ( 2 ) 当发动机在高转速域时，对马达自动变量控制，实现以小的系统压力 变化适应大的外载荷的变化。 ( 3 ) 对流量耦合液压系统的动态模型的建立，车辆液压交量泵一变量马达 系统属于模型结构已知而参数变化且干扰剧烈的车辆液压驱动系统，其模型结 构的确定性使其具有m r a c 自适应控制的基础。为了提高系统的动态性能，用 s m r a c 自适应控制进行控制 ( 4 ) 建立参考模型、被控对象及综合自适应控制系统的m a t l a b s i m u l i n k 仿 真模型，分别对它们进行了仿真，并分析仿真结果，在系统参数变化的条件下， 简化模型参考自适应控制策略有效地克服时变参数的影响。 6 长安大学硕士学位论文 第二章牵引车辆液压驱动系统的静态控制 2 1 传统的机械传动方式中存在的问题及对策 传统的机械传动和液力机械传动都是通过不同传动比的多档位变速装置使 机械适应宽广的负荷和变速范围要求。然而档位的有级调节不能与连续变化的 负荷实现最合理匹配，这种有级的速比调节往往会使负荷所要求的功率和转速 得不到满足，机器常常处于不合理的运转状态；其次变换档位的操作需要司机 在适当的时机进行，不但操作复杂而且在一次作业中须变换多次，司机易疲劳 且不能总是选择这一时机；最后一个原因是剧烈波动且周期短暂的循环负荷， 即使采用有级自动换档也会因频繁切换而中断动力且产生摩擦功率消耗，同时 降低换档机构工作寿命与可靠性，且不能形成负载无级调节那样的理想效果， 发动机上同样会有一定的动载作用。还有一个重要问题是：工程机械使用的全 程调速器式柴油发动机的特点为，在调速段不论负荷扭矩如何变化，都维持较 稳定的转速。因此，随着所需功率的减小，燃料消耗急剧增加( 在万有特性上 表现为低负荷点位于高油耗线上) ，某一给定转速下的功率利用率( 指实际使用 功率与相同转速下所能发挥的最大功率之比) 也显著降低。因而无法保持牵引 车辆始终适应负荷变化而在最佳状态工作，其动力性、经济性、作业生产率都 将降低 采用液压控制的目的就在于改进上述不足。理论研究表明【1 】：液压传动并 辅以适当的控制装置与之配合，才有可能形成理想的传动系统，它能使发动机 的转速及其输出扭矩适应外部负荷变化而连续变化，并且保持高效率。而且， 因为液压系统具有无级变速的精细的速度调节，容易实现正反转，能防止发动 机超负荷以及具有良好的控制性能等一系列特点，所以使传统的只靠操作者的 经验和感觉来进行的人工操纵油门踏板和变速杆的操作大大简化了，并且也使 机械的性能和作业效率大大提高。同时，根据各种外界负荷的变化，使发动机 和传动系统的各项性能指标最佳化。 在工程牵引车辆上，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发动机、液压泵、液压马达各元件性能的影响，而且还要 7 第二章牵引车辆液压驱动系统的静态控制 受到各部件性能参数之间是否合理匹配的制约。目前的大量研究的只是对液压 泵、马达本身的压力、排量进行控制，当各元件组成一个系统时，为达到最佳 性能需要从发动机性能、液压传动和车辆理论方面进行综合研究才能得出结论 将工程车辆看作由发动机、传动系和负荷三要素组成的一个负荷驱动系统，针 对各作业工况不同的负荷要求，提出以下适合于发动机和液压传动系统的控制 原理及装置。 发动机恒功率控制装置，不论外界负荷扭矩的大小如何变化，都要将发动 机输出轴扭矩控制为一定值，即通过液压传动系统的变换作用，使发动机定值 扭矩适应变化的负荷扭矩由于发动机的负荷率取决于控制系统的目标值，因 此，若正确给定负荷率，使发动机液压系统的机械性能达到最良好的状态， 使整个系统始终在这一工况下工作，则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。 发动机变功率控制装置以恒扭矩控制为基础，根据外界负荷扭矩的变化 来控制发动机的转速，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 通过上述两种控制的组合，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。 2 2 牵引车辆液压驱动装置的基本工作原理 车辆液压传动装置中的液压泵、马达、连接管道及其控制阀组在结构上可 以有多种组合方式，按布局形态可分为“整体式”和“分置式”两类；按液压 马达与行走装置之间的联接，有“高速方案”和“低、中速方案”；按泵、马达 数量可分为单泵、单马达，单泵多马达，多泵多马达等。 8 长安大学硕士学位论文 、 图2 2 - 1 闭式行走液压原理图 由于正、反方向行走及制动等要求，行走机械液压传动装置的泵、马达大 多采用闭式回路方式( 图2 2 1 ) ，只是在一些小型车辆上偶尔采用带有平衡背压 的开式回路。闭式系统可以充分的体现液压传动的优点，它采用双向变量液压 泵，通过泵的变量改变主油路中的流量和方向，实现车辆的变速与换向。闭式 系统的主泵上同轴附设- d , 排量补油泵，补油溢流阀和补油单向阀多集成于主 泵，冲洗冷却阀组集成于马达。补油溢流阀调定补油压力，补油单向阀选择补 油方向，向主油路低压侧补油，以补偿由于泵、马达容积损失及由冲洗冷却阀 组中泄掉的流量。补油泵的存在使系统增加了一部分很小的稳定的附加损失 但其排量和压力相对于主泵均很小，因此其附加功率损失通常仅为传动装置总 功率的1 - 2 ，可以不计。基于效率方面的考虑，行走机械闭式液压传动装置均 采用容积调节方式来变速，主要调节参数为变量泵和变量马达的排量比。 反。老以。芒 式中：尾，成一泵、马达排量比； k 、圪一泵、马达实时排量； k 。、一一泵、马达最大排量。 行走机械闭式系统优点如下【1 1 1 4 2 1 ： ( 1 ) 补油系统除能在主泵的排量发生变化时保证容积式传动的响应，提高 9 第二章牵引车辆液压驱动系统的静态控制 系统的动作频率外，还能增加主泵进油口处压力防止大流量时产生气蚀，提高 泵的工作转速和传动装置的功率密度。 一 此外，可以在补油泵出口安装一个较小流量的压力滤油器，使工作介质经 过滤后进入系统，提高传动装置的可靠性和寿命 补油泵通常还可用于对主泵和马达进行冷却，让多余的流量通过主泵和马 达壳体回油箱，这种冷却对防止主泵、马达长时间在零流量或零压力( 或持续 高压大功率) 下工作产生的过热是必要的。因为在零压力情况下泵、马达一般 无内泄漏，持续大功率下则热量过多。 补油泵的最后一个优点是能方便的为某些低压工作的辅助机构和制动器提 供动力，这种情况下安装一个顺序阀即可保证主回路不受辅助回路影响，防止 因补油不足而停车。 ( 2 ) 仅有少量的补油流量从油箱吸取，油箱小，便于行走车辆布置。 ( 3 ) 由于存在背压并且对称工作，以及柱塞式液压泵、马达具有很高的容 积效率，其内部泄漏随压力变化很小，因而闭式系统能平稳的从正转通过零点 向反转过渡并能在任意方向实行全液压制动操作，并能保证输出轴有足够的刚 性，在负荷大小和方向突然变化时平稳工作 闭式系统的上述特点使它特别适应负荷变化剧烈、前进、倒退和制动频繁 的工程车辆，以及速度要求严格控制的作业机械，因此，对工程车辆有着特别 的意义【1 1 。 2 3 变量泵的控制 2 3 1 发动机 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，而影响燃料消耗率和机械效率的重 要因素是发动机的功率利用率删。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，证明如下： 倪= 以1 0 0 0( 式2 3 1 ) 式中：g 一燃料消耗量，k g h ： 1 0 长安大学硕士学位论文 一燃料消耗率，比油耗，g k w h ； b 一有效输出功率，k w 。 g e = g n 幛 式中：蜀一指示燃料消耗率，g k w h ： 田。厂机械效率。 & - 希舢6 式中：j 7 广指示热效率； 风燃料热值，k j l 【g 。 ( 式2 3 - 2 ) 对全程式调速柴油机，当油门不变时转速大致不变，空气量一定，借助于 调速器的作用，随着负荷的增减自动调节燃油供给量来调节发动机的输出功率， 因而过量空气系数就成了负荷率的函数。对于不同的转速有不同的最佳负荷率， 因而过量空气系数为转速和负荷率两者的函数。 口- 口g ，捍) ( 式2 3 4 ) 一式中；口过量空气系数： a m 一发动机负荷率； 拜一发动机转速。 指示热效率可以看成是过量空气系数和压缩比的函数 仇( ，口) ( 式2 3 - 5 ) 式中：f 一压缩比。 柴油机在整个转速范围内一旦确定某一转速，则最佳负荷率确定，压缩比 是不变的，因而刁i 不变，指示燃料消耗率盛亦不变，由式2 3 2 可以判断，燃 料消耗率为最小值时，机械效率j 7 对必定为最大值 由上述分析，影响发动机机械性能最佳化的因素就成为燃料消耗率和功率 利用率。 发动机万有特性与调速外特性如图2 3 1 所示，横坐标为发动机转速， 纵坐标为输出转矩膨，虚线双曲线为等功率线心，实线环线为等油耗线g 。 1 1 第二章牵引车辆液压驱动系统的静态控制 发动机等功率线与等油 耗线相切点是该功率下的最m e 低油耗点1 4 0 【4 1 1 ，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 3 1 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u 能指标同时包含着动力性与 n e 图2 3 1 发动机万有特性与调速外特性 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。 根据国家标准g b l l 5 0 - 8 7 o 3n h ，假定泵的额定转速? l h 与发动机额定转速n e l l 相匹配，这就使泵的排 量启动转速也处于较高效率处，从而保证液压传动装置有较大的启动转矩，车 辆有较大的起步牵引力。柴油机在正常牵引作业时的转速域为n m , n n l l ，约为 ( o 6 5 1 ) 阳，这一转速域为泵的高效区间。因此使i h 与? l e d 匹配并取栉d 1 1 3 h 砌就可以保证在柴油机全部的工作转速范围内泵都为高效转速，显然这样 的转速匹配是比较合理的 ( 3 ) 液压泵总效率随排量比口6 增大而增大，因此泵的变量范围最好控制在 ，6 - - - 0 5 1 范围内( 相当于泵的变换比如为2 ) ，以使泵的总效率高于7 5 ；排 量比， 为0 2 5 0 5 的范围( 总效率为o 6 0 7 5 ) 仅用于车辆要求的特殊的低 速工作( 相当于泵的变换比i v 为2 4 ) ；而，6 在o 2 5 以下的区域仅作为起步、 加速的过渡过程而不用于正常作业。在设计发动机与液压泵的自动控制装置时 应该基于上述原则进行参数匹配。如要求机器有较低的工作速度应该采用使发 动机为中低转速、泵为大排量的工作模式以节约燃料并提高传动效率，而不应 该采用发动机高转速、泵小排量的方式。 ， 液压泵同其动力源发动机之间，存在以下关系； 旦只( k 叼 做2 3 6 ) 6 0 0 0 0 , 1 , 、7 、 7 式中r 液压泵进出1 ：3 压差，m p a ； ，泵理论排量，m l r ； 刀泵驱动转速，r m i n ； j 7 广一泵机械效率； r 一发动机驱动泵的净功率，k w 式( 2 3 6 ) 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 系统即泵的进出口压差a p 之间存在着n ：比关系，因此，只要给出泵在一定转 速雄时的发动机输出功率b 和泵的机械效率j 7 ，就能够确定对应于任何外界负 长安大学硕士学位论文 荷扭矩所需的y 的最大值，也就是说，v 的大小表现了作用于发动机的负荷的大 小，v 的最大值要受到发动机输出功率的限制。 变量泵排量比p 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。根据这个结论和前述式( 2 3 6 ) 条件，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席中最大输出功率。( 只一 为发动机调速外特性对应之功率，是转速 的函数) 为液压传动系统控制装置 的目标值，若以负荷压差t x p 作为传感量，则由式( 2 3 6 ) 有 6 0 0 0 0 p , r , 1 ， 印n 满足这个基本关系的，值就是液压传动装置的最佳工况。 这意味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、转速阼一定的工况下，这是液压传动系统获得最佳机械性能 的充要条件。 十一， 2 3 3 发动机一液压泵的控制目标 - 由上可知，发动机的控制目标为低油耗、较高的功率利用率( 9 0 1 0 0 ) ， 液压传动系统的控制目标为高效率、且使发动机满负荷率( 1 0 0 ) ，各控制目 标的核心最终归结为选定合适的发动机负荷率【1 l 。发动机合适的负荷率是其 动力性、燃料经济性和液压系统效率最佳的必要条件。因此，发动机液压系 统的控制目标就是确定发动机在任意转速下合适的负荷率。然而，发动机和液 压传动系统的控制目标之间存在着一些差异，因此当发动机和液压传动装置组 成一个复合动力装置时，就要充分考虑各自的特点，确定合理的控制目标值， 使复合动力装置有最高的综合性能。由此确定的耳标值为【1 】；在发动机怠速以晌 至最大扭矩转速n m m a x 之间取目标值负荷率为9 0 或更低一些。按9 0 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 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 1 7 第二章牵引车辆液压驱动系统的静态控制 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i ? ，增加补偿了由于转速增加引起的j 7 。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 3 - 6 所示，其 中曲线l 2 一为理想的目标值负荷曲线。 实用的控制策略应使液压泵在低转速范围内形成的负荷扭矩较低，如图 2 3 6 中r 2 段直线所示，明显低于理想的目标值负荷率1 2 段。由于发动 发动机的主要工作区间，控 n 0n 。n “n 制装置必须保证目标值负荷图2 3 - 6 发动机扭矩外特性与目标值负荷率 率的实现。 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 3 6 中直线 2 2 、3 、所示，这样在转速厅：饿h 范围内可能使发动机超载，转速由l 降至尼：， 由于厅：与n i t 差异较小，且比阳点油耗更低，特别是可充分利用发动机额定工 况附近的功率，因而实践中多用这种简化方法【l j 2 3 4 控制算法 如图2 3 7 所示，在启动转速n 口至额定转速船之间，对应于任意转速捍， 泵都按图2 3 6 中1 2 3 ( 或r - 2 - 3 ) 控制负荷线上与n 对应之负荷m z 进行恒 扭矩控制工作，以排量的变化适应外载荷的变化，表现为压力p 与排量 ，呈双 曲线关系。在低转速区1 2 ( 1 - 2 ) 段上，随转速升高泵排量增大，以使泵进入 更高的扭矩点工作。对应于发动机低转速n o y m m a ：m 作域( i ) ，泵的工作域 为图2 3 6 所示全部双曲线族。按上述观点形成的实用的目标值负荷曲线如图 长安大学硕士学位论文 2 3 6 中1 - 2 - 2 、- 3 、所示，相应泵的排量控制算法如下： 6 0 0 0 0 。垒堕竺f ! 二型。卫 一- - n o p 厅s 万( 式2 3 8 ) y 纛 一一一一一一一 n 式中：昂一、一一发动机最大扭矩工况功率与转速7 一泵排量启动转速，n 。弹。， 。为发动机怠速。 控制装置的设定和参数匹配，只考虑低速域，l 口仉埘胁间的参数匹配，使泵 排量在以点启动，至n m m a x 点泵为全排量且朋五。= o 9 m 。即可。泵排量受压力 p 和转速n 双重控制，随转速升高排量增大，随压力升高排量减小泵的排量 既能适应发动机的负荷率，又能适应外载荷的变化。在 。一以。低速域，车辆 的调速由发动机与变量泵来共同实现。由于两者同步递增变化，使得车辆的加 速性能良好且工作柔和；在负荷压力p p 。( 既由朋二。与v r n a t 给出) 时泵为 全排量工作而成为定量泵，调速由发动机单独实现。 在高转速域n 。一区间，这是发动机的主要工作域，泵排量不受发动 机转速控制，成为压力的单一函数： y y 0 ) 丝蚴划 p ( 式2 -