（交通信息工程及控制专业论文）900吨轮胎式运梁车液压行走驱动系统研究.pdf

捅斐 随着我国经济的持续快速发展，铁路运力不足的矛盾也越来越突出，建设铁路客运 专线，实现铁路客运与货运分离已经刻不容缓。受铁路客运专线施工工艺的限制，从预 制梁场到架桥现场之间对混凝土箱梁的运输必须使用轮胎式特种车辆，运梁车正是为了 满足这种需求而研制的。由于铁路客运专线建设线路长，时间紧迫，建设中需要大批运 梁车。进口运梁车价格昂贵且无法满足市场需求，而国内企业缺少相关的设计开发经验， 无法提供性能完全满足要求的运梁车。本文结合实践，对9 0 0 吨重型轮胎式运梁车重要 组成部分之一的行走液压系统进行了研究，分析了行走系统动力学特性，计算了不同工 况下行走系统的阻力和功率消耗；设计了重型轮胎式运梁车的液压行走驱动系统，对液 压行走驱动系统的控制模式进行了研究，确定了以e p 控制为主的全电控方案；研究了 基于节能目的的发动机功率控制的策略和并车驱动方案；根据计算结果，对液压行走驱 动系统的主要元件进行了选型；对采用液压行走驱动系统的重型轮胎式运梁车的多轮胎 之间的差力和差速问题进行了初步研究，提出了解决这一问题的方案；运用a m e s i m 软件建立了重型轮胎式运梁车液压行走系统的仿真模型，通过计算机仿真，对重型轮胎 式运梁车的牵引性能、爬坡对行走液压系统的冲击和起动速度对行走液压系统的冲击问 题进行了研究，指出了减缓冲击的措施和控制参数。 关键词：重型轮胎式运梁车行走系统静液压驱动a m e s i m 计算机仿真 a b s t r a c t f o l l o w i n gt h ec o n t i n u o u sa n df a s td e v e l o p m e n to fo u re c o n o m i c ，t h eg a pb e t w e e nt h e c a r r yc a p a c i t ya n dt h en e e di sw i d e ra n dw i d e r , i ti st h em o s ti m p o r t a n tt oc o n s t r u c ts p e c i a l l i n ef o rp a s s e n g e rt r a f f i c ，a p a r tt h ep a s s e n g e rt r a n s p o r tf r o mf i e i g h t f o rt h er e q u e s ta n d r e s t r i c to fs p e c i a ll i n ef o rp a s s e n g e rt r a f h cc o n s t r u c tt e c h n o l o g y , t r a n s p o r t i n gt h ec o n c r e t eb o x g i r d e rt os p a nb r i d g e1 p e a lf r o mp r e f a b r i c a t eg i r d e rf i e l dm u s tr e l yo ns p e c i a lw h e e lt y p e v e h i c l e t r a n s p o r t i n gg i r d e rv e h i c l e i sb u i l dt om e e tt h en e e d b e c a u s eo ft h el o n g c o n s t r u c t i o nc i r c u i t r ya n dl i t t l et i m e ，t h et r a n s p o r t i n gg i r d e rv e h i c l en e e d e di sm o r e i m p o r t e d t r a n s p o r t i n gg i r d e rv e h i c l ei se x p e n s i v ea n dn o tm e e tt h ed e m a n d ，i n n e rc o r p o r a t i o ni ss h o r to f t h ee x p e r i e n c eo nd e s i g nt r a n s p o r t i n gg i r d e rv e h i c l e ，c a nn o ts u p p l ye n o u g hp r o d u c t i o nt o f u l f i l lt h en e e d c o m b i n i n gt h ep r a c t i c e ，t h i sp a p e rs t u d i e st h eh y d r a u l i cd r i v es y s t e mo f9 0 0 t t r a n s p o r t i n gg i r d e rv e h i c l e ，a n a l y s e st h ed y n a m i c so fd r i v es y s t e m ，c a l c u l a t et h er e s i s t i n g f o r c ea n dp o w e rc o n s u m eu n d e rd i f f e r e n ts i t u a t i o n ；d e s i g nt h eh y d r a u l i cd r i v es y s t e m ， r e s e a r c ht h ec o n t r o lm o d e ，a d v i s et h ef u l le l e c t r i c i t yc o n t r o lp r o je c to ne p ；s t u d yt h ee n g i n e p o w e rc o n t r o ls c h e m ea n dc o m b i n i n gd r i v ep r o j e c to nl e s se n e r g yc o n s u m e ；c h o o s et h em a i n c o m p o n e n to fh y d r a u l i ed r i v es y s t e mb a s e do nt h em e c h a n i c sc a l c u l a t i o nr e s u l t ；s t u d yo nt h e f o r c ed i f f e r e n ta n ds p e e dd i f f e r e n ti nt h ed r i v es y s t e m a d v i s eaw a yt od e a lw i t ht h e p r o b l e m ；f o u n dt h eh y d r a u l i cd r i v es y s t e ms i m u l a t i o nm o d e lo ft r a n s p o r t i n gg i r d e rv e h i c l e w i t ht h eh e l po fa m e s i m s o f t w a r e ，b yt h ew a y o fc o m p u t e rs i m u l a t i o n ，s t u d yt h et r a n s p o r t i n g g i r d e rv e h i c l eo nt r a c t i o np e r f o r m a n c e ，h y d r a u l i cs y s t e mi m p u l s i o nd u r i n gu p g r a d ea n ds t a r t ， a d v i s et h ew a ya n dp a r a m e t e rt od e d u c ei m p u l s i o n k e yw o r d s ：w h e e lt r a n s p o r t i n gg i r d e rv e h i c l e ，t r a c t i o ns y s t e m ，s t a t i c - h y d r a u l i cd r i v e ， a m e s i m ，c o m p u t e r s i m u l a t i o n i i 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。 敝储签名：旁饧 呷年否月7 p 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： 导师签名： r 一、 ，务心圆 顶昱曜 川年6 玛? ( ) b 名7 年月l o 日 长安大学硕士论文 第一章绪论 1 1 重型轮胎式运梁车研究的背景及意义 1 1 1 重型轮胎式运梁车国内外现状 重型轮胎式运梁车属于重型工程机械，广泛应用于船舶建造、路桥建设等领域，是 大型物件搬运过程中必不可少的专用设备。它采用全液压驱动，并配有现代韵微电子控 制系统，是一种“机、电、液”一体化的新型工程机械。 未来十年至十五年内，我国交通行业与造船工业将实现跨越式发展，政府将加大基 础建设投入，与其建设相适应的施工设备需求增长迅速。重型轮胎式运梁车作为路桥施 工和船舶建造必不可少的设备，未来几年的需求将大大增加。重型轮胎式运梁车还是造 船厂钢结构船体分段在工序之间转运的主要设备，也适用于大型钢厂和公( 铁) 路特大 型混凝土预制构件的运输。作为牵引车，还可用于机场飞机的牵引，军事上用于导弹载 运，重载装备运营公司用它为客户运载重型设备、装备。 国内工程机械近年来得到很大发展，迄今为止，运梁车液压系统已经改变了长期以 来成套从国外引进的局面，国产设备的市场占有率大幅度提高，与德国k a m a g 、 k i r o w 、索埃勒( s c h e u e r l e ) ，意大利n i c o l a s 等公司的产品一起，工作在道路 桥梁建设的现场。【1 】但是，与国外技术水平领先的运梁车相比，国产设备还稍显不足。 国内企业中，皇岛市通联路桥机械有限公司，中铁武桥重工股份有限公司，郑州大 方桥梁机械有限公司，上海电力修造厂，上海港机重工有限公司，中铁工程设计研究院， 湖北三江航天万山特种车辆有限公司等多家单位都在从事重型轮胎式运梁车的研究、设 计与制造工作，并先后推出了包括t l c 9 0 0 ，m b e c 9 0 0 c ，d c y 9 0 0 ，y l 9 0 0 在内的多 种型号的9 0 0 吨级重型轮胎式运梁车。 1 1 2 液压传动及控制技术 现代液压技术一般分为工业用液压技术( 固定设备用，i n d u s t r yh y d r a u l i c ) 和移动 设备液压技术( m o b i l eh y d r a u l i c ) 两大部类，这里论及的行走机械液压传动是后者的一 个重要分支，即国外通常称为“静液压传动”( h y d r o s t a t i ct r a n s m i s s i o n ，简称h s t ) 。 第一章绪论 h s t 技术最早用于军用武器系统，典型的应用例子是作为飞机、舰船或作战车辆的 炮塔驱动装置。战后2 0 世纪5 0 年代开始转入民用，先是试用于农业拖拉机，后又推广 至其他领域，并在许多新型行走机械的驱动技术中崭露头角。在经过一个新生事物发展 初期，由于元件和系统等方面的技术不成熟而不断遭受挫折又不断改进提高的发展阶段 后，现在这种技术在行走机械上已站稳了脚跟，越来越成为传统的机械传动和液力传动 的有力竞争对手。 采用闭式油路系统是传统h s t 装置静液压的核心技术特征之一。以闭式油路系统 构成的h s t 装置在保留了液压传动所共有的功率密度高、布局方便、过载保护能力强 和控制方式灵活的优点的同时，又具备了在由马达输出转速矢量及扭矩矢量为坐标轴组 成的所有4 个象限中无级调速和连续运转的能力。在许多方面比纯机械传动( 发动机平 均负荷系数低，一般只能有级变速，布局方式受限制) 、液力传动( 特性匹配及布局方 式受限制，变矩范围较小，动力制动能力差，不适合要求速度稳定的场合) 和电力传动 ( 功率密度低、目前效率比较差) 更适合对调速性能要求高、传动路线布局较特殊的中 低速行走机械使用。例如，已有大量事实证明，一台配备h s t 传动装置的叉车或装载 机可以在装用较小功率发动机的条件下获得较之纯机械传动和液力传动的机型高得多 的生产率和低得多的比油耗，而新出现的“二次调节系统”及“相关的液压变压器”等新型 元件为h s t 技术注入了新的活力，并将促使它的应用向更大的深度和广度发展。1 2 广泛应用h s t 技术己是现代工程、农机、起重运输机械和许多军民用特种车辆的 一个重要标志。一方面，这些主机自身的发展促进了为之配套的液压元件的进步；另一 方面，正是因为在调节功能和安装布局方面均有特殊优点的h s t 技术的不断发展。1 3 作为主要施工设备的工程机械，目前9 5 以上都采用了液压传动与控制技术。液压 传动与控制技术，是促进工程机械主流方向不断发展的基础条件： 1 ) 在安装空间狭窄、对重量有严格限制条件下，实现大功率、多执行器的集中灵 活控制( 机位、远控、遥控) ； 2 ) 在只能以发动机作为原动力情况下，达到功率的综合利用与限制； 3 ) 在相对更恶劣的外场工作环境和受油箱容积限制而出现较高油温情况下，保证 运作的可靠性、安全性、舒适性。 液压传动由于其自身的特点在以矿物油为燃料的内燃机作为动力的行走机械上处 于优势地位。在数字控制技术的今天，用于行走机械的比例控制静液压传动系统在频响 和控制精度上无异于伺服阀控制静液压传动系统；而比例控制的优点，如高可靠性，耐 2 长安大学硕上论文 污染能力、制造和使用成本低、无零漂、易调整等给主机的设计和使用带来很大的益处， 它代表了当今液压电子技术的潮流和发展趋势。【4 】【5 】 1 2 问题的提出 自从国务院批准了铁路发展的中长期规划，2 0 0 5 年以来，铁路客运专线建设迅猛发 展，重型轮胎式运梁车作为铁路客运专线预应力混凝土箱梁运输和架设的关键设备之 一，需求量增长迅速。即将建设的9 条客运专线预计投入该类型轮胎式运梁车6 0 台。 这些轮胎式运梁车应能实现预制混凝上箱梁从制梁场到架桥机之问的运输。轮胎式运梁 车通过路基和桥涵等结构时，不能超过其允许的承载能力。 铁路客运专线预应力混凝上箱梁基本梁型为3 2 m 、2 4 m 和2 0 m ，各梁型设计重量( 含 防水层和保护层重量) 分别为3 2 m ：8 9 9 吨；2 4 m ( 3 m 梁高) ：6 9 9 吨；2 4 m ( 2 ，4 m 梁 高) ：6 5 7 吨；2 0 m ：5 6 2 吨。轮胎式运梁车应能运送铁路客运专线3 2 m ，2 4 m ，2 0 m 双线 混凝上箱梁，必须保证箱梁运输过程中的正常的支承状态，保证箱梁结构安全。 轮胎式运梁车在施工作业中，运行速度低、运输距离长，车辆在桥面行驶时要求行 驶路线精确，不允许发生较大偏差而对桥梁造成损坏。这样的运输条件，如果完全由人 工驾驶和控制，其劳动强度非常大，而且很难保证作业的安全性，因此，要求轮胎式运 梁车必须具备自动驾驶功能，确保运梁安全、高效。要实现自动驾驶，必须采用自动转 向系统，使车辆在运行过程中得到精确转向控制，平稳运行。 鉴于以上要求，设计制造9 0 0 吨级、行走系统采用液压驱动的轮胎式运梁车是必然 之举。液压行走驱动系统的合理设计可以最大程度的满足作业需求，降低操作强度，节 约能源，是轮胎式运梁车实现智能化的基础。 1 3 本文的研究内容 本文在对轮胎式运梁车发展现状和发展趋势综述的基础上，针对9 0 0 吨级运梁车市 场需求旺盛这一现状，结合工程实际，对9 0 0 吨级轮胎式运梁车的液压行走驱动系统进 行了研究： 1 、对9 0 0 吨级轮胎式运梁车的行走系统进行了力学分析和数学计算： 2 、对9 0 0 吨运梁车的液压行走驱动系统结构和控制模式进行初步研究； 3 、完成了9 0 0 吨运梁车液压行走驱动系统的设计和元件选型； 3 第一章绪论 4 、运用a m e s i m 软件建立了轮胎式运梁车液压行走驱动系统的仿真模型，并在此 基础上对液压行走驱动系统进行了仿真。 4 安 学碗论文 第二章行走系统动力学分析 2 1 轮胎式运梁车驱动特点 轮胎式运粱车，主要是在预制梁场与桥梁架设点之间，运输箱粱。秦沈客运专线的 成功实践使人家认识到，运梁车的总体结构可以是大轮胎少轮胎中梁式和小轮胎多轮胎 上置双粱式。根据铁道部2 0 0 3 年颁发的京沪高速铁路运架设备研制技术条件轮胎 式运粱车轴线中，应有1 ，3 为驱动轴，其余为从动轴。 6 1 图2 1k s c 9 0 0 型运梁车 图22 驱动轮轮架结构型式 第二章行走系统动力学分析 运梁车在作业过程中，需要根据运输路线，调整行驶方向；直线行驶过程中也需要 调整方向，补偿因为行走系统中各车轮的差异、道路情况差异等因素引起的跑偏。 a 全轮转向模式 瑶 莲垂舞 鼍 _ j f b 著= 2 b = 士 l 上一 1 ，一 ：b = b = ：b ；辛一零芽巧：辱 ：j 三日=：矗 ：中平书平平 j 乇_ = 0 音妄土土l _ 士_ 一墓寸4 墓4 矗 f b “八”字转向模式 茸了洱干 一 壬 蓍班 后 圭壶孛一电圭圭 1瑗一! 鼍毛- t ，4 十；十 o t 一= r 叶。；t ；“广；十一 ：k 士上，上= p 芏= ，土= 芏= 上三i 芏三 c 小角度斜行 图2 3 运梁车转向模式 实际作业过程中，轮胎式运梁车一般需要具有如上图所示各种模式的转向能力。在 实施转向过程中，运梁车的众多车轮之间会出现转速差异，尤以全轮转向时转速差异为 大。运梁车可以采用如图2 4 所示的结构，来实现多轮驱动的转向。 6 长安大学硕上论文 l iii 。l i i 一一 _ p 一 ioo 一露磁墨 丘二兰黯拄一a 菩穗 l 一矿。i # - f ! 一掘i 1 匿：i 鲻f 一取u 毪 副l i 毫 i ， 、扪 一 1 f 一广一 _ _ 召 vl - 寻一 - |l 一一j r 珂二三 r f 。 l w h 一。 翼f - - | 毒f 罱 3 玎一 - 1 ”i 譬l = i 二丁 _ 一 二， - 】 掣镬o 虻“ 上 l 纠 吖 一 + 。t l i 。 。11 一1 置爿f 一，_ f 。下 b 佴；誓靠 一一呵二!一 m。 辩；j 产叫焉 啊研 月； ；魁疆一瓤；剿；整鲁替耸- 。，删一蛀 一备一 噶， 一。 、一 1 2 s 07 2 5 0 2 s 8 2 ) 由于道路情况的差异，与一般单桥或双桥车辆相比，运梁车的驱动轮之间转速 差异更复杂，也更容易发生车轮打滑现象。 3 ) 转向过程不再仅仅对某一轴线( 车轮) 进行操作，而是对多条轴线进行操作， 且每一轴线的转向动作不完全一致。 4 ) 由于车身长，驱动轮多，动力链长，动力传动系统布置困难，因此，采用液压 传动较多。 5 ) 运梁车通常配备有前后两个驾驶室，操作人员可以从运梁车的两个驾驶室对运 梁车进行操作。 6 ) 运梁车的液压行走驱动系统在运载作业和空程回驶过程中，负荷相差大。 2 2 轮式行走机构力学分析 2 2 1 从动轮力矩平衡 从动轮被机架推着前进，其力矩平衡方程为： 7 第二章行走系统动力学分析 疋k r 。：0o r 疋= r 旦= 耽= r k 。 式中：疋一机架对从动轮的推力，n ； ( 2 1 ) r k 一车轮的半径，m ；它等于车轮几何中心到牵引力力线的距离，一般计算时，可以用 轮心到地面的垂直距离替代； 兄一滚动阻力矩，n 掰；r 。= r x a ； 尺一地面垂直反力，r = q ( 轴载荷) ，n ； 口一地面垂直反力偏心矩，m ； 五一从动轮滚动阻力系数； 一从动轮滚动阻力，n ； 旦是从动轮滚动阻力系数，用厶表示。r 旦为滚动阻力，用表示。 r kr x 图2 5 从动轮滚动受力分析 如果从动轮滚动阻力矩用表示，则： m _ | c = r 8 = f c r x = f c r i ( 2 2 2 驱动轮力矩平衡 m k f r x r o = 0 8 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 长安大学硕上论文 式中：m r 一驱动力矩，所： ，一驱动轮牵引力，n ； 图2 6 驱动轮滚动受力分析 将上式除以车轮滚动半径得： m k f 一只l ：0 kk ( 2 4 ) 丝是驱动轮转矩所产生的圆周力，它在数值上等于切线牵引力r 。旦是驱动轮 k 滚动阻力系数，用厶表示。月旦为滚动阻力，用表示，所以有： x r f 一啄= 0 ( 2 5 ) 上式说明，驱动轮的牵引力f 是切线牵引力足与滚动阻力咏之差。 如果驱动轮滚动阻力矩r 。用m 肛表示，显然有 m f ，( = r a = f 饵r x 2 3 轮式车辆的滚动阻力与附着性能 2 3 1 滚动阻力系数 ( 2 6 ) 车轮滚动时产生滚动阻力，滚动阻力一般包括土壤变形的滚动阻力。及轮胎变形 9 第二章行走系统动力学分析 引起的滚动阻力巳。对于单个车轮而言，滚动阻力可用下式表示： = 0 。+ 巳 ( 2 7 ) 对于轮式机械来说，滚动阻力是驱动轮和从动轮滚动阻力之和，即： e = 咏+ = 嘭厶+ g c 厶 ( 2 8 ) 当f = 厶= 丘时，且g s = 瓯- i - g c ，则： 乃= g 厂 ( 2 9 ) 式中：厂一综合滚动阻力系数，可由实验测得，作为机械设计或性能预测时使用； 瓯、g c 一分别为驱动轮和从动轮载荷。 表2 1 轮胎在各种路面上的滚动阻力系数 土的相对湿度轮胎气压m p a 土种类 b ， | p o 10 2o 3o 。4o 。5 0 40 6 70 1 00 1 4o 1 7 o 1 8o 1 9 o 61 0 00 1 1o 1 50 1 80 1 90 2 0 粘性松土 0 71 1 70 1 2o 1 60 1 90 2 l0 2 2 0 81 3 3 0 1 2 0 1 8 o 2 lo 2 30 2 4 0 40 6 7o 0 50 0 40 0 4 0 0 4o 0 5 o 6 1 o o o 0 50 0 5o 0 6 o 0 60 0 7 粘性实士 o 71 1 70 0 6o 0 60 0 7 o 0 80 0 9 0 81 3 30 0 7o 0 8 o 0 9 0 1 0 0 1 1 非粘实十 0 50 8 30 。0 60 0 60 0 7o 0 80 0 9 硬路沥青面 0 0 30 0 20 0 2o 0 20 0 2 2 3 2 附着性能及其影晌因素 驱动轮在地面上滚动时，在驱动力矩的作用下，车轮与地面的接触面上各微小单元 之间都会产生微观滑转，亦即地面各微小单元面上都产生抗滑转反力，这些抗滑转反力 的水平合力就是切线牵引力r 。 l o 长安大学硕士论文 车轮在坚硬地面上滚动时，切线牵引力主要由轮胎与地面之间的摩擦产生；车轮在 松软地面上滚动时，轮胎的花纹嵌入土壤，切线牵引力主要来自土壤的抗剪切反力。地 面对车轮产生抗剪切反力或切线牵引力最作用的同时，车轮对地面产生相对滑转，滑 转程度用滑转率万来表示。当切线牵引力r 一定时，艿越小，地面的抗滑转能力就越高， 地面的这种抗滑转的能力称为附着性能。 2 3 2 1 附着力与附着系数 轮式车辆在运输工况下，多在较好的硬路面上行驶，如沥青路面等，此时切线牵引 力主要由路面的摩擦反力提供。由于路面或土壤情况的复杂性，滑转率万与牵引力f 之 间的关系，即滑转曲线多由试验取得。驱动轮滑转曲线和轮胎的类型、路面材料以及路 面的状况( 如干湿程度) 都有关系，道路条件对其影响较大。 为了定量地说明附着性能，规定在容许滑转率时，驱动轮所发挥的牵引力称为附着力。 附着力与附着重量之比值称为附着系数，即： 伊= 乞。r 却 ( 2 9 ) 表2 2 轮胎在各种路面上的附着系数妒 十的相对湿度轮胎气压m p a 士种类 | 国嘛 c o r p 0 1o 2o 3 o 4o 5 o 40 6 7 o 8 3o 7 5o 7 00 6 7o 6 5 0 61 o oo 8 2 o 7 20 6 6o 6 3o 6 1 粘性松土 0 71 1 7o 8 0 0 6 8o 6 20 5 80 5 5 0 81 3 30 7 70 6 lo 5 3 o 4 7 0 4 4 o 4o 6 7o 9 40 8 9o 8 7o 8 50 8 4 0 61 0 0o 8 90 8 00 7 5o 7 1o 6 9 粘性实土 0 7l 。1 70 。8 40 7 00 6 30 。5 8o 5 3 0 81 3 30 7 5 0 5 50 4 30 3 40 2 6 非粘实士 o 50 8 3o 7 80 7 0 o 6 50 6 2 o 6 0 硬路沥青面 0 9 0o 8 2o 7 60 7 20 7 0 2 3 2 2 影响附着系数的因素 第二章行走系统动力学分析 对轮式车辆的滚动阻力和附着性能影响因素的分析，目的在于考虑如何减小滚动阻 力和提高附着性能。轮式车辆较履带式车辆附着系数为小，且不能利用整机作为附着重 量( 部分轮胎驱动时) 。 1 土壤条件 土壤剪切强度越大，附着性能越好。土壤抗剪切强度又受湿度变化影响，土壤越潮 湿，轮胎的附着性能就越差。土壤表面强度较低、而底层强度较高时，采用高花纹轮胎 可提高附着性能。 2 路面条件 轮式车辆进行运输作业时，在硬质路面上行驶时。其附着性能取决于轮胎和地面的 外摩擦系数。必要时，可装设防滑链来防止打滑。 3 附着重量 在摩擦性土壤中，增加附着重量，可以提高附着能力，但当土壤抗剪应力达到最大 值后，如再增加附着重量，可能会降低驱动力。 增加驱动轮的比例，可以增加附着力。这也是提高牵引附着性能的一项有效措施。 4 轮胎充气压力 轮胎充气压降低，附着能力会增加。但充气压力降低到一定程度后，滚动阻力会增 加。应综合评价该指标。 5 轮胎尺寸 增大轮胎直径，可以增加轮胎支承长度，使附着力增加，滚动阻力降低。但轮胎直 径的增加受到某些参数( 如机器中心高度) 的限制。近年来，为了能在不加大轮胎外径 情况下提高轮胎承载能力，在适当条件下，可加装宽型驱动轮胎。 6 轮胎花纹 花纹长度相同时，适当增加花纹布置角，可以提高车辆的附着性能。花纹的布置与 轮胎的自洁性能有关，而轮胎的自沽能力又会影响附着能力的发挥。 7 轮胎结构 轮胎的刚度、帘布层数、帘布排列方法等对附着力的大小也有不同程度的影响。 2 4 动力特性 当车辆在运输工况下工作时，机器的动力性能主要反应在车辆的速度性能、加速性 1 2 长安大学硕上论文 能和爬坡能力上。由于滚动阻力、坡道阻力、惯性阻力都是和机器的重量成正比的，因 此上述各项性能不仅取决于驱动轮输出的牵引力，而且也和机器的重量直接相关。为了 能对不同重量的机器进行对比，因而引出了单位重量的驱动力和阻力的概念。车辆在运 输工况下，如果将牵引平衡方程表示为： f x = f f + f i + f j + f w ( 2 。1 0 ) 那么移项代入，两边各除以机器的总重量q 后成为下式： 盈二墨：f c o s e r + _ s i n 口一x d v ( 2 1 1 ) g s gd t 式中：x 一转动质量转化为直线运动质量的影响系数，对工程车辆x = 1 0 8 。 数值( 最一凡) g 通常用动力因素d 表示，它反映了在扣除风阻力e 后，机器单位机 重所能获得的用来克服滚动阻力的、坡道阻力、惯性阻力的切线牵引力。这样，机器在 运输工况下的牵引平衡可以用另一种形式来表示： d ：f e o s c r s i n 口三立 ( 2 1 2 ) gd t 对于某一给定的车辆来说，上式右边前两项之和f e o s v e + s i n a 主要与道路状况有 关，为方便起见，常常将它们合在一起，称为道路阻力系数沙，亦即： ， 吵2 c o s c r 土s i n 口 这样式( 2 1 2 ) 可写成： 。= y i x 石d v 2 4 1 速度性能 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 速度性能通常用机器的最高运输速度来评价，即在给定道路条件下车辆所能达到的 最高运输速度。 2 4 2 加速性能 机器在起步加速过程中，起动力矩是随着车速而不断变化的，因而由此形成的加速 第二章行走系统动力学分析 度也将是一个不断变化的数值。加速度可以利用动力因素来取得，将式( 2 1 4 ) 移项后 可以得到( 加速取正号) ： d 一沙：兰坐( 2 1 5 ) l g 出 任一车速下的动力因素d ，扣除了道路阻力系数以后剩余部分，就反映了在这一 车速下的加速度a 的值。因此： p g = ( d y ) 鱼 z 2 4 3 爬坡性能 ( 2 1 6 ) 机器动力性所反映的爬坡能力，是指车辆在某一档位下等速行驶时，由发动机动力 所决定的最大爬坡角。机器在各档位的最大爬坡角可以根据各档动力因素的最大值d i 懈 计算而得。如果d 完全用来克服车辆的道路阻力，那么此时的坡道角即为该档的最大 爬坡角，并可以利用动力因素方程求出： 厂。r d = 沙= f e o s a + s i n c r = f 、l - s i n a + s i n a ( 2 1 7 ) 由此可计算得最大爬坡角口一表达式： 厂了一 咖口= 垒笋丛 泣 由式( 2 1 8 ) 计算所得的爬坡角，只是反映了发动机所能够提供的爬坡能力，实际 上机器可能实现的最大爬坡角往往还受到机器纵向滑移和稳定性的限制。f 6 】 2 5 行走系统计算 以9 0 0 吨轮胎式运梁车为例，行走系统力学计算如下： 1 4 长安人学硕士论文 表2 3 9 0 0 吨级轮胎式运梁车主要技术参数 最大载质量 9 0 0 0 0 0 k g 车速 车辆自身质量 2 7 0 0 0 0 k g空载、平地 啦! 0 k m h 总质量 1 1 7 0 0 0 0 k g满载、平地 0 5 k m h 轴线悬挂数量 1 6 3 2满载、斜坡 m 七5 k m h 轴载质量( 2 个车轮) 3 6 6 k g满载( 9 0 0 t ) 爬坡能力 驱动轴从动轴数量 1 2 2 0 纵坡 6 轮胎直径( 空载) 1 7 5 0 m m 横坡 2 对行走系统的计算作以下假设： 1 ) 载荷在各车轮上均布； 2 ) 所有的驱动轮驱动力相同； 3 ) 地面状况一致。 行走系统驱动力计算可以简化为： 最：业 露 式中：刀一驱动轮的数量。 表2 4 行驶阻力计算值 道路综合道路最大牵轮胎最大最高速度最大功率 工况 载荷t坡度角 阻力系数 阻力系数引力k n驱动力k n k m hk w 空载、平地2 7 0o 0 3o0 0 38 l3 3 8l o2 2 6 满载、平地1 1 7 0o 0 3oo 0 33 5 lt 4 6 354 8 8 满载、斜坡1 1 7 0o 0 3o - 6 0 0 3 o 0 91 0 5 34 3 8 82 5 7 3 2 ( 2 1 9 ) 行走系统的驱动轮的最大驱动力，出现在车辆以最大重量在最大坡度上上坡时。为 了使轮胎能够获得4 3 8 8 k n 的驱动力，地面附着系数必须大于： 矽：生：旦妙：2 7 沙：0 2 4 嘭 在地面附着系数低于该值时，可以考虑降低轮胎气压等方法，提高车辆的通过能力。 在行走系统设计过程中，增加驱动轮的数量也是提高运梁车的通过能力的一种手段，为 在道路状况不佳地段使用的运梁车，应该增加驱动轮的比例，增加附着重量。 另由表2 4 可以看出，运梁车的平地空载负荷不足最大坡度下满载负荷的1 0 ，牵 1 5 第二章行走系统动力学分析 引力悬殊大，且最大坡度下满载负荷的时间占整个作业循环的时间非常短。 由于9 0 0 吨级轮胎运梁车的速度较低，动力特性之一的加速性能要求不高，本文中 不对其进行深入研究。 1 6 长安人学硕士论文 第三章行走液压系统设计 3 1 行走液压驱动系统方案 工程机械驱动系统长期以来一直存在的关键问题是：如何最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。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 的有级变化不能与负荷要求实现最合理匹配，加之变换档位的操作需要操作人员在适当 的时机进行，因而无法保持机械始终适应负荷变化而在最佳状态工作。采用液压传动， 并采用适当的控制装置与其进行配合，就可以得到理想的传动系统，它能够使发动机的 转速及其输出转矩因适应外部负载的变化而连续变化，并且保持较高效率。并且，液压 系统一般具有无级的精细的速度调节，容易实现正反向旋转，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，并且也使机械的性能和作业效率大大提高，其效益 足以补偿由于采用液压传动引起的制造成本的提高。 9 0 0 吨重型轮胎式运梁车是一种低速行驶车辆，空载速度10 k m h ，重载平地行驶速 度5 k m h ，重载爬坡速度2 5 k m h ，对车辆低速稳定性要求较高；最大载重量达到9 0 0 吨，属于重载车辆，尺寸跨度大，采用1 6 条轴线、共3 2 个悬挂，其中驱动轴1 2 根， 驱动轮2 4 只；所有的驱动装置由2 台4 0 0 k w 的柴油机驱动，动力线路长且复杂，输入 输出端多。为了确保整个行驶过程中稳定性、转向过程中各车轮的协调同步、整车的尺 寸结构紧凑，采用液压传动是最理想的方式。 根据运梁车结构特点和作业要求，此处给出行走液压系统原理图，每一个驱动轮由 一个液压马达+ 行走减速机驱动，所有的液压马达并联，并由并联的液压泵合流驱动。 1 7 第三章行走液压系统设计 榉 移睁 一 铲ll 1 昏 r _ 门 霉： 睁 l 1 黼p变量马达的控制 图3走液压驱动系统原理图 运梁车结构特点决定了，液压马达的控制不适宜选择机械直接控制或是液动控制， 以上两种方式都存在控制点数量多、操作人员无法兼顾的缺陷。 电气控制带比例电磁铁或比例阀( 2 5 0 c c r e v 以上排量) 可根据电气信号无级控制马 达排量，控制功能与所加电流成比例，通过控制器可以实现各马达的自动控制。【8 】 0 p 戤 7 6 湖鼍 4 0 0 缓 磐 湖羲 2 1 ”日，2 l i ：钟儡i 砖 图3 2e p 控制变量马达的控制特性 1 8 瀚懒桃 期 啪 獬 啪 椭 抛 长安大学硕十论文 u8 m 1 ag了 a 、适用于2 0 0 c c r e v 及以下排量变量马达b 、适用于2 5 0 c c r e v 及以上排量变量马达 图3 3e p 控制的变量液压马达结构 电比例控制方式的最大特点是适应能力强，其硬件设施通用性强，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，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。 特别是运梁车的马达分布点多，距离驾驶室的距离远，采用电动比例控制，能够有 效解决空间布置的难题。从运梁车两端的驾驶室均能够实现对运梁车的完全控制。 3 1 2 变量泵的控制 3 1 2 1d a 控制 现代斜盘式柱塞变量泵根据使用工况不同，具有多种控制方式可供选择。在行走机 械驱动方面，因机械一液压伺服控制方式使用方便，工作可靠，价格相对适宜，因而应 用最广，并已形成一种固定的装置与液压泵集成为一起，用户根据自己所设计机器的控 制目标参数和特征参数即可选用。机械一液压伺服控制因生产厂家不同其工作原理稍有 差异，例如这种控制装置在德国博世力士乐( b o s c hr e x r o t h ) 公司的a 4 v g 系列液压泵 中称之为d a 控制。 1 9 第三章行走液压系统设计 r i r 下1b b 崩if i 划x 鹣a p s 吃1 m t - li r了l l jl 一1 1 ，蠡京 母中 别酚，! 山、，ii ，月f “”! f 。 l 门笋 矧l l 0 ，li 蚵囱 山l 曲专 莲山 山 l l l i _ 11 ，x ?gm hs氐m i b a 图3 4 带d a 控制功能的变量泵 d a 控制的前提条件是利用柴油机的这样一种性能：当柴油机接近最大功率时其转 速就开始下降，d a 控制是位移直接反馈式排量控制，变量泵的斜盘倾角由变量油缸的 位移调节，而其位移是靠d a 阀输出的压力控制。系统调节原理图如图3 4 所示。 d a 控制采用一个与转速有关的控制压力。由d a 控制法通过一个3 位4 通方向阀 作用在液压泵的变量油缸上。由此斜盘与泵的排量可无级调节，流动方向由开关电磁铁 确定。驱动转速升高，控制压力升高，泵的排量增大。反之，控制压力降低，泵的排量 减小。 最小的失速意味着对驱动功率的最佳利用。d a 阀与加速踏板机械连接，在达到一 定的转速( 加速踏板的位移) 后，控制曲线平移到驱动转速曲线。 任何附加的功率需求( 如工作装置液压系统) ，可能导致发动机失速，这将引起控 制压力降低，从而减小液压泵排量。所分出的功率可以给其他执行器。自动功率分配和 功率的充分利用可以用于车辆的传动系统和工作装置液压系统。 采用如图3 5 所示的变形结构以后，可以通过控制手柄控制d a 阀的控制压力，减小液 压泵的排量，对车速进行控制。( 液压泵的最大排量由d a 阀设定，控制手柄只能够在 d a 阀的设定范围内，对液压泵的排量进行控制) 。 2 0 长安人学硕士论文 b 图3 5 机械可调带控制手柄的d a 控制泵 d a 控制，使得发动机的功率输出始终保持在最大，能够充分发挥发动机动力性能。 但是，d a 控制曲线是通过液压系统中的d a 阀和节流孔固化在系统中，作业过程中无 法对这一曲线进行调整，灵活性差；液压油温度、粘度等参数的变化，也会导致d a 控 制曲线偏离设定值，液压系统的工作稳定性较差。 3 1 2 2e p 控带0 电子控制技术的进步，以及电比例控制技术的出现，使得液压泵的排量控制可以不 依赖于阀和孔的结构、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 控制向液压泵的变量活塞提供控制压力。液压泵的排量无级可调，每一个流动方向对应 于一个比例电磁铁。 gm h5 , ：f sh ，户 8 a 羹。 im m 一 r一 ， 一 ， 一 r 嚣 一 r 一10 d80 6口4 0 2 ：o j d 24目e c ，8 100 【可 一j l 7 0 * 越 j ， 一 一一 一 r 一 一l 价rn 图3 6 电比例控制电磁阀的控制特性 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，满足工作需要。 通过编制程序，e p 控制亦能够实现d a 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 控制的泵配备d a 控制阀方案，降低程序编写的难度。 2 1 第三章行走液压系统设计 i ：_ 也。 一 一 r 丁 丁2 l 。嘲i ，：毒；x 舞b p s 毫气1 毛h 8 1 ：。 ， 未一1 l 一 i l i l i i 1 1q o 一1 i f 嚣= ：蠢i珏每| 办修1i i 叫 i i l 畛r一! ! 一力 i p“ l 一 山 l 舟专； 嘘獬 i l ll - i l l li1 ：l ，1gm s 葭鹈。 b a 图3 7e p 与d a 控制相结合 e p 控制的另一优点是，控制的实现可以不受空间位置的限制，这对于装备有前后 两个驾驶室的运梁车来说非常有利。 此处，推荐使用纯e p 的控制方案。 3 1 2 3 液压泵的联动控制 由于行走系统的最大驱动功率高达7 3 0 k w ，采用两台4 0 0 k w 的发动机驱动，液压 泵的联动控制是行走控制中需要解决的重要问题。 所有的液压泵都并入了液压行走驱动回路，液压泵的进出口工况完全一样( 压力、 温度等) ，发动机完全一样，每台发动机驱动的液压泵完全一样，所以在控制过程中完 全可以采用相同的控制策略，即所有液压泵的排量比一致。这样，可以将所有并联的泵 等效为一个大排量的液压泵，泵的控制大大简化。 图3 8 多泵并联驱动的等效图 一台发动机工作时，相当于将泵的总排量减半，运梁车的速度减半，其它参数不发 生改变；对液压泵的排量控制也只会影响到驱动该泵的发动机。某一泵或某一发动机发 2 2 长安大学硕士论文 生故障，运梁车依然可以进行作业。 3 1 3 发动机的功率控制 9 0 0 吨级轮胎式运梁车采用了两台4 0 0 k w 柴油发动机。发动机功