（机械电子工程专业论文）道路养护车辆机械静压底盘驱动系统参数匹配研究.pdf

摘要 道路养护车辆机械静压底盘主要适合于即需要高速行驶，又需要低速作业的养护车 辆。行驶驱动系统的特性是影响车辆作业性能发挥的重要因素，因此，对机械静压底盘 行驶驱动系统进行研究可以为国内在此方面的理论研究做部分技术储备。 本文结合道路养护车辆机械静压底盘行驶驱动系统课题组前期成果，主要研究内容 为机械静压底盘的液压驱动系统参数匹配问题。首先，从发动机与液压系统匹配和液压 系统与牵引力匹配两个方面对机械静压底盘行驶液压驱动系统的匹配参数进行研究；并 以某型号稀浆封层机为案例进行具体设计，计算了机械静压底盘行驶液压驱动系统的合 理匹配参数。其次，对发动机外负荷特性进行拟合，得到了行驶液压驱动系统所需发动 机的数学模型；对变量泵一变量马达的动态特性进行了分析，构造了整个行驶液压驱动 系统的数学模型。最后，应用液压系统仿真软件a m e s i m ，进行了稀浆封层机机械静压 驱动底盘行驶驱动系统仿真，研究了阶跃载荷、正弦载荷等不同负载下的液压系统的响 应特性。 结果表明：以角功率为核心的匹配计算方法，确定了稀浆封层机机械静压底盘液压 驱动系统的合理匹配参数。a m e s i m 仿真结果与实际情况基本吻合，从而验证了系统模 型搭建与参数设置的合理性。充分肯定了计算方法的可行性，对同类机型的开发具有一 定的指导意义。 关键词：道路养护车辆，机械静压底盘，液压驱动，参数匹配，a m e s i m a b s t r a c t m e c h a n i c a lh y d r o s t a t i cc h a s s i so f r o a dm a i n t e n a n c ev e h i c l e ss u i tt on o to n l ym a i n l yt h e n e e d so fh i g h - s p e e dt r a n s p o r t ，b u ta l s ot h en e e d so fl o w s p e e dr u n n i n go p e r a t i o nm a i n t e n a n c e e n g i n e e r i n gv e h i c l e s t h ed r i v i n g d r i v e np e r f o r m a n c ea f f e c t si t so p e r a t i n gp e r f o r m a n c ew h i c h i sa ni m p o r t a n tf a c t o ra tw o r k t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho fm e c h a n i c a lh y d r o s t a t i cd r i v ec h a s s i s c a nm a k et e c h n i c a lr e s e r v e sf o rd o m e s t i ct h e o r e t i c a lr e s e a r c hi nt h i sf i e l d i nt h i s p a p e r , r e s e a r c hg r o u pa b o u tm e c h a n i c a lh y d r o s t a t i cd r i v es y s t e m so fr o a d m a i n t e n a n c ev e h i c l e ss t a r tp r e l i m i n a r ys t u d i e s t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n ti sm e c h a n i c a l c h a s s i sh y d r a u l i ch y d r o s t a t i cd r i v es y s t e mm a t c h i n gp r o b l e m f i r s to fa l l ，s t u d ym a t c h i n g p a r a m e t e r so fm e c h a n i c a lh y d r o s t a t i cd r i v eh y d r a u l i cd r i v es y s t e mc h a s s i sf r o mt w oa s p e c t s w h i c ha r e t h em a t c h i n ge n g i n ea n dh y d r a u l i cs y s t e ma n dh y d r a u l i cs y s t e ma n dt r a c t i o n m a t c h i n g d e s i g nt h es p e c i f i cc a l c u l a t i o nc a s ea b o u tt h es l u r r ys e a lm a c h i n ea n dc a l c u l a t et h e m e c h a n i c a lh y d r o s t a t i cd r i v es y s t e mc h a s s i sr u n n i n gar e a s o n a b l em a t c h i n gp a r a m e t e r s s e c o n d l y , s t a r tt oa r r yo nt h ef i t t i n go ft h ee n g i n el o a dc h a r a c t e r i s t i c ，a n do b t a i ne n g i n e s m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h eh y d r a u l i cd r i v i n gs y s t e m c a r r yo nd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i s t ot h ev a r i a b l ed i s p l a c e m e n tp u m p - v a r i a b l em o t o r s c o n s t r u c tt h e e n t i r et r a v e l h y d r a u l i c d r i v i n gs y s t e m sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cm a t h e m a t i c a lm o d e l f i n a l l y , c o n d u c tas l u r r ys e a l m a c h i n em e c h a n i c a lh y d r o s t a t i cd r i v ec h a s s i sd r i v es y s t e ms i m u l a t i o nm o d e l i n gb yh y d r a u l i c s y s t e ms i m u l a t i o ns o f t w a r ea m e s i m r e s e a r c hs t e pl o a d ，s i n u s o i d a ll o a du n d e rd i f f e r e n tl o a d 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 mr e s p o n s ei nt h i sm o d e l t h er e s u l t ss h o w ：c a l c u l a t i o no fa n g u l a rp o w e rc a nd e t e r m i n ear e a s o n a b l em a t c h p a r a m e t e r so ft h eh y d r a u l i cd r i v es y s t e m s i m u l a t i o nr e s u l t sa b o u tap a r t i c u l a rm o d e l m e c h a n i c a lh y d r o s t a t i co fs l u r r ys e a lm a c h i n ec h a s s i sh y d r a u l i cs y s t e mb ya m e s i ma r e b a s i c a l l yc o n s i s t e n tw i t ht h ea c t u a ls i t u a t i o n ，w h i c hv a l i d a t e st h ec o r r e c t n e s so fs y s t e m m o d e l sa n dp a r a m e t e rs e a i n g st ob u i l dar e a s o n a b l es e t f u l l ya f f i r mt h ef e a s i b i l i t yo ft h e p r o g r a m ，w h i c hh a ss o m es i g n i f i c a n c e k e y w o r d s ：r o a dm a i n t e n a n c ev e h i c l e s ，m a c h i n e r yh y d r o s t a t i cc h a s s i s ，h y d r a u l i cd r i v e ， p a r a m e t e rm a t c h i n g , a m e s i m i i 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 道路养护车辆机械静压底盘研究的背景及意义 道路养护车辆是用来完成交通设施维修护理、公路绿化、路面除雪、路面修复等养 护维护作业，一般采用一台主车，配置不同的工作装置以适应不同的养护作业需要。一般 选用承载能力符合设计要求的卡车底盘，经改装成为道路养护车辆的底盘，并加装相应 工作装置以完成预定工作。主要包括：铣刨机、清扫车、除雪车、综合养护车、洒水车、 乳化沥青稀浆封层机、路面划线机、同步碎石封层机等。公路及交通道路部门可以利用 上述设备对路面进行周期性预防养护，以保护路面的技术性能以及延长路面的使用寿 命。即使路面发生了病害，也可以通过上述方式对其进行修复，以恢复路面的防水性、 平整度及抗滑性能等。道路养护机械设备是现代公路养护作业的根本手段，只有实现高 水平的养护机械化，才能保证公路养护作业的高质量和高效益。 近十几年来，我国公路发展速度很快，截止到2 0 0 8 年底，全国高速公路通车里程已 达6 0 3 万公里，居世界第二位。公路总里程也突破3 7 3 0 2 万公里。随着我国公路里程 的增加和等级的提高，公路养护任务将会越来越重，对公路服务水平的要求也将会越来 越高。传统的公路养护方法，已远远不能适应新形势下公路养护的需要，公路机械化养 护愈加显得迫切和重要。 近期为应对国际金融危机冲击，中央政府在2 0 0 8 年四季度推出了4 万亿的扩大内 需投资计划，其中新增2 0 1 0 年预计安排5 8 8 5 亿元。目前工程机械的社会保有量己超过 3 0 0 万台，根据国家2 0 0 9 年的发展情况以及2 0 1 0 年交通方面的投资，预计2 0 1 0 年工程 机械数量将会有8 1 0 的增长。专家普遍认为，在保证已开工项目建设的基础上，这部 分新增投资将更倾向于保障性住房、消费等民生领域，以及新兴战略产业和节能环保项 目建设。随着国家基建项目、房地产项目的开工，以及海外市场需求的逐渐恢复，得益 于上述原因，这将是工程机械行业迅速增长的刺激因素，预计在近几十年内道路养护车 辆的需求仍然将会继续快速增长。 自进入新世纪以来，我国涌入了很多外国的产品以及先进技术，中国的机械产业受 到前所未有的挑战。为迎接挑战国家提出了“十五工程机械发展纲领 。虽然我国通 过与外国先进企业合资以及各种形式的合作，已经消化、吸收、掌握了机械以及液力机 械式养护车辆的技术，并在规模以及效益上与国外同类产品并驾齐驱。但随着科学技术 第一章绪论 的进步，特别是液压以及电子信息技术的发展，过去的机械以及液力机械式养护车辆由 于存在非常多的弊端，例如，驾驶员容易疲劳、系统工作不可靠、作业效果不好等等， 不能很好的达到目前智能化施工的要求。因此发展智能化养护机械是未来的发展方向 【i ，2 ，3 ，4 1 。伴随着科学的日益突飞猛进，液压技术凸显出了日益重要的作用，外国大量将液 压技术应用到我们的日常生活当中，在养护机械上的应用也很多，正慢慢的替代过去老 式传动形式。但外国为了自身利益，将其应用于养护机械的液压传动技术严格保密。而 在国内我们正处于将液压传动技术应用于养护机械的前期研究阶段，研究理论可以说很 少，目前我国还没有公司生产出养护车辆机械静压底盘。为此，开展前期机械静压行驶 液压驱动系统关键技术参数研究，解决目前国内在机械静压行驶驱动方面的理论问题； 建立养护车辆底盘行驶液压驱动系统数学模型，以a m e s i m 软件作为液压驱动系统仿 真技术研究开发平台，对液压驱动系统进行仿真研究。这些对养护车辆的发展有积极的 作用。 1 1 1 道路养护车辆国内外发展现状【5 , 6 , 7 , 8 】 过去在重负荷牵引传动领域，液压技术应用还不是很完美，随着科技发展，目前液 压技术已发展很完善，很多以恒速为需求的路面与压实机械纷纷应用液压技术，同时以 牵引需求的机械也大量的采用液压传动和液压控制技术，传统的液力机械传动出现了被 液压传动取代的趋势，同时，电液智能控制技术也取得了很多有价值的成果。 l 、国内研究现状 现在机械式或者液力机械式底盘已发展很全面，但目前国内关于机械静压底盘的研 究很少，研究开发程度跟国外先进水平还有一定差距，近年来开展过这方面研究的有一 些企业和设计机构： 无锡英特帕普威孚液压有限责任公司是一家近期成立的高科技公司，其从事研发的 机械静压复合传动箱可使车辆能够具有两种传动方式，同时具备机械传动和静压传动， 其替代辅助发动机用于清扫车改装后，改变了原来遇到红灯或者临时停车再行驶后，清 扫车底盘下会残留垃圾的难题。 湖北省亚川汽车齿轮公司是一家中澳合资民营股份企业，经营历史悠久。该公司的 主要产品有汽车取力器以及分动箱；取力器、及各类全功率取力器 4 时一般选用变量马达。 p ：丝 - n l 叼2 ( 2 1 1 ) 式中：一车辆角功率( k w ) ；q 2 一马达与驱动轮间减速器机械传动效率，取0 9 6 。 所以上式= 2 6 7 k w 0 9 6 = 2 7 8 k w ，即马达的角功率2 7 8k w 。 2 7 8 = p m 堕挚 ( 2 1 2 ) 式中：0 9 5 传动效率；一液压系统最高匹配压力( m p ) ；q m 一一马达最大排量( m 忻) ； n m 。一马达最高匹配转速( r m i n ) 。 元件最高标定压力p , = 4 2 m p a ，液压元件匹配压力：= 0 7 风：2 9 4 m p a 。 经查表2 5 ，取1 6 0 排量的萨奥5 1 及5 1 1 系列斜轴变量马达，将数据带入 0 - 9 5 p m q m m a x n m n m , ：o 9 5 木2 9 4 木1 6 0 枣5 0 0 0 6 0 0 0 0 ：3 7 2 2 7 8 。 6 0 0 0 0 所以选取q 。一= 1 6 0 m l r ，n m 一= 5 0 0 0 r m i n 。 表2 - 5 转速限制 m i n ( r p m ) 规格大小 0 6 0 0 8 01 1 0 1 6 0 2 5 0 额定速度 最大排量处3 6 0 0 3 1 0 0 2 8 0 02 5 0 02 2 0 0 最小排量处 5 6 0 05 0 0 04 5 0 04 0 0 03 4 0 0 最高速度最大排量处 4 4 0 04 0 0 03 6 0 03 2 0 02 7 0 0 最小排量处 7 0 0 06 2 5 05 6 0 05 0 0 04 2 5 0 1 8 长安人学硕上学位论文 输入变速装置 发动机与液压泵的联接形式一般有两种，即发动机直接驱动或者通过分动箱间接驱 动，这里我们应用的是通过分动箱间接驱动，这是因为利用分动箱驱动各泵工作时相互 之间不影响，而且可以通过合理的调节分动箱的传动比来选取各方面指标最好的泵，这 样能够使泵的功率达到最大程度的释放，提高其功率利用率。且现在分动箱利用已经普 及，各方面接口都已经标准化、国际化。还因为液压产品的价格远远大于同等功能机械 设备的价格，所以利用液压泵排量的降低来补偿分动箱的成本。 发动机、液压泵、分动箱三者之间的转速关系为：疗5 锕= ，h ( 2 1 3 ) 式中：n s b h 一泵额定匹配转速；一发动机额定转速 查阅手册得知1 3 5 m l r 的h p v - - - 0 2 系列林德泵：额定转速2 7 0 0 r m i n ；潍柴 w d 6 1 5 5 0 发动机额定转速r l e h = 2 2 0 0 r m i n ，额定功率为2 0 6 k w 。 所以将所查数据带入上式得：2 7 0 0 = 2 2 0 0i l ；= 1 2 2 7 2 、泵参数计算【2 刀 在额定匹配压力下，泵在全排量时应能完全吸收发动机额定功率，根据这一要求，泵 全排量为 v b 一：2 z c m e h ( 2 1 4 ) 风一p o - - 6 2 8 * 8 7 2 4 0 = 1 3 3 6m l r 式中：v b 一变量泵全排量( m 啪；m 出一发动机额定转矩( n m ) 。 m m = 9 5 4 9 幸p n ( 2 1 5 ) = 9 5 4 9 2 0 1 2 2 0 0 = 8 7 2 变量泵额定匹配压力( m p a ) ；p o 一| 、油压力( m p a ) 。 查表2 - 6 取排量为1 3 5 m l r 的h p v - - 0 2 系列林德泵。 液压泵排量确定以后，其额定转速n b h 也就知道，必须进行转速校核。 刀料l i b h ( 2 1 6 ) 在完成上述式子的校核之后，还要根据泵的供油量重新对马达的实际转速进行验 证，因为一般以上选定的液压泵排量通常大于要求的排量，所以马达的实际转速会比要 1 9 第二章行驶液压驱动系统参数匹配研究 求转速略高一点。 表2 - 6 林德泵 h p v 二0 25 57 51 0 51 3 51 6 52 1 02 8 0 最人排量 c e r e v5 4 87 5 91 0 61 3 5 51 6 52 1 02 8 0 额定转速 r p 3 3 0 03 1 0 0 2 9 0 02 7 0 02 5 0 02 3 0 02 0 0 0 最高转速( 瞬 r p 3 7 0 03 5 0 03 2 0 02 9 0 02 7 0 02 5 0 02 2 0 0 时) 额定压力 b a r4 2 04 2 04 2 04 2 04 2 04 2 04 2 0 尖峰压力( 瞬 b a r5 0 05 0 05 0 05 0 05 0 05 0 05 0 0 时) 持续输入扭矩 n m2 2 03 0 54 2 05 4 06 6 08 4 0 l l l 5 最火输入扭矩 n m3 5 04 8 56 7 08 7 0l 1 0 01 4 0 01 7 8 5 型号：h p v1 3 5 0 2l h lp 3 9 54 2 0e a详细说明：工称排量1 3 5 m fr 、左旋、h l 型液压 先导控制、压力切断3 9 5 b a r 、高压溢流阀 4 2 0 b a r 、外吸式补油泵、s a ea 型p t o 法兰、 如果是定量马达，就按下式( 2 1 7 ) 来确定液压马达实际工作转速，并与其最高标 定转速进行比较，该计算条件是下坡，且液压系统进行制动的工况。 1 1 5 m 珊 圪一z n s 。 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 而如果是变量马达，就会相对复杂些，必须同时满足最大排量以及最小排量两种工 况时使用转速均不得超过其允许值。 ( 1 ) 应用式( 2 1 7 ) 、( 2 1 8 ) 对变量马达最大排量工况进行验证。 k l r a r a = 3 2 0 0r m i r a 懈= 1 6 0m l r ；i l n e h 2 ，1 5 坍2 2 6 0 0r m i n ；虼懈= 1 3 5 5 m l r 。 将上述数值带入( 2 - 1 7 ) 、( 2 1 8 ) 得， ，1 5 。小= 1 3 木1 3 5 5 宰2 6 0 0 1 6 0 = 2 8 6 2 4 3r m i n ；册= 3 2 0 0 疗3 。朋s 。 ( 2 ) 计算马达最小排量_ 晌= 等 n e h = 2 6 0 0r m i r a 虼一= 1 3 6 m l r ；矿。埘= 4 0 0 0r m i n 。 圪。缸- 0 9 5 2 13 6 木2 6 0 0 4 0 0 0 = 3 1912 4 4 0 0 0 = 7 9 7 81m l r ( 2 1 9 ) 长安大学硕士学位论文 ( 3 ) 计算与上述排量对应的马达最小排量比 y n m a g ( 2 2 0 ) 成m 证= 詈坚 圪晌：6 6 m 1 r ：一：1 6 0m 1 r 。 y 风向。= 栌监 7 m i l l h a g = 7 9 7 8 1 1 6 0 = 0 4 9 8 6 3 1 2 5 除了特殊工况圪曲为零外( 圪袖为零时，系统功能已无驱动能力，这种工况一般 吒。：坚号掣 ( 2 2 1 ) m i a 么 疗。m 和全排量下最高标定转速刀。，但未给出矿。对应的马达排量比卢。曲= k v ， 当最小排量比凡。蛔= 鲁也 p 。时，液压马达的最高标定转速仍为矿。m 不会再变化5 m 卜( 掣 斜盘马达 ( 2 - 2 2 ) 【反20 ： 斜轴马达 1 、0 3 s 凡响冬卢。时按下式校核 2 1 第二章行驶液压驱动系统参数匹配研究 刀”m 刀。 ( 2 2 3 ) 因为尾晌2 莨= ：0 4 9 8 6 3 1 2 5 o 6 4 所以其相应的最高标定转速仍为订x m l n 不再 因为y m 一= “时， n 。删= ( 罟坐) 2 y i n l l l l l 1 1 斜盘马达 n 。= ( 予坐) 7 m i l l i n 斜轴马达 按下式校和 矿，m 矿删 ( 2 2 4 ) 2 4 2 变速装置选型的计算 马达型号计算确定好了之后，然后接下来的任务，就是应该计算变速装置的速比。 减速设备必须同时满足最大输入转速、最大输出扭矩和速比的要求。 ( 1 ) 根据要达到装置最大输出扭矩的要求来计算所需速比f ，该工况时，各参数如下： 马达机械效率设定为o 9 5 ，液压系统处于最高压力p 。，马达处于最大排量g 。一。 f 丝虫坚兰兰：( 2 2 5 ) 0 9 5 q 。m 赶叩2 在实际的工作计算应用中，上式一般取等号，如果取大于的情况，则有可能使马达 超速。如果用上述方法仍然得到适当的减速装置，则只有增大马达排量一使上式得 到满足。 根据一= e 一，求得鸭一= 2 4 0 1 0 0 幸0 5 6 4 = 1 3 5 4 1 6 4 n m ( 驱动轮半径查询相关 资料取0 5 6 4 m ) ，所以，选择如下。 m k m 缸2 j r 一 一一 0 9 5 q 肘m 戤叩2 1 1 三兰! 鱼：兰兰兰至 = 2 4 7 2 6 8 0 9 5 木1 6 0 9 毒2 5 木0 9 计算结果为分动箱速比为1 2 2 7 ，变速箱工作挡速比为9 ，驱动桥的速比为6 ，轮边 减速速比为4 ，这样分动箱、变速箱、驱动桥加上轮边减速的总速比为2 6 5 0 3 2 大于 长安大学硕士学位论文 2 4 7 2 6 8 ，符合要求。 ( 2 ) 1 ：t - ! 上述计算确定完减速设备速比i2 _ 后，接下来是对液压马达在车辆最高速度以 及最低速度所对应的匹配转速分别进行计算并验证，按下列式子验证计算： 刀。册= i n u r n r n r a ( 2 2 6 ) 拧”肘m = ，哆k ，l 。删 ( 2 2 7 ) 式中：甩5 。、r x s 删一马达最高速度以及最低速度的匹配转速； 拧删、矿。一马达最高速度以及最低速度的标定转速。 ( 3 ) 从元件的工作寿命以及工作可靠性方面考虑，减速设备的最高输入转速、最 大输出扭矩和持续输出扭矩都不允许超过其规定值。其规定的持续负荷扭矩一般为最大 负荷扭矩的1 3 到1 2 ，最高不超过3 4 。最大负荷扭矩对应于液压驱动系统最高压力p 。， 液压马达处于最大排量g 。一。减速设备的负荷持续扭矩一般小于额定匹配扭矩，不会 超过最大负荷扭矩的7 1 0 ，所以只要按最大扭矩条件校核之后，持续扭矩就可以不用再 进行校核。并且减速设备的最高允许输入转速可以作为最高持续输入转速使用。 2 4 3 工作转速的匹配【2 8 】 在设计液压器件的实际工作转速时，有下列前提条件必需涉及： 发动机的空负荷时，高转速7 是额定转速的1 0 5 - - 1 1 0 ：7 = ( 1 0 5 - - - 1 1 ) ；n , n = 2 2 0 0r m i n ；= ( 1 0 5 - - , 1 1 ) 2 2 0 0 = 2 3 1 0 - - - 2 4 2 0r m i n 制动工况时发动机转速大于额定转速，但小于高速空转速的1 0 5 ： n , m ( 1 1 1 1 5 ) ；n e l l = 2 2 0 0r m i n 2 2 0 0 ( 1 1 - 一1 15 ) 2 2 0 0 = 2 4 2 0 - - - 2 5 3 0r m i n 一般规定液压马达与液压泵在最大排量最大载荷驱动的工况时，两者的容积损失 8 ，而在制动工况时，容积损失6 。有的元器件容积效率可能不同，但均一般都取制 动工况高于驱动工况2 ，同时因为制动时泵、马达功能互换，容积损失驱动马达转速高 于正向驱动时的转速； 柴油发动机速度调节器误差加上液压泵的流量的变化误差和不大于5 。 我们可以认为使用额定转速作为匹配转速是恰当的，因为转速变化对液压元件影响 2 3 第二章行驶液压驱动系统参数匹配研究 有两个方面，一方面是工作寿命的影响，另一方面是传动效率的影响。但是这两者都没 有压力变化对其的影响那样严重。这还主要考虑两方面的因素，一是从提高元件功率 利用率，二是降低价格成本。由于液压设备的额定转速在一般情况下会比较高，而机械传 动部件与发动机的允许转速相对来说一般比较低，因此在工程实际的应用中一般是选择 转速较低者对其进行匹配，所以我们选择后者的许用转速作为匹配计算的标准。在对液 压系统进行设计时，一般情况下，都是选取发动机与液压部件这两者的额定参数作为设 计匹配参数。因为车辆液压传动部件在工作时所受外部工作条件是复杂多样的，所以应 该对所选液压部件的最严重的工况进行极限参数设计校核，这样车辆才能在实际的工况 中正常的工作。 ( 1 ) 泵的极限参数校核工况是：发动机高速空转转速工况与车辆液压系统制动工 况这两种情况进行的。 刀。砌= ( 1 0 5 - 1 1 ) + o 0 5 n s b n = ( 1 1 - 1 1 5 ) n 5 坍 ( 2 - 2 8 ) 式中：l l s b h 一发动机额定转速时泵的匹配转速；r l s 拥一发动机高空转速时泵的转速； 肘一泵全排量下的最高标定转速。 n s b h ：2 4 9 0r m i n ：刀5 锄：1 1 5 2 4 9 0r m i n = 2 8 6 3 5r m i n n b 。：2 9 0 0r m i n 对第二种工况考虑影响因素( 2 ) 、( 4 ) 条。 玎s 拥： ( 1 1 1 1 5 ) + 0 0 5 n b n = ( 1 1 5 - - 1 2 ) 疗3 b h 厅b m ( 2 2 9 ) 式中：a m 在制动工况时泵的转速。 一 b h = 2 4 9 0 r m i n n b m = ( 1 1 5 1 2 ) 刀3 埘：1 1 6 宰2 4 9 0r m i n = 2 8 8 8r m i n 珊：2 9 0 0r m i n ( 2 ) 变量马达应对下列两种工况下的工作转速分别考核： 1 、马达全排量的制动工况 力5 。= ( 1 1 - - 。1 1 5 + 0 1 2 + 0 0 5 ) , s 棚2 ( 1 2 7 1 3 2 ) n s 棚 ? l m ， ( 2 3 0 ) 式中：玎5 棚一马达为全排量驱动时的理论转速；疗。栅马达为全排量制动时的转速； m 一马达为全排量时最高标定转速；n u = 3 2 0 0r m i n ；, s 删= 2 5 0 0r m i n 。 删= ( 1 2 7 1 3 2 ) 矿删2 1 2 7 2 5 0 0r m i n 5 3 1 7 5r m i n 。= 3 2 0 0 ，4 长安大学硕士学位论文 2 、马达小排量制动工况 以”。( 1 1 1 1 5 + 0 1 2 + 0 0 5 ) 1 , 1 s s 棚2 ( 1 2 7 1 3 2 ) 矿棚 n 。( 2 3 1 ) 式中：n x s m m 一马达为小排量制动时的转速；甩”删一马达为小排量驱动时的理论转速； n x m m 一马达在小排量下的最高标定转速；，2 。栅= 5 0 0 0r m i n ；n ”n = 3 8 0 0r m i n 。 玎船删= 1 2 7n 船m h = 1 2 7 + 3 8 0 0r m i n = 4 8 2 6r m i n 珂。删。= 5 0 0 0r m i n 2 5 本章小结 该章节主要研究了稀浆封层机机械静压底盘液压驱动系统的匹配计算问题，主要有 以下几点结论： ( 1 ) 在分析发动机与液压驱动系统的各自工作性能的基础上，计算出了稀浆封层机所 选用柴油机的最佳工作范围( 1 8 0 0 - - 2 2 0 0 ) r p m ，发动机的最低工作转速最好控制在 18 0 0 r p m ，液压泵的排量也最好不大于1 4 0 m l r e v 。 ( 2 ) 在分析液压驱动系统和牵引力基础上，确定了某企业主打稀浆封层机的整车工作 重量为3 5 t ，计算出了其最大切线牵引力是2 4 0 k n 。选取利用液压泵的截止压力与最大 切线牵引力匹配的方法，比根据元件降额匹配的方法算出的额定压力会高一点，但这样 会更安全，更符合稀浆封层机的实际工作状态，能够最大程度的发挥液压元件的能力。 ( 3 ) 利用角功率计算法，设计出了一套适宜于稀浆封层机行驶液压驱动系统的匹配计 算的方法，计算出了泵的排量为1 3 5m l r e v ，马达的排量为1 6 0m l r e v ，以及行驶液压驱 动系统其它各组成主要元件的匹配参数。 第三章基于a m e s i m 的行驶液压驱动系统的建模 第三章基于a m e s i m 的行驶液压驱动系统的建模 3 1 机械静压底盘行驶系统数学模型 3 1 1 机械静压底盘行驶液压驱动系统的运动学与动力学分析 l 、机械静压底盘的运动学分析 目前市场所生产的稀浆封层机底盘大多是由重卡的底盘改造，机械静压底盘是由机 械变速箱与液压设备两部分所共同组成的。其终端工作部分是由车轮构成，其作用是充 当车体及所有设备的载体，转变及放大发动机的功能，使车轮和地面之间产生摩擦力， 产生机械行驶与作业的有效牵引力。在稀浆封层机工作过程中，假设车轮和地面之间是 纯滚动，则稀浆封层机的行驶速度就是等于驱动轮的圆周速度，即稀浆封层机的理论行 驶速度是： v r = o 1 2 u n m r a i ( k n v h ) ( 3 - 1 ) 但是在实际的车辆运动过程中，车轮与地面之间不是纯滚动而是存在滑转的，故行 驶速度v 与理论速度吩之间的关系为： 1 ，= v r ( 1 6 ) ( k m h ) ( 3 - 2 ) 则稀浆封层机的实际车速v 可以用下列式子表达： 1 ，= 0 1 2 万n r d ( 1 一a ) i ( 3 3 ) 其中：屹一车轮动力半径( m ) ；6 一车轮相对地面的滑转率； 一马达输出转速( r m i n ) ；0 一马达到驱动轮间的传动比； 2 、机械静压底盘的动力学分析 稀浆封层机在工作过程中，其上既有抵抗车辆前进的各种外部负面阻力也有稀浆封 层机前进所需要的正面驱动力( 切线牵引力) 。当稀浆封层机在匀速行驶的情况下，车 辆的受力平衡方程为： e = f = f i + e + e ( 3 4 ) 式中，f 一各种外部阻力的和值，k n ；e 一车辆切线牵引力，l ； b 一稀浆封层机作业工况滚动阻力，k n ；疋一稀浆封层机作业工况时的坡道 2 6 长安大学硕士学位论文 阻力，k n ；c 一稀浆封层机作业中的工作阻力，k n ； 滚动阻力 f f = 硒s c o s a 2 3 4 3 f c o s a 式中，厂一滚动阻力系数；g 一稀浆封层机总重量，k n ；l t = - 1 0 0 0 k g = 9 8 0 0 n ( 3 - 5 ) g 2 3 5 宰9 8 0 0 = 3 4 3 k n 倪一运动表面相对于水平面的倾角，( 。) 。 坡道阻力艺 兄= + g s s i n a 。3 4 3s i n a ( 3 6 ) 式中正号的意思是表示车辆在上坡状态，负号表示车辆在下坡状态。当地面坡角仅 不是很大时s i n a = t g a = a ( 地面坡度) ，上面的式子也可以写成c = q a = 3 4 3 a 。 工作阻力f 要想使稀浆封层机正常工作，其上的作业阻力与地面附着力瓯9 必须满足下列式 子： z r - c 妒 ( 3 7 ) 其中g 口一车辆的附着重量；缈一地面附着系数； 要想保证稀浆封层机在遇到更大载荷的工况下，能够通过打滑来保护发动机，必须 满足下列式子： 丛g 口妒( 3 - 8 ) 屹 式o e - 心一一驱动轮最大输出扭矩。 3 1 2 行驶驱动系统数学模型 1 、所选发动机外特性的数学模型 通过大量的研究表明，无论是发动机外特性曲线，还是部分负荷特性曲线，发动机输出 转矩都是发动机的油门开度和发动机转速的函数 m = f ( a ，c o ) ( 3 9 ) 2 7 第三章基于a m e s i m 的行驶液压驱动系统的建模 式中：m 为发动机输出转矩；仅为发动机油门开度；为发动机转速。 本文研究的稀浆封层机安装的是潍柴公司生产的w d 6 1 5 5 0 全程调速柴油机，根据 该公司提供的发动机外负荷特性曲线，利用二次曲线进行拟合，可得到较好的近似值。 利用先进软件1 s t o p t 对发动机外负荷特性进行拟合，l s t o p t 是七维高科有限公司独 立开发的一套数学优化分析综合工具软件包。在非线性回归，曲线拟合，非线性复杂工 程模型参数估算求解等领域都有建树，首屈一指。除了拥有简单易用的界面，其内部内 嵌的是该公司的研发人员独特研制的一种算法，该算法简称为u n i v e r s a lg l o b a l o p t i m i z a t i o n u g o 。 这种算法之最大特点是不用在每次计算时都必须给出一个合理的初始值，当然这对 计算应用人员来说是很困难，特别是在参数数量很多的情况下，而由该软件l s t o p t 随机 给出，通过其独特的全局优化算法，最终解出答案最优解。以非线性回归为例，目前计 算软件均需用户提供适当的参数初始值以便计算能够收敛并找到最优解。如果设定的参 数初始值不当则计算难以收敛，其结果是无法求得正确结果。而1 s t o p t 凭借其超强的寻 优，容错能力，在大多数情况下，从任意的随机初始值开始，都能求得正确的结果。 、首先必须进行代码本的编写，如下 v a r i a b l ex ，y ；p a r a m e t e r sa ，b ，c ；f u n c t i o ny = a + b 幸x + c x 2 ； d a t a ； 1 1 0 01 2 0 01 3 0 01 4 0 01 5 0 01 6 0 01 7 0 01 8 0 01 9 0 02 0 0 02 2 0 0 1 0 5 01 1 3 01 1 6 01 1 6 01 1 3 51 1 1 01 0 8 3 31 0 5 51 0 3 01 0 0 09 5 0 0 8 、设置收敛条件，如下图3 1 所示 孽l _ i 再；磊三；磊i i | i 簟矧髓靛一 、结果显示( 图3 2 ) 。 收崩嘲瑞拣：苗蟊荸一 量丈选f 懂：陋r 习 实时输出控锻：印z i ，覆式 ；r 探准凹) ；帘标准a j ) + 遁用全局优化法 重复教 i 3 0习 l 捌瞄f 嚏：阿量 i 嘲嗍：习 一，一一 图3 - 1 设置收敛条件 长安大学硕士学位论文 迭代数：4 0 计算用时( 时：分：秒：微秒) ：0 0 ：0 0 ：0 0 ：9 3 7 优化算法：麦夸特法( l e v e n b e r g m a r q u a r d t ) + 通用全局优化法 计算结束原因：达到收敛判断标准 均方差( r m s e ) ：3 3 6 4 9 9 7 3 6 1 0 9 0 2 7 残差平方和( s s e ) ：1 4 7 2 0 1 6 9 4 1 2 1 8 7 8 相关系数( r ) ：0 8 8 7 9 6 8 3 5 3 9 7 4 4 6 3 相关系数之平方( r 2 ) ：0 7 8 8 4 8 7 7 9 7 6 6 0 1 18 决定系数( d c ) ：o 7 8 8 4 8 7 7 9 7 6 6 0 1 18 卡方系数( c h i - s q u a r e ) ：7 0 2 0 16 7 8 7 4 7 7 9 6 2 f 统计( f s t a t i s t i c ) ：4 1 0 0 6 4 5 5 7 8 9 8 3 6 3 参数最佳估算 a b c 9 1 6 0 3 0 7 6 7 8 4 1 4 3 3 1 3 7 6 1 6 4 1 3 6 0 4 4 31 0 0 0 0 4 5 6 6 0 0 3 9 9 6 5 5 8 外特性的二次拟合函数为m e = - 4 5 6 60 0 3 x 1 0 4 x 2 + 1 3 7 6 x + 9 1 6 0 3 0 7 6 ( 3 1 0 ) 当柴油机工作在调速状态时，特性方程可以用直线方程近似。假设各油门位置下的 调速特性曲线斜率相同，则在各油门位置下的调速特性模型为： eo=却a(cor+-坂ojlm卜1 = 吒+ 坂 jr u1 、 式中：m e 为发动机的额定转矩；为柴油机最高怠速；吼为发动机最低怠速；吒 为调速曲线的斜率；帆为对应各油门开度的扭矩常数。 将所研究对象的参数代入式( 3 1 1 ) ，并结合式( 3 1 0 ) ，可得到油门位置不同时所建发动 机模型的负荷及调速特性曲线，如图3 3 所示。 第三章基于a m e s i m 的行驶液压驱动系统的建模 发 动 机 输 出 转 矩 ( n a ) 1 20 0 1 60 02 0 0 0 2 4 0 0 发动机转速( r | i n l ) 图3 - 3 不同油门位置时发动机负荷及调试特性 2 、闭式系统数学模型的建立【2 9 ，3 0 ，3 1 3 2 】 本机械静压底盘所应用的泵控液压马达系统是由变量泵和变量马达所组成的，如下 图3 4 所示。 在泵控液压马达系统中，液压泵的输出流量和工作压力是与负载相适应，工作效率 比较高，最大效率可以高达9 0 ，适用于大功率液压伺服系统。 i 、变量泵变量马达的动态特性 为简化计算分析，在分析泵一马达组合的动态特性之前，先进行以下假定： 在推导液压马达转角与液压泵摆角的传递函数时，假设： 连接接管道较短，可以忽略管道中的压力损失和管道动态。并设两根管道完全相 同，液压泵和液压马达腔的容积为常数。 液压泵和液压马达的泄漏为层流，壳体内压力为大气压，忽略低压腔向壳体内的 外泄漏。 图3 - 4 变量泵和变量马达系统 3 0 长安大学硕士学位论文 补油系统工作没有滞后，补油压力设定为常数。在工作中低压管道压力保持不变， 其数值等于补油压力，只有高压管道存在压力变化。 每个腔室内的压力是相等的，液体粘度和密度都设定为常数。 液压泵的转速保持不变。 输入信号较小，不发生压力饱和现象。 ( j 、变量泵的排量为 q = k v a ( 3 - 1 2 ) 式中：一变量泵的排量梯度：a 变量泵变量机构的摆角。 变量泵的流量方程为 q p2 4 哆一q ( p l 一所) 一a ( 3 1 3 ) 式中：啤一变量泵的转速；一变量泵的内泄漏系数； l 印变量泵的外泄漏系数；b 一低压管道的补油压力。 将式( 3 一1 2 ) 代入