全液压推土机速度控制系统的研究.pdf

2 0 1 4年 4月 第 4 2卷 第 8 期 机床与液压 MACHI NE T 0OL ＆ HYDRAULI CS Ap r ． 2 01 4 Vo 1 ． 4 2 No ． 8 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 0 8 ． 0 2 8 全液压推土机速度控制系统的研究 刘存波，郭浩鹏 ，满敬华，田从丰 山推工程机械股份有限公 司，山东济宁 2 7 2 0 7 3 摘要分析静液压传动的原理，提出速度控制方法和控制策略，开发出全液压推土机的控制系统，进行了台架和实车 实验。实验结果表明提出的速度控制方法能有效地保证推土机的微动性能，且操纵简单，系统响应快，极大地降低了劳 动强度。 关键词推土机；全液压传动；速度控制；微动控制 中图分类号T H 1 3 7 ． 1 文献标识码A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 8 0 8 4 3 Re s e a r c h o n t h e S p e e d Co n t r o l S y s t e m o f F l l l l Hy d r a u l i c B ull d o z e r L I U C u n b o，GU O Ha o p e n g，MAN J i n g h u a ，T I AN C o n g f e n g S h a n t u i C o n s t r u c t i o n M a c h i n e r y C o ． ，L t d ． ，J i n i n g S h a n d o n g 2 7 2 0 7 3 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e p ri n c i p l e o f f u l l y h y d r a u l i c d ri v e wa s a n a l y z e d ．T h e s p e e d c o n t r o l me t h o d wa s p r o p o s e d ．T h e c o n t r o l s y s t e m a n d c o n t r o l s t r a t e g y we r e d e v e l o p e d ．Th e r i g t e s t o f v e h i c l e s a n d t h e b u l l d o z e r t e s t we r e d o n e ．T h e e x p e rime n t a l r e s u l t s s h o w t h a t t h e s p e e d c o n t r o l me t h o d c a n e f f e c t i v e l y g u a r a n t e e t h e mi c r o p e r f o r ma n c e o f t h e b u l l d o z e r ，t h e c o n t r o l s y s t e m i s s i mp l e a n d f a s t ，i t c a n g r e a t l y r e d u c e the l a b o r i n t e n s i t y ． Ke y wo r d s B u l l d o z e r ；F u l l h y d r a u l i c t r a n s mi s s i o n；S p e e d c o n t r o l ；I n c h i n g c o n t r o l 目前，国外智能化全液压推土机技术已较成熟， 同国内相 比其价格 为国内同等马力液力式推 土机 的 2～ 3 倍，并且国外的推土机静压传动理论和控制 技术处于保密状态。作为智能推土机研制的核心环 节 ，行驶控制系统更为 国外所垄断 。而我 国在作为推 土机智能化基础 的液压传动方 面的研究 刚刚起步 ，理 论研究非 常薄 弱 。国 内个 别 厂家 生产 的全 液压 推 土 机 ，由于缺乏理论支持 ，液压系统的参数匹配和整机 牵引性能远远不能满足推土机作业的要求，其动力性 和经济性与国外差距也比较大。为此，进行静压推土 机液压 系统控制策 略和操纵方法 的研究 ，开展全液压 推土机传动系统的动力匹配，解决 目前国内在全液压 推 土机行驶驱动方 面的理论 问题具有积极 的意义 。 1 全液压推土机传动原理 推土机 的静 液压传 动系统控制着 推土机 的行驶 功 能 ，是推土机动力性能 的核心 系统 。推土机 的静压行 驶驱动 系统 主要 由变量泵 、变量 马达 、补油泵 、溢流 阀等组成 ，电液 比例控 制静 液压推土机行驶 驱动系统 单 边 回路 如图 1 所示 。 如图 1 所示，发动机带动变量泵 1 ，其输 出的压 力 油经变量马达 2将液压能转 回到机械能 ，经减速装 置传递给推土机的链轮。在静压传动行驶系统单边回 路 中 ，变量泵 1 是系统液压能 的能源也是系统 的控制 组件 ，通过调节液压泵 的排量就可实现对 系统 流量 的 控制 ，而且改变泵的转动方向就可使液压马达的方向 跟着改变 ，实现对马达转动方 向的控制 。通过调整 马 达排量控制系统压力 ，使液压系统保持稳定。 l 一 变 量 泵2 一 变 量 马 达3 一 安 全 阀4 一 单 向 阀5 一 过 滤 器 6 一补 油 泵7 、9 一 溢流 阀8 一 梭 阀 图 1 电液比例控制静液压推土机 行驶驱动系统单边回路 2 速度控制系统及控制策略 推土机 的行走 系统 及 以 P L C为 主控 制器 的智 能 控制系统共 同组成 了推土机行驶驱动系统 。系统 主要 单元有发动机、分动箱、电液比例阀控制双泵和双 马达行驶驱动系统液压回路、P L C控制系统、行走速 度手柄等，如图2所示。 收稿 日期 2 0 1 3 0 41 2 作者简介刘存波 1 9 8 2 一 ，男，硕士，研究方向为工程机械。E ma i l l i u m t 2 0 1 1 1 6 3 ． c o n。 第 8 期 刘存波 等全液压推土机速度控制系统的研究 8 5 油 发动机磺油机构 图2 全液压操纵系统 速度 控制 系统 中，速 度手柄将推土机的行驶方 向控制分为 8个方向状态 及一个停车状态 ，十字型 手柄 由纵 、横 2个 电位计 -m ax 速度控制手柄 方向状态图 十m扭 X l ， 出；并根据左右履带马达转速信号调整两变量泵的排 量大小，从而达到直线 自动纠偏；以及根据载荷的变 化情况同等调整两变量泵或马达的排量。前进转弯 手柄斜向上，左变量泵与右变量泵的输出与手柄 方向值和手柄 y方向值有关 ，手柄 方 向值越大， 则手柄 y 方向值越小 ，转弯半径越大，速度越快；反 之，手柄 方向值越小，则手柄 l ， 方 向值越大，转 弯半径越小 ，速度越慢 ；以及根据载荷的变化情况同 等调整两变量泵的排量大小。后退转弯手柄斜 向 下。原地转 向 手柄 y 方 向，左变量泵根据手柄 y方 向值输 出 ；右变量泵根据手柄 y方 向值输 出；以及根 据载荷的变化情况同等调整两变量泵的排量大小。 速度控制系统通过采集靠近驱动马达液压系统油 压 由于路面阻力通过驱动轮传递到驱动马达上 ， 求出马达两端额定压差，如公式 1 所示 卸 1 叼 t g 其中卸 为液压马达两端额定压差； 卵 为液压马达的机械效率； q m m a x 为液压马达流量 ； 为地面阻力传递液压马达扭矩。 则根据能量算法，液压马达传递功率如下式所 不 P △ p V n 2 式 中 为液压马达排量 ； 1 7, 为液压马达转速； P 为泵功率。 发动机功率如式 3 所示 P r i P 3 式中P为发动机输出功率； 叼为传动系统总效率。 通过采集到的方向手柄角度信号，计算达到要求 的速度信号；地面阻力通过链轮和减速机传递到液压 传动系统 ，转换成压力信号。采集到的压力信号通过 公式 1 计算得出地面阻力，通过公式 2 、 3 计算得出发动机在该车速下所要求输出功率，推土机 E C U根据发动机匹配功率控制 曲线输出发动机控制 信号 ，同时根据公式 1 、 2 和泵和马达本身性 能曲线 ，匹配计算出泵和马达高效排量和匹配的静液 压传动系统压力，输出泵马达排量信号并进行调节 ， 从而完成泵马达和发动机的整车速度控制调节，形成 的控制流程 图如 图 4所示 。 检测速度控制手柄角位移位置 输出初始泵和马达排量信号，发动机油门开度信号 检测系统压力、速度、控制手柄位置变化和马达转速信号 计算 目标速度与现实速度差值 计 算油 门开度 ，与 之相 匹配 泵和 马 达排 量值 输 出调 整 油 门开度 信 号和 泵 、马达 排量 信 号 图4 速度控制流程图 静液压推土机控制器软件编程至关重要 。控制器 和显示器的程序全部是在 C o D e s y s 环境下完成的，控 制系统的开发和完善是一个循序渐进的过程，为了便 于对程序进行修改和完善，系统的软件设计采用模块 化的设计方法 ，将控制程序主要分为速度手柄控制、 自动油门控制、行走纠偏、转向控制和制动控制等模 块。采用一个主控制器 T r c 2 0 0控制器 ，根据采 集到的各种电位信号、开关量、传感器信号和发动机 信号等做出判断，向比例阀、开关阀、报警灯和发动 机等输出各种控制信号，达到控制发动机的目的。 3 速度控制台架及实车实验 为 了对控制策略和控制程序进行验证 ，进行了台 架实验和实 车实 验。试 验 系统 的组 成 液压 泵 闭 式实验系统 、液压马达加载系统以及实验操作平 台等，如图5所示。 8 6 机床与液压 第 4 2卷 图5 静压传动系统实验台 进行空载转向试验，绘制左右马达转速 图如图6 所示 。 ‘ 7 3 1 4 4 2 1 8 2 4 7 2 8 5 2 6 5 2 6 9 V rrai n 图6 空载马达 a和马达 b速度 转向过程中速度控制手柄前右倾 a 马达转速增加 速度比 b马达增加速度快 ，转 速分别为 8 3 1和 2 6 1 r ／ m i n ，转速比为 3 ． 2 ，实现转弯。 恒速加载实验模拟推土机在工作过程中集土工况 下 的性能 。在泵转 速为 1 2 0 0 r ／ m i n恒 定转 速下 ，对 马达加载，得到的A、B两个实验台分别对应马达 a 和 b的实验数据，并绘制了马达扭矩 一马达排量和马 图7 马达排量 一 图8 马达转速 一 马达扭矩 图 马达扭矩图 从 图 7可看 出实 验 台 A的 马达 排量 和 马达 B 的马达排量随马达扭矩呈平缓变化。载荷范围内，对 于马达载荷 的增加 ，控制系统分别采用 了两种控制方 式来稳定发动机转速 当泵 的排量在 5 0 m L ／ r 的情况 下 ，通过单独减少泵的排量来适应载荷变化 ；当泵的 排量超过 5 0 m L ／ r ，控制系统维持泵的排量 ，增加马 达 的排量达 到稳定泵转速 的 目的。 实验台 A、B的马达转速都随马达扭矩的变化呈 线性降低趋势 ，静压传动系统中通过降低变量泵排量 或者增加变量马达的排量都能稳定变量泵的扭矩 ，从 而稳定发动机转速。实验证明，此控制系统在恒速加 载的情况下能达到良好的控制效果。 变速恒载 1 0 0 N m，如图 9所示 ，主要模拟推 土机在搬运中量土方过程中的加速性能。泵转速基 本恒定为 1 2 0 0 r ／ m i n ，通过改变泵排量改变马达转 速 。 变速恒载 1 5 0 N m，如 图 1 O所示 ，主要模拟 推土机在搬运较大土方过程中的加速性能。泵转速 为 1 0 0 01 3 5 0 r ／ m i n ，通过改 变泵排 量改变 马达转 速 。 9 0 8 0 童 豳{3 0 2 0 1O 0 L 二 曼 面 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 马 达转 速／ r mi n 。 1 图9 变速恒载 1 0 0 N m 图 l 0 变速恒载 1 5 0 N m 排量 一转速图 排量 一转速图 全液压推土机行驶驱动系统中发动机转速不变的 情况下，通过增大变量泵的排量与减少变量马达排量 都能使变量马达速度增加，控制系统在此情况下能通 过改变泵与马达的排量来达到马达加速的 目的，能更 好地稳定发动机 ，实现推土机车速的稳定增长 。 4结 论 针对推土机产品的应用实践性特点，文中进行了 大量 的实验 ，主要通过实验验证的方式对提 出的全新 静液压 的速度控制 策略进 行 了研 究 。实 验结果 表 明 速度控制方法能有效保证推土机的微动性能 ，且操纵 简单 ，系统响应快 ，极大地降低 了劳动强度 。 参考文献 【 1 】 郭俊． 全液压推土机行驶静压驱动系统研究[ D ] ． 西安 长安大学 ， 2 0 0 3 ． 【 2 】 易小刚． 全液压推土机液压与控制系统研究[ D ] ． 西安 长安大学 ， 2 0 0 4 ． ． 【 3 】 朱学超． 小功率全液压推土机行驶驱动系统研究 [ D ] ． 西 安 长安大学 ， 2 0 0 9 ． 【 4 】 姜友山， 邹广德． 全液压推土机滑转率研究[ J ] ． 山东理 工大学学报 自然科学版 ， 2 0 1 0， 2 2 1 7 57 7 ．