全液压平地机恒速控制方法探讨.pdf
全液压平地i Ii几 速控制方法探讨 肖 峰, 李卫国, 郑鹏飞, 熊卫民 三一重工路机研 究院 摘要 平地机在现代化工程建设、 道路施工中扮演着重要的角色, 施工单位对平地机的作业效率、 作 业平整度要求较高。平地机在平整作业时, 作业速度越平稳, 平整度越高, 靠经验丰富的操作手控制油门开 度和挡位的搭配虽然能达到较高的作业平整度, 但是加大了操作手的劳动强度和技术积累时间。介绍一种 全液压平地机的恒速控制系统, 该系统适合长距离精确作业施工, 可提高施工的平整度和作业效率, 降低操 作手的劳动强度, 提升道路、 机场等工程施工的自动化程度和智能化水平。 关键词 平地机 ; 恒速 ; 自动控制 ; 施工 l 恒速控制系统的组成 本 文所论述 的全 液压平地 机为 电控变量 泵一 电控变量马达的闭式液压回路 ,采用同步分流阀 防止单边打滑 的泵 、 马达驱动结构 。如 图 1所示 , 主液压泵输出的高压油通过液压胶管连接到液压 马达 的工作油 口, 通过压力 、 流量的变化改变整车 的车速和牵引力【 ” 。 传动路线为 电喷发动机一 主液压泵一液压马 一 1 4一 达 双马达 一减速平衡箱 驱动车轮。发动机与主 液压泵通过花键连接轴相连, 液压马达通过花键与 减速平衡箱连接, 马达到车轮为定传动比。 主控制器 、 电喷发动机 E C U 电子控制单元 、 显示器、 速度传感器、 压力传感器、 电磁阀等组成控 制系统。主控制器、 电喷发动机 E C U、 显示器之间采 用 C A N总线进行数据通信, 可实现系统数据通信的 实时性 、 稳定性 、 可靠性 。主控制器采集马达转速 信号, 发动机 泵 转速信号、 系统压力传感器的数 图 1 全液压平地机恒速控制系统结构组成 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 据 ,通过控制泵前进 电磁 阀 Y1 1 或泵后退电磁阀 Y1 2 、 马达电磁阀 Y3的电流 , 改变泵 、 马达的排量 , 控制整车的速度和输 出牵引力 。 主控制器通过 C A N总线与电喷发动机 E C U进 行数据通信, 控制发动机的转速和输出功率。 2 系统中控制变量的函数关系 2 . 1 车速与马达排量关系 一 6 0 nm 21 T R l 0 姓 ‘ g m 订 R a l 0 等 1 式中 I , 整车行驶速度 , k m / h ; 马达输出轴转速, r / m in ; 减速平衡箱的传动 比; 厂 _ 驱动轮动力半径 , m; 凡 泵的转速, r / m i n ; g 泵的排量 , mL / r ; 单个马达排量, m L / r ; 叼 _一容积效率。 令 卢 q q 则 V K。 n p “ fl 2 车速只与泵 发动机 的转速成正 比, 与泵和马 达的排量比 成正 比。理论上可通过改变 r t 和 达 到任意车速。 2 . 2 牵引力与马达排量关系 F i 1 0 1 0 △ p 3 式中 卜车轮输出牵引力 , N; 卜马达输出转矩 , N m; △ p 系统压力与补油压力之差 , P a ; 叼 一 马达到车轮的机械效率 。 假设地面能提供足够的摩擦系数 , 马达的输出 牵 引力与马达排量 、 液压 系统压力成正 比, 则最大 牵引力受系统最高许可压力限制 。 2 . 3 输 出功率计算 P 2 F V 蔫 △ p 1 0 6 0 rr R aT fl i 1 0 n p “ q 加 K n p A p q 4 K0. 6 叼 叼 1 0 式中 车轮输出功率, w; 车轮的输 出功率 P只与系统压力 、泵排量 、 泵 转速有关 , 通过控制策略可 以充分发挥发动机的功 率, 提高作业效率。 2 . 4 恒速控制流程设计 某全液压平地机选用变量柱塞泵和变量柱塞马 达组成的闭式回路行走驱动系统和电喷发动机。 通过 调节泵的斜盘角度 、 马达排量的大小和发动机动态转 速来控制平地机的速度大小。其主要参数如下 发动 机额定功率N 1 4 5 k W,额定转速n 。 2 3 0 0 r / m i n , 液 压泵和液压马达的最大排量分别为 q p 1 2 5 mUr 和 q 1 6 0 m ld r 。综合减速平衡箱的传动比、 驱动轮动 力半径, 发动机额定转速下, 泵和马达都为最大排量 时 , 车速 6 - 3 k m / h , 设为常量 V o 。 n 。 为发动机的最佳降 速工作点, 此时的功率不小于总功率的9 5 %, 输出转 矩不小于最大转矩的 9 5 %。 由公式 2 可知 , 动态改变泵或 马达 的排量均 可达到恒速; 对液压系统效率而言, 在泵调到最大 排量 , 开始 下调 马达排量 的拐点附近 , 即泵 和马达 同时处在最大排量的工作 点就是液压 系统 的最大 效率点_3 l。当负载较小时, 可考虑降低发动机转速 , 提供适应负载的功率 ,同时燃油经济性得到提升 , 满足作业需求。 根据工况的不 同和施工方的作业 习惯兼顾作 业效率 ,提供 的控制系统可设置 3 ~ 1 0 k m / h的作业 速度 。 恒速控制流程如 图 2所示 。当设置车速等于 。时 , 在发动机额定转速下 , 泵和马达都为最大排 量; 当设置车速大于 。 时, 必须使泵排量和发动机 转速最大, 其次改变马达排量实现车速为 , 并采 用 P I D算法调节马达 ,实现车速快速动态响应 ; 当 设置车速小于 。 时,首先使马达处于最大排量状 态, 选择事先设计好的高效率泵、 马达的排量比, 根 据公式计算设 定速度 所需要 的发 动机转速 , 若 计算 的发动机转速 大于 则确定泵 的排量 , 并采 用 P I D算法调节发动机转速 , 实现车速快速动态响 应 ; 若计算的发动机转速小于 n 。 , 则重新选择泵、 马 达的排量比, 重复上述流程。 由公式 4 得 Ⅳ 一 P - N n 一 K n p q p 8 则 p [ Ⅳ n 一 e ] / Kn q 5 式中 一 当前发动机转速、泵排量条件下最大 许可负载压力, P a ; Ⅳ 发动机转速为n 时的发动机功率, w; 一 1 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图 2 恒速控制流程图 rⅣ n 一 P的最小许可值, 即过载保护的安 全值 , w; 在完成平地机恒速控制的同时, 结合平地机工 作负载变化频繁等工况, 增加过载保护功能。控制 思想 液压系统所产生的功率始终小于当前转速下 发动机 的输出功率 ; 当 Ⅳ n 一 P小 于过载保护的安 全值时 , 过载保护程序执行 。为兼顾液压 系统的寿 命及最高容积效率,尽量使泵一 马达系统在中高压 区工作[3 1 。 过载保护流程如图 3 所示 ,当设定车速大于 。 ,且系统压力大于 p m 时 , 增大马达排量 , 同时给 一 1 6一 No No 出警告 负载过大 , 与设置车速不匹配 ; 当设定 车速 小于 ,且系统压力大于 p m 时 ,此时马达排量最 大 , 使输 出牵引力处于最大状态 , 增加泵 的排量 , 同 时相应的发动机转速降低, 满足恒速度要求; 发动 机转速 降低 , Ⅳ 凡 减小 , 根据公式 5 , 系统压力应 有所下降; 若降低后的发动机转速大于 F /,。 , 则重复 上述流程 , 可进一步减小系统压力 ; 若 降低后 的发 动机转速小于 n o , 流程结束, 保证应有的系统功率。 恒定车速设置界面如 图 4 a 所示 , 调试页面如 图 4 b 所示 。 图3 过载保护流程图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m a 恒定 车速设置界面 率疆 行疑蓉娆篷力 擞动辘糟建 鬣柚进 . 蓑麝溅 嘲 定马姥 右端避p v 左马达 右马选 0 .0 K 椭停车 空昔 0b ● r 0咖 擅f I 0 m A Q 0啪 0 图 4显示界面 2 . 5 试验及结果 在稍微平整过的土地上 ,丈量 2 0 0 m的作业空 间, 使平地机沿指定方向作业, 速度稳定后, 开始秒 b 恒定车速调试页面 表计 时 , 记录行驶距离 , 同时查看显示器上 的行驶 速度, 记录结果如表 1 所示。试验结果显示, 作业速 度基本达到恒速 , 与设定值相同。 表 1 恒速行驶试验结果 设定速度 试验距离 用时 计算平均速度 显示行驶速度 速度误差 序号 / k m / h / m | 8 / k m / h / k r / k m / h l 3 . O 2 00 23 4 3 . 07 6 3. 1 O. 1 2 4 . O 2 0 0 1 8 4 3 . 91 3 3 . 9 0 . 1 3 5 . 0 2 0 o 1 4 3 5 .0 3 5 5 . O 0 4 6 . 0 2 0 0 l 2 1 5 .9 5 l 6 . 0 0 5 7 . 0 2 0o 1 03 6.99 0 7. 0 O 6 8 . 0 2 00 91 7 . 91 2 7. 9 0. 1 7 9. 0 2 o0 7 9 9 . 11 4 9. 1 0. 1 3 结束语 1 本文针对平地机施工工况 ,提供一种全液 压平地机的恒速控制策略, 经试验验证 , 平地机作 业平稳, 输出稳定, 达到恒速施工要求。该控制方法 充分 利用液压系统的压力 以提供足够 的输 出功率 与负载相匹配。当外部负载发生变化时, 优先提供 充足的牵引力, 同时保持机器的作业速度。 2 通过各类传感器信息采集及通信手段对车 轮工况监控 , 实现精确 的速度控制 ; 同时分析马达 排量与平地机作业速度的关系, 匹配发动机的转速 及泵 、 马达排量实现机器恒速运行 的设计 ; 提 出泵、 马达排量的分步控制 , 确定泵、 马达排量之比, 避免 了泵、 马达反复调节和调节不同步, 影响车速。 3 控制策略考虑了泵 、马达闭式液压传动 的 效率区间, 以保证液压系统较高的效率; 改变发动 转速以与平地机车速及功率输出相匹配, 充分发挥 发动机的有效功率 , 从而实现动态节能的 目的。 参考文献 ⋯ 1 姚怀新. 行走机械液压传动与控制 [ M 】 . 北京 人民交通 出版社 , 2 0 0 1 . 【 2 】王大宇. C A N总线技术在智能推土机控制系统中的应 用【 J 】 _ 建筑机械 , 2 0 0 5 6 8 2 8 3 . [ 3 】陈永峰. 全液压平地机的动力匹配及牵引性能分析[ J 1 _ 建筑机械, 2 0 0 7 2 9 1 9 3 . 通信地址湖南省长沙市星沙经济开发区三一重工路机研 究院 4 1 0 1 0 0 收稿 E t 期 2 0 1 1 - 0 8 2 2 一 1 7一 L [ 藤 叭 j耋 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m