多功能清雪车单泵多马达液压系统功率分配分析 农业工程学报 2010 07

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农业工程学报
2010 年
π ⎧ ⎪VA = 2 Arz sin θ sin ϕ sin 3 ⎪ π π ⎪ （3） ⎨VB = −2 Arz sin θ sin( + ϕ ) sin 3 3 ⎪ ⎪ π π ⎪VT = 2 Arz sin θ sin( 3 − ϕ ) sin 3 ⎩ 式中：VA、VB、VT ——A、B、T 槽口排量，mL/r；A——
式中：t ——齿轮流量分配器齿轮对的数量；n ——液压 马达的转速，r/min；qm——液压马达的排量，L/r；ηV —— 液压马达的容积效率。 4）液压马达扭矩。在不考虑机械损失的情况下，液 压马达的理论输出扭矩为 2π dha b sin ϕ M0 = PAQηV （9） αA t ω0 sin(ϕ + )∑ qVi 2 i =1 式中：M0 ——液压马达的理论输出扭矩，Nm；ω0 —— 液压马达的角速度， rad/s 。 5）控制系统功率分配。根据液压马达的入口流量和 压力，计算液压马达的输入功率为
0
引
言
多功能清雪车是以 ZL50 装载机为底盘改装， 配备具 有集雪装置、抛雪装置、吹雪装置和滚扫装置的除雪机 械。 清雪车各种属具除雪作业的功率均由 ZL50 装载机的 一个液压工作泵提供动力，且不同属具的作业功率要求 不同。合理地分配单泵系统的液压功率至每个负载马达， 满足不同除雪作业属具的功率要求，避免压力、流量干 涉，即避免功率干涉，是有效提高多功能清雪车整机性 能和除雪作业效率的必然途径，也是对多功能清雪车液 压控制系统设计的必然要求。 多功能清雪车在非清雪作业时段，要求能够方便地 拆卸清雪作业属具，快速恢复装载机原有功能，因此要 求装载机的液压系统尽可能少地改动，常用的液压系统 功率分配方法不能满足多功能清雪车的要求。单泵多负 载马达液压系统的功率分配，阀控系统不但占用空间较 大，且易致油温过高和功率干涉；压力、流量反馈控制 系统过于复杂，各类电子测试、传感和控制装置在冬季 寒冷的室外条件下很难保证正常工作[1-4]。流量分配器和 液压变压器是利用液压系统自身的能量实现压力、流量 分配，具有控制系统简单、占用空间小的特点。同时使 用流量分配器和液压变压器进行液压系统的流量、压力
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第 26 卷 2010 年
第7期 7月
农 业 工 程 学 报 Transactions of the CSAE
Vol.26 No.7 Jul. 2010
多功能清雪车单泵多马达液压系统功率分配分析
董东双 1，邓洪超 2※，马文星 1
（1．吉林大学机械科学与工程学院，长春 130025； 摘 2．肇庆学院电子信息与机电工程学院，肇庆 526061） 要：为研究多功能清雪车单泵多马达液压系统在使用流量分配器和液压变压器条件下的功率分配特性，在理论分析
1.3.1 齿轮流量分配器分流特性 液压分流器是根据液压马达同步回路的原理，将齿 轮对通过连接轴刚性联接而形成的液压元件。流量分配 器可以保证流经各齿轮对的液体流量不受其他回路的影 响，流量按照比例进行分配。若不考虑任何损失、不考 虑内部泄露，齿轮式流量分配器的流量连续性方程为 Q = Q1 + Q2 + L + Qn （1） 式中： Q ——流量分配器的出入口总流量或油泵出口总流 量，L/min；Q1、Q2、Qn ——流量分配器各个出口流量， L/min。 由于齿轮流量分配器的几何参数与同排量的齿轮 泵（马达）相同，因此其模数、齿数和一些有关参数都 已确定。齿轮流量分配器的各组齿轮对的排量只与齿宽 有关。所以齿轮流量分配器中各个齿轮对每转的排量[9]为 qV = 2πdha b （2） 式中：qV ——齿轮流量分配器齿轮对每转排量， mL/r； d ——齿轮流量分配器齿轮分度圆直径，mm；ha ——齿 轮流量分配器齿轮齿顶高，mm；b——齿轮流量分配器 齿轮齿宽，mm。 1.3.2 液压变压器压力控制特性 液压变压器是在恒压网络二次调节系统下发展起来 的一种液压元件[10]。液压变压器的设计以斜轴式轴向柱 塞马达 A2FM12W4PI 的结构为设计基础，与柱塞马达不 同的是液压变压器的柱塞数 z =7，配流盘有 3 个接口 A、 B、T 分别接油源、负载和油箱。液压变压器柱塞的运动 形式与斜轴式柱塞马达相似，液压变压器在绕着斜轴旋 转的过程中，对每个柱塞来说既是绕着液压变压器斜轴 的旋转运动，同时也是沿着柱塞自身轴线方向的往复运 动。图 3 是液压变压器配流盘端面图。 根据液压变压器柱塞运动过程中柱塞腔体的变化， 可以得出液压变压器各个槽口每转的排量分别为
并建立齿轮流量分配器分流排量方程和液压变压器压力控制方程的基础上， 运用液压数值分析软件 AMESIM 对多功能清 雪车液压系统的功率分配进行了数值分析，数值分析曲线直观地显示了各马达的流量、压力、转速和转矩特征。对比数 值分析结果与实测参数值，二者最大相对误差绝对值小于 15.5%，且得到了多功能清雪车单泵多马达液压系统功率分配 的特征值；流量分配器和液压变压器能够实现单泵多马达液压系统功率分配和有效避免功率干涉；分配功率存在负向偏 移性，最大负向偏差比为-12.5%。流量分配器和液压变压器可有效地解决液压系统的功率分配和负载功率干涉问题。 关键词：液压，功率分配，压力，流量 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2010.07.025 中图分类号：TH137.3 文献标识码：A 文章编号：1002-6819(2010)-07-0140-07
液压变压器柱塞截面面积， A =
πd 0 ，mm2；d0——液压 4
2
式中：Q0——液压马达实际分得流量，L/min；qVi ——齿 轮流量分配器第 i 个齿轮对排量，mL/r。 2）液压系统压力控制。液压系统的压力由液压变压 器控制，且其出口压力是配流盘控制角度的单值函数。 对于给定的配流盘控制角度 φ， 在 T 槽口压力 （即油箱压 力）PT =0 的情况下，液压马达的入口压力可表示为
i =1
π
（8）
注：A1、A2 ——配流盘 A 槽的两端；T1、T2 ——配流盘 T 槽的两端； B ——配流盘负载油槽；αA、αT ——配流盘 A、T 槽的吸排油角度； αB ——配流盘负载油槽 B 的排油角度
Fig.3
图 3 液压变压器配流盘端面 Port plate end-face of hydraulic transformer
控制，进而实现液压系统功率分配控制的研究结果未见 报道。 对流量分配器和液压变压器联合应用液压系统的功 率分配特性进行研究，探寻单泵负载负载马达的压力、 流量、转速、功率的参数特征并提供实际应用的技术基 础，是本文研究的出发点和重点。
1
1.1
功率分配要求及功率分配方案
液压马达的功率要求 多功能清雪车如图 1。 集抛雪装置具有集雪、 抛雪功 能，分别使用液压马达驱动，集雪和抛雪马达须同时工 作才能实现集抛雪装置的除雪作业功能；吹扫雪装置具 有风吹雪、滚刷扫雪功能，分别采用液压马达驱动，吹 雪马达和扫雪马达不需同时工作。
第7期
董东双等：多功能清雪车单泵多达、吹雪马达和扫雪马达同时工作。同时，因工 作载荷不同，4 台液压马达的功率和转速各不相同。根据 设计要求，液压马达功率与转速参数如表 1。
Table 1
马达名称 集雪马达 扬雪马达 扫雪马达 吹雪马达
表 1 液压马达参数表 Parameter table of the hydraulic motors
功率/kW 14 30 10 8 转数/(r·min-1) 380 1100 300 1100
液压系统常用的功率分配方法 目前能够实现功率控制的液压系统主要包括以下几 种类型： 1）电液恒功率控制，为数字控制系统，采用流量和 压力直接检测——电反馈方式实现控制。工作时，系统 首先采样系统压力值与设定功率值，根据计算得到偏差 值；然后利用偏差值控制执行元件改变阀芯的位移，改 变变量泵的偏心量实现流量调整，利用流量调整实现预 设功率值为定值[5]，达到功率控制的目的。 2）功率——载荷自适应调节。可根据外负荷的变化 确定液压泵的最大允许排量，实现功率调节。工作时， 控制系统监测压力信号，并实时采集发动机转速信号， 通过发动机的外特性曲线得到发动机当前输出功率，根 据功率值得到泵的最大允许排量，实现自适应控制[6]。 3）负载敏感恒功率控制。以电液比例负载敏感变量 径向柱塞泵为基础实现恒功率控制[7]。 控制系统中利用计 算机、电液比例、负载敏感技术等对柱塞变量泵进行控 制。相对于传统控制方式，负载敏感控制系统控制精度 高、结构简单、体积小、质量小。 4）DA 控制。DA 控制阀的控制原理是，根据发动机 转速的变化自动调节液压泵排量，通过调整排量来调节 压力[8]。 功率分配或功率控制液压系统有 2 个共同点：1）变 量机构调节存在一定程度的滞后。调节过程均为首先检 测负载变化，或是负载变化引起的流量和压力变化；然 后再将当前值和发动机外特性曲线的预设值进行比较， 计算偏差；利用计算的偏差转换成位移量，通过调整位 移调整流量或压力实现功率控制。2）节流式控制方式必 然造成一定程度的能量损失。对于大功率机械，节流损 失常导致油温升高、功率损失和效率降低。 1.3 多功能清雪车液压系统功率分配方案 液压系统提供给各个液压马达的功率由马达入口 流量和压力决定。因此，液压系统实现功率分配，可通 过控制液压流量和压力的方式实现。 对比分析液压系统 功率分配控制方法， 多功能清雪车液压系统拟采用分别 控制负载马达流量和压力方式实现功率分配， 即流量采 用流量分配器控制、 压力采用压力变压器控制。 功率分 配液压原理图如图 2。
P0 = sin ϕ sin(ϕ +
αA
PA )
（7）
变压器柱塞截面直径，mm；r ——液压变压器主轴分度 圆半径，mm；z ——液压变压器柱塞数；θ ——液压变压 rad。 器斜轴倾角， (°)； φ ——液压变压器配流盘控制角度，
2 式中 P0 ——液压马达的入口压力，MPa。 3）液压马达的转速。根据液压马达的分得流量，可 得液压马达的转速为 2π dha b sin( + ϕ ) 3 n= ηV ⋅ Q t qm sin ϕ ∑ qVi