推土机静液压传动装置的参数匹配与控制[1]

由匹配原则出发 , 将推土机的发动机 ———液压
传动装置 ———负荷看作是一负荷驱动系统 , 提出最
适合发动机和液压传动系统的控制方式 。常用控制
方式 : ①发动机恒功率控制 , 不论外界负荷扭矩的
大小如何变化 , 都要将发动机输出轴扭矩控制为一
定值 , 即通过液压传动系统的变换作用 , 使发动机
定值扭矩适应变化的负荷的扭矩 , 若给定合适的负
qp =
60
000
×019
NM nM
max max
( -
n
n0
n0)
×Δηppnt
n0 Φ n Φ nM max
qpmax
nM max < n
(2)
式中 N M max 、 nM max ———发动机最大扭矩工况功 率与转速 ;
n0 ———变 量 泵 排 量 启 动 转 速 , n0 ≥ nmin , nmin为发动机怠速转速 。
统控制装置的目标值 , 若以负荷压差 Δp 作为传感
量 , 则有
60ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
000 Nemaxηpt Δp n
=
qp
满足此关系的值就是液压传动装置的最佳工况 。为
了简化设计 , 在目标值负荷曲线图中 , 通常取曲线 1′- 2 - 2′- 3 或 1′- 2 - 2′- 3′为实际目标值负荷
曲线 , 这样所形成变量泵的排量控制方法如下
① 目前 , 静液压传动与智能控制技术在国外中 小功率推土机传动系统中已得到应用和发展 , 而我 国在推土机智能化方面的研究刚刚起步 , 理论研究 基本处于空白状态 。推土机智能化的核心技术是发 动机 、泵和马达组成的传动系统参数的合理匹配 、 控制方式和原理 , 该系统参数的合理匹配和微电子 控制可提高推土机的生产率和降低燃油消耗 , 减轻 司机操作强度 。
数时间内在较高的中高压范围 ( 0155～112) p 内 H
工作 , 使元件的工作能力得以充分发挥 , 有足够的
寿命 ; 使马达和车辆对负荷变化有自适应能力 , 小
负荷时高速工作以提高作
业生产率 , 大负荷时低速
工作以提高牵引能力 。如
图 4 所示 , 其原理是根据
负荷压力的变化来调节马
达的排量 , 而马达排量的
设计研究
在压力匹配时 , 确定推土机的最大负荷压力和 平均持续负载压力使其不超过元件的最高标定压力 pm 和额定压力 pH 。在实际中 , 推土机的载荷波动 过大且高压频繁出现 , 应按载荷平均压力小于额定 压力 、最高压力作用时间不超过工作时间的 1 %～ 2 %进行参数匹配 , 并将满铲时的平均载荷作为机 械的额定载荷 , 将其与发动机的额定功率相匹配以 保证机械的动力性和经济性 , 即降额配置压力 , 实 际匹配压力为 p H = (0156～01625) pm 。
机的最佳匹配动力性和经济性 , 一般将两种控制方
式结合使用 , 即当外负载变化时引起系统压力变 化 , 改变泵的排量适应其变化 , 进行发动机的恒功 率控制 ; 同时根据系统的压力变化控制发动机转速 的变化 , 使发动机的功率得以充分发挥 , 并且燃油 经济性最好 , 从而实现发动机的变功率控制 。其原 理及实现过程如图 1 所示 。
率时发动机的匹配方程为 pp ( t) = peo , 即
M p ( t) = M eo
(1)
泵的吸收扭矩等于发动机最佳工作点的输出扭
矩 M eo , 又 M p ( t) = pp ( t) qp ( t) , 式中 pp ( t) 取决 于负载 , 当负载变化时引起 pp ( t ) 和 M p ( t ) 的变 化 , 当 M p ( t) 偏离最佳工作点时泵与发动机不匹 配 , 通过调节泵的排量 qp ( t ) 以改变 M p ( t ) , 使 得 M p ( t) 始终近似满足式 (1) , 这就实现了泵与 发动机的匹配 。
图 2 发动机扭矩外特性与目标值负荷率 Me - 发动机效扭矩 ; M z - 负荷扭矩
根据这个结论以及液压泵与发动机之间的关系 Δpnqp/ 60 000ηpt = N eo ( 式中 Δp 为负荷压差 、 n 为转速 、qp 为泵的排量) , 为了使液压传动装置具 有高效率 , 且使发动机具有好的动力性和燃料经济
转速匹配对泵来说一般将全排量最高转速与发 动机最高转速匹配 , 而对变量马达来说考虑小排量 时最高转速 。
3 发动机与变量泵的匹配和控制
发动机与液压传动装置匹配的原则是发动机的
转速及其输出扭矩适应外负载的变化而连续变化 ,
并将发动机的实际工作点匹配在相应转速下的最大
功率输出点和最佳节能点附近 。不考虑机械传动效
设计研究
推土机静液压传动装置的参数匹配与控制
王永奇1 , 单新周2
(11 长安大学 工程机械学院 , 陕西 西安 710064 ; 21 湖南交通职业技术学院 , 湖南 长沙 410004)
[ 摘 要 ] 研究了推土机静液压传动系统参数的匹配条件 、原则和控制方法 , 分析了发动机 、泵和马达组成的负 荷驱动系统各环节的参数匹配和控制目标函数 , 并提出推土机行驶驱动液压系统的工作匹配压力 、控 制原理 、系统控制和配置方案 , 这对于其它静压驱动机型也有参考意义 。
①[ 收稿日期 ] 2003205222 [作者简介 ] 王永奇 (1969 - ) , 男 , 傣族 , 博士 , 研究方向工 程机械机电一体化.
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© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
(11Chang′an University , Xi′an 710064 , China ; 21Hunan vocational and Technical College of Communication , Changsha 410004 , China) Abstract : This paper describes t he study of matching condition and principle and controlling met hod of static hydraulic driving device in bulldozers , and analysis of parameter matching and controlling object function in each tache of load drive system composed by engine and pump and motor , and it puts forward work matching pressure , controlling principle , system controlling and configure precept of steam drive hydraulic system in bulldozers , it also makes a reference to ot her static hydraulic driving construction machinery. Key words : fully hydraulic bulldozers ;static hydraulic drive ;driving device ;reasonable matching ;controlling principle.
荷率 , 在这一工况下工作 , 则发动机性能不为外界
负荷的变化所影响 , 功率利用情况最好 ; ②发动机
变功率控制 , 据外界负荷扭矩的变化来控制发动机
的转速 , 保证发动机的功率和燃料经济性对于外负
载始终处于最佳状态 。
由于推土机的外负载为随机负荷 , 为了更好地
适应外负载的变化 、保证系统的高效率 、保证发动
[ 关键词 ] 全液压推土机 ; 静液压传动 ; 传动装置 ; 合理匹配 ; 控制原理 [ 中图分类号 ] TU62315 [ 文献标识码 ] A [ 文章编号 ] 100121366 (2003) 1020034203
Parameter matching and controlling of static hydraulic driving device in bulldozers WANG Yong2qi1 , SHAN Xin2zhou2
1 静液压传动合理匹配条件
1) 由发动机最大扭矩工况所决定的牵引力和 液压系统最高匹配压力所对应的最大牵引力应小于 等于由土壤附着条件决定的附着力 。
2) 发动机最小油耗工况和液压系统额定压力 工况应与行走机构之间最大生产率工况相一致 , 即 发动机最小油耗工况和液压系统额定压力所决定的 牵引力应等于行走机构滑转率所决定的牵引力 , 以 保证最大的作业生产率 。
3) 平均最大工作阻力应等于机器的额定有效 牵引力 。
2 匹配原则与方法
由于液压传动系统 、发动机和外负载之间存在 着相互影响 、相互制约的关系 , 因此在进行泵和马 达参数之间的匹配时 , 首先应结合发动机性能和外 负载特性来考虑 , 即液压参数的匹配首先应保证发 动机 —液压系统 —外负载有最佳的动力性 、经济性 和生产率 ; 其次应保证各液压元件有满意的工作寿 命和可靠性 。影响液压元件工作寿命的不可靠因素 主要有 : 负荷特性 (可采用降额匹配和加蓄能器的 方法来解决) 、元件的使用参数即工作压力 、转速 及其负荷的匹配状态 。
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设计研究
性 , 应选取发动机目标负荷率范围内最大的功率即
各转速 n 时最大输出功率 Nemax (发动机调速特
性对应之功率 , 是转速 n 的函数) 为液压传动系
图 1 泵与发动机匹配控制方案框图
发动机与液压传动装置的性能参数进行良好的 匹配后 , 发动机合适的负荷率是其动力性 、燃油性 和液压系统效率最佳必要条件 , 可取 90 %～100 % 负荷率为最终控制目标值 , 既满足燃料消耗最小的 要求 , 又保证了较高的功率利用率 , 同时又符合推 土机实际使用条件下负荷工况的要求 。
H
H
m
量工作 , 以提供足够的牵引力 , 为了避免马达小排
量工作而大大降低工作效率 , 最小排量一般限定为 βm > 013 。最终可得全液压推土机行驶驱动系统控
制原理图和液压回路图 , 见图 5 、图 6 。
图 5 行驶静压驱动系统控制原理
图 3 电比例泵的控制特性
5 马达参数选择和控制方式
目标值负荷率的确定如图 2 所示 , 图中曲线 1 - 2 - 3 为理想的目标值负荷曲线 , 实际常用的目 标值负荷曲线如图中 1′- 2 - 2′- 3′所示 。液压泵 与发动机的合理匹配是通过调节泵的排量 qp 来实 现的 , 变量泵排量比越大 , 即泵的实时排量越大 , 其机械效率与总效率越高 , 因此应使泵尽量在大排 量下工作 。
4 变量泵的控制方式
行走机械液压驱动系统的变量泵和马达控制目 前常用的主要有电动比例控制和机械 - 液压伺服控 制两种 , 电动控制方式的最大特点是适应能力强 、 其硬件设施通用性强 , 易实现纠偏 、同步 、转向 , 匹配柔性很好 , 适宜于推土机特殊工况的需要 , 电 比例泵的控制特性如图 3 所示 。控制电流由 I0 变 化至 I1 时泵排量由零变化至最大 , 对应于任一电 流值都有一确定的排量与之对应 , 其排量方程为 qp = qpmax ( I - I0) / ( I1 - I0) 。
图 6 电液比例控制的行驶驱动系统液压传动回路
采用电液比例控制的要求 : 使变量液压马达多
改变根据电子信号的改变
qm
=
qm
max
I1 I1 -
I I0
图 4 电比例马达的 控制特性
当外负荷有较大变化时系统的工作压力只有较
小的变化 , 从而使液压泵和发动机始终在各自的额
定工况附近工作 、液压马达在额定压力附近工作 。
为了实现这种控制目标 , 通常将马达排量比 βm = 1
的点选为 p ′, 在 p′～ p′压力之间均保持为全排