劉存波，郭浩鵬，滿敬華，田從豐

(山推工程機械股份有限公司，山東濟寧 272073)

全液壓推土機速度控制系統(tǒng)的研究

劉存波，郭浩鵬，滿敬華，田從豐

(山推工程機械股份有限公司，山東濟寧 272073)

分析靜液壓傳動的原理，提出速度控制方法和控制策略，開發(fā)出全液壓推土機的控制系統(tǒng)，進(jìn)行了臺架和實車實驗。實驗結(jié)果表明:提出的速度控制方法能有效地保證推土機的微動性能，且操縱簡單，系統(tǒng)響應(yīng)快，極大地降低了勞動強度。

推土機;全液壓傳動;速度控制;微動控制

目前，國外智能化全液壓推土機技術(shù)已較成熟，同國內(nèi)相比其價格為國內(nèi)同等馬力液力式推土機的2～3倍，并且國外的推土機靜壓傳動理論和控制技術(shù)處于保密狀態(tài)。作為智能推土機研制的核心環(huán)節(jié)，行駛控制系統(tǒng)更為國外所壟斷。而我國在作為推土機智能化基礎(chǔ)的液壓傳動方面的研究剛剛起步，理論研究非常薄弱。國內(nèi)個別廠家生產(chǎn)的全液壓推土機，由于缺乏理論支持，液壓系統(tǒng)的參數(shù)匹配和整機牽引性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足推土機作業(yè)的要求，其動力性和經(jīng)濟性與國外差距也比較大。為此，進(jìn)行靜壓推土機液壓系統(tǒng)控制策略和操縱方法的研究，開展全液壓推土機傳動系統(tǒng)的動力匹配，解決目前國內(nèi)在全液壓推土機行駛驅(qū)動方面的理論問題具有積極的意義。

1 全液壓推土機傳動原理

推土機的靜液壓傳動系統(tǒng)控制著推土機的行駛功能，是推土機動力性能的核心系統(tǒng)。推土機的靜壓行駛驅(qū)動系統(tǒng)主要由變量泵、變量馬達(dá)、補油泵、溢流閥等組成，電液比例控制靜液壓推土機行駛驅(qū)動系統(tǒng)單邊回路如圖1所示。

如圖1所示，發(fā)動機帶動變量泵1，其輸出的壓力油經(jīng)變量馬達(dá)2將液壓能轉(zhuǎn)回到機械能，經(jīng)減速裝置傳遞給推土機的鏈輪。在靜壓傳動行駛系統(tǒng)單邊回路中，變量泵1是系統(tǒng)液壓能的能源也是系統(tǒng)的控制組件，通過調(diào)節(jié)液壓泵的排量就可實現(xiàn)對系統(tǒng)流量的控制，而且改變泵的轉(zhuǎn)動方向就可使液壓馬達(dá)的方向跟著改變，實現(xiàn)對馬達(dá)轉(zhuǎn)動方向的控制。通過調(diào)整馬達(dá)排量控制系統(tǒng)壓力，使液壓系統(tǒng)保持穩(wěn)定。

圖1 電液比例控制靜液壓推土機行駛驅(qū)動系統(tǒng)單邊回路

2 速度控制系統(tǒng)及控制策略

推土機的行走系統(tǒng)及以PLC為主控制器的智能控制系統(tǒng)共同組成了推土機行駛驅(qū)動系統(tǒng)。系統(tǒng)主要單元有:發(fā)動機、分動箱、電液比例閥控制雙泵和雙馬達(dá)行駛驅(qū)動系統(tǒng)液壓回路、PLC控制系統(tǒng)、行走速度手柄等，如圖2所示。

圖2 全液壓操縱系統(tǒng)

圖3 速度控制手柄方向狀態(tài)圖

速度控制系統(tǒng)中，速度手柄將推土機的行駛方向控制分為8個方向狀態(tài)及一個停車狀態(tài)，十字型手柄由縱、橫2個電位計構(gòu)成，如圖3所示，直線行走:手柄X方向，左右變量泵和左右變量馬達(dá)根據(jù)手柄X方向值等量輸出;并根據(jù)左右履帶馬達(dá)轉(zhuǎn)速信號調(diào)整兩變量泵的排量大小，從而達(dá)到直線自動糾偏;以及根據(jù)載荷的變化情況同等調(diào)整兩變量泵或馬達(dá)的排量。前進(jìn)轉(zhuǎn)彎:手柄斜向上，左變量泵與右變量泵的輸出與手柄X方向值和手柄Y方向值有關(guān)，手柄X方向值越大，則手柄Y方向值越小，轉(zhuǎn)彎半徑越大，速度越快;反之，手柄X方向值越小，則手柄Y方向值越大，轉(zhuǎn)彎半徑越小，速度越慢;以及根據(jù)載荷的變化情況同等調(diào)整兩變量泵的排量大小。后退轉(zhuǎn)彎:手柄斜向下。原地轉(zhuǎn)向:手柄Y方向，左變量泵根據(jù)手柄Y方向值輸出;右變量泵根據(jù)手柄Y方向值輸出;以及根據(jù)載荷的變化情況同等調(diào)整兩變量泵的排量大小。

速度控制系統(tǒng)通過采集靠近驅(qū)動馬達(dá)液壓系統(tǒng)油壓 (由于路面阻力通過驅(qū)動輪傳遞到驅(qū)動馬達(dá)上)，求出馬達(dá)兩端額定壓差，如公式(1)所示:

其中:ΔpmH為液壓馬達(dá)兩端額定壓差;

ηmt為液壓馬達(dá)的機械效率;

qmmax為液壓馬達(dá)流量;

Mm為地面阻力傳遞液壓馬達(dá)扭矩。

則根據(jù)能量算法，液壓馬達(dá)傳遞功率如下式所示:

式中:V為液壓馬達(dá)排量;

n為液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速;

Pm為泵功率。

發(fā)動機功率如式(3)所示:

式中:P為發(fā)動機輸出功率;

η為傳動系統(tǒng)總效率。通過采集到的方向手柄角度信號，計算達(dá)到要求的速度信號;地面阻力通過鏈輪和減速機傳遞到液壓傳動系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換成壓力信號。采集到的壓力信號通過公式(1)計算得出地面阻力，通過公式(2)、(3)計算得出發(fā)動機在該車速下所要求輸出功率，推土機ECU根據(jù)發(fā)動機匹配功率控制曲線輸出發(fā)動機控制信號，同時根據(jù)公式(1)、(2)和泵和馬達(dá)本身性能曲線，匹配計算出泵和馬達(dá)高效排量和匹配的靜液壓傳動系統(tǒng)壓力，輸出泵馬達(dá)排量信號并進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而完成泵馬達(dá)和發(fā)動機的整車速度控制調(diào)節(jié)，形成的控制流程圖如圖4所示。

圖4 速度控制流程圖

靜液壓推土機控制器軟件編程至關(guān)重要?？刂破骱惋@示器的程序全部是在CoDesys環(huán)境下完成的，控制系統(tǒng)的開發(fā)和完善是一個循序漸進(jìn)的過程，為了便于對程序進(jìn)行修改和完善，系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用模塊化的設(shè)計方法，將控制程序主要分為速度手柄控制、自動油門控制、行走糾偏、轉(zhuǎn)向控制和制動控制等模塊。采用一個主控制器 (TTC200控制器)，根據(jù)采集到的各種電位信號、開關(guān)量、傳感器信號和發(fā)動機信號等做出判斷，向比例閥、開關(guān)閥、報警燈和發(fā)動機等輸出各種控制信號，達(dá)到控制發(fā)動機的目的。

3 速度控制臺架及實車實驗

為了對控制策略和控制程序進(jìn)行驗證，進(jìn)行了臺架實驗和實車實驗。試驗系統(tǒng)的組成:液壓泵 (閉式)實驗系統(tǒng)、液壓馬達(dá)加載系統(tǒng)以及實驗操作平臺等，如圖5所示。

圖5 靜壓傳動系統(tǒng)實驗臺

進(jìn)行空載轉(zhuǎn)向試驗，繪制左右馬達(dá)轉(zhuǎn)速圖如圖6所示。

圖6 空載馬達(dá)a和馬達(dá)b速度

轉(zhuǎn)向過程中速度控制手柄前右傾a馬達(dá)轉(zhuǎn)速增加速度比b馬達(dá)增加速度快，轉(zhuǎn)速分別為831和261 r/min，轉(zhuǎn)速比為3.2，實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。

恒速加載實驗?zāi)M推土機在工作過程中集土工況下的性能。在泵轉(zhuǎn)速為1 200 r/min恒定轉(zhuǎn)速下，對馬達(dá)加載，得到的A、B兩個實驗臺分別對應(yīng)馬達(dá)a和b的實驗數(shù)據(jù)，并繪制了馬達(dá)扭矩－馬達(dá)排量和馬達(dá)轉(zhuǎn)速－馬達(dá)扭矩變化圖，如圖7和8所示。

圖7 馬達(dá)排量－馬達(dá)扭矩圖

圖8 馬達(dá)轉(zhuǎn)速－馬達(dá)扭矩圖

從圖7可看出:實驗臺A的馬達(dá)排量和馬達(dá)B的馬達(dá)排量隨馬達(dá)扭矩呈平緩變化。載荷范圍內(nèi)，對于馬達(dá)載荷的增加，控制系統(tǒng)分別采用了兩種控制方式來穩(wěn)定發(fā)動機轉(zhuǎn)速:當(dāng)泵的排量在50 mL/r的情況下，通過單獨減少泵的排量來適應(yīng)載荷變化;當(dāng)泵的排量超過50 mL/r，控制系統(tǒng)維持泵的排量，增加馬達(dá)的排量達(dá)到穩(wěn)定泵轉(zhuǎn)速的目的。

實驗臺A、B的馬達(dá)轉(zhuǎn)速都隨馬達(dá)扭矩的變化呈線性降低趨勢，靜壓傳動系統(tǒng)中通過降低變量泵排量或者增加變量馬達(dá)的排量都能穩(wěn)定變量泵的扭矩，從而穩(wěn)定發(fā)動機轉(zhuǎn)速。實驗證明，此控制系統(tǒng)在恒速加載的情況下能達(dá)到良好的控制效果。

變速恒載100 N·m，如圖9所示，主要模擬推土機在搬運中量土方過程中的加速性能。泵轉(zhuǎn)速基本恒定為1 200 r/min，通過改變泵排量改變馬達(dá)轉(zhuǎn)速。

變速恒載150 N·m，如圖10所示，主要模擬推土機在搬運較大土方過程中的加速性能。泵轉(zhuǎn)速為1 000～1 350 r/min，通過改變泵排量改變馬達(dá)轉(zhuǎn)速。

圖9 變速恒載100 N·m排量－轉(zhuǎn)速圖

圖10 變速恒載150 N·m排量－轉(zhuǎn)速圖

全液壓推土機行駛驅(qū)動系統(tǒng)中發(fā)動機轉(zhuǎn)速不變的情況下，通過增大變量泵的排量與減少變量馬達(dá)排量都能使變量馬達(dá)速度增加，控制系統(tǒng)在此情況下能通過改變泵與馬達(dá)的排量來達(dá)到馬達(dá)加速的目的，能更好地穩(wěn)定發(fā)動機，實現(xiàn)推土機車速的穩(wěn)定增長。

4 結(jié)論

針對推土機產(chǎn)品的應(yīng)用實踐性特點，文中進(jìn)行了大量的實驗，主要通過實驗驗證的方式對提出的全新靜液壓的速度控制策略進(jìn)行了研究。實驗結(jié)果表明:速度控制方法能有效保證推土機的微動性能，且操縱簡單，系統(tǒng)響應(yīng)快，極大地降低了勞動強度。

【1】郭俊.全液壓推土機行駛靜壓驅(qū)動系統(tǒng)研究［D］.西安:長安大學(xué)，2003.

【2】易小剛.全液壓推土機液壓與控制系統(tǒng)研究［D］.西安:長安大學(xué)，2004.

【3】朱學(xué)超.小功率全液壓推土機行駛驅(qū)動系統(tǒng)研究［D］.西安:長安大學(xué)，2009.

【4】姜友山，鄒廣德.全液壓推土機滑轉(zhuǎn)率研究［J］.山東理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2010，22(1):75－77.

Research on the Speed Control System of Full Hydraulic Bulldozer

LIU Cunbo，GUO Haopeng，MAN Jinghua，TIAN Congfeng
(Shantui Construction Machinery Co.，Ltd.，Jining Shandong 272073，China)

The principle of fully hydraulic drive was analyzed.The speed control method was proposed.The control system and control strategy were developed.The rig test of vehicles and the bulldozer test were done.The experimental results show that the speed control method can effectively guarantee the micro performance of the bulldozer，the control system is simple and fast，it can greatly reduce the labor intensity.

Bulldozer;Full hydraulic transmission;Speed control;Inching control

TH137.1

A

1001－3881(2014)8－084－3

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.08.028

2013－04－12

劉存波 (1982—)，男，碩士，研究方向為工程機械。E－mail:liumt2011@163.com。