謝金龍， 趙源，王進(jìn)，曾塬

(三一重工股份有限公司路面機(jī)械研究院，長(zhǎng)沙 410100)

0 引 言

近幾年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)工程機(jī)械行業(yè)的大力投入以及機(jī)械、液壓和電氣控制等領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)不斷推陳出新，客戶(hù)不但對(duì)機(jī)器的工作性能和效率提出了更高的要求，而且也對(duì)機(jī)器節(jié)能環(huán)保、油耗低以及操作的舒適性提出了新的要求。即客戶(hù)使用機(jī)器時(shí)，一方面，希望機(jī)器的智能化水平和工作效率得到最大程度的發(fā)揮。另一方面，也希望機(jī)器耗油量小、排污量低，操作安全舒適。全液壓平地機(jī)在小油門(mén)工況下行駛和作業(yè)時(shí)機(jī)器表現(xiàn)出來(lái)的“游車(chē)”現(xiàn)象是一個(gè)重大問(wèn)題，既影響機(jī)器行駛和作業(yè)效率，同時(shí)還降低機(jī)器操作的舒適性，且機(jī)器行駛速度忽高忽低來(lái)回振蕩，存在追尾的安全隱患。

1 問(wèn)題現(xiàn)象

全液壓平地機(jī)是三一重工自主研發(fā)且屬于世界首創(chuàng)的靜液壓驅(qū)動(dòng)工程機(jī)械新產(chǎn)品，如圖1 所示。

圖1 全液壓平地機(jī)

與液力式和機(jī)械式平地機(jī)不同，其整機(jī)的牽引力由靜壓提供。液壓系統(tǒng)主要由一個(gè)電控變量泵和電控變量馬達(dá)（兩個(gè)）組成，且為閉式系統(tǒng)。在此系統(tǒng)基礎(chǔ)上，整機(jī)的傳動(dòng)路線為：發(fā)動(dòng)機(jī)→液壓主泵→液壓馬達(dá)（2 個(gè)）→減速平衡箱→驅(qū)動(dòng)車(chē)輪，如圖2 所示。

圖2 全液壓平地機(jī)傳動(dòng)路線

客戶(hù)在使用平地機(jī)時(shí)，為了節(jié)能減排，油門(mén)踏板通常不是直接踩踏到底，而是踩踏油門(mén)踏板總行程的一半。這樣既能滿(mǎn)足行駛或作業(yè)時(shí)所需要功率的要求，同時(shí)還能降低油耗，且使得發(fā)動(dòng)機(jī)不長(zhǎng)時(shí)間工作在額定轉(zhuǎn)速和功率下，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了一定程度的保護(hù)，延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。但是此時(shí)機(jī)器出現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題，其行駛速度忽高忽低循環(huán)變化，這種“游車(chē)”現(xiàn)象嚴(yán)重影響機(jī)器行駛和作業(yè)性能，必須予以解決。問(wèn)題試驗(yàn)測(cè)試曲線如圖3 所示。

圖3 全液壓平地機(jī)“游車(chē)”測(cè)試曲線

由圖3 測(cè)試曲線可知，在小油門(mén)工況下，機(jī)器在不同擋位下的行駛速度均存在來(lái)回波動(dòng)現(xiàn)象，尤其以高速擋4 擋和5 擋最為嚴(yán)重。

2 原因分析

2.1 問(wèn)題產(chǎn)生過(guò)程分析

在小油門(mén)工況下機(jī)器行駛和作業(yè)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率打折，而外部負(fù)載卻為實(shí)時(shí)變化的負(fù)載。當(dāng)負(fù)載大于發(fā)動(dòng)機(jī)荷載能力時(shí)，此時(shí)液壓系統(tǒng)就會(huì)憋壓，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)出現(xiàn)掉速，造成輸出功率進(jìn)一步減小，機(jī)器的牽引力和行駛速度也減小。當(dāng)負(fù)載小于發(fā)動(dòng)機(jī)荷載能力時(shí)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)表現(xiàn)為升速，且輸出功率進(jìn)一步增大，機(jī)器的牽引力和行駛速度也增加。此兩種工況來(lái)回循環(huán)變化，使得機(jī)器表現(xiàn)出“游車(chē)”的現(xiàn)象。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)小油門(mén)工況分析

式中：vg為每轉(zhuǎn)一圈的幾何排量，cm3；n 為轉(zhuǎn)速，r/min；ηv為容積效率。

由式（1）可分別得到以下計(jì)算公式

式中：qv為流量，L/min；Δp為壓差，bar；ηt為總效率。

由式（7）可分別得液壓馬達(dá)功率計(jì)算公式為：

全液壓平地機(jī)應(yīng)用的為大連道依茨發(fā)動(dòng)機(jī)。由其外特性曲線（圖4）可知，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率與轉(zhuǎn)速近似成正比關(guān)系。在油門(mén)踏板踩踏機(jī)械最大行程一半時(shí)（約1 700 r/min），此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率約為額定功率的1/2（約120 kW），輸出扭矩在最大扭矩附近（約為675 Nm）。在忽略機(jī)器傳動(dòng)過(guò)程功率損失的情況下，由能量守恒可得：

馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速乘以傳動(dòng)比即為驅(qū)動(dòng)車(chē)輪行駛速度，所以由上述推導(dǎo)計(jì)算可知，在小油門(mén)工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的功率和扭矩完全能夠滿(mǎn)足機(jī)器中等負(fù)載作業(yè)和中速行駛的要求。因此發(fā)動(dòng)機(jī)小油門(mén)工況本身不是"游車(chē)"問(wèn)題產(chǎn)生的原因。

2.3 機(jī)器液壓主泵和馬達(dá)排量控制策略缺陷分析

在忽略液壓系統(tǒng)因吸附、泄漏等損失情況下，由液壓系統(tǒng)守恒可得： qp=qm（8）

將式（2）和式（3）代入式（8）中可得：

因?yàn)橐簤褐鞅煤桶l(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)花鍵連接軸剛性連接，所以 ne=np。 （10）

在忽略液壓系統(tǒng)效率損失的情況下，ηvp=ηvm。（11）將式（10）和式（11）代入式（9）中可得

由式（12）可知馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速nm(乘以傳動(dòng)比即為行駛速度)與發(fā)動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn) 速ne、主泵 排 量vp、馬達(dá)排量vm有關(guān)。在小油門(mén)機(jī)械位置一定后，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速ne因外部負(fù)載變化而小范圍變化時(shí)，主泵和馬達(dá)排應(yīng)量盡可能保持不變，從而維持馬達(dá)輸出的轉(zhuǎn)速基本為定值，即機(jī)器行駛速度基本恒定。而機(jī)器現(xiàn)行液壓主泵和馬達(dá)排量的控制策略均為與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系。液壓主泵排量和發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩成正比線性關(guān)系，即vp=f（Te）。由圖4 可知，大連道依茨發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩輸出點(diǎn)為1 450 r/min 左右。所以當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在怠速至1 450 r／min 變化時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的扭矩Te在600~705 Nm之間正比變化，液壓主泵排量vp相應(yīng)在0%~100%范圍內(nèi)正比變化。液壓馬達(dá)排量的控制策略為馬達(dá)排量vm和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速ne成反比線性關(guān)系，即vm=f（ne）。綜上所述，液壓主泵和馬達(dá)排量均與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成線性變化關(guān)系是問(wèn)題產(chǎn)生的主要原因。

圖4 道依茨發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線

3 解決措施

由上述問(wèn)題產(chǎn)生的原因深入剖析后可知，外部負(fù)載實(shí)時(shí)變化導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速、扭矩和功率發(fā)生時(shí)大時(shí)小地循環(huán)變化，這是機(jī)器和發(fā)動(dòng)機(jī)本身的固有特性，是不好進(jìn)行控制和改變的。唯一可以控制的是怎樣將這種變化不失真地在泵和馬達(dá)上進(jìn)行弱化，即將主泵和馬達(dá)排量與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)變化的線性關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)榉菍?shí)時(shí)變化的非線性關(guān)系，具體思路闡述為：一方面，主泵排量vp不與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩建立線性關(guān)系，而是建立分段對(duì)應(yīng)關(guān)系。即發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩在某一范圍內(nèi)時(shí)，對(duì)應(yīng)主泵的排量vp為一個(gè)定值。具體對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1 所示。

另一方面，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)漠?dāng)前范圍段變化到另一個(gè)范圍段時(shí)，主泵排量首先不立即響應(yīng)變化，而是先判斷變化量是否超過(guò)50 r/min，若超過(guò)50 r/min，則主泵排量開(kāi)始變化，否則，保持當(dāng)前排量不變。而且變化過(guò)程采用先慢后快的斜坡輸出方式，使得小范圍的變化過(guò)程得以弱化和平穩(wěn)進(jìn)行。相應(yīng)的控制策略流程圖如圖5 所示。

表1 液壓主泵排量和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系定義

圖5 液壓主泵排量控制流程圖

表2 液壓馬達(dá)排量和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系定義

液壓馬達(dá)新控制策略也分為兩個(gè)方面。一方面，將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速整體分為4段：怠速段、低速段、中速段和高速段。馬達(dá)排量在這4 個(gè)范圍段內(nèi)的排量分別定義為100%、75%、50%和25%，具體對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2 所示。

另一方面，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)漠?dāng)前范圍段變化到另一個(gè)范圍段時(shí)，馬達(dá)排量首先不立即響應(yīng)變化，而是先判斷變化量是否超過(guò)50 r/min，若超過(guò)50 r/min，則馬達(dá)排量開(kāi)始變化，否則，保持當(dāng)前排量不變。而且變化過(guò)程采用先慢后快的斜坡輸出方式，使得小范圍的變化過(guò)程得以弱化和平穩(wěn)進(jìn)行。相應(yīng)的控制策略流程圖如圖6 所示。

4 重新試驗(yàn)測(cè)試及結(jié)果

按照上述解決措施，將液壓主泵和馬達(dá)排量新控制策略流程圖程序代碼化，然后重新進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試曲線如圖7 所示。

由上述曲線可知，機(jī)器在小油門(mén)工況下行駛或作業(yè)時(shí)，各個(gè)擋位的行駛速度不再忽高忽低來(lái)回波動(dòng)形成“游車(chē)”現(xiàn)象，而是保持良好的平穩(wěn)性。不但提高機(jī)器操作的舒適性，而且降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗，達(dá)到既節(jié)能環(huán)保，同時(shí)又提升了機(jī)器工作效率的目的。

圖6 液壓馬達(dá)排量控制流程圖

圖7 全液壓平地機(jī)不“游車(chē)”測(cè)試曲線

5 結(jié) 語(yǔ)

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知，關(guān)聯(lián)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速ne、輸出扭矩Te以及功率Pe等系統(tǒng)參數(shù)的液壓主泵和馬達(dá)排量控制策略，成功解決了機(jī)器在小油門(mén)工況下“游車(chē)”的問(wèn)題。不但提高了小油門(mén)工況下機(jī)器行駛和作業(yè)的工作性能，同時(shí)還節(jié)能減排、降低油耗，并且提高了機(jī)器操作的舒適性。

關(guān)聯(lián)系統(tǒng)各個(gè)參數(shù)的液壓主泵和馬達(dá)排量控制策略以及從理論公式和機(jī)器工藝過(guò)程分析問(wèn)題原因，找出解決問(wèn)題的方法和過(guò)程可以借鑒應(yīng)用到其他產(chǎn)品的其它問(wèn)題上。

［1］ 蔣建軍，許小球.平地機(jī)［M］.長(zhǎng)沙：三一重工股份有限公司，2007.

［2］ 楊勇.電噴發(fā)動(dòng)機(jī)“游車(chē)”故障原因分析［J］.汽車(chē)維修，2002（12）：18-19.

［3］ 李景芝.豐田轎車(chē)怠速游車(chē)故障的排除［J］.汽車(chē)運(yùn)用，2002（3）：43.

［4］ 魏茹.游車(chē)的原因與診斷［J］.農(nóng)機(jī)使用與維修，2007（5）：60.