劉建慧，張 衛(wèi)，劉志忠，王 可

河南理工大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院 河南焦作 454000

傳統(tǒng)的各型帶式輸送機(jī)和裝載輸送機(jī)廣泛應(yīng)用于港口碼頭、煤礦開采、糧食儲運(yùn)等諸多領(lǐng)域。隨著這些領(lǐng)域的智能化需求越來越高，移動式帶式輸送機(jī)近年來得到了廣泛應(yīng)用。驅(qū)動底盤是支撐輸送機(jī)并幫助其實(shí)現(xiàn)靈活移動和轉(zhuǎn)場作業(yè)的重要部件，其運(yùn)動靈活性及智能化十分關(guān)鍵，且底盤的傳動方式對其運(yùn)動性能有著至關(guān)重要的影響。底盤傳動方式分為機(jī)械傳動、液力傳動、液壓傳動和電動機(jī)驅(qū)動等多種類型[1]。傳統(tǒng)驅(qū)動底盤多采用變速箱和驅(qū)動橋相結(jié)合的機(jī)械傳動方式，屬于典型的機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)，操縱簡單，但底盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量偏大，運(yùn)動靈活性受限。因此，有必要在簡化底盤結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出一種傳動平穩(wěn)且易于控制的驅(qū)動方案[2-4]，提高底盤的運(yùn)動靈活性。筆者對 2 種液壓驅(qū)動系統(tǒng)方案進(jìn)行對比分析，提出了適合多輪液壓獨(dú)立驅(qū)動底盤的單變量泵-雙定量馬達(dá)液壓驅(qū)動系統(tǒng)方案，并利用系統(tǒng)仿真技術(shù)對其性能進(jìn)行了分析。

1 多輪液壓獨(dú)立驅(qū)動底盤基本要求和總體目標(biāo)

1.1 底盤結(jié)構(gòu)

多輪液壓獨(dú)立驅(qū)動底盤主要包括機(jī)械系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等。液壓驅(qū)動系統(tǒng)包括發(fā)動機(jī)、變量泵、液壓馬達(dá)、輪邊減速器和車輪等[5-6]。如圖1 所示，驅(qū)動底盤有 4 對輪組，每對輪組的 2 個驅(qū)動輪之間均設(shè)有轉(zhuǎn)向立軸；每個車輪配置一套液壓馬達(dá)和輪邊減速器，實(shí)現(xiàn)車輪的獨(dú)立驅(qū)動；輪邊減速器位于驅(qū)動輪內(nèi)部，結(jié)構(gòu)緊湊。機(jī)械結(jié)構(gòu)未設(shè)置驅(qū)動橋和變速箱，簡化了底盤結(jié)構(gòu)，降低了整體質(zhì)量。

圖1 多輪液壓獨(dú)立驅(qū)動底盤結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of multi-wheel independent hydraulic drive chassis

多輪液壓獨(dú)立驅(qū)動底盤可以實(shí)現(xiàn)多種移動方式 (見圖2)，包括水平直行、斜向運(yùn)動、原地轉(zhuǎn)動、橫向移動等，能夠根據(jù)輸送機(jī)工作要求，快速靈活移動，從而實(shí)現(xiàn)輸送機(jī)的多種作業(yè)模式。

圖2 多輪液壓獨(dú)立驅(qū)動底盤移動方式Fig.2 Movement mode of multi-wheel independent hydraulic drive chassis

1.2 基本要求

輪式液壓驅(qū)動底盤一般負(fù)載較大，因此液壓驅(qū)動系統(tǒng)需具有大功率，并且在行駛過程中需要滿足以下要求[7]：

(1) 行駛過程中能夠?qū)崿F(xiàn)無級變速與靈活轉(zhuǎn)向，液壓控制系統(tǒng)簡單；

(2) 液壓驅(qū)動系統(tǒng)可靠性高，各元件之間匹配合理，占據(jù)底盤空間較小，整機(jī)的調(diào)速性及經(jīng)濟(jì)性好。

1.3 總體目標(biāo)

為了解決帶式輸送機(jī)在轉(zhuǎn)場和移動作業(yè)過程中的問題，設(shè)計液壓驅(qū)動系統(tǒng)時，主要考慮底盤在低速狀態(tài)下能夠穩(wěn)定運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)微動作業(yè)，并滿足底盤行駛速度的要求。底盤傳動系統(tǒng)中，發(fā)動機(jī)輸出的機(jī)械能傳遞到液壓泵，轉(zhuǎn)化為液壓能輸入到液壓馬達(dá)；液壓馬達(dá)作為執(zhí)行元件，再將輸入的液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，驅(qū)動輪邊減速器，從而實(shí)現(xiàn)底盤的全液壓驅(qū)動。底盤采用多輪驅(qū)動和多輪轉(zhuǎn)向的方式，主要運(yùn)行在低速區(qū)。筆者所研究的底盤，目標(biāo)行駛速度不大于 1 m/s，對應(yīng)車輪轉(zhuǎn)速為 25 r/min，液壓馬達(dá)最大輸出轉(zhuǎn)速為 330 r/min。

2 底盤液壓驅(qū)動系統(tǒng)方案優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)液壓油的工作循環(huán)方式，液壓系統(tǒng)可分為開式回路和閉式回路 2 種類型[8]。針對一對輪組的 2 個驅(qū)動輪，在介紹 2 種液壓驅(qū)動系統(tǒng)方案并比較動力傳遞路線和優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，確定多輪底盤的液壓驅(qū)動系統(tǒng)方案。

2.1 單變量泵-單定量馬達(dá)液壓驅(qū)動系統(tǒng)方案

單變量泵-單定量馬達(dá)液壓驅(qū)動系統(tǒng)的動力傳遞路線如圖3 所示?？梢钥闯?，發(fā)動機(jī)輸出的機(jī)械能傳遞到變量泵，保證變量泵持續(xù)穩(wěn)定地向系統(tǒng)輸入液壓油，從而確保整個液壓驅(qū)動系統(tǒng)穩(wěn)定工作。

圖3 單變量泵-單定量馬達(dá)驅(qū)動系統(tǒng)動力路線Fig.3 Power route of drive system for single variable pump-single quantitative motor

液壓系統(tǒng)原理如圖4 所示。通過調(diào)節(jié)變量泵的排量大小來改變驅(qū)動馬達(dá)速度，通過改變泵的供油方向來調(diào)整馬達(dá)轉(zhuǎn)向，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)底盤的多種運(yùn)動方式。底盤的驅(qū)動輪組能夠在轉(zhuǎn)向立軸作用下旋轉(zhuǎn)一定角度，當(dāng)內(nèi)外兩側(cè)輪組之間存在速度差時，底盤可以實(shí)現(xiàn)小半徑轉(zhuǎn)彎。單變量泵-單定量馬達(dá)液壓驅(qū)動系統(tǒng)采用補(bǔ)油泵向閉式液壓回路補(bǔ)充油液，并通過補(bǔ)油溢流閥和溢流閥溢出的油液帶走一部分熱量，從而冷卻系統(tǒng)中的主泵馬達(dá)[9-10]。

圖4 單變量泵-單定量馬達(dá)液壓驅(qū)動系統(tǒng)原理Fig.4 Principle of hydraulic drive system for single variable pump-single quantitative motor

該液壓驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，單個驅(qū)動輪配備一套閉式液壓驅(qū)動系統(tǒng)。雖然能夠?qū)崿F(xiàn)各輪的獨(dú)立驅(qū)動，但補(bǔ)油泵工作時存在能量損失，并且需要 8 套液壓動力設(shè)備，成本高，控制復(fù)雜。因此，該方案不適用于大型帶式輸送機(jī)的多輪承載底盤。

2.2 單變量泵-雙定量馬達(dá)液壓驅(qū)動系統(tǒng)方案

考慮到驅(qū)動底盤工作過程中需要提供穩(wěn)定速度，以確保輸送機(jī)實(shí)現(xiàn)移動式作業(yè)，設(shè)計了單變量泵-雙定量馬達(dá)液壓驅(qū)動系統(tǒng)方案，整體上減少了泵的數(shù)量，從而降低了成本。根據(jù)圖5 所示的液壓驅(qū)動系統(tǒng)動力路線可知，發(fā)動機(jī)將機(jī)械能傳遞到變量泵，變量泵驅(qū)動定量馬達(dá) 1 和 2，將液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，驅(qū)動輪邊減速器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)底盤車輪的獨(dú)立驅(qū)動。

圖5 單變量泵-雙定量馬達(dá)驅(qū)動系統(tǒng)動力路線Fig.5 Power route of drive system for single variable pump-dual quantitative motor

底盤采用多輪驅(qū)動，分為 4 對輪組。針對其中一對輪組設(shè)計的液壓驅(qū)動系統(tǒng)如圖6 所示。發(fā)動機(jī)向變量泵提供動力，保證變量泵向位于車輪中的定量馬達(dá)連續(xù)且穩(wěn)定地輸入液壓能。給定變量泵控制信號為定值，通過調(diào)整比例調(diào)速閥的控制信號來改變進(jìn)入定量液壓馬達(dá)的流量，進(jìn)而改變馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)速。比例調(diào)速閥由節(jié)流閥和定差減壓閥串聯(lián)組成，控制信號作用于節(jié)流閥一端，模型如圖7 所示。底盤行駛工況與三位四通電磁換向閥的閥芯位置直接相關(guān)：當(dāng)電磁換向閥閥芯處于中位，阻斷液壓油進(jìn)入馬達(dá)，底盤處于駐車狀態(tài)；當(dāng)圖6 中換向閥 P-A 和 T-B 口接通，液壓油正向進(jìn)入馬達(dá)，底盤處于直行前進(jìn)工況；當(dāng)換向閥的 P-B和 T-A 口接通，液壓馬達(dá)反向旋轉(zhuǎn)，底盤處于直行后退工況。控制底盤左側(cè)輪組馬達(dá)的轉(zhuǎn)速低于右側(cè)輪組馬達(dá)的轉(zhuǎn)速時，底盤小半徑左轉(zhuǎn)；反之，底盤右轉(zhuǎn)；左右輪組馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)速方向相反、大小相同的情況下，驅(qū)動底盤可以原地轉(zhuǎn)向，調(diào)整帶式輸送機(jī)作業(yè)方向。

圖6 單變量泵-雙定量馬達(dá)液壓驅(qū)動系統(tǒng)原理Fig.6 Principle of hydraulic drive system for single variable pump-dual quantitative motor

圖7 比例調(diào)速閥模型Fig.7 Model of proportional speed control valve

該方案與閉式系統(tǒng)方案相比，使用單個液壓泵驅(qū)動一對輪組中的 2 個液壓馬達(dá)，減少了液壓泵的數(shù)量，并且采用了比例調(diào)速閥和三位四通電磁換向閥組合的形式來控制定量馬達(dá)。通過適當(dāng)調(diào)整比例調(diào)速閥的閥口開度大小，提高底盤工作過程中的速度穩(wěn)定性和靈活轉(zhuǎn)向能力。設(shè)計的單變量泵-雙定量馬達(dá)開式系統(tǒng)相較于閉式系統(tǒng)，具有更好的散熱能力，且控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，一定程度上提高了經(jīng)濟(jì)性。

3 液壓驅(qū)動系統(tǒng)仿真

根據(jù)底盤其中一對輪組液壓驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計方案，利用 AMESim 軟件建立系統(tǒng)仿真模型[11]。選定子模型完成參數(shù)設(shè)置，如表1 所列。在空載輸入和忽略油液損失的情況下，進(jìn)行仿真分析。設(shè)置仿真時間為 15 s，步長為 0.01 s。

表1 仿真模型主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of simulation model

直行工況下，電磁換向閥控制信號的數(shù)值每 5 s 改變一次，分別為 -40、0 和 40，以模擬前進(jìn)、制動和后退的工況。

仿真開始的 1 s 內(nèi)，變量泵的控制信號保持不變，增大比例調(diào)速閥的控制信號，馬達(dá)入口流量q和轉(zhuǎn)速n呈增加趨勢。圖8 所示為液壓系統(tǒng)在直行狀態(tài)下的響應(yīng)曲線，可以看出：0～5 s 時，馬達(dá)趨于穩(wěn)定狀態(tài)，入口流量和轉(zhuǎn)速分別為 16.97 L/min 和 278.12 r/min，符合參數(shù)設(shè)置，此時馬達(dá)正轉(zhuǎn)，底盤保持直行前進(jìn)狀態(tài)；5～10 s 時，電磁換向閥處于中位，馬達(dá)入口流量和轉(zhuǎn)速經(jīng)過短時間波動后降為 0，底盤處于制動狀態(tài)；10～15 s 時，改變電磁換向閥閥芯位置，使馬達(dá)反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為 -278.12 r/min，負(fù)號表示方向，此時底盤直行后退。

圖8 直行工況一對輪組液壓系統(tǒng)響應(yīng)曲線Fig.8 Response curve of hydraulic system for a pair of wheel sets under straight driving condition

改變?nèi)凰耐姶艙Q向閥兩端電信號，調(diào)整液壓油進(jìn)入底盤兩側(cè)馬達(dá)的方向，使底盤原地轉(zhuǎn)向。圖9 所示為仿真響應(yīng)曲線，可以看出：0～5 s 時，左右兩側(cè)輪組馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定后，分別為 274.39 r/min 和 -274.39 r/min，入口流量大小為 16.77 L/min，即左側(cè)車輪正轉(zhuǎn)，右側(cè)反轉(zhuǎn)，底盤處于順時針原地轉(zhuǎn)向狀態(tài)；5～10 s 時，電磁換向閥閥芯處于中位，馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速經(jīng)過短時間振蕩后降為 0，底盤處于制動工況；10～15 s 時，左側(cè)輪組馬達(dá)反轉(zhuǎn)，右側(cè)正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速大小為 274.39 r/min，驅(qū)動底盤處于逆時針原地轉(zhuǎn)向狀態(tài)。馬達(dá)進(jìn)行狀態(tài)切換產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速和流量波動可以通過 PID 控制來減小。通過安裝在馬達(dá)輸出軸上的轉(zhuǎn)速傳感器，將轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換為電信號，反饋至 PID 控制器，與預(yù)期轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較計算，使實(shí)際轉(zhuǎn)速與預(yù)期轉(zhuǎn)速的誤差減小，從而實(shí)現(xiàn)對馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。

圖9 原地轉(zhuǎn)向工況仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results of in-situ steering condition

4 結(jié)論

(1) 多輪液壓獨(dú)立驅(qū)動底盤運(yùn)載大型帶式輸送機(jī)工況簡單，驅(qū)動液壓系統(tǒng)可靠，控制系統(tǒng)簡單，且經(jīng)濟(jì)性好。

(2) 針對底盤中的一對輪組，確定了單變量泵-雙定量馬達(dá)開式液壓驅(qū)動系統(tǒng)方案，并給出了液壓系統(tǒng)原理圖和仿真模型。

(3) 仿真結(jié)果表明，單變量泵-雙定量馬達(dá)驅(qū)動系統(tǒng)調(diào)速工作過程中，能夠滿足底盤直線前進(jìn)、后退和小半徑原地轉(zhuǎn)向等工況要求，易于實(shí)現(xiàn)智能控制并具有良好的經(jīng)濟(jì)性。