沥青混凝土摊铺机是边行走边作业的施工机械,行驶速度的恒定性及行驶的直线性对摊铺路面的平整度、初始密实度、离析程度有着很大的影响。行驶驱动系统及行驶控制系统的性能是影响摊铺机作业性能的主要因素,在很大程度上决定了作业质量的好坏。由于国内主要机型的液压系统和电控系统目前均选自国外,采取整套完全进口的模式,对这些技术的消化和吸收比较少。随着知识经济的到来,高技术已经成为各国争夺的焦点,面对国外先进智能化工程机械的严峻冲击,努力提高本国的研究水平迫在眉睫。行驶驱动系统的速度特性不仅仅是摊铺机作用性能的一个主要指标,而且是行驶控制系统设计的主要依据。因此,本
文以典型行驶液压系统为对象,将外负载的影响因素以刚度的形式引入,对行驶系统的速度特性进行了详细的分析。
图1 履带式摊铺机行驶液压系统单边驱动回路
现代沥青混凝土摊铺机的行驶驱动系统大多采用双变量泵-变量马达的电液控制方式,其中变量泵采用电子比例控制,双速马达采用电磁二位开关控制。图1[1]为典型履带式摊铺机单边行驶液压系统驱动回路,由变量泵1、变量马达2、比例电磁阀3、变量机构4、安全阀5、单向阀6、补油溢流阀7、溢流阀8、梭阀9、过滤器10、补油泵11和油箱等组成。
2 速度特性方程的建立
行驶系统的速度特性指的是整车行驶速度与行驶变量泵输入电压之间的关系。针对图1所示的液压系统回路,建立速度特性方程。由于负载扭矩与速度特性之间的制约关系,在推导速度特性方程之前,先作如下假定:
(1)负载恒定不变,负载扭矩不发生突然的增大或减小;
(2)发动机转速恒定不变(在正常行驶状态下,发动机转速等于最大油门转速);
(3)负载扭矩计算选用匀速行驶摊铺作业工况,公式涉及的各参数采用常用值。在设计行驶控制系统时,行驶液压系统是已经给定且已知不变的,在行驶变量泵的技术资料中,可以得到泵排量qp与输入电压U之间的变化关系,如图2所示。
由于曲线关于原点对称,故仅考虑曲线在第一象限的情况。调节段方程为
qp=qpma/Ub- Ua(U- Ua) (1)
式中 qp max———变量泵最大排量
Ub———最大排量对应的电压值
Ua———变量泵斜盘开始动作时的临界电压值,由于变量机构的非线性,Ua≠0变量泵输出流量
Qp=npqp/60-Cip(pp-pr)-Ceppp(2)
式中 np———变量泵输入转速
Cip———泵的内部泄漏系数
Cep———泵的外部泄漏系数
pp———泵的出口压力
pr———低压管道补油压力(常数)
液压马达高压腔流量方程:
Qm=nmqm/60+Cim(pp-pr)+Cempp(3)
式中 nm———马达的输出转速
qm———马达的排量(在所研究的问题中,qm有两个值)
Cim———马达的内部泄漏系数
Cem———马达的外部泄漏系数
根据流量的连续性,有
Qp= Qm(4)
联立式(2)、(3)(4),并化简得
npqp/60+(Cip+Cim)pr= ctpp+nmqm60(5)
式中,Ct=Cip+Cim+Cep+Cem为泵和马达总泄漏系数之和。
这里,忽略了管道的泄漏和压力损失,认为泵的输出流量等于马达的输入流量,马达高压腔的工作压力等于泵的输出压力。马达和负载的静态力矩平衡方程:
(pp-pr)qm/2π= TD+TL(6)
式中 TL———作用于马达轴上的外负载扭矩
TD———马达阻尼扭矩,取TD=Bm2π60nm,其中,
Bm为马达粘性阻尼系数
联立式(5)、(6),消去中间变量,整理得
nm=npqmpp-60qmpr(Cep+Cem)-120πCtTL/(qm)2+(2π)2CtBm (7)
车辆行驶速度为[1][2]
v =2π/inlrk=2πnmrk/i(1-δH) (8)
式中 rK———驱动轮动力半径
δH———额定滑转率
i———轮边减速机构传动比
nm———马达轴转速
合并式(1)、(8),得
v =2πrk(1-δH)/60i·
npqmqp-60qmpr(Cep+Cem)-120πCtTL/(qm)2+(2π)2CtBm(9)
将式(7)代入上式中,得到速度特性方程
v = kU+ b (10)
式中,k=k′·npqmqp max
b =-k′{npqmqp maxUa+(Ub- Ua)
[60qmpr(Cep+Cem)+120πCtTL]}
而k′=2πrk(1-δH)/60i(Ub- Ua)[(qm)2+(2π)2CtBm]
这样,根据摊铺机作业工况和非作业工况下对应的马达排量qm和负载扭矩TL,就可以得到两种工况各自的速度与电压幅值之间的函数关系。
图3 速度特性
3 速度特性分析
从式(10)中可以看出,在计算假设下,行车速度与电压幅值之间呈良好的直线关系,这主要是变量泵排量直线性变化的缘故。图3所示为在马达排量不变时的速度特性曲线。
但在实际行驶中,外负载不可能是恒定不变的,负载的变化直接影响行车的速度,这一点从速度特性方程中可以看出。另外,对于容积调速回路,液压元件的泄漏是影响速度稳定性的另一因素。负载越大,回路中的压力和温度越高,泄漏就越大,车速下降就越严重。总而言之,负载的变化将造成速度值与电压值之间的不确定性。
但推导速度特性方程的初衷,是为了在系统设计时对车速与电压幅值之间的大致关系有一个了解。因为摊铺机在非作业工况下行驶时,对速度的精确性要求不高,行驶速度可以是变化的,也可以与预设值有一定的误差。而摊铺机在作业工况下行驶时,因引入闭环控制使得最终行驶速度与预设值相符且恒定不变。在这种意义下,式(10)给出是具有使用价值的,它为控制系统设计中针对预选速度进行电压幅值的设定提供了参考。
4 负载对行车速度的影响
为了定性分析负载变化对行车速度的影响,引入容积调速回路速度刚度的概念,速度刚度定为
T =?Mks/nm(11)
式中Mks为履带驱动扭矩,也即外负载对驱动链轮施加的力矩。该参数表示容积调速回路中速度受负载影响的程度,亦即负载变化时系统阻抗速度变化的能力。由式(11)得
Mks=qm(pp-pr)i/2πηmtηL(12)
式中ηmt为液压马达机械效率。将式(5)代入上式,化简得
Mks=iqmηmtηL2πnpqp- nmqm60Ct-Cep+CemCtpr(13)
于是,速度刚度
T =-(qm)2ηmtηLi120πCt(14)
从上式中可以看出,要想减小外负载变化对行车速度(即马达转速)的影响,可以采取以下措施:提高元器件的制造精度和质量,从而减小泄漏;加大马达排量,即使用大排量马达;增大马达减速箱机械效率;增加轮边减速比,都可减小负载变化对行车速度的扰动。
5 结论
我国从20世纪80年代开始全面引进生产制造或组装国外高性能沥青混凝土摊铺机,但对其消化、吸收研究的却甚少,几乎是全面模仿或照搬国外的技术,导致目前设计及匹配理论缺乏指导。本文采用传统的方法对沥青混凝土摊铺机液压驱动系统的参数进行了分析,建立了速度特性方程,在驱动系统的速度特性分析中,引入了车辆行驶液压驱动系统速度刚度的概念,从数学上证明了减少系统外负载干扰,提高系统速度刚度,提高负载变化时系统阻抗速度变化能力的途径与方法:即增大减速比,提高马达排量,提高系统容积效
率和机械效率。
