车辆电液控制理论及应用4

第六章典型车辆液压与控制系统介绍——沥青混凝土摊铺机液压驱动与控制1摊铺机作业速度的设计与选择1.1工程条件下摊铺机作业速度现状–我国目前摊铺机在实际作业工况下速度为3～5m/min，而大部分为3m/min，笔者也到了不少的工地进行现场考察，情况确实如此，而摊铺机设计的最大作业速度都在12～20m/min，这样实际上摊铺机在工程条件下的使用速度为设计最大作业速度的1/4～1/6，同样的机型，或技术性能参数大致相同的机型国外使用的作业速度大都在10m/min左右，国内相关的试验结果表明：压实度随摊铺速度的提高而降低，摊铺速度在2～6m/min时，压实度变化比较大，大于6m/min时，压实度变化很小。摊铺速度对路面平整度的影响，一是当作业条件和路况条件相同时，速度高，路面平整度好；二是当低速摊铺时，变量泵在极小排量下工作，泵的容积效率随工作压力的变化特别大，造成摊铺速度不稳定，导致路面平整度降低。低速控制仍是目前液压系统研究的主要问题之一，普遍认为摩擦特性是影响低速爬行的主要原因。面对工程条件下国内外使用时作业速度差别如此之大，面对国内工程条件下的配合能力，作业速度究竟如何确定，它应该包括两方面的内容：一是设计时根据液压传动的基本理论如何合理配置摊铺机的作业速度；二是根据已有的摊铺机液压系统的相关参数如何正确选择作业速度。下面我们从理论上作进一步探讨。1.2变量泵效率计算与分析1601npCspv12116011maxpqTCpnCcfvptptpvp上述表达式中，容积损失主要是从运动副间隙里泄漏了流量，由Cs项表示。作为机械损失，一部分为油液粘性产生的摩擦损失，与n和成正比，由Cv项表示；一部分为与高低压移动界面前后的压差成正比的摩擦损失，由Cf项表示；一部分为与工作压力和转速无关的定量的扭矩损失，由Tc项表示。表达式中，把间隙内油液的流动看成为层流，忽略了运转中间隙的变化以及油液压缩性的影响，但实际情况要复杂的多。根据式子,并将其中变量换算成摊铺机的作业速度，且暂时不考虑马达的效率（认为马达在最大排量下工作），理论计算现有的二种样机在不同作业速度下变量泵的容积效率，总效率关系曲线如图所示。样机1摊铺机在不同作业样机2摊铺机在不同作业速度下泵的容积效率速度下泵的容积效率样机1摊铺机在不同作业样机2摊铺机在不同作业速度下泵的总效率速度下泵的总效率根据多数试验研究得知，随着排量q的减小，泵容积效率和机械效率一般都降低很快，其乘积总效率，也显著降低。关于这方面的理论分析虽然很多，但由于泵的效率问题很复杂，结构问题和流体力学的问题交织在一起，影响因素很多，至今还没有一个圆满的效率表达式，一般都是由试验的方法对具体的泵在不同使用条件下实测取得。同样，前述的定量泵效率理论表达式，只适用于估算和分析在各种使用条件下效率的变化趋势及影响因素，准确的效率值必须通过试验取得。尽管如此，这些理论分析式同样有着重要意义，可以通过对效率影响因素的分析，寻找最佳的使用条件，并将这种分析结果用于泵的参数匹配和使用过程的控制中。以上各典型样机的理论曲线图总的趋势与下面给出的有关实验曲线是一致的。全排量时泵的容积效率和全排量时泵的总效率总效率与转速的关系与转速的关系1.3马达效率分析pnCsmv/11pnCCvfmt/1npCpnCCsvfm/1/190系列斜盘式马达全排量时输出特性51V系列斜轴马达全排量时的输出特性1.4摊铺机作业速度的合理设定（1）压力对泵效率的影响不明显，在很宽的压力范围内均具有较高效率。因此进行泵工作压力配置时主要从工作寿命（可靠性）和功率利用率角度考虑，并尽量使泵在高效率的压力范围内工作。工程机械的负荷额定压力取0.6pmax左右，负荷最高压力为0.8pmax左右，负荷最低压力为0.2pmax以上。（2）0.5～1nH的中高转速区是泵的高效转速区，0.25nH时总效率低于0.5nH时2～5个百分点，当转速低于0.25nH以后，随转速降低效率急下。因此泵的正常工作转速应取0.5～1nH的中高转速域，泵的排量启动转速应不低于0.25nH。在讨论与发动机自动控制的参数匹配时取泵的排量启动转速=（1～1.3）nmin，工程机械柴油机的怠转速约为（0.25～0.35）nH，参数配置后一般有＞0.3nH，假定泵的额定转速与发动机额定转速相匹配，这就使泵的排量启动转速也处于较高效率区，从而保证液压传动装置有较大的启动扭矩，车辆有较大的起步牵引力。（3）液压泵总效率随排量比增大而增大，因此泵的变量范围最好控制在其最大排量的0.5～1范围内，以使泵的总效率高于75%；排量比为0.25～0.5的范围(总效率为0.6～0.75)仅用于车辆要求的特殊的低速工作，而在0.25以下的区域仅作为起步、加速的过渡过程而不用于正常作业。由此可以说明变量泵的排量在低于其额定排量的1/4时，不但容积效率降低，而且随载荷压力的变化比较大，从而引起速度的波动量增大，进而影响作业质量。（4）减小排量，马达效率降低，特别是小排量低转速区效率偏低，工作能力变弱。因此对马达进行排量控制时应该使其工况为：负荷增大时马达为大排量低转速，负荷减小时为小排量高转速。这一情况摊铺机上目前几乎都采用的是双速马达，即摊铺作业时为最大排量，非作业工况为最小排量。但最大排量时马达也要求有一个最低的稳定转速，而这一转速实际使用时受泵的流量和作业速度所限定，研究结果表明，液压马达在这一转速领域工作，其压力的脉动量超过40%，抗外载荷干扰能力下降，使速度极不稳定。笔者对国内现使用的典型沥青混凝土摊铺机和稳定土摊铺机做了一些相关参数的校验，其结果很不乐观，在3m/min左右速度下作业，有个别机型液压马达工作在邻近低速非稳定状态，而变量泵的排量绝大部分都工作在最大排量的1/4左右，甚至更低，这种情况液压系统的工作效率极差，同时液压系统也不稳定。因此提醒业内人士必须尽快改变这种状态，要么增大液压马达减速比，或改变液压系统配置从设计上降低摊铺机最高作业速度；要么改变工程作业环境和条件，提高摊铺作业速度，以使机器工作在液压系统比较稳定和效率比较高的区域。恰恰这一不合理的实际作业速度成为影响目前施工作业质量的一个根本原因，而试图从控制上完全解决这一不稳定问题显然是十分困难的，系统的匹配也是不合理的。我国从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，液压与控制系统全部依赖进口。因此，必须深入进行沥青混凝土摊铺机运动学、动力学以及行使驱动系统的设计参数的研究为摊铺机的行驶系统合理设计、使用以及控制提供理论依据。1.5引起摊铺机作业速度不合理的原因1．最主要的是管理：笔者收录了近三年10多篇关于机械化施工组织管理方面的文章，其中摊铺机的作业速度大都选择在的3m/min左右，这一问题本质上反映了我国目前机械化施工组织的管理水平。作业速度提高后，机械操作者的水平，机器的技术状态，施工人员的相互[配合等等，都跟不上，只能靠降低机器的作业速度，即降低机器的作业效率为代价来保障施工质量，而大部分人认为越慢越好，相互配合容易些。2．机器设备不配套：由于配套设备如沥青混凝土拌和设备，压路机组与主导设备摊铺机生产能力不配套，导致经常性的等料现象，为了防止等料出现的接缝，不的不降低摊铺机作业速度。3．国内生产厂家对这一问题没有完全消化和理解，由于国内外施工的工程条件不同，国外设计的作业速度不合于国情。如果说国内的单位将同一液压系统原有的作业速度从18～20m/min降至10m/min左右那么这一问题就得到了解决。4．摊铺机现行的技术指标不尽合理。一般摊铺机给出的作业速度是丛0至20m/min，导致用户认为机器可以工作的速度是从零开始，无级调速。实际上过低速度不仅造成速度不稳，同时系统的总效率降低，动力性和经济性都变差。车辆的最低作业速度受两个条件的限制，一是马达最低允许工作转速，国内外的研究证明：若低于这一允许值，马达的压力波动量可达到40%左右，这时柱塞工作周期增加1/4，压力波动增大，不仅抗负载能力降低，而且寿命也大大缩短；二是马达的最低允许转速决定了泵必须的输出流量。若泵的转速一定，那么排量的大小就决定了流量，若这一排量大于最大排量的1/4，则系统匹配，或者说车辆的最低稳定作业速度就是确定的。若这一排量小于最大排量的1/4，则泵的排量还要加大，最终引起系统最低稳定作业速度的提高，因此最低稳定作业速度受限于这两个条件排量的变化是现象，它的实质是容积效率随排量的大小而变，容积效率的变化引起速度的波动才是本质，这是研究容积效率的主要原因。2再议沥青混凝土摊铺机作业速度2.1国内外沥青混凝土摊铺机设计的作业速度–国内外沥青混凝土摊铺机设计的最大作业速度大部分都在18m/min左右国内外厂家摊铺机型号设计作业速度IR-ABGTitan3260-16m/minIR-BKPF-55000-73m/min德玛格DF145CSDF135C0-23m/min戴纳派克F181CSF141C0-20m/min福格勒超级1800超级2500超级2100-C0-18m/min0-18m/min0-25m/min天津鼎盛WT7500稳定土摊铺机0-12min三一重工LTU120LTU900-19m/min0.8-12m/min华晨华通WLTL12500型多功能摊铺机WLTL9000型多功能摊铺机LTL4500B2.00-3.34m/min2.00-6.25m/min2.03-6.07m/min中联重科LTU120沥青摊铺机0-19m/min西筑LT1200LT1500LT7000-16m/min0-16m/min0-19.6m/min陕建TITAN423TITAN3250-18m/min0-16m/min徐工RP450LRP700RP600I档:3.3m/minII档:7.0m/min0～18m/min0～18m/min2.2行业标准对摊铺机作业速度的要求根据中华人民共和国行业标准“JTJ032-94”-《公路沥青路面施工技术规范》规定：“沥青混凝土合料必须缓慢、均匀、连续不断地摊铺。摊铺过程中不得随意变换速度或中途停顿。摊铺速度应根据拌和机产量、施工机械配套情况及摊铺层厚度、宽度按式确定，并应符合2～6m/min的要求。在铺筑过程中，摊铺机螺旋送料器应不停顿的转动，两侧应保持有不少于送料器高度2/3的混合料，并保证在摊铺机全宽度断面上不发生离析。在熨平板按所需厚度固定后，不得随意调整。”摊铺速度在《公路沥青路面施工技术规范》中规定为2～6m/min,计算公式为：CDWTQv60100根据施工规范要求,“摊铺速度应控制在6m/min以内,若速度过快,单位面积沥青混凝土受振捣、振动强度不够,易出现摊铺层拉毛,从而影响路面平整度和摊铺初密实度。另外速度过快易造成自卸车连续供料困难,需由转运车中转供料,否则会导致停机,影响路面平整度。”大多数情况下，在摊铺下面层时摊铺速度一般取v=2m/min,在中、上面层时一般取v=3m/min。2.3摊铺机在实际使用中的作业速度郝培文在《沥青路面施工与维修技术》（人民交通出版社，2001年5月）一书中关于摊铺速度论述如下：–“当摊铺速度≤4m/min时，表面的拉沟、裂口现象较少，预夯实效果也较好（预压密实度80～86%）。因此，摊铺作业速度一般不应大于4m/min，最好是不大于3m/min。中下层可以适当放宽，但也不宜超过5m/min。”“施工中所选择的摊铺机作业速度，应在适宜的速度范围内，以‘恒定连续工作原则’来确定。就是按沥青混合料的供应能力来确定摊铺机的作业速度，保证摊铺机在整个工作时间内连续恒速地铺筑。”邵明建在《沥青路面机械化