车辆电液控制理论及应用6-2

第六章典型车辆液压与控制系统介绍——全液压推土机技术研究1全液压推土机发展现状与技术特点1.1全液压推土机国内外发展现状液压技术和计算机控制技术的不断发展进步，为液压传动赋予了完美的特性与巨大的生命力。特别是近十年来，在装载机、沥青混凝土摊铺机、混凝土搅拌运送车、振动压路机与建筑机械静液化方面应用发展迅速。液压传动技术的大量采用使得工程机械日益从制造装备保障型向技术保障型迈进。对于静液压推土机，国外主要研发商有JohnDeere、Liebherr、NewHolland、Caterpillar、日本小松等公司。德国Liebherr是世界上静液压推土机的重要生产和研究商，推出有PR系列全液压推土机JohnDeere公司开发了建设、林业、园艺工程用H系列静液压推土机，取代了134kW以下的G系列履带推土机NewHolland公司也是世界上静液压推土机的重要生产和研究商，产品装备长履带，低重心日本小松首次在小松D155AX-3推土机使用HMT（Hydro-MechanicalTransmission）液压机械传动国内传统的机械式和液力机械式推土机已形成一定生产研制水平，且有了长足的发展，但在静液压推土机研究上，国内研究起步较晚，与世界先进水平相比还有较大差距。国内有鞍山第一工程机械股份有限公司技术中心、宣化工程机械厂、黄河工程机械集团技术中心、天津鼎盛工程机械有限公司和山推工程机械有限公司都曾进行过相关技术研究，但由于种种原因，未能取得突破性进展。三一重工经过几年的探索与实践，终于有了实质性的突破，无论液压还是电控，逐渐形成了自己特有的核心技术，先后研制开发出TQ160、TQ230、TSQ160、TQ230H、DH86全液压推土机，填补了国产推土机在这一领域的空白，代表了国内全液压推土机的发展水平。它也是国内现阶段唯一进行批量生产和销售全液压推土机的厂家。1.2全液压推土机技术特点行走系统采用变量泵和马达组成的静压回路。结构简单，维修与保养方便。具有发动机极限负荷调节功能，负荷大小自动调节挡位，自动升速和降速。操作简单，降低了操作人员的劳动强度，提高了作业效率。自动化程度高，可实现智能化控制，可以高速倒车和原地转向。全液压推土机智能化研究包括：故障诊断技术关键技术参数动态显示动力电子控制／管理系统GPS定位与CAN通信负荷自适应全电液控制方案操作更方便提高作业效率左右马达相向旋转实现原地转向、提高转向灵活性3.3系统匹配与评价体系技术性能牵引效率额定滑转率液压系统匹配生产率整机寿命工作可靠性操作性能经济性环境舒适性2全液压推土机的研究方法理论分析辅助设计软件理论计算泵、马达效率程序牵引试验牵引性能压力波动台架试验泵-马达系统的动静态特性控制算法的有效性死区的控制速度刚度泵马达系统的效率计算机仿真全液压推土机野外试验液压系统台架实验3全液压推土机行驶液压系统参数匹配3.1液压系统的组成电子控制的双泵双马达液压驱动系统具有液压差速转向的单泵单马达液压驱动系统串并联切换回路(在高低两个速度范围内均能获得高的驱动效率)3.2关键技术参数牵引比和比功率效率滑转率参数最小值最大值平均值离差系数牵引比1.131.751.480.197比功率5.838.057.20.562国内外著名厂家全液压推土机牵引比和比功率统计牵引功率和生产率随牵引力变化的函数关系利用牵引特性评价参数匹配的合理性变量泵的效率曲线变量马达的效率曲线泵的变量范围最好控制在=0.3～1范围内以使泵的总效率高于75%，马达应该控制在=0.4~1范围内工作；泵排量比泵的变量范围最好控制在0.3~1范围内，以使泵的总效率高于75%；马达应该控制在0.4~1范围内；泵排量比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。总效率10MPa速度(km/h)40MPa30MPa20MPa排量比abc变量泵—马达系统的理论效率曲线（未考虑管路损失）变量泵—马达系统的试验效率曲线（未考虑管路损失）滑转率滑转率是履带式牵引车辆的重要参数之一，它标示了车辆在作业过程中相对于地面的滑转程度，滑转率的存在一定程度上可以改善车辆的牵引性能。通过分析牵引效率和生产率在滑转曲线上的配置，以及样机的实际试验研究，确定全液压推土机的额定滑转率应为12~15%。3.3全液压推土机发动机动力储备性能发动机作为工程机械的动力，综合评价其整机性能及与工程机械匹配的合理性时，要考虑多方面因素：基本参数动力性能指标经济性能指标排放性能指标………………扭矩适应性系数与转速适应性系数扭矩适应性系数转速适应性系数ebemMMKmaxmbnnnK扭矩适应系数和转速适应系数作为发动机动力储备性能的两个评价指标，存在着一定的不全面性。发动机动力储备性能的好坏还取决于发动机外特性曲线上最大扭矩点与额定扭矩点之间那段非调速曲线的形状。扭矩(转速(3210扭矩/转速/700750800850900950100010501100115012001.11.31.51.71.92.12.3发动机转速（×1000r/min）发动机扭矩（Nm）康明斯NT855(1900)道依次BF6M1013ECP(2300)迪尔6081(2200)潍柴WD61568GA-1(1800)动力储备面积全液压推土机行驶液压系统匹配测试仪器记录界面010020030040050060070080090010001200140016001800200022002400发动机转速（rpm）发动机扭矩（Nm）平均阻力矩M=144.8Nm，发动机转速n=2022.4rpm扭矩上限M=298.8Nm，发动机转速n=1986.7rpm扭矩下限M=69.4Nm，发动机转速n=2042.4rpm发动机外特性拟合曲线010020030040050060070080090010001200140016001800200022002400发动机转速（rpm）发动机扭矩（Nm）扭矩上限M=787.1Nm，发动机转速n=1570.4rpm平均阻力矩M=515.8Nm,发动机转速n=1936.2rpm扭矩下限M=150Nm，发动机转速n=2022.8rpm发动机外特性拟合曲线4全液压推土机控制系统工程机械常用控制方式包括电控、液控和电液复合控制等：液控是通过液动比例控制泵和液动比例控制马达，采用液动比例控制方式调节其排量，从而调节系统流量，进而调节马达的输出功率和输出扭矩，多应用在中小型，对行驶速度、操作性能和行驶平稳性要求不高的机械中；电控主要是通过电动比例变量泵与电动比例变量马达实现液压系统流量控制，适用于对行驶速度和平稳性有一定要求的大型行驶机械上；电液复合控制方式实际指的是泵采用液电控制，马达采用电控的控制方式。DA控制EP控制从控制器RC6-9DI2/10显示器CAN总线主控制器RC6-9速度斜坡控制iDelta=0?返回开始NNYiOutVal=iOutVal+MIN(iDelta,iStep)iOutVal=iOutVal-MIN((-iDelta),iStep)记录输入指令iInVal取得当前输出iOutVal计算输入与输出的差值iDelta=iInVal-iOutValY取得给定的斜坡步长iStepiDelta0?控制器每一扫描周期，根据指令与实际输出的差值，增加（或减少）一定的步长，经多个周期后，输出可跟随至指令值。调整步长，或根据不同情况给定不同的步长，则可实现不同的斜坡时间。功率自适应控制iActualSpeed=起调转速？结束开始YN调节量＝iDeltaVal_1取得发动机当前实际转速iActualSpeed根据油门位置计算发动机指令转速iTargetSpeed计算指令转速和实际转速的差值iDiffSpeediDiffSpeedDiffGrade_1?YYiDiffSpeedDiffGrade_2?NiDiffSpeedDiffGrade_3?YYiDiffSpeedDiffGrade_4?NNY调节量＝iDeltaVal_2调节量＝iDeltaVal_3调节量＝iDeltaVal_4调节量＝iDeltaVal_MAX控制系统实时监测发动机的实际转速与指令转速（通过油门位置计算得出）的差异，在发生掉速时，减少行走系统的功率，即降低车速（也即降低泵排量），使发动机维持在一个期望的工作速度范围（通常在发动机最大扭矩转速以上）。基于PID调节的纠偏方法|Dnm|允许误差e?返回开始NY计算左右马达转速差Dnm=nleft-nright取得左右马达当前转速PID调节器计算出当前泵控电流的调节量DiNDnm0?Y左泵控制电流减少|Di|右泵控制电流减少|Di|PID调节器输出的调节量作用到快速一侧，在快速侧的当前排量上减去这一调节量（绝对值）。因为PID调节器输出的控制量是根据当前的马达转速差实时计算出的，不能人工干预，如果调节量的数值超过泵满排量的限制，则直接影响算法的效果甚至收敛性。基于“小量逼近”原理的纠偏方法控制器每一扫描周期，快速侧的泵排量减少一个小量，同时慢速侧的泵排量增加一个相同的小量，借助于控制器的高速处理能力，短时间就可以达到两侧速度的平衡，而且因为每次纠偏量很小，所以不会产生过调与振荡。如果调节量过大，调节过程中会出现左右振荡的现象；如果调节量过小，则受限于控制器有限的运行速度，会因调节时间过长而发散。经过实验，如果控制器的循环周期为10ms，将调节“小量”折算为排量，可取为满排量的0.05%～0.1%左右。|Dnm|允许误差e?返回开始NNY左侧快？Y左泵控制电流减少Di右泵控制电流增加Di左泵控制电流增加Di右泵控制电流减少Di计算左右马达转速差Dnm设定泵控电流的调节小量Di左右泵排量同时降低一个预留量D取得左右马达当前转速速度档位划分1档：泵排量比30%，马达排量比100%2档：泵排量比30％～100％，马达排量比100％3档：泵的排量比30％～100％，马达排量比100％~40％4档：泵的排量比100％，马达排量比40％~30％5基于AMESim的全液压推土机行驶液压系统仿真牵引性能载荷冲击dndMK速度刚度载荷上升梯度对液压系统的影响6牵引效率牵引效率是全液压推土机的评价指标之一。根据机械式和液力机械式传动的推土机的国家标准：牵引效率大于71%为优；牵引效率67%为合格产品。对于全液压推土机牵引效率尚未有相应的国家标准，由于液压系统的特性，全液压推土机牵引效率稍低，但在作业效率方面，全液压推土机以其灵活机动性，将会超越机械式和液力机械式传动的推土机。7液压系统可靠性在工作中，全液压推土机的行驶驱动系统全部承受工作装置的变化剧烈、波动大的非平稳随机负荷。研究在工作过程中液压系统的压力变化情况，进一步研究液压系统对液压元件的冲击，用于液压元件的寿命分析，对液压系统寿命影响做出评价，提出压力波动应控制的范围。在全液压推土机液压系统的设计和机器的可靠性设计方面具有一定的参考意义。8结论全液压推土机是电液自动化控制技术和信息技术在传统的机械式和液力机械式推土机上的应用，属于一项新的前沿技术，具有一定的理论和应用价值。全液压推土机匹配理论和评价体系的研究、建立以及大面积地推广应用还需要相当长的时间。这个研究过程是实践到试验再到工程应用的反复的、逐渐完善的过程。全液压推土机应该满足动力性、经济性、可靠性、操纵简便性和基本功能的要求。进一步研究全液压推土机的节能、高效，通过机-电-液一体化系统实现自动化、智能化控制是全液压推土机的发展方向。谢谢大家！