论文部分内容阅读
摘要：本文主要就是针对推土机产品的应用实践性特点，文中进行了大量的实验，主要通过实验验证的方式对提出的全新静液压的速度控制策略进行了研究。实验结果表明:速度控制方法能有效保证推土机的微动性能，且操纵简单，系统响应快，极大地降低了勞动强度。
关键词：全液压传动；推土机；速度控制
中图分类号： V249 文献标识码： A
引言
目前，国外智能化全液压推土机技术已较成熟，同国内相比其价格为国内同等马力液力式推土机的2~3倍，并且国外的推土机静压传动理论和控制技术处于保密状态。作为智能推土机研制的核心环节，行驶控制系统更为国外所垄断。而我国在作为推土机智能化基础的液压传动方面的研究也是才开始起步的，理论研究也是十分的薄弱。国内个别厂家所生产的全液压式的推土机，因为在理论方面缺乏支持，液压系统的整机牵引性能与参数匹配根本就无法满足推土机作业的各项要求，其经济性以及动力性能和国外之间的差距也较大。为此，就得进行静压推土机液压系统控制策略以及操纵方法的深入研究，进而开展全液压推土机传动系统的动力匹配，解决现如今国内在全液压推土机行驶驱动方面的理论性问题具有十分重要的意义。
1、控制系统的设计原则
推土机属循环作业的牵引式铲土运输机械，其作业的环境十分的恶劣，在作业的过程之中荷载的变化十分的激烈。所以，使得推土机使用复杂的作业工况，最终就可以充分的提高其作业的生产效率、经济性及其动力性，从而就可以很好的将操作人员的劳动强度减轻，这就是推土机控制系统做需要是实现的最终目标，控制系统在实现基本控制功能的前提之下，还务必要在设计与实现之上来完全的体现出来正确的参数匹配，并保障快速运算以及响应。
本控制系统选用Rexroth的专用控制器及其配套的监视器件来作为开发的平台，对于其中的关键环节的控制算法进行了最终的设计实现。以某厂生产的DH86型全液压推土机为试验样机，对控制系统进行了反复试验和优化，除了有效地保障可靠而高效地完成基本控制功能之外，在监测、通信以及故障诊断的方面也充分的体现出来了其先进性与智能化。
2、全液压推土机传动原理
推土机的静液压传动系统控制着推土机的行驶功能，是推土机动力性能的核心系统。推土机的静压行驶驱动系统主要由变量泵、变量马达、补油泵、溢流阀等组成，电液比例控制静液压推土机行驶驱动系统单边回路如图1所示。
图1电液比例控制静液压推土机行驶驱动系统单边回路
如图1所示，发动机带动变量泵1，其输出的压力油经变量马达2将液压能转回到机械能，经减速装置传递给推土机的链轮。在静压传动行驶系统单边回路中，变量泵1是系统液压能的能源也是系统的控制组件，通过调节液压泵的排量就可实现对系统流量的控制，而且改变泵的转动方向就可使液压马达的方向跟着改变，实现对马达转动方向的控制。通过调整马达排量控制系统压力，使液压系统保持稳定。
3、全液压推土机技术特点
3.1、全液压推土机是一种循环式的铲土运输机械，作业环境相对比较恶劣，载荷变化剧烈、强度大、时间长，相应的这就得要求全液压推土机，特别是其电液控制系统可以完全的适应变化的大负载的要求。
3.2、全液压推土机结构比较简单，较为传统的推土机减少了大部分的部件，比如变矩器、动力换挡变速器、转向制动器、转向离合器等等，在很大程度之上简化了维修与保养的工作。
3.3、通过对发动机转速的监测而进行的行走液压泵的电子调节，可以在很大程度之上来使得发动机的功率得到最优化的利用，有效地防止发动机过载。这种调节是独立的，发动机在任何转速下均可以进行。
3.4、全液压推土机采用的是全排量泵马达开环控制，可以高速倒车以及原地转向，这样一来也就提高了工作的效率。智能化的控制允许机器在大载荷下自动降挡，在小载荷下自动升挡，整机的工作效率大大提高。
3.5、全液压推土机自动化程度高，可以充分的实现智能化的控制，操作十分的简便，这样就在很大程度之上减小了操作人员的劳动强度。就目前的技术水平来进行分析，其智能化程度还是相对比较低的，在基本功能的控制、动力性和经济性上还不成熟。
3.6、智能化全液压推土机主要采用: 故障诊断技术、关键技术参数即时显示、动力电子控制、GPS技术以及负载自动稳定器等等。
4、速度控制系统及控制策略
推土机的行走系统及以PLC为主控制器的智能控制系统共同组成了推土机行驶驱动系统。系统主要单元有:发动机、分动箱、电液比例阀控制双泵和双马达行驶驱动系统液压回路、PLC控制系统、行走速度手柄等，如图2所示。
图2全液压操纵系统
速度控制系统中，速度手柄将推土机的行驶方向控制分为8个方向状态及一个停车状态，十字型手柄由纵、横2个电位计构成，如图3所示，直线行走:手柄X方向，左右变量泵和左右变量马达根据手柄X方向值等量输出;并根据左右履带马达转速信号调整两变量泵的排量大小，从而达到直线自动纠偏;以及根据载荷的变化情况同等调整两变量泵或马达的排量。前进转弯:手柄斜向上，左变量泵与右变量泵的输出与手柄X方向值和手柄Y方向值有关，手柄X方向值越大，则手柄Y方向值越小，转弯半径越大，速度越快;反之，手柄X方向值越小，则手柄Y方向值越大，转弯半径越小，速度越慢;以及根据载荷的变化情况同等调整两变量泵的排量大小。后退转弯:手柄斜向下。原地转向:手柄Y方向，左变量泵根据手柄Y方向值输出;右变量泵根据手柄Y方向值输出;以及根据载荷的变化情况同等调整两变量泵的排量大小。
速度控制系统通过采集靠近驱动马达液压系统油压(由于路面阻力通过驱动轮传递到驱动马达上)，求出马达两端额定压差，如公式(1)所示：
（1）
其中:ΔPmH为液压马达两端额定压差；
ηmt为液压马达的机械效率；
qmmax为液压马达流量；
Mm为地面阻力传递液压马达扭矩。
则根据能量算法，液压马达传递功率如下式所示：
（2）
式中：V为液压马达排量；
n为液压马达转速；
Pm为泵功率。
发动机功率如式(3)所示：
（3）
式中：P为发动机输出功率；
η为传动系统总效率。
通过采集到的方向手柄角度信号，计算达到要求的速度信号;地面阻力通过链轮和减速机传递到液压传动系统，转换成压力信号。采集到的压力信号通过公式(1)计算得出地面阻力，通过公式(2)、(3)计算得出发动机在该车速下所要求输出功率，推土机ECU根据发动机匹配功率控制曲线输出发动机控制信号，同时根据公式(1)、(2)和泵和马达本身性能曲线，匹配计算出泵和马达高效排量和匹配的静液压传动系统压力，输出泵马达排量信号并进行调节，从而完成泵马达和发动机的整车速度控制调节，形成的控制流程图如图4所示。
图4速度控制流程图
静液压推土机控制器软件编程至关重要。控制器和显示器的程序全部是在CoDesys环境下完成的，控制系统的开发和完善是一个循序渐进的过程，为了便于对程序进行修改和完善，系统的软件设计采用模块化的设计方法，将控制程序主要分为速度手柄控制、自动油门控制、行走纠偏、转向控制和制动控制等模块。采用一个主控制器(TTC200控制器)，根据采集到的各种电位信号、开关量、传感器信号和发动机信号等做出判断，向比例阀、开关阀、报警灯和发动机等输出各种控制信号，达到控制发动机的目的。
结束语
经过多年的探索和实践，作为前沿技术的全液压推土机的一些难点问题已逐步获得解决，在中国的研制开发取得了令人瞩目的成果；并且积累了第一手的理论研究资料和现场实验数据，有关技术由部分企业与研究机构所掌握。
合理的参数匹配与控制是全液压推土机充分发挥其液压传动优势的关键所在。因此，在整机总体设计合理的基础上，进行良好的控制系统设计，对保证全液压推土机动力性、经济性及作业效率有着重要的意义。
参考文献
[1]易小刚.全液压推土机液压与控制系统研究[D].长安大学,2005.
[2]马鹏飞.全液压推土机液压行驶驱动系统动力学研究[D].长安大学,2006.
[3]漆俐.全液压推土机驱动及控制系统研究[D].西南交通大学,2007.
[4]易晓刚,刘正富,焦生杰,张天琦.全液压推土机驱动系统计算机辅助设计[J].建设机械技术与管理,2003,10:55-60.
关键词：全液压传动；推土机；速度控制
中图分类号： V249 文献标识码： A
引言
目前，国外智能化全液压推土机技术已较成熟，同国内相比其价格为国内同等马力液力式推土机的2~3倍，并且国外的推土机静压传动理论和控制技术处于保密状态。作为智能推土机研制的核心环节，行驶控制系统更为国外所垄断。而我国在作为推土机智能化基础的液压传动方面的研究也是才开始起步的，理论研究也是十分的薄弱。国内个别厂家所生产的全液压式的推土机，因为在理论方面缺乏支持，液压系统的整机牵引性能与参数匹配根本就无法满足推土机作业的各项要求，其经济性以及动力性能和国外之间的差距也较大。为此，就得进行静压推土机液压系统控制策略以及操纵方法的深入研究，进而开展全液压推土机传动系统的动力匹配，解决现如今国内在全液压推土机行驶驱动方面的理论性问题具有十分重要的意义。
1、控制系统的设计原则
推土机属循环作业的牵引式铲土运输机械，其作业的环境十分的恶劣，在作业的过程之中荷载的变化十分的激烈。所以，使得推土机使用复杂的作业工况，最终就可以充分的提高其作业的生产效率、经济性及其动力性，从而就可以很好的将操作人员的劳动强度减轻，这就是推土机控制系统做需要是实现的最终目标，控制系统在实现基本控制功能的前提之下，还务必要在设计与实现之上来完全的体现出来正确的参数匹配，并保障快速运算以及响应。
本控制系统选用Rexroth的专用控制器及其配套的监视器件来作为开发的平台，对于其中的关键环节的控制算法进行了最终的设计实现。以某厂生产的DH86型全液压推土机为试验样机，对控制系统进行了反复试验和优化，除了有效地保障可靠而高效地完成基本控制功能之外，在监测、通信以及故障诊断的方面也充分的体现出来了其先进性与智能化。
2、全液压推土机传动原理
推土机的静液压传动系统控制着推土机的行驶功能，是推土机动力性能的核心系统。推土机的静压行驶驱动系统主要由变量泵、变量马达、补油泵、溢流阀等组成，电液比例控制静液压推土机行驶驱动系统单边回路如图1所示。
图1电液比例控制静液压推土机行驶驱动系统单边回路
如图1所示，发动机带动变量泵1，其输出的压力油经变量马达2将液压能转回到机械能，经减速装置传递给推土机的链轮。在静压传动行驶系统单边回路中，变量泵1是系统液压能的能源也是系统的控制组件，通过调节液压泵的排量就可实现对系统流量的控制，而且改变泵的转动方向就可使液压马达的方向跟着改变，实现对马达转动方向的控制。通过调整马达排量控制系统压力，使液压系统保持稳定。
3、全液压推土机技术特点
3.1、全液压推土机是一种循环式的铲土运输机械，作业环境相对比较恶劣，载荷变化剧烈、强度大、时间长，相应的这就得要求全液压推土机，特别是其电液控制系统可以完全的适应变化的大负载的要求。
3.2、全液压推土机结构比较简单，较为传统的推土机减少了大部分的部件，比如变矩器、动力换挡变速器、转向制动器、转向离合器等等，在很大程度之上简化了维修与保养的工作。
3.3、通过对发动机转速的监测而进行的行走液压泵的电子调节，可以在很大程度之上来使得发动机的功率得到最优化的利用，有效地防止发动机过载。这种调节是独立的，发动机在任何转速下均可以进行。
3.4、全液压推土机采用的是全排量泵马达开环控制，可以高速倒车以及原地转向，这样一来也就提高了工作的效率。智能化的控制允许机器在大载荷下自动降挡，在小载荷下自动升挡，整机的工作效率大大提高。
3.5、全液压推土机自动化程度高，可以充分的实现智能化的控制，操作十分的简便，这样就在很大程度之上减小了操作人员的劳动强度。就目前的技术水平来进行分析，其智能化程度还是相对比较低的，在基本功能的控制、动力性和经济性上还不成熟。
3.6、智能化全液压推土机主要采用: 故障诊断技术、关键技术参数即时显示、动力电子控制、GPS技术以及负载自动稳定器等等。
4、速度控制系统及控制策略
推土机的行走系统及以PLC为主控制器的智能控制系统共同组成了推土机行驶驱动系统。系统主要单元有:发动机、分动箱、电液比例阀控制双泵和双马达行驶驱动系统液压回路、PLC控制系统、行走速度手柄等，如图2所示。
图2全液压操纵系统
速度控制系统中，速度手柄将推土机的行驶方向控制分为8个方向状态及一个停车状态，十字型手柄由纵、横2个电位计构成，如图3所示，直线行走:手柄X方向，左右变量泵和左右变量马达根据手柄X方向值等量输出;并根据左右履带马达转速信号调整两变量泵的排量大小，从而达到直线自动纠偏;以及根据载荷的变化情况同等调整两变量泵或马达的排量。前进转弯:手柄斜向上，左变量泵与右变量泵的输出与手柄X方向值和手柄Y方向值有关，手柄X方向值越大，则手柄Y方向值越小，转弯半径越大，速度越快;反之，手柄X方向值越小，则手柄Y方向值越大，转弯半径越小，速度越慢;以及根据载荷的变化情况同等调整两变量泵的排量大小。后退转弯:手柄斜向下。原地转向:手柄Y方向，左变量泵根据手柄Y方向值输出;右变量泵根据手柄Y方向值输出;以及根据载荷的变化情况同等调整两变量泵的排量大小。
速度控制系统通过采集靠近驱动马达液压系统油压(由于路面阻力通过驱动轮传递到驱动马达上)，求出马达两端额定压差，如公式(1)所示：
（1）
其中:ΔPmH为液压马达两端额定压差；
ηmt为液压马达的机械效率；
qmmax为液压马达流量；
Mm为地面阻力传递液压马达扭矩。
则根据能量算法，液压马达传递功率如下式所示：
（2）
式中：V为液压马达排量；
n为液压马达转速；
Pm为泵功率。
发动机功率如式(3)所示：
（3）
式中：P为发动机输出功率；
η为传动系统总效率。
通过采集到的方向手柄角度信号，计算达到要求的速度信号;地面阻力通过链轮和减速机传递到液压传动系统，转换成压力信号。采集到的压力信号通过公式(1)计算得出地面阻力，通过公式(2)、(3)计算得出发动机在该车速下所要求输出功率，推土机ECU根据发动机匹配功率控制曲线输出发动机控制信号，同时根据公式(1)、(2)和泵和马达本身性能曲线，匹配计算出泵和马达高效排量和匹配的静液压传动系统压力，输出泵马达排量信号并进行调节，从而完成泵马达和发动机的整车速度控制调节，形成的控制流程图如图4所示。
图4速度控制流程图
静液压推土机控制器软件编程至关重要。控制器和显示器的程序全部是在CoDesys环境下完成的，控制系统的开发和完善是一个循序渐进的过程，为了便于对程序进行修改和完善，系统的软件设计采用模块化的设计方法，将控制程序主要分为速度手柄控制、自动油门控制、行走纠偏、转向控制和制动控制等模块。采用一个主控制器(TTC200控制器)，根据采集到的各种电位信号、开关量、传感器信号和发动机信号等做出判断，向比例阀、开关阀、报警灯和发动机等输出各种控制信号，达到控制发动机的目的。
结束语
经过多年的探索和实践，作为前沿技术的全液压推土机的一些难点问题已逐步获得解决，在中国的研制开发取得了令人瞩目的成果；并且积累了第一手的理论研究资料和现场实验数据，有关技术由部分企业与研究机构所掌握。
合理的参数匹配与控制是全液压推土机充分发挥其液压传动优势的关键所在。因此，在整机总体设计合理的基础上，进行良好的控制系统设计，对保证全液压推土机动力性、经济性及作业效率有着重要的意义。
参考文献
[1]易小刚.全液压推土机液压与控制系统研究[D].长安大学,2005.
[2]马鹏飞.全液压推土机液压行驶驱动系统动力学研究[D].长安大学,2006.
[3]漆俐.全液压推土机驱动及控制系统研究[D].西南交通大学,2007.
[4]易晓刚,刘正富,焦生杰,张天琦.全液压推土机驱动系统计算机辅助设计[J].建设机械技术与管理,2003,10:55-60.