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摘 要：全液压单钢轮振动压路机普遍用于各种基层土石方压实作业，具有效率高、压实深度大、驱动能力强、工况适应性好等特点。传统的设计中液压泵和液压马达定排量工作，发动机于额定转速点工作，燃油经济性低。为降低油耗、提高燃油经济性及发动机和液压系统的稳定性，需展开系统动态匹配设计研究和控制技术开发。
关键词：全液压单钢轮振动压路机；降低油耗；动态匹配
1研究背景
目前应用比较广泛的节能控制方式主要有两种：
（1）自动调频、调幅的智能振动压路机
以B公司开发的智能压实管理系统为代表，主要由压实度检测装置、微处理器和变频变幅机构所组成，如图1所示。
图1 智能压实系统
此压路机可随着压实作业的进行能够根据被压材料以及机械运行的状况自行判断、自动调节压实性能参数，实现最佳压实效果此系统成本昂贵，且测控环节过多，行业内较少采用。
（2）发动机变功率曲线控制
通过试验数据收集，找到各种工况下最合理的发动机特性曲线，并将之存储于发动机控制模块，可根据档位组合自动调用最合适的特性曲线，使发动机处在合理工作状态，实现节能控制需求，此方法可节能5%左右，节能幅度相对较小。
2控制策略分析
压路机市场保有量最大是单钢轮压路机，所以对代表产品X12全液压单钢轮压路机作分析研究。其工作质量为12吨，振动频率为30Hz时，激振力F1=275KN，振动频率36Hz时，激振力F2=198KN。
表1 单钢轮压路机载荷分布表
从上表可知，发动机大部分时间处于“大马拉小车”的状态，影响燃油经济性和液压系统的传动效率。
2.1功率理论计算
2.1.1 行驶功率理论计算
X12全液压单钢轮振动压路机为双驱动形式，行驶系统的功率消耗始终占据整机功率消耗的50%以上，因此对其进行重点分析研究。
以高速公路路基施工为例，最高施工速度为4km/h，最大允许坡道11%。
坡道行驶的滑转功率： ，坡道行驶的行驶功率：
图2 压路机爬坡示意图
2.1.2振动功率理论计算
X12全液压单钢轮振动压路机，两种振动频率分别为f1=30Hz、f2=36Hz，此两种频率接近典型压实对象的固有频率，可最大程度上激发压实对象共振而获得最好的压实效果。单钢轮压路机低频振动时振幅最大，消耗的的功率也最大，下面将以低频为例进行功率计算。
2.1.3 总体功率需求分析
压路机工作时有转向、电气、空调、冷却风扇等系统消耗功率，共计约16kw。
因此，极限工作状态消耗功率为： 45.3+26.04+16=87.34（kw），X12型单钢轮压路机发动机为康明斯4BTAA3.9-C125，额定转速2200rpm，额定功率93 kw，欧Ⅱ排放，功率满足需求。
2.2 系统测试
2.2.1 行驶系统测试
图3 橡胶跑道（模拟压实施工）行驶系统测试曲线
上图为X12型单钢轮压路机模拟工况低速档行驶的测试曲线图，自左向右的浅蓝色、红色、绿色和深蓝色曲线分别为发动机转速、行驶系统补油压力、行驶系统B口压力、行驶系统A口压力、行驶速度曲线。液压系统消耗的功率正比于液压系统压力和液压系统的排量。最大功率和液压系统最高压力（B口）出现在起步加速即将完成的阶段，可得出消耗功率约为稳定功率消耗的2倍。
A口压力曲线和发动机转速曲线显示液压系统在停车阶段A口出现压力峰值，同时发动机转速被拖高100rpm左右，这是系统为让压路机停车，将行驶动能转换为热能由发动机、液压系统的散热系统带走。
2.2 振动系统测试
图4 起停振低频压力、转速、补油压力曲线（X12）
上图为X12将钢轮悬空后振动的测试曲线图，红色、曲线、浅蓝色和绿色曲线分别为振动泵补油压力、发动机转速、行驶系统B口压力、行驶系统A口压力。可以看出，振动系统最高压力出现在起振阶段，为稳定阶段3倍。在起振到稳定振动过程中，功率需求完全不相同，选择发动机时功率必须满足最大需求，在起振阶段处于最大功率状态压路机才能克服惯性，快速起振进入稳定的压实作业状态。
2.3 系统工作过程分析及改进方案
2.3.1行驶系统改进方案分析
降低发动机油耗最直接的方法就是使之工作在经济转速点。我们选择QSB4.5-C148电喷发动机，欧Ⅲ排放标准，额定转速2300rpm，最大功率为110kW，当转速为1600rpm时，功率为94kw，和X12原发动机功率基本一致，满足极限工况需求，同时燃油消耗率更低。
针对停车能量浪费，设计动能回收装置，针对压路机频繁起、停的特点对停车过程中的动能进行回收，起动过程中释放，实现能量回收利用。
在常规液压回路里增加一个蓄能器和相应的控制电磁阀，系统在稳定工作时和改进前完全一致。压路机停车时，行驶泵停止工作，马达由于惯性仍保持转动，将液压油注入蓄能器，推动活塞压缩氮气，实现能量储备。压路机起动时，蓄能器将压力油注入到液压回路，实现动能释放。因此可采用串联式动力合成装置，具体实施方案如图5所示。
最大扭矩点的发动机转速为1600rpm时，若传动速比不变，相对发动机在2200rpm下的额定转速下工作行驶速度将发生同比例的下降。之前压路机速度为：
进行以上改进，发动机即可长期处于经济节能状态工作。
2.3.2振动系统改进方案分析
单钢轮振动压路机往返30-50m振动压实。起步过程中，在压路机行走速度达到一定值时（通常为2km/h），偏心机构开始旋转并逐渐稳定，保持一段时间后压路机开始减速停车，当压路机速度低于一定值时（通常为2km/h），偏心机构开始降低转速直至停止，如此反复。因为偏心机构是自然减速，其动能绝大部分传递到了压实对象上，小部分转换为热能随润滑和冷却系统散失了，不能回收能利用。所以，控制振动系统的功率消耗应着眼于发动机和液压系统，即使发动机在最大扭矩点转速燃油消耗率最低、液压泵和马达在高效区工作，所以振动系统的节能重点在参数动态匹配上。
关键词：全液压单钢轮振动压路机；降低油耗；动态匹配
1研究背景
目前应用比较广泛的节能控制方式主要有两种：
（1）自动调频、调幅的智能振动压路机
以B公司开发的智能压实管理系统为代表，主要由压实度检测装置、微处理器和变频变幅机构所组成，如图1所示。
图1 智能压实系统
此压路机可随着压实作业的进行能够根据被压材料以及机械运行的状况自行判断、自动调节压实性能参数，实现最佳压实效果此系统成本昂贵，且测控环节过多，行业内较少采用。
（2）发动机变功率曲线控制
通过试验数据收集，找到各种工况下最合理的发动机特性曲线，并将之存储于发动机控制模块，可根据档位组合自动调用最合适的特性曲线，使发动机处在合理工作状态，实现节能控制需求，此方法可节能5%左右，节能幅度相对较小。
2控制策略分析
压路机市场保有量最大是单钢轮压路机，所以对代表产品X12全液压单钢轮压路机作分析研究。其工作质量为12吨，振动频率为30Hz时，激振力F1=275KN，振动频率36Hz时，激振力F2=198KN。
表1 单钢轮压路机载荷分布表
从上表可知，发动机大部分时间处于“大马拉小车”的状态，影响燃油经济性和液压系统的传动效率。
2.1功率理论计算
2.1.1 行驶功率理论计算
X12全液压单钢轮振动压路机为双驱动形式，行驶系统的功率消耗始终占据整机功率消耗的50%以上，因此对其进行重点分析研究。
以高速公路路基施工为例，最高施工速度为4km/h，最大允许坡道11%。
坡道行驶的滑转功率： ，坡道行驶的行驶功率：
图2 压路机爬坡示意图
2.1.2振动功率理论计算
X12全液压单钢轮振动压路机，两种振动频率分别为f1=30Hz、f2=36Hz，此两种频率接近典型压实对象的固有频率，可最大程度上激发压实对象共振而获得最好的压实效果。单钢轮压路机低频振动时振幅最大，消耗的的功率也最大，下面将以低频为例进行功率计算。
2.1.3 总体功率需求分析
压路机工作时有转向、电气、空调、冷却风扇等系统消耗功率，共计约16kw。
因此，极限工作状态消耗功率为： 45.3+26.04+16=87.34（kw），X12型单钢轮压路机发动机为康明斯4BTAA3.9-C125，额定转速2200rpm，额定功率93 kw，欧Ⅱ排放，功率满足需求。
2.2 系统测试
2.2.1 行驶系统测试
图3 橡胶跑道（模拟压实施工）行驶系统测试曲线
上图为X12型单钢轮压路机模拟工况低速档行驶的测试曲线图，自左向右的浅蓝色、红色、绿色和深蓝色曲线分别为发动机转速、行驶系统补油压力、行驶系统B口压力、行驶系统A口压力、行驶速度曲线。液压系统消耗的功率正比于液压系统压力和液压系统的排量。最大功率和液压系统最高压力（B口）出现在起步加速即将完成的阶段，可得出消耗功率约为稳定功率消耗的2倍。
A口压力曲线和发动机转速曲线显示液压系统在停车阶段A口出现压力峰值，同时发动机转速被拖高100rpm左右，这是系统为让压路机停车，将行驶动能转换为热能由发动机、液压系统的散热系统带走。
2.2 振动系统测试
图4 起停振低频压力、转速、补油压力曲线（X12）
上图为X12将钢轮悬空后振动的测试曲线图，红色、曲线、浅蓝色和绿色曲线分别为振动泵补油压力、发动机转速、行驶系统B口压力、行驶系统A口压力。可以看出，振动系统最高压力出现在起振阶段，为稳定阶段3倍。在起振到稳定振动过程中，功率需求完全不相同，选择发动机时功率必须满足最大需求，在起振阶段处于最大功率状态压路机才能克服惯性，快速起振进入稳定的压实作业状态。
2.3 系统工作过程分析及改进方案
2.3.1行驶系统改进方案分析
降低发动机油耗最直接的方法就是使之工作在经济转速点。我们选择QSB4.5-C148电喷发动机，欧Ⅲ排放标准，额定转速2300rpm，最大功率为110kW，当转速为1600rpm时，功率为94kw，和X12原发动机功率基本一致，满足极限工况需求，同时燃油消耗率更低。
针对停车能量浪费，设计动能回收装置，针对压路机频繁起、停的特点对停车过程中的动能进行回收，起动过程中释放，实现能量回收利用。
在常规液压回路里增加一个蓄能器和相应的控制电磁阀，系统在稳定工作时和改进前完全一致。压路机停车时，行驶泵停止工作，马达由于惯性仍保持转动，将液压油注入蓄能器，推动活塞压缩氮气，实现能量储备。压路机起动时，蓄能器将压力油注入到液压回路，实现动能释放。因此可采用串联式动力合成装置，具体实施方案如图5所示。
最大扭矩点的发动机转速为1600rpm时，若传动速比不变，相对发动机在2200rpm下的额定转速下工作行驶速度将发生同比例的下降。之前压路机速度为：
进行以上改进，发动机即可长期处于经济节能状态工作。
2.3.2振动系统改进方案分析
单钢轮振动压路机往返30-50m振动压实。起步过程中，在压路机行走速度达到一定值时（通常为2km/h），偏心机构开始旋转并逐渐稳定，保持一段时间后压路机开始减速停车，当压路机速度低于一定值时（通常为2km/h），偏心机构开始降低转速直至停止，如此反复。因为偏心机构是自然减速，其动能绝大部分传递到了压实对象上，小部分转换为热能随润滑和冷却系统散失了，不能回收能利用。所以，控制振动系统的功率消耗应着眼于发动机和液压系统，即使发动机在最大扭矩点转速燃油消耗率最低、液压泵和马达在高效区工作，所以振动系统的节能重点在参数动态匹配上。