全液壓推土機速度控制系統的研究

劉存波，郭浩鵬，滿敬華，田從豐

(山推工程機械股份有限公司，山東濟寧 272073)

全液壓推土機速度控制系統的研究

劉存波，郭浩鵬，滿敬華，田從豐

(山推工程機械股份有限公司，山東濟寧 272073)

分析靜液壓傳動的原理，提出速度控制方法和控制策略，開發出全液壓推土機的控制系統，進行了臺架和實車實驗。實驗結果表明:提出的速度控制方法能有效地保證推土機的微動性能，且操縱簡單，系統響應快，極大地降低了勞動強度。

推土機;全液壓傳動;速度控制;微動控制

目前，國外智能化全液壓推土機技術已較成熟，同國內相比其價格為國內同等馬力液力式推土機的2～3倍，并且國外的推土機靜壓傳動理論和控制技術處于保密狀態。作為智能推土機研制的核心環節，行駛控制系統更為國外所壟斷。而我國在作為推土機智能化基礎的液壓傳動方面的研究剛剛起步，理論研究非常薄弱。國內個別廠家生產的全液壓推土機，由于缺乏理論支持，液壓系統的參數匹配和整機牽引性能遠遠不能滿足推土機作業的要求，其動力性和經濟性與國外差距也比較大。為此，進行靜壓推土機液壓系統控制策略和操縱方法的研究，開展全液壓推土機傳動系統的動力匹配，解決目前國內在全液壓推土機行駛驅動方面的理論問題具有積極的意義。

1 全液壓推土機傳動原理

推土機的靜液壓傳動系統控制著推土機的行駛功能，是推土機動力性能的核心系統。推土機的靜壓行駛驅動系統主要由變量泵、變量馬達、補油泵、溢流閥等組成，電液比例控制靜液壓推土機行駛驅動系統單邊回路如圖1所示。

如圖1所示，發動機帶動變量泵1，其輸出的壓力油經變量馬達2將液壓能轉回到機械能，經減速裝置傳遞給推土機的鏈輪。在靜壓傳動行駛系統單邊回路中，變量泵1是系統液壓能的能源也是系統的控制組件，通過調節液壓泵的排量就可實現對系統流量的控制，而且改變泵的轉動方向就可使液壓馬達的方向跟著改變，實現對馬達轉動方向的控制。通過調整馬達排量控制系統壓力，使液壓系統保持穩定。

圖1 電液比例控制靜液壓推土機行駛驅動系統單邊回路

2 速度控制系統及控制策略

推土機的行走系統及以PLC為主控制器的智能控制系統共同組成了推土機行駛驅動系統。系統主要單元有:發動機、分動箱、電液比例閥控制雙泵和雙馬達行駛驅動系統液壓回路、PLC控制系統、行走速度手柄等，如圖2所示。

圖2 全液壓操縱系統

圖3 速度控制手柄方向狀態圖

速度控制系統中，速度手柄將推土機的行駛方向控制分為8個方向狀態及一個停車狀態，十字型手柄由縱、橫2個電位計構成，如圖3所示，直線行走:手柄X方向，左右變量泵和左右變量馬達根據手柄X方向值等量輸出;并根據左右履帶馬達轉速信號調整兩變量泵的排量大小，從而達到直線自動糾偏;以及根據載荷的變化情況同等調整兩變量泵或馬達的排量。前進轉彎:手柄斜向上，左變量泵與右變量泵的輸出與手柄X方向值和手柄Y方向值有關，手柄X方向值越大，則手柄Y方向值越小，轉彎半徑越大，速度越快;反之，手柄X方向值越小，則手柄Y方向值越大，轉彎半徑越小，速度越慢;以及根據載荷的變化情況同等調整兩變量泵的排量大小。后退轉彎:手柄斜向下。原地轉向:手柄Y方向，左變量泵根據手柄Y方向值輸出;右變量泵根據手柄Y方向值輸出;以及根據載荷的變化情況同等調整兩變量泵的排量大小。

速度控制系統通過采集靠近驅動馬達液壓系統油壓 (由于路面阻力通過驅動輪傳遞到驅動馬達上)，求出馬達兩端額定壓差，如公式(1)所示:

其中:ΔpmH為液壓馬達兩端額定壓差;

ηmt為液壓馬達的機械效率;

qmmax為液壓馬達流量;

Mm為地面阻力傳遞液壓馬達扭矩。

則根據能量算法，液壓馬達傳遞功率如下式所示:

式中:V為液壓馬達排量;

n為液壓馬達轉速;

Pm為泵功率。

發動機功率如式(3)所示:

式中:P為發動機輸出功率;

η為傳動系統總效率。通過采集到的方向手柄角度信號，計算達到要求的速度信號;地面阻力通過鏈輪和減速機傳遞到液壓傳動系統，轉換成壓力信號。采集到的壓力信號通過公式(1)計算得出地面阻力，通過公式(2)、(3)計算得出發動機在該車速下所要求輸出功率，推土機ECU根據發動機匹配功率控制曲線輸出發動機控制信號，同時根據公式(1)、(2)和泵和馬達本身性能曲線，匹配計算出泵和馬達高效排量和匹配的靜液壓傳動系統壓力，輸出泵馬達排量信號并進行調節，從而完成泵馬達和發動機的整車速度控制調節，形成的控制流程圖如圖4所示。

圖4 速度控制流程圖

靜液壓推土機控制器軟件編程至關重要。控制器和顯示器的程序全部是在CoDesys環境下完成的，控制系統的開發和完善是一個循序漸進的過程，為了便于對程序進行修改和完善，系統的軟件設計采用模塊化的設計方法，將控制程序主要分為速度手柄控制、自動油門控制、行走糾偏、轉向控制和制動控制等模塊。采用一個主控制器 (TTC200控制器)，根據采集到的各種電位信號、開關量、傳感器信號和發動機信號等做出判斷，向比例閥、開關閥、報警燈和發動機等輸出各種控制信號，達到控制發動機的目的。

3 速度控制臺架及實車實驗

為了對控制策略和控制程序進行驗證，進行了臺架實驗和實車實驗。試驗系統的組成:液壓泵 (閉式)實驗系統、液壓馬達加載系統以及實驗操作平臺等，如圖5所示。

圖5 靜壓傳動系統實驗臺

進行空載轉向試驗，繪制左右馬達轉速圖如圖6所示。

圖6 空載馬達a和馬達b速度

轉向過程中速度控制手柄前右傾a馬達轉速增加速度比b馬達增加速度快，轉速分別為831和261 r/min，轉速比為3.2，實現轉彎。

恒速加載實驗模擬推土機在工作過程中集土工況下的性能。在泵轉速為1 200 r/min恒定轉速下，對馬達加載，得到的A、B兩個實驗臺分別對應馬達a和b的實驗數據，并繪制了馬達扭矩－馬達排量和馬達轉速－馬達扭矩變化圖，如圖7和8所示。

圖7 馬達排量－馬達扭矩圖

圖8 馬達轉速－馬達扭矩圖

從圖7可看出:實驗臺A的馬達排量和馬達B的馬達排量隨馬達扭矩呈平緩變化。載荷范圍內，對于馬達載荷的增加，控制系統分別采用了兩種控制方式來穩定發動機轉速:當泵的排量在50 mL/r的情況下，通過單獨減少泵的排量來適應載荷變化;當泵的排量超過50 mL/r，控制系統維持泵的排量，增加馬達的排量達到穩定泵轉速的目的。

實驗臺A、B的馬達轉速都隨馬達扭矩的變化呈線性降低趨勢，靜壓傳動系統中通過降低變量泵排量或者增加變量馬達的排量都能穩定變量泵的扭矩，從而穩定發動機轉速。實驗證明，此控制系統在恒速加載的情況下能達到良好的控制效果。

變速恒載100 N·m，如圖9所示，主要模擬推土機在搬運中量土方過程中的加速性能。泵轉速基本恒定為1 200 r/min，通過改變泵排量改變馬達轉速。

變速恒載150 N·m，如圖10所示，主要模擬推土機在搬運較大土方過程中的加速性能。泵轉速為1 000～1 350 r/min，通過改變泵排量改變馬達轉速。

圖9 變速恒載100 N·m排量－轉速圖

圖10 變速恒載150 N·m排量－轉速圖

全液壓推土機行駛驅動系統中發動機轉速不變的情況下，通過增大變量泵的排量與減少變量馬達排量都能使變量馬達速度增加，控制系統在此情況下能通過改變泵與馬達的排量來達到馬達加速的目的，能更好地穩定發動機，實現推土機車速的穩定增長。

4 結論

針對推土機產品的應用實踐性特點，文中進行了大量的實驗，主要通過實驗驗證的方式對提出的全新靜液壓的速度控制策略進行了研究。實驗結果表明:速度控制方法能有效保證推土機的微動性能，且操縱簡單，系統響應快，極大地降低了勞動強度。

【1】郭俊.全液壓推土機行駛靜壓驅動系統研究［D］.西安:長安大學，2003.

【2】易小剛.全液壓推土機液壓與控制系統研究［D］.西安:長安大學，2004.

【3】朱學超.小功率全液壓推土機行駛驅動系統研究［D］.西安:長安大學，2009.

【4】姜友山，鄒廣德.全液壓推土機滑轉率研究［J］.山東理工大學學報:自然科學版，2010，22(1):75－77.

Research on the Speed Control System of Full Hydraulic Bulldozer

LIU Cunbo，GUO Haopeng，MAN Jinghua，TIAN Congfeng
(Shantui Construction Machinery Co.，Ltd.，Jining Shandong 272073，China)

The principle of fully hydraulic drive was analyzed.The speed control method was proposed.The control system and control strategy were developed.The rig test of vehicles and the bulldozer test were done.The experimental results show that the speed control method can effectively guarantee the micro performance of the bulldozer，the control system is simple and fast，it can greatly reduce the labor intensity.

Bulldozer;Full hydraulic transmission;Speed control;Inching control

TH137.1

A

1001－3881(2014)8－084－3

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.08.028

2013－04－12

劉存波 (1982—)，男，碩士，研究方向為工程機械。E－mail:liumt2011@163.com。