多輪底盤液壓驅動系統方案優化設計與研究

劉建慧，張 衛，劉志忠，王 可

河南理工大學機械與動力工程學院 河南焦作 454000

傳統的各型帶式輸送機和裝載輸送機廣泛應用于港口碼頭、煤礦開采、糧食儲運等諸多領域。隨著這些領域的智能化需求越來越高，移動式帶式輸送機近年來得到了廣泛應用。驅動底盤是支撐輸送機并幫助其實現靈活移動和轉場作業的重要部件，其運動靈活性及智能化十分關鍵，且底盤的傳動方式對其運動性能有著至關重要的影響。底盤傳動方式分為機械傳動、液力傳動、液壓傳動和電動機驅動等多種類型[1]。傳統驅動底盤多采用變速箱和驅動橋相結合的機械傳動方式，屬于典型的機械傳動結構，操縱簡單，但底盤結構復雜、質量偏大，運動靈活性受限。因此，有必要在簡化底盤結構的基礎上，提出一種傳動平穩且易于控制的驅動方案[2-4]，提高底盤的運動靈活性。筆者對 2 種液壓驅動系統方案進行對比分析，提出了適合多輪液壓獨立驅動底盤的單變量泵-雙定量馬達液壓驅動系統方案，并利用系統仿真技術對其性能進行了分析。

1 多輪液壓獨立驅動底盤基本要求和總體目標

1.1 底盤結構

多輪液壓獨立驅動底盤主要包括機械系統、動力系統、液壓系統和控制系統等。液壓驅動系統包括發動機、變量泵、液壓馬達、輪邊減速器和車輪等[5-6]。如圖1 所示，驅動底盤有 4 對輪組，每對輪組的 2 個驅動輪之間均設有轉向立軸；每個車輪配置一套液壓馬達和輪邊減速器，實現車輪的獨立驅動；輪邊減速器位于驅動輪內部，結構緊湊。機械結構未設置驅動橋和變速箱，簡化了底盤結構，降低了整體質量。

圖1 多輪液壓獨立驅動底盤結構Fig.1 Structure of multi-wheel independent hydraulic drive chassis

多輪液壓獨立驅動底盤可以實現多種移動方式 (見圖2)，包括水平直行、斜向運動、原地轉動、橫向移動等，能夠根據輸送機工作要求，快速靈活移動，從而實現輸送機的多種作業模式。

圖2 多輪液壓獨立驅動底盤移動方式Fig.2 Movement mode of multi-wheel independent hydraulic drive chassis

1.2 基本要求

輪式液壓驅動底盤一般負載較大，因此液壓驅動系統需具有大功率，并且在行駛過程中需要滿足以下要求[7]：

(1) 行駛過程中能夠實現無級變速與靈活轉向，液壓控制系統簡單；

(2) 液壓驅動系統可靠性高，各元件之間匹配合理，占據底盤空間較小，整機的調速性及經濟性好。

1.3 總體目標

為了解決帶式輸送機在轉場和移動作業過程中的問題，設計液壓驅動系統時，主要考慮底盤在低速狀態下能夠穩定運行，以實現帶式輸送機微動作業，并滿足底盤行駛速度的要求。底盤傳動系統中，發動機輸出的機械能傳遞到液壓泵，轉化為液壓能輸入到液壓馬達；液壓馬達作為執行元件，再將輸入的液壓能轉化為機械能，驅動輪邊減速器，從而實現底盤的全液壓驅動。底盤采用多輪驅動和多輪轉向的方式，主要運行在低速區。筆者所研究的底盤，目標行駛速度不大于 1 m/s，對應車輪轉速為 25 r/min，液壓馬達最大輸出轉速為 330 r/min。

2 底盤液壓驅動系統方案優化設計

根據液壓油的工作循環方式，液壓系統可分為開式回路和閉式回路 2 種類型[8]。針對一對輪組的 2 個驅動輪，在介紹 2 種液壓驅動系統方案并比較動力傳遞路線和優缺點的基礎上，確定多輪底盤的液壓驅動系統方案。

2.1 單變量泵-單定量馬達液壓驅動系統方案

單變量泵-單定量馬達液壓驅動系統的動力傳遞路線如圖3 所示。可以看出，發動機輸出的機械能傳遞到變量泵，保證變量泵持續穩定地向系統輸入液壓油，從而確保整個液壓驅動系統穩定工作。

圖3 單變量泵-單定量馬達驅動系統動力路線Fig.3 Power route of drive system for single variable pump-single quantitative motor

液壓系統原理如圖4 所示。通過調節變量泵的排量大小來改變驅動馬達速度，通過改變泵的供油方向來調整馬達轉向，進而實現底盤的多種運動方式。底盤的驅動輪組能夠在轉向立軸作用下旋轉一定角度，當內外兩側輪組之間存在速度差時，底盤可以實現小半徑轉彎。單變量泵-單定量馬達液壓驅動系統采用補油泵向閉式液壓回路補充油液，并通過補油溢流閥和溢流閥溢出的油液帶走一部分熱量，從而冷卻系統中的主泵馬達[9-10]。

圖4 單變量泵-單定量馬達液壓驅動系統原理Fig.4 Principle of hydraulic drive system for single variable pump-single quantitative motor

該液壓驅動系統結構簡單，單個驅動輪配備一套閉式液壓驅動系統。雖然能夠實現各輪的獨立驅動，但補油泵工作時存在能量損失，并且需要 8 套液壓動力設備，成本高，控制復雜。因此，該方案不適用于大型帶式輸送機的多輪承載底盤。

2.2 單變量泵-雙定量馬達液壓驅動系統方案

考慮到驅動底盤工作過程中需要提供穩定速度，以確保輸送機實現移動式作業，設計了單變量泵-雙定量馬達液壓驅動系統方案，整體上減少了泵的數量，從而降低了成本。根據圖5 所示的液壓驅動系統動力路線可知，發動機將機械能傳遞到變量泵，變量泵驅動定量馬達 1 和 2，將液壓能轉化為機械能，驅動輪邊減速器，進而實現底盤車輪的獨立驅動。

圖5 單變量泵-雙定量馬達驅動系統動力路線Fig.5 Power route of drive system for single variable pump-dual quantitative motor

底盤采用多輪驅動，分為 4 對輪組。針對其中一對輪組設計的液壓驅動系統如圖6 所示。發動機向變量泵提供動力，保證變量泵向位于車輪中的定量馬達連續且穩定地輸入液壓能。給定變量泵控制信號為定值，通過調整比例調速閥的控制信號來改變進入定量液壓馬達的流量，進而改變馬達的輸出轉速。比例調速閥由節流閥和定差減壓閥串聯組成，控制信號作用于節流閥一端，模型如圖7 所示。底盤行駛工況與三位四通電磁換向閥的閥芯位置直接相關：當電磁換向閥閥芯處于中位，阻斷液壓油進入馬達，底盤處于駐車狀態；當圖6 中換向閥 P-A 和 T-B 口接通，液壓油正向進入馬達，底盤處于直行前進工況；當換向閥的 P-B和 T-A 口接通，液壓馬達反向旋轉，底盤處于直行后退工況。控制底盤左側輪組馬達的轉速低于右側輪組馬達的轉速時，底盤小半徑左轉；反之，底盤右轉；左右輪組馬達的輸出轉速方向相反、大小相同的情況下，驅動底盤可以原地轉向，調整帶式輸送機作業方向。

圖6 單變量泵-雙定量馬達液壓驅動系統原理Fig.6 Principle of hydraulic drive system for single variable pump-dual quantitative motor

圖7 比例調速閥模型Fig.7 Model of proportional speed control valve

該方案與閉式系統方案相比，使用單個液壓泵驅動一對輪組中的 2 個液壓馬達，減少了液壓泵的數量，并且采用了比例調速閥和三位四通電磁換向閥組合的形式來控制定量馬達。通過適當調整比例調速閥的閥口開度大小，提高底盤工作過程中的速度穩定性和靈活轉向能力。設計的單變量泵-雙定量馬達開式系統相較于閉式系統，具有更好的散熱能力，且控制系統結構簡單，成本較低，一定程度上提高了經濟性。

3 液壓驅動系統仿真

根據底盤其中一對輪組液壓驅動系統設計方案，利用 AMESim 軟件建立系統仿真模型[11]。選定子模型完成參數設置，如表1 所列。在空載輸入和忽略油液損失的情況下，進行仿真分析。設置仿真時間為 15 s，步長為 0.01 s。

表1 仿真模型主要參數Tab.1 Main parameters of simulation model

直行工況下，電磁換向閥控制信號的數值每 5 s 改變一次，分別為 -40、0 和 40，以模擬前進、制動和后退的工況。

仿真開始的 1 s 內，變量泵的控制信號保持不變，增大比例調速閥的控制信號，馬達入口流量q和轉速n呈增加趨勢。圖8 所示為液壓系統在直行狀態下的響應曲線，可以看出：0～5 s 時，馬達趨于穩定狀態，入口流量和轉速分別為 16.97 L/min 和 278.12 r/min，符合參數設置，此時馬達正轉，底盤保持直行前進狀態；5～10 s 時，電磁換向閥處于中位，馬達入口流量和轉速經過短時間波動后降為 0，底盤處于制動狀態；10～15 s 時，改變電磁換向閥閥芯位置，使馬達反轉，轉速為 -278.12 r/min，負號表示方向，此時底盤直行后退。

圖8 直行工況一對輪組液壓系統響應曲線Fig.8 Response curve of hydraulic system for a pair of wheel sets under straight driving condition

改變三位四通電磁換向閥兩端電信號，調整液壓油進入底盤兩側馬達的方向，使底盤原地轉向。圖9 所示為仿真響應曲線，可以看出：0～5 s 時，左右兩側輪組馬達的輸出轉速達到穩定后，分別為 274.39 r/min 和 -274.39 r/min，入口流量大小為 16.77 L/min，即左側車輪正轉，右側反轉，底盤處于順時針原地轉向狀態；5～10 s 時，電磁換向閥閥芯處于中位，馬達輸出轉速經過短時間振蕩后降為 0，底盤處于制動工況；10～15 s 時，左側輪組馬達反轉，右側正轉，轉速大小為 274.39 r/min，驅動底盤處于逆時針原地轉向狀態。馬達進行狀態切換產生的轉速和流量波動可以通過 PID 控制來減小。通過安裝在馬達輸出軸上的轉速傳感器，將轉速信號轉換為電信號，反饋至 PID 控制器，與預期轉速進行比較計算，使實際轉速與預期轉速的誤差減小，從而實現對馬達輸出轉速的閉環控制。

圖9 原地轉向工況仿真結果Fig.9 Simulation results of in-situ steering condition

4 結論

(1) 多輪液壓獨立驅動底盤運載大型帶式輸送機工況簡單，驅動液壓系統可靠，控制系統簡單，且經濟性好。

(2) 針對底盤中的一對輪組，確定了單變量泵-雙定量馬達開式液壓驅動系統方案，并給出了液壓系統原理圖和仿真模型。

(3) 仿真結果表明，單變量泵-雙定量馬達驅動系統調速工作過程中，能夠滿足底盤直線前進、后退和小半徑原地轉向等工況要求，易于實現智能控制并具有良好的經濟性。