HA－自动变量马达在行走机械上的应用

2013-09-04汪建利元小强

机械工程与自动化 2013年6期

王欢，汪建利，元小强

（湖南三一路面机械有限公司，湖南长沙 410100）

0 引言

路面铣刨机是高等级公路及城市道路养护的专用工程设备，其主要功能为清除或剥离公路车辙、龟裂、痈包等路面病害，广泛应用于现代公路养护工程中［1］。路面铣刨机行驶系统由发动机、闭式变量泵和变量马达组成。低速时，马达变为最大排量，通过调节变量泵排量实现调速，由系统压力来改变马达输出转矩，可获得较大的启动转矩；高速时，变量泵保持最大排量不变，调速由变量马达完成［2］。本文主要研究HA高压自动变量控制的马达在铣刨机行走系统上的应用。

1 自适应行走系统的组成

根据某型铣刨机对液压行走系统的要求，选用1个闭式变量泵、1个分流集流阀和4个HA控制方式的变量马达组成闭式回路，如图1所示。由发动机带动液压泵旋转，液压油经液压泵输出至分流集流阀，由分流集流阀分配至4个变量马达并驱动马达和减速机旋转，从而实现铣刨机的行走。采用分流集流阀的四轮驱动，使4个马达工作压力基本相近，四轮各分配相近的牵引力，防止整机打滑。施工时，分流集流阀为精分流状态，4个马达各分配25%的液压油；轻载行车时，分流集流阀处于粗分流状态，轮子如出现打滑时可按住操作面板上的精分流开关实现精分流。

2 高压自动变量马达的工作原理

高压自动变量马达的工作原理如图2所示。采用这种马达的闭式系统的压力由负载和马达的排量共同决定，马达通过调节自身的排量使整机在大负荷工作时始终保持较高的效率。高压自动变量通过自身结构将负载压力反馈至变量机构来自动调节马达的排量，当负载压力达到设定压力时马达就开始变量。

图1 同步分流的液压行走系统

图2 高压自动变量马达工作原理

本系统采用HA2马达（该型马达的压力增量Δp＝10MPa），其控制特性曲线如图3所示。当系统压力小于HA控制曲线中的起点压力时，马达保持最小排量，系统压力与负载成正比；当系统压力大于HA控制曲线中的终点压力时，马达保持最大排量，系统压力与负载成正比；当系统压力在起点压力和终点压力之间时，马达的排量根据控制曲线的规律变化；当负载产生的压力小于马达排量的起调压力，可以通过在马达的X口增加一定的压力将马达排量变为大排量，也可以通过设置比例压力阀的压力来线性地调节马达的排量，但马达的排量变化与控制曲线中的排量变化规律要一致。本系统中，设定马达起调压力为25MPa，最小排量为6mL／r，压力为35MPa时，排量最大，为28mL／r。

图3 HA2马达控制特性曲线

3 理论计算与工地测试

根据控制特性曲线，马达排量Vm和系统压力p的关系为：

其中：Vm0为初始设定排量；Vmmax为马达最大排量；p0为马达排量的初始调节压力；Δp为压力变化量。当马达外接的控制口无压力时，为了确定变量马达的排量，需先确定马达的工作压力范围。HA2控制是根据外负载来自动改变马达排量的，外负载的大小决定了马达排量的工作区间，即当马达工作压力小于初始调节压力p0时，马达为初始设定排量；当马达工作压力在初始调节压力以上10MPa的范围时，马达排量在初始设定排量与最大排量之间，此时排量取决于工作压力的大小；当马达工作压力大于初始调节压力以上10 MPa时，马达排量为最大值。

在马达的初始调节压力起点，马达的排量为初始排量，此时马达输出的转矩为：

其中：ηmh为马达的机械液压效率。在马达的调节曲线终点时，马达的排量为最大排量，压力较初始调节压力增加了Δp。因此，在调节曲线终点上马达输出的转矩为：

每个驱动马达上的负载转矩Tmk为：

其中：Fk为每个驱动马达的牵引力，k＝1，2…，n，n为马达个数；r为轮胎半径，每个轮胎的半径相等；i和ηmj分别为轮边减速机的传动比和效率。

当p≤p0时，整机的行驶牵引力为：

当p≥p0＋Δp时，整机的行驶牵引力：

从式（5）和式（6）可看出，当行驶马达的压力小于马达初始调节压力p0或大于p0＋Δp时，行驶马达的牵引力与系统压力直接相关，此时马达不具有自适应功能。

当p0≤p≤p0＋Δp时，整机的行驶牵引力：

从式（7）可看出，系统压力大于HA马达的初始调节压力p0时，马达的排量根据特性曲线变化。当工作压力在马达的调节区间无变化，马达经自适应后调节至固定排量，行驶马达牵引力与此时对应的系统压力正相关；当工作压力变化时，马达的排量跟随变化，此时牵引力与工作压力近似呈二次方的关系变化，牵引力能瞬时增大以适应压力的变化，如图4所示。

图4 HA特性曲线中牵引力的变化

系统压力低于HA马达的初始调节压力p0时，马达的排量无变化，为最小排量。此时行驶牵引力与系统压力成正比，即整机的牵引力与负载的变化直接相关，如图5所示。

此时若在负载较小但负载波动很大的路面行走，马达排量为小排量，则整机的抗负荷波动能力差，车辆容易抖动。此时可在马达的X口增加控制，如在马达的X口施加一定压力使马达在大排量条件下工作。

图5 系统压力小于调节压力时的牵引力变化

当系统压力大于HA马达的最高调节压力时，马达的排量无变化，此时行驶牵引力与系统压力成正比，即整机的牵引力与负载的变化直接相关，如图6所示。图6中牵引力比理论计算的牵引力小，说明此时已出现轮胎打滑使牵引力达不到理论值。

4 结语

根据以上分析，将HA控制的高压自动变量马达应用于铣刨机等行走系统中，可得出如下结论：①在负荷小时降低马达排量提高行驶速度，负荷大时调节自身排量，提高变矩能力、传动效率和生产率；②根据负荷的变化自动调节自身排量，提高了自适应能力，是牵引型车辆中行驶马达的理想选择。后续将继续研究HA控制的变量马达与DA变量泵的组合在铣刨机及类似行走机械中的仿真及应用。