工程机械通用液压行走系统三变量实验台设计

宋恩哲，阴美梁，孙军，王亚芳，王晶博

1．哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，黑龙江哈尔滨150001 2．派芬自控（上海）股份有限公司工程实验部上海200000

工程机械通用液压行走系统三变量实验台设计

宋恩哲1，阴美梁1，孙军1，王亚芳1，王晶博2

1．哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，黑龙江哈尔滨150001 2．派芬自控（上海）股份有限公司工程实验部上海200000

为研究工程机械中泵排量和马达排量及柴油机供油量三者之间的最优匹配，以实际工程机械液压行走驱动系统为原型，对真实液压行走驱动系统进行适当简化，进而提出实验台建设方案，并根据实际要求就主要设备的选型进行说明和计算。在此基础上建立了工程机械通用液压行走驱动系统实验台，并进行了空载、变负荷、变排量等不同工况下的实验验证，实验结果符合设计要求。本实验台的建设可以为各种工程机械的液压行走驱动系统提供实验研究条件。

工程机械；液压；行走系统；选型计算；校核实验

工程机械的行走动力驱动系统是工程机械的重要部分，行走动力驱动系统需要及时响应大扭矩负载的频繁变化，并且要求其有较高的效率和较长的寿命。在变调速、差速及反向传输动力等方面需要具有良好的能力。目前，各种工程机械行走动力驱动系统的控制方法是控制泵的排量，马达大部分选用定量马达，即便选用变量马达也只是控制马达在最大排量或最小排量2种工作情况。而柴油机的控制并没有良好匹配泵马达液压系统，一直处在较大供油量状态，没有充分利用柴油机的功率，柴油机的经济性差，整个装置的效率低；液压系统压力波动大，工作效率低，液压件的使用寿命短。为了解决以上问题，通过研究柴油机与液压系统的匹配，寻求柴油机供油量、泵排量、马达排量三者之间的最优控制策略，设计了一种工程机械通用液压行走动力驱动的实验台［1⁃3］。

1 实验台设计方案

1．1 总体要求

在工程机械的行走动力驱动系统中存在2种模式：一种是以履带车为代表的，通过控制左右两侧的马达速度来实现直线行走和转向，这需要有2个相对独立的液压系统；还有一种是以平板车为代表的，并不需要两侧车轮差速来实现转向，而是需要两侧车轮的转速保持一致以实现直线行走，这样就需要有一个整体的液压系统为两侧马达一起供油，以保证两侧转速严格一致。

本实验台的目的是结合实际情况和实验条件，在真实反映工程机械行走系统的条件下，为了研究的方便和节约成本［4］，尽可能地简化系统；能够改变负载以模拟工程机械遇到的不同工况，并能实现自动加载且具有较高灵活性；为了寻求柴油机供油量、泵排量、马达排量三者之间的最优匹配，能实时监测实验台上所需要的各种数据，并可以对某些参数进行在线修改；为了能涵盖工程机械通用的液压行走系统，能进行单回路和双回路的切换。

1．2 实验台构建方案

工程机械行走系统复杂，为了便于研究，行走驱动系统主要部件简化为1个柴油机，2个变量泵，2个变量马达，2个测功机。图1为实验台原理图，通过2个回路之间的2个阀可以控制2个液压回路的联通或关闭。当阀1、2全部关闭时，1个泵和1个马达成为一个独立的回路，这样整个系统有2个独立的回路，用来模拟以履带式工程机械为代表的行走驱动系统；当阀1、2全部开启时，2个泵联合为2个马达供油，整个系统成为一个大的回路，2个马达的高、低压侧压力全部一致，这样的结构用来模拟以平板车为代表的行走驱动系统［5］。

图1 实验台架原理

2 实验台主要设备选型

在此可以根据上海派芬有限公司给出的实际情况提出以下的设计要求：转速可达4 000 r／min以上，最高可达5 000 r／min；负载扭矩在120 N·m时，马达转速可达3 000 r／min；双回路同时工作时，单个回路最大输出扭矩可达210 N·m。

2．1 马达的选型计算

选择sauer danfoss公司的51系列斜轴变量马达作为马达的选型库。

当负载扭矩为210 N·m时，验证系统的压差和马达的转速在合理的范围，即系统的最大压力小于马达的最大相对压力48 MPa，且马达转速应满足系统最高转速需求［6］。根据51系列斜轴马达参数表选取型号为060（排量范围12～60 cm3、额定流量216 L／min、最大流量264 L／min、最大排量和最小排量处额定速度分别为速度3 600r／min和5 600 r／min）的马达，根据公式算出：

式中：M为马达输出扭矩，N·m；V为马达排量，mL／r；ΔP为液压系统高压侧与低压侧的压差，MPa；η为马达的机械效率。

考虑到波动载荷液压系统最高工作压力应为Pmax的1．8倍［7］，由ΔP推算出系统最高工作压力为Pmax＝1．8×（ΔP＋30）＝46．188 MPa＜48 MPa。

型号060的马达最小排量处额定转速5 600 r／min，可满足轻载4 000 r／min左右的要求。

2．2 泵的选型计算

为了与马达匹配和选型方便，泵也选用sauer danfoss公司的H1系列闭式轴向柱塞泵。由马达参数可知，马达最大流量是264 L／min，泵的流量应能够满足马达最大流量，并且因为之前计算系统最高压力在46 MPa左右，并且马达的排量在12～60 mL，考虑转速情况和液压系统损失后，根据H1系列轴向柱塞泵参数表选择型号为H1P078（排量78 cm3、转速范围500～4 000 r／min、额定转速3 500 r／min、额定压力40 MPa、最高压力45 MPa、理论流量273 L／min）的泵，进行如下验证。

按扭矩120 N·m时匹配系统效率最高点压力，算出此时马达的排量大小：

式中：Me为负载扭矩，N·m。

选取泵在适合的转速，确定泵的输出流量［8］。本实验台、液压泵与发动机同轴连接，泵和发动机转速一致。通常情况下柴油机标定转速在2 000～3 000 r／min，工程机械用柴油机转速普遍低于车用柴油机［9］，假定负载120 N·m时满足马达转速3 000 r／min的最低柴油机转速在2000 r／min。

根据泵输出流量计算公式，验证负载120 N·m时，马达的转速是否可达3000 r／min。

式中：Qe为泵的输出流量，L／min；np为泵的转速，r／min；ηpv为泵的容积效率；Vp为泵的排量，mL／r。

由以上验证计算可以看出，即便在液压系统有损失的情况下，马达转速也可以满足设计要求，所选用sauer danfoss生产的型号为H1P078的泵符合设计要求。

2．3 发动机的选型计算

根据马达输出功率公式Pe＝Men／9 550可估算出2回路同时工作时马达的最大输出功率总和为Pe＝66 kW。

考虑整个液压系统的效率和功率余量，选择额定功率在140 kW左右的柴油机。根据玉柴YC4E系列发动机的主要机型和参数，选取型号为E2100（标定功率132 kW、标定转速2 500 r／min、最大扭矩630 N·m、最高空载转速2 800 r／min、全负荷最低油耗205 g／（kW·h）、最大扭矩点转速1600 r／min）的发动机满足系统要求。

2．4测功机的选型计算

根据马达在低转速承受大扭矩的特点，选择一款高速电力测功机。经过对比筛选并兼顾单泵单马达研究情况，最后选择型号为AC120G的高速电力测功机，其额定转速3000r／min、最高转速9 000 r／min、额定功率120 kW、额定扭矩380 N·m。

3 实验验证

本实验台架主要可以通过3个磁电式转速传感器监测柴油机和2个变量泵的实时转速、通过6个压力传感器分别监测2个变量泵的进出口和补油压力、通过2个温度传感器分别测量柴油机水温和液压油温度，采集到这些传感器信号后通过TTC200控制器对这些信号进行处理，然后传送给STC显示器，这样就可以通过图2中的实验台监测控制柜左上的显示器显示监测参数［10］。

图2 液压系统实验台

安装实验台之前，先在实验台上对玉柴柴油机进行标定试验，确定柴油机各转速下可输出最大功率和最大扭矩。经过标定此型号柴油机功率略高于说明书上数据。

之后在组建好的实验台架（图2）和实验台监测控制柜（图3）上进行校核和监测控制。首先进行空载下标定转速实验，在泵排量和马达排量开到最大的情况下测马达转速随柴油机转速的变化，在此选两马达中偏差较大的数据进行说明。其结果如图4所示，相差最大在7%以内。然后在柴油机1 000 r／min时测马达转速随马达排量增加的变化，其结果如图5所示，其计算转速与实测转速最大相差在10%以内。

图3 实验台监测控制柜

图4 实验台监测控制柜

图5 马达转速随排量变化

由图4、5可以看出空载时试验数据与理论计算相符合，误差低。然后在各转速下对系统进行加载试验，测得实验数据。在此以柴油机1 600 r／min时的实验数据进行说明。图6是柴油机1 600 r／min左右时马达输出功率和左右泵的输出功率以及左右马达转速曲线。在加载过程中，液压系统压力差从4 MPa增加到23 MPa左右。在1 600 r／min时泵端最大输出功率之和在100 kW左右，泵端最大输出扭矩之和在598 N·m左右，都在柴油机1 600 r时的标定参数范围之内，并有10%左右余量。马达端最大输出功率之和在63 kW左右，整个液压系统效率在60%左右。

图6 柴油机1 600 r时加载曲线

图7 各转速最大扭矩负载试验

为测量柴油机各转速下系统的最大输出功率和扭矩，根据之前的柴油机标定试验，进行了各转速下最大扭矩负载试验，如图7所示液压系统压力差一直在23 MPa左右。在各转速下最大扭矩时，泵端输出功率之和接近之前柴油机标定功率。在1 000～2 400 r／min时，各转速下各回路负载扭矩均可达到或接近210 N·m。

在柴油机2 000 r／min、负载120 N·m时，调节一路马达排量到38mL／r时，马达转速达到3 000 r／min，此时泵端输出功率为65 kW，马达输出功率为37 kW，液压系统压差为23 MPa。

通过在各种工况下的实验数据与理论分析的比对，验证了此实验台在各种条件下都较好地完成了设计预想，可以为柴油机、泵、马达三变量的匹配研究提供了良好的实验条件。

4 结束语

针对工程机械行走系统的问题，提出一种新的泵、马达和柴油机联合控制的策略。为了便于实验验证这种控制方法建立了本实验台。本实验台经过设备选型计算和实验验证，证明是一个可控可检测的实验台。本实验台自动化程度高，可对各种排量和供油量进行自动控制；通用性强，不但可以模拟单回路行走驱动系统，也可以模拟双回路行走驱动系统，涵盖了所有工程机械全液压行走驱动系统。本实验台的建立为泵、马达和柴油机三种变量之间匹配的研究提供了实验条件。

[1] 李亦锐. 国外工程机械新技术、新结构与发展趋势[J]. 机械制造与自动化, 2006(5): 25-28.

[2] 刘良臣. 国内外装载机新技术展望[J]. 建筑机械化, 2001(5): 33-36.

[3] 张奕. 液压与气压传动[M]. 北京: 电子工业出版社, 2011: 1-5.

[4] 阴俊霞. 工程机械多功能试验台方案分析与关键技术研究[D]. 西安: 长安大学, 2010: 6-7.

[5] 沈兴全. 液压传动与控制[M]. 3版. 北京: 国防工业出版社, 2010: 253-262.

[6] 曹建永, 王钱, 雷叶. 混凝土搅拌运输车液压系统主要元件选型[J]. 专用汽车, 2011(6): 65-66.

[7] 姜友山, 邹广德, 徐刚, 等. 全液压推土机液压系统压力匹配研究[J]. 建筑机械化, 2010(1): 41-47.

[8] 胡军科, 工华兵. 闭式液压泵的种类及选型注意事项[J]. 机床与液压, 2000(2): 152-153.

[9] 王少军. 工程机械用柴油发动机的选型和应用[J]. 工程机械, 2006(2): 39-40.

[10] 宋恩哲. 一种工程机械通用液压行走动力驱动装置: 中国, CN201310187955.8[P]. 2013-09-18.

Design on three⁃variable test bench used for universal hydraulic traveling system of engineering machinery

SONG Enzhe1，YIN Meiliang1，SUN Jun1，WANG Yafang1，WANG Jingbo2

1．College of Power and Energy Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China；2．Engineering Laboratory，Pal－Fin Automatic Control Technology（Shanghai）Co．，Ltd．，Shanghai 200000，China

In order to research the optimum match among the pump displacement，motor displacement and the oil sup⁃ply volume of a diesel engine in engineering machinery，with the actual hydraulic travelling driving system of engi⁃neering machinery as a prototype，the real hydraulic travelling driving system was simplified．Subsequently，the test bench construction scheme was proposed，and in addition，according to actual requirements，the description and cal⁃culation were carried out for the selection of equipment model．On the basis of this，a test bench for the universal hy⁃draulic travelling driving system of engineering machinery was established．Besides，under such different behaviors as empty load，variable load and variable displacement，experiments were conducted for demonstration．The test results conform to the design requirements．The construction of the test bench may provide experimental research conditions for the hydraulic travelling driving systems of various engineering machineries．

engineering machinery；hydraulic；traveling system；calculation on model selection；recheck experiment

TK42

A

1009⁃671X（2014）01⁃0080⁃05

10．3969／j．issn．1009⁃671X．201304012

2013⁃04⁃01．

日期：2013⁃12⁃04．

国家自然科学基金资助项目（51279037）；新世纪优秀人才支持计划（NECT⁃11⁃0826）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（HEUCF110301）．

宋恩哲（1973⁃），男，研究员．

宋恩哲，E⁃mail：sez2005＠sina．com．

http：／／www．cnki．net／kcms／detail／23．1191．U．20130704．1124．001．html