基于全液压平地机小油门工况下“游车”问题的分析及探讨

2014-07-08谢金龙赵源王进曾塬

机械工程师 2014年9期

谢金龙，赵源，王进，曾塬

(三一重工股份有限公司路面机械研究院，长沙 410100)

0 引言

近几年来，随着国家对工程机械行业的大力投入以及机械、液压和电气控制等领域的科学技术不断推陈出新，客户不但对机器的工作性能和效率提出了更高的要求，而且也对机器节能环保、油耗低以及操作的舒适性提出了新的要求。即客户使用机器时，一方面，希望机器的智能化水平和工作效率得到最大程度的发挥。另一方面，也希望机器耗油量小、排污量低，操作安全舒适。全液压平地机在小油门工况下行驶和作业时机器表现出来的“游车”现象是一个重大问题，既影响机器行驶和作业效率，同时还降低机器操作的舒适性，且机器行驶速度忽高忽低来回振荡，存在追尾的安全隐患。

1 问题现象

全液压平地机是三一重工自主研发且属于世界首创的静液压驱动工程机械新产品，如图1 所示。

图1 全液压平地机

与液力式和机械式平地机不同，其整机的牵引力由静压提供。液压系统主要由一个电控变量泵和电控变量马达（两个）组成，且为闭式系统。在此系统基础上，整机的传动路线为：发动机→液压主泵→液压马达（2 个）→减速平衡箱→驱动车轮，如图2 所示。

图2 全液压平地机传动路线

客户在使用平地机时，为了节能减排，油门踏板通常不是直接踩踏到底，而是踩踏油门踏板总行程的一半。这样既能满足行驶或作业时所需要功率的要求，同时还能降低油耗，且使得发动机不长时间工作在额定转速和功率下，对发动机进行了一定程度的保护，延长发动机的使用寿命。但是此时机器出现一个问题，其行驶速度忽高忽低循环变化，这种“游车”现象严重影响机器行驶和作业性能，必须予以解决。问题试验测试曲线如图3 所示。

图3 全液压平地机“游车”测试曲线

由图3 测试曲线可知，在小油门工况下，机器在不同挡位下的行驶速度均存在来回波动现象，尤其以高速挡4 挡和5 挡最为严重。

2 原因分析

2.1 问题产生过程分析

在小油门工况下机器行驶和作业时发动机输出功率打折，而外部负载却为实时变化的负载。当负载大于发动机荷载能力时，此时液压系统就会憋压，发动机转速会出现掉速，造成输出功率进一步减小，机器的牵引力和行驶速度也减小。当负载小于发动机荷载能力时，此时发动机转速会表现为升速，且输出功率进一步增大，机器的牵引力和行驶速度也增加。此两种工况来回循环变化，使得机器表现出“游车”的现象。

2.2 发动机小油门工况分析

式中：vg为每转一圈的几何排量，cm3；n 为转速，r/min；ηv为容积效率。

由式（1）可分别得到以下计算公式

式中：qv为流量，L/min；Δp为压差，bar；ηt为总效率。

由式（7）可分别得液压马达功率计算公式为：

全液压平地机应用的为大连道依茨发动机。由其外特性曲线（图4）可知，发动机输出功率与转速近似成正比关系。在油门踏板踩踏机械最大行程一半时（约1 700 r/min），此时发动机输出功率约为额定功率的1/2（约120 kW），输出扭矩在最大扭矩附近（约为675 Nm）。在忽略机器传动过程功率损失的情况下，由能量守恒可得：

马达输出转速乘以传动比即为驱动车轮行驶速度，所以由上述推导计算可知，在小油门工况下，发动机输出的功率和扭矩完全能够满足机器中等负载作业和中速行驶的要求。因此发动机小油门工况本身不是"游车"问题产生的原因。

2.3 机器液压主泵和马达排量控制策略缺陷分析

在忽略液压系统因吸附、泄漏等损失情况下，由液压系统守恒可得： qp=qm（8）

将式（2）和式（3）代入式（8）中可得：

因为液压主泵和发动机通过花键连接轴刚性连接，所以 ne=np。（10）

在忽略液压系统效率损失的情况下，ηvp=ηvm。（11）将式（10）和式（11）代入式（9）中可得

由式（12）可知马达输出转速nm(乘以传动比即为行驶速度)与发动机转速ne、主泵排量vp、马达排量vm有关。在小油门机械位置一定后，发动机转速ne因外部负载变化而小范围变化时，主泵和马达排应量尽可能保持不变，从而维持马达输出的转速基本为定值，即机器行驶速度基本恒定。而机器现行液压主泵和马达排量的控制策略均为与发动机转速成线性关系。液压主泵排量和发动机输出扭矩成正比线性关系，即vp=f（Te）。由图4 可知，大连道依茨发动机最大扭矩输出点为1 450 r/min 左右。所以当发动机转速在怠速至1 450 r／min 变化时，发动机输出的扭矩Te在600~705 Nm之间正比变化，液压主泵排量vp相应在0%~100%范围内正比变化。液压马达排量的控制策略为马达排量vm和发动机转速ne成反比线性关系，即vm=f（ne）。综上所述，液压主泵和马达排量均与发动机转速成线性变化关系是问题产生的主要原因。

图4 道依茨发动机外特性曲线

3 解决措施

由上述问题产生的原因深入剖析后可知，外部负载实时变化导致发动机输出转速、扭矩和功率发生时大时小地循环变化，这是机器和发动机本身的固有特性，是不好进行控制和改变的。唯一可以控制的是怎样将这种变化不失真地在泵和马达上进行弱化，即将主泵和马达排量与发动机转速实时变化的线性关系转变为非实时变化的非线性关系，具体思路阐述为：一方面，主泵排量vp不与发动机输出扭矩建立线性关系，而是建立分段对应关系。即发动机输出扭矩在某一范围内时，对应主泵的排量vp为一个定值。具体对应关系如表1 所示。

另一方面，当发动机转速从当前范围段变化到另一个范围段时，主泵排量首先不立即响应变化，而是先判断变化量是否超过50 r/min，若超过50 r/min，则主泵排量开始变化，否则，保持当前排量不变。而且变化过程采用先慢后快的斜坡输出方式，使得小范围的变化过程得以弱化和平稳进行。相应的控制策略流程图如图5 所示。

表1 液压主泵排量和发动机转速关系定义

图5 液压主泵排量控制流程图

表2 液压马达排量和发动机转速关系定义

液压马达新控制策略也分为两个方面。一方面，将发动机转速整体分为4段：怠速段、低速段、中速段和高速段。马达排量在这4 个范围段内的排量分别定义为100%、75%、50%和25%，具体对应关系如表2 所示。

另一方面，当发动机转速从当前范围段变化到另一个范围段时，马达排量首先不立即响应变化，而是先判断变化量是否超过50 r/min，若超过50 r/min，则马达排量开始变化，否则，保持当前排量不变。而且变化过程采用先慢后快的斜坡输出方式，使得小范围的变化过程得以弱化和平稳进行。相应的控制策略流程图如图6 所示。