浅析液压平板车液压驱动的动力匹配与控制

周长俊

（上海振华重工（集团）股份有限公司，上海 200125）

2021年，第十四个五年规划正式出炉，大基建逆势拉升，中国中冶、中铝国际、文科园林、西藏天路等板块领涨。在此背景下，大规模工程设备载运任务日益繁重，重型液压平板车呈现出极其广阔的应用场景。由于液压平板车多处于特定的极端工作状态，订单式生产过程中，不单单需要确保液压马达、发动机动力之间的默契配合，而且需要提升用动力推动液压平台载运车的控制精准性。因此，探索液压平板载运车的驱动用力方案具有非常重要的意义。

1 液压平板车液压驱动的组成

从类别上来看，液压平板载运车是典型的动力平板车辆，内部配置有动力机组，可经液体压力循序传动完成方向转变动力、驱动力的传导递送。一般内部配置由液压动力机组的平板载运车内部具有若干标准接口，可以从纵向、横向连接单车模块，最终连接工字梁制备的抗扭矩车架纵梁、横梁。以轴线（每一排车轮的轴心连接成的直线）数量为4、纵列（每一列车轮形成的直线）为2的单车模块为对象进行分析，其主要包括1个动力机组、1个从动轮组、1个制动系统、1个悬挂总成以及1个驱动轮组、1个车架。其中动力机组内部不仅具有发动机，而且具有专门的控制阀门、分动箱、微型计算机控制端、变量泵，可以经密集分布的液压油路管道向元件传递，驱动平板载运车完成转向、行走、举升动作。

2 液压平板车液压驱动的动力匹配

2.1 受力分析

从液体压力驱动的平板载运车处于平整、顺直行进状态来看，液体压力驱动的平板载运车行走机构需要承受一个支撑反向作用力与一个外界阻力、驱动力、滚动阻力。其中支撑反向作用力源于地面，方向与地面呈90.00°；外界阻力源于从动轮行进过程；驱动力源于液压；滚动阻力源于滚动轮组，驱动力等于滚动阻力、外界阻力之和，载荷则与支撑反向作用力相等，由液体压力驱动的轮胎承担，数量为4个，液体压力驱动轮组所承受的载荷也被均分成4分。

液体压力驱动的平板载运车驱动轮组因摇臂与摇臂支架、液压动力机组与摇臂之间分别经销轴、球头铰链相连，缺乏扭矩递延。在不考虑摇臂、液压动力机组装置作用的基础上，摇臂支架、驱动轮组所承受的力分别源于液体压力驱动的平板载运车车体、地面，前者可以被等分为4份，后者垂直向上。此时，在假定摇臂支架承受力、驱动轮组中心承受力相等的情况下，可以获得横向、纵向两个方向的力。

液体压力驱动的平板载运车桥壳承担着车轮、车体连接任务，地面对车辆作用力可经车轮传递。从车轮承受压力来看，在液体压力驱动的平板载运车水平方向行进速度一定的情况下，根据已知的轮胎半径，可以计算液体压力驱动的平板载运车轮承受的驱动力、垂直反力、滚动阻力。其中驱动力源于液体压力，为轮胎切线方向；垂直反力源于地面；滚动阻力源于车轮。同理，可以将液体压力驱动的平板载运车轮中心平面垂直方向的作用力、驱动桥壳法兰盘平面上作用力进行均衡处理，在液体压力驱动的平板载运车轮中轴心平行界面、桥壳中心轴线之间距离以及驱动桥壳法兰盘水平界面、桥壳中心轴距离一定的情况下，根据一个已知的液体压力驱动的平板载运车轮承受地面反力（位于车轮中心轴所在水平面），可以计算等效驱动力、等效滚动阻力。进而根据液体压力驱动的平板载运车轮绕中心轴回旋转动时液体压力驱动值、附加扭矩之间关系，可以明确液体压力驱动的平板载运车动力工况。

2.2 匹配方案

根据液体压力驱动的平板载运车非开放式驱动特点，泵输出排量控制主要以发动机转动速度一定为前提，由泵内部安置的比例电磁铁负责；变量马达则为二次控制方式，由比例换向阀负责完成排量变更。基于此，液体压力驱动的平板载运车驱动用力匹配问题就可以转换为柴油机、变量泵的匹配问题。结合发动机万有特殊性质，可得出发动机运转速度动态变换情况下，可以获得一个处于最高水平的功率、处于最高水平的扭矩，在驱动泵、发动机无偏差的情况下，需要计算两个定值，即发动机输出功率、驱动泵输入功率。其中柴油机输出功率（kW）为柴油机扭矩（N·m）与柴油机转速（r/min）乘积除以9549.00后的数值；而驱动泵输入功率（kW）则为泵出口压力（MPa）、泵排量（ml/r）、泵转速（r/min）乘积除以60000.00后的数值。鉴于柴油机、驱动泵之间传递效率的存在，外加液体压力驱动泵的效率就为传递效率（0.95）、泵效率（0.95）与柴油机输出功率的乘积。

鉴于液体压力驱动的平板载运车运行过程中，驱动泵、柴油机后部之间的连接方式为串联，串联工具为联轴器，可推断驱动泵运转速度、柴油机运转速度为相同的数值，在柴油机运转速度为确定数值时，驱动泵扭转力矩、柴油机输出功率也为相同的数值。这种情况下，泵出口压力、泵排量的乘积就与柴油机扭转力矩、2π乘积相等，泵出口压力、泵排量的关系可利用双曲线表示。同时考虑到负载是驱动泵压力的决定性因素，负载的变更会直接带动扭转力矩的转变，在柴油机扭转力矩到达非最佳工作点的某一点时，驱动泵、发动机匹配值下降，为保证柴油机、驱动泵匹配值始终处于最高水平，可以驱动泵排量控制调节为依据，促使两者压力、排量关系在双曲线上。

在匹配驱动变量泵、柴油机的基础上，可以从液态压力驱动的平台载运车行走过程入手，进行马达输出扭矩、驱动轮输出力矩的匹配。一般在忽略系统压力下降的情况下，液态压力驱动的平板载运车牵引力与速度的乘积等于牵引效率、驱动泵功率、3600.00（运动时间换算单位）之间的乘积，牵引力、车速关系可表示为双曲线，匹配过程与前述驱动变量泵、柴油机匹配类似。

2.3 匹配实例

以总体重量为205.00t的液体压力驱动平板载运车为例，该载运车自重60.00t，满载、空载滚动半径分别为0.40m、0.42m，坡度（65%）、平地满载车辆运转速度分别为3.00km/h、6.00km/h，驱动轮、悬架数量分别为6个、14个，驱动泵、液压马达排量分别为126.00ml/r、30.00ml/r，速度减控机传送比为50.00。根据上述方案计算车速、牵引力，并在Matlab软件内校正检验牵引效率。得出：在发动机恒定转动力矩阶段，功率未达到额定数值，随着牵引力的增加而减小。在这一阶段，驱动系统运行压力超过额定泵出口压力的0.20倍但小于额定泵出口压力的0.85倍，驱动泵排量超过额定泵排量的0.70倍但小于额定泵排量的1.00倍，泵运转速度超过额定泵转速的0.30倍但小于额定泵转速的0.85倍，驱动泵效率变化处于显著状态，最高变化幅度在90.00%以上；在发动机恒定功率阶段，功率达到额定数值，而牵引力朝着高水平发展。在这一阶段，马达排量超过额定马达排量的0.80倍但小于额定马达排量的1.00倍，系统工作压力超过额定泵出口压力的0.40倍但小于额定泵出口压力的0.85倍，马达运转速度超过额定运转速度的0.10倍但小于额定运转速度的0.45倍，效率变化处于可忽略状态。

进一步分析可知，在经匹配的液体压力驱动下，牵引力曲线较为平滑，可以满足无级速度调控要求。即便负载变化，也可以通过排量、压力的协同管控达到平稳牵引。在液体压力驱动平板载运车行驶速度超过3.00km/h但小于8.70km/h的情况下，系统达到最大效率，为85%；而在液体驱动平板载运车行驶速度超过9.20km/h时，系统效率开始朝着低水平发展，最低为73%（对应的行驶速度为15.00km/h）。

3 液压平板车液压驱动的动力控制

3.1 动力控制工况

在液体压力驱动的平板载运车承载重物量达到规定吨数的情况下，载运车液体压力驱动轮组产生的驱动力将达到最高数值，同一时刻液体压力驱动的平板载运车驱动桥壳承受的地面反向作用力达到最高水平。在液体压力驱动的平板载运车行驶道路坡度为10.00%，此时，液体压力驱动的平板载运车整体总驱动力达到245622.00N，平均分配到4个驱动轮组，对应的驱动轮数量为8对，每一对液体压力驱动的平板载运车轮承受的驱动力与驱动轮单边驱动力处于相同数值。同时在液体压力驱动的平板载运车承载重物量达到规定吨数且处于平稳道路行进时，最高行驶速度可达到6.00km/h；而在液体压力驱动的平板载运车承载重物量达到规定吨数且处于爬坡（坡度10.00%）行进状态时，最高行驶速度可达到3.00km/h，液压驱动载力（动载系数为1.38）产生阻碍较大。

3.2 液体压力驱动过程

在驱动过程中，液压平板载运车内部安置的液压马达可以螺丝形式与速度减控机连接，两者之间间隔液压马达法兰盘。在发动机驱动下，液压马达内部深入速度减控机内部并连接行星齿轮机构的输出轴开始旋转，将扭转力矩向速度减控机行星齿轮机构传递。速度减控机在扭转力矩带动下环向转动，经螺栓与车轮轮辋相连的外法兰盘则完成将动力传递给车轮轮辋，驱动平板载运车运动。

3.3 动力控制策略

根据液体压力驱动过程，设计者可以根据机构紧凑、安装难度小的原则，选择可直接在行走速度减控机内插装的斜轴结构轴向锥形柱塞变量马达。鉴于液体压力驱动的平板载运车马达量较多且分布均匀度不足，可以选择以强适应能力著称的EP电液比例控制策略。该控制策略主要包括计算机、转换装置、被控制对象三个模块。其中计算机主要负责接收指令并选择控制算法；转换装置主要负责借助电气-机械转换器将控制算法转换为电信号传输给电控器，或者将速度传感器信号经滤波放大器处理后转换成电信号传输给微型计算机；被控对象主要负责利用电液比例阀接收电信号，并将信号传输给变量马达，驱动变量液体压力马达运动。同时由变量液体压力马达上布置的速度传感器，将信号反馈给转换装置，进而经转换装置传递给微型计算机，为动力控制优化提供依据。比如，在液压马达速度传感器经转换装置传递给微型计算机的实时信号计算得到整体车辆行进速度超出预先设定数值最大限度时，可以初步判定液压车轮处于“打滑”状态，第一时间将调整指令以电信号的形式传递给转换装置，由转换装置将转换后的信号向液压控制阀传递，最终由液压控制阀协同变量液压缸进行马达斜盘倾斜视角的变更，完成驱动轮行进速度的优化。

在控制液压马达的基础上，设计者还需要考虑液压泵的控制。根据现今时期应用概率较高的斜盘式柱塞变量泵特点，结合液体压力驱动的平板车辆运行方式，可以选择兼具价格低廉、使用便捷、运行稳定的机械-液压伺服控制策略（DA控制）。作为一种位置非间接反馈排量的控制策略，控制阀可以经阀芯左侧、右侧压力差值完成输出压力高水平与低水平浮动控制，输出压力则驱动变量油缸内部活塞杆位置发生移动。在活塞杆位置发生移动后，变量泵斜盘倾斜角度进入高低水平可调节状态，最终完成变量泵的排放量控制。其中排量的无级调节受变量泵斜盘视角非间断变量的直接影响，具体液体流动方向则被方向控制阀门管控。在油门增加时，运转速度向高水平发展，控制阀输出压力也朝着更大程度递进，变量泵的液体排放量随之递增。

4 结语

综上所述，液体压力传动是一种基于机械传动与能量转换的新模式，液压泵为无级速度变换核心，可以自动化匹配载荷，规避传动装置装载过量。液体泵兼具低负荷应力、大功率密度以及低传动效率特点，对动力匹配具有较高的要求。因此，根据液压平板载运车的运行要求，设计者应结合整车基本参数，选择适宜的液体压力驱动系统模式以及元件控制方式，科学选择液体压力驱动元件型号，确保液体压力驱动元件匹配性能。