平地機(jī)作業(yè)平整度的控制

1傳動(dòng)路線介紹本文討論的全液壓平地機(jī)是具有動(dòng)態(tài)變量泵的閉臂能源輸出的開放式氣泵。采用統(tǒng)一分配器防止單調(diào)滑動(dòng)，采用泵和扶貧板的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。如圖1所示,主液壓泵輸出的高壓油通過液壓膠管連接到液壓馬達(dá)的工作油口,通過壓力、流量的變化改變整車的車速和牽引力。傳動(dòng)路線為:電噴發(fā)動(dòng)機(jī)→主液壓泵→液壓馬達(dá)(雙馬達(dá))→減速平衡箱→驅(qū)動(dòng)車輪。發(fā)動(dòng)機(jī)與主液壓泵通過花鍵連接軸相連,液壓馬達(dá)通過花鍵與減速平衡箱連接,馬達(dá)到車輪為定傳動(dòng)比。主控制器、電噴發(fā)動(dòng)機(jī)ECU(電子控制單元)、顯示器、速度傳感器、壓力傳感器、電磁閥等組成控制系統(tǒng)。主控制器、電噴發(fā)動(dòng)機(jī)ECU、顯示器之間采用CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性、可靠性。主控制器采集馬達(dá)轉(zhuǎn)速信號(hào),發(fā)動(dòng)機(jī)(泵)轉(zhuǎn)速信號(hào)、系統(tǒng)壓力傳感器的數(shù)據(jù),通過控制泵前進(jìn)電磁閥Y11(或泵后退電磁閥Y12)、馬達(dá)電磁閥Y3的電流,改變泵、馬達(dá)的排量,控制整車的速度和輸出牽引力。主控制器通過CAN總線與電噴發(fā)動(dòng)機(jī)ECU進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,控制發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出功率。2控制變量在系統(tǒng)中的函數(shù)關(guān)系2.1平衡箱的傳動(dòng)比式中:V———整車行駛速度,km/h;nm———馬達(dá)輸出軸轉(zhuǎn)速,r/min;i———減速平衡箱的傳動(dòng)比;Rd———驅(qū)動(dòng)輪動(dòng)力半徑,m;np———泵的轉(zhuǎn)速,r/min;qp———泵的排量,mL/r;qm———單個(gè)馬達(dá)排量,mL/r;ηv———容積效率。車速只與泵(發(fā)動(dòng)機(jī))的轉(zhuǎn)速成正比,與泵和馬達(dá)的排量比β成正比。理論上可通過改變np和β達(dá)到任意車速。2.2系統(tǒng)壓力及補(bǔ)油壓力計(jì)算式中:F———車輪輸出牽引力,N;T——馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩,N·m;Δp———系統(tǒng)壓力與補(bǔ)油壓力之差,Pa;ηmh———馬達(dá)到車輪的機(jī)械效率。假設(shè)地面能提供足夠的摩擦系數(shù),馬達(dá)的輸出牽引力與馬達(dá)排量、液壓系統(tǒng)壓力成正比,則最大牽引力受系統(tǒng)最高許可壓力限制。2.3發(fā)動(dòng)機(jī)電控能力式中:P———車輪輸出功率,W;車輪的輸出功率P只與系統(tǒng)壓力、泵排量、泵轉(zhuǎn)速有關(guān),通過控制策略可以充分發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)的功率,提高作業(yè)效率。2.4平地機(jī)恒速控制某全液壓平地機(jī)選用變量柱塞泵和變量柱塞馬達(dá)組成的閉式回路行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電噴發(fā)動(dòng)機(jī)。通過調(diào)節(jié)泵的斜盤角度、馬達(dá)排量的大小和發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速來控制平地機(jī)的速度大小。其主要參數(shù)如下:發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率Ne=145kW,額定轉(zhuǎn)速ne=2300r/min,液壓泵和液壓馬達(dá)的最大排量分別為qpmax=125mL/r和qmmax=160mL/r。綜合減速平衡箱的傳動(dòng)比、驅(qū)動(dòng)輪動(dòng)力半徑,發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速下,泵和馬達(dá)都為最大排量時(shí),車速6.3km/h,設(shè)為常量V0。n0為發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳降速工作點(diǎn),此時(shí)的功率不小于總功率的95%,輸出轉(zhuǎn)矩不小于最大轉(zhuǎn)矩的95%。由公式(2)可知,動(dòng)態(tài)改變泵或馬達(dá)的排量均可達(dá)到恒速;對(duì)液壓系統(tǒng)效率而言,在泵調(diào)到最大排量,開始下調(diào)馬達(dá)排量的拐點(diǎn)附近,即泵和馬達(dá)同時(shí)處在最大排量的工作點(diǎn)就是液壓系統(tǒng)的最大效率點(diǎn)。當(dāng)負(fù)載較小時(shí),可考慮降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,提供適應(yīng)負(fù)載的功率,同時(shí)燃油經(jīng)濟(jì)性得到提升,滿足作業(yè)需求。根據(jù)工況的不同和施工方的作業(yè)習(xí)慣兼顧作業(yè)效率,提供的控制系統(tǒng)可設(shè)置3~10km/h的作業(yè)速度。恒速控制流程如圖2所示。當(dāng)設(shè)置車速等于V0時(shí),在發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速下,泵和馬達(dá)都為最大排量;當(dāng)設(shè)置車速大于V0時(shí),必須使泵排量和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速最大,其次改變馬達(dá)排量實(shí)現(xiàn)車速為V,并采用PID算法調(diào)節(jié)馬達(dá),實(shí)現(xiàn)車速快速動(dòng)態(tài)響應(yīng);當(dāng)設(shè)置車速小于V0時(shí),首先使馬達(dá)處于最大排量狀態(tài),選擇事先設(shè)計(jì)好的高效率泵、馬達(dá)的排量比,根據(jù)公式計(jì)算設(shè)定速度V所需要的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,若計(jì)算的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速大于n0,則確定泵的排量,并采用PID算法調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)車速快速動(dòng)態(tài)響應(yīng);若計(jì)算的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速小于n0,則重新選擇泵、馬達(dá)的排量比,重復(fù)上述流程。由公式(4)得:N(n)-P=N(n)-Knppmaxqp=ε式中:pmax———當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、泵排量條件下最大許可負(fù)載壓力,Pa;N(n)———發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為n時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)功率,W;ε———N(n)-P的最小許可值,即過載保護(hù)的安全值,W;在完成平地機(jī)恒速控制的同時(shí),結(jié)合平地機(jī)工作負(fù)載變化頻繁等工況,增加過載保護(hù)功能?？刂扑枷?液壓系統(tǒng)所產(chǎn)生的功率始終小于當(dāng)前轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率;當(dāng)N(n)-P小于過載保護(hù)的安全值時(shí),過載保護(hù)程序執(zhí)行。為兼顧液壓系統(tǒng)的壽命及最高容積效率,盡量使泵-馬達(dá)系統(tǒng)在中高壓區(qū)工作。過載保護(hù)流程如圖3所示,當(dāng)設(shè)定車速大于V0,且系統(tǒng)壓力大于pmax時(shí),增大馬達(dá)排量,同時(shí)給出警告:負(fù)載過大,與設(shè)置車速不匹配;當(dāng)設(shè)定車速小于V0,且系統(tǒng)壓力大于pmax時(shí),此時(shí)馬達(dá)排量最大,使輸出牽引力處于最大狀態(tài),增加泵的排量,同時(shí)相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低,滿足恒速度要求;發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低,N(n)減小,根據(jù)公式(5),系統(tǒng)壓力應(yīng)有所下降;若降低后的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速大于n0,則重復(fù)上述流程,可進(jìn)一步減小系統(tǒng)壓力;若降低后的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速小于n0,流程結(jié)束,保證應(yīng)有的系統(tǒng)功率。恒定車速設(shè)置界面如圖4(a)所示,調(diào)試頁面如圖4(b)所示。2.5行駛距離記錄在稍微平整過的土地上,丈量200m的作業(yè)空間,使平地機(jī)沿指定方向作業(yè),速度穩(wěn)定后,開始秒表計(jì)時(shí),記錄行駛距離,同時(shí)查看顯示器上的行駛速度,記錄結(jié)果如表1所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示,作業(yè)速度基本達(dá)到恒速,與設(shè)定值相同。3平地機(jī)負(fù)載及工況壓力控制(1)本文針對(duì)平地機(jī)施工工況,提供一種全液壓平地機(jī)的恒速控制策略,經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證,平地機(jī)作業(yè)平穩(wěn),輸出穩(wěn)定,達(dá)到恒速施工要求。該控制方法充分利用液壓系統(tǒng)的壓力以提供足夠的輸出功率與負(fù)載相匹配。當(dāng)外部負(fù)載發(fā)生變化時(shí),優(yōu)先提供充足的牽引力,同時(shí)保持機(jī)器的作業(yè)速度。(2)通過各類傳感器信息采集及通信手段對(duì)車輪工況監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)精確的速度控制;同時(shí)分析馬達(dá)排量與平地機(jī)作業(yè)速度的關(guān)系,匹配發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速及泵、馬達(dá)排量實(shí)現(xiàn)機(jī)器恒速運(yùn)行的設(shè)計(jì);提出泵、