輪式攤鋪機(jī)前輪輔助驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計

王進(jìn)　任志國　王劍波　何靖??

摘 要：針對輪式攤鋪機(jī)整機(jī)驅(qū)動力不夠以及前輪輔助驅(qū)動可能存在的負(fù)向寄生功率、打滑等問題，分析了基于前輪與后輪速度匹配來實(shí)現(xiàn)前輪輔助驅(qū)動存在的種種弊端，設(shè)計了一種電比例多路閥來驅(qū)動兩個并聯(lián)的馬達(dá)，并采用液壓分流閥強(qiáng)制分流的結(jié)構(gòu)，通過測量前輪驅(qū)動的壓力，進(jìn)行壓力匹配控制。裝機(jī)驗(yàn)證結(jié)果表明，各工況下前輪均能提供較好的輔助驅(qū)動效果。

關(guān)鍵詞：輪式攤鋪機(jī)；前輪；輔助驅(qū)動；壓力匹配控制

中圖分類號：U415.52 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

0 引 言

輪式攤鋪機(jī)因其機(jī)動性強(qiáng)和功能多的特點(diǎn)在社區(qū)道路、鄉(xiāng)村公路、市政工程等施工場所得到較為廣泛的應(yīng)用。通常情況下，輪式攤鋪機(jī)行駛驅(qū)動系統(tǒng)標(biāo)配后輪主驅(qū)動系統(tǒng)和選配前輪輔助驅(qū)動系統(tǒng)，且前輪采用實(shí)心輪胎（壓縮量?。筝啿捎贸錃廨喬?，輪胎數(shù)量的配置有后4前2、后2前4等多種形式。前輪輔助驅(qū)動系統(tǒng)的目的在于充分利用前輪的著地情況（尤其在施工時，當(dāng)料斗里面裝有攤鋪料時，前輪著地情況良好，與地面的摩擦力較大），適當(dāng)?shù)靥峁?qū)動力，使整機(jī)牽引性能提升；與此同時，利用前輪的轉(zhuǎn)向?qū)蜃饔茫筝喤浜喜钏倏梢詫?shí)現(xiàn)整機(jī)良好的轉(zhuǎn)向性能，即轉(zhuǎn)向時前輪側(cè)向滑移小，且轉(zhuǎn)向半徑小。前輪輔助系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與匹配控制是關(guān)鍵，否則在某些情況下無法有效地提供驅(qū)動力，甚至還有可能產(chǎn)生反向的寄生功率，使整機(jī)牽引性能降低[1-2]。本文從前輪轉(zhuǎn)向機(jī)械結(jié)構(gòu)、液壓驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、壓力匹配控制算法幾個方面進(jìn)行設(shè)計，以較少的成本增加實(shí)現(xiàn)預(yù)期設(shè)計目標(biāo)，通過在某型輪式攤鋪機(jī)上應(yīng)用和測試，在后輪打滑、前輪打滑和懸空等工況下充分驗(yàn)證了其有效性。

1 前輪輔助驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

圖1 行駛系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

某型輪式攤鋪機(jī)行駛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由后主驅(qū)動輪和前輔助驅(qū)動輪組成，后主驅(qū)動輪采用2個充氣輪胎（雙泵雙馬達(dá)左右獨(dú)立控制的液壓驅(qū)動結(jié)構(gòu)）；為了提高前輔助驅(qū)動輪在復(fù)雜路面的適應(yīng)能力，采用前面4個實(shí)心輪的結(jié)構(gòu)，單側(cè)2個輪胎采用橋接方式，設(shè)計有一定的縱向擺動角度，從而確保在起伏路面上前輪著地良好。此外，單側(cè)只有前輔助驅(qū)動輪提供驅(qū)動力，另一個為自由輪。

輪式攤鋪機(jī)前輪系統(tǒng)除了支撐整機(jī)重量和提供輔助動力外，還起到轉(zhuǎn)彎導(dǎo)向的作用。由于攤鋪機(jī)前端重量較大，設(shè)計采用四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，并且利用兩個轉(zhuǎn)向油缸實(shí)現(xiàn)液力轉(zhuǎn)向。兩個轉(zhuǎn)向油缸左、右各一個，轉(zhuǎn)向油缸一端固定在對應(yīng)側(cè)臺車架上，另一端與轉(zhuǎn)向節(jié)（馬達(dá)支座）連接，在遇到不平的路面時此結(jié)構(gòu)可使油缸與轉(zhuǎn)向節(jié)之間無相對運(yùn)動趨勢，油缸不會被憋壓，有利于延長油缸的使用壽命。單側(cè)的2個輪胎通過機(jī)械連桿連接，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械同步轉(zhuǎn)向。

1.2 液壓電氣控制結(jié)構(gòu)

前驅(qū)動輪的液壓驅(qū)動原理如圖2所示。壓力油源P由一個齒輪泵提供，左、右側(cè)的驅(qū)動輪分別由2個定量馬達(dá)直接驅(qū)動（無減速機(jī)），通過電比例信號調(diào)節(jié)負(fù)載敏感多路閥的開度來改變回路中流量的大小，從而實(shí)現(xiàn)前驅(qū)動輪的調(diào)速控制。2個前驅(qū)馬達(dá)采用并聯(lián)方式，為了避免某一側(cè)驅(qū)動輪打滑或懸空導(dǎo)致流量集中流向該側(cè)而出現(xiàn)越轉(zhuǎn)越快的現(xiàn)象，設(shè)計分流閥進(jìn)行強(qiáng)制分流。 壓力傳感器用于測量前驅(qū)壓力。負(fù)載敏感多路閥集成封裝有溢流閥，在設(shè)計中，要結(jié)合前輪最大驅(qū)動力設(shè)計指標(biāo)、馬達(dá)輸出軸扭矩性能指標(biāo)來設(shè)定系統(tǒng)的溢流壓力值。

圖2 前驅(qū)動輪液壓驅(qū)動輪原理

2 前輪輔助驅(qū)動壓力匹配控制

在攤鋪模式下，如果啟用前輪輔助驅(qū)動，則需確保其始終提供正向驅(qū)動力，不能產(chǎn)生負(fù)向寄生功率；當(dāng)非攤鋪模式或攤鋪模式下不啟用前輪輔助驅(qū)動時，為自由輪狀態(tài)。在液壓系統(tǒng)溢流壓力設(shè)定好的前提下，前輪驅(qū)動壓力越大，其提供的驅(qū)動力越大，可減少或避免前輪正常驅(qū)動過程中出現(xiàn)的打滑，減小輪胎磨損，確保正常使用壽命[3]。

如果采用前輔助驅(qū)動輪和后主驅(qū)動輪速度匹配的控制方式，即通過使前輪速度略大于或等于后輪速度來保證前輪的正向驅(qū)動力，此時，分別裝在前、后輪驅(qū)動馬達(dá)上的速度傳感器，通過將測量的馬達(dá)旋轉(zhuǎn)角速度轉(zhuǎn)換為輪胎的線速度進(jìn)行速度閉環(huán)控制。但是，后輪充氣壓力的大小及前輪的磨損都會影響其旋轉(zhuǎn)角速度與線速度之間的換算系數(shù)，換算系數(shù)的變化、前輪或后輪的滑轉(zhuǎn)等諸多因素都會導(dǎo)致前輪匹配的速度失準(zhǔn)，從而使其輔助驅(qū)動力產(chǎn)生變化，甚至變?yōu)樽枇Α?/p>

基于上述分析，本設(shè)計采用壓力匹配控制方式，在前輪液壓驅(qū)動系統(tǒng)中增加壓力傳感器，將壓力檢測的結(jié)果送到控制器內(nèi)進(jìn)行壓力閉環(huán)控制，以維持前驅(qū)壓力在適當(dāng)范圍內(nèi)為控制目標(biāo)，確保其始終提供正向驅(qū)動力。

鑒于在攤鋪施工過程中操作手會根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況增大或減小攤鋪速度，也就是會出現(xiàn)變攤鋪速度的工況，采取如下控制策略使前輪始終提供正向驅(qū)動力：在增速過程中，前輪加速度略大于后輪加速度；在減速過程中，前輪減速度略小于后輪減速度。

為了提高前驅(qū)系統(tǒng)的跟隨性能，引入前饋加變參數(shù)PID的控制策略[4]，如式（1）所示。

C=F+P（1）

式中：C為前驅(qū)負(fù)載敏感多路閥控制電流；F為前饋值；P為變參數(shù)PID計算結(jié)果。

前饋相當(dāng)于根據(jù)系統(tǒng)的改變及時給予的一個修正量，在隨動控制系統(tǒng)中，前饋使控制系統(tǒng)的響應(yīng)特性獲得很好的提高。在本設(shè)計中，前饋值根據(jù)“后輪速度-前輪預(yù)設(shè)電流”的擬合曲線直接計算得出，如圖3所示。PID計算的輸入為前輪實(shí)際壓力與目標(biāo)壓力的偏差，對計算輸出的結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)限幅，以解決前輪滑轉(zhuǎn)（或懸空）并越轉(zhuǎn)越快和后輪滑轉(zhuǎn)使前輪驅(qū)動力跟隨減小的問題。負(fù)載敏感多路閥實(shí)際控制電流如圖4所示，實(shí)線為前饋值，而虛線所包括的區(qū)域則為允許PID調(diào)整的范圍。變參數(shù)PID的目的在于根據(jù)當(dāng)前偏差對PID系數(shù)Kp、Ki、Kd進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以進(jìn)一步提高控制系統(tǒng)的響應(yīng)性，減小超調(diào)和縮短調(diào)整時間，變參數(shù)規(guī)則如圖5所示： Kd為常數(shù)不進(jìn)行調(diào)整，如圖5（a）所示；偏差增大則適當(dāng)減小Ki，有利于減小超調(diào)和避免積分飽和，偏差變小時，適當(dāng)增大Ki有利于提高系統(tǒng)的控制精度，如圖5（b）所示；偏差增大，則Kp 適當(dāng)增大，有利于提高系統(tǒng)的響應(yīng)性能[5-6]，如圖5（c）所示。本控制系統(tǒng)允許前輪驅(qū)動壓力在一定的范圍內(nèi)波動。

3 設(shè)備測試

借助專用的測試儀器DEWEsoft和壓力、速度傳感設(shè)備，在某型輪式攤鋪機(jī)上進(jìn)行空載測試。通過熨平板懸掛和浮動兩種工況驗(yàn)證前輪驅(qū)動的效果。熨平板懸掛前驅(qū)壓力測量結(jié)果如圖6所示，可以看出：當(dāng)熨平板懸掛時，前驅(qū)偶爾有滑轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，滑轉(zhuǎn)時前驅(qū)系統(tǒng)壓力會有所降低；當(dāng)熨平板浮動時，前驅(qū)基本無滑轉(zhuǎn)。在這兩種情況下，前驅(qū)都能維持所需要的適當(dāng)范圍的壓力，即提供正向驅(qū)動力。

圖6 熨平板懸掛前驅(qū)壓力測量

熨平板懸掛前驅(qū)滑轉(zhuǎn)的原因應(yīng)該是熨平板懸掛使整車重心略往后移，使前輪著地情況稍變差，導(dǎo)致偶爾出現(xiàn)驅(qū)動力大于摩擦力的情況而發(fā)生滑轉(zhuǎn)。

測試前輪單側(cè)懸空工況下的前驅(qū)壓力，如圖7所示。懸空側(cè)前輪壓力瞬間跌到接近系統(tǒng)補(bǔ)油壓力，此時目測該前輪速度有小幅的突然增加，但是速度能夠最終穩(wěn)定，沒有出現(xiàn) “飛轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，且前輪重新著地后前驅(qū)系統(tǒng)壓力恢復(fù)時間短，即著地瞬時出現(xiàn)滑轉(zhuǎn)之后很快便恢復(fù)正常驅(qū)動行駛。

圖7 前輪單側(cè)懸空前驅(qū)壓力測量

圖8 2 m·min-1攤鋪速度下前驅(qū)壓力測量結(jié)果

在熨平板浮動的情況下（即模擬實(shí)際攤鋪工況），選取幾個典型的攤鋪速度（2、5、8 m·min-1），測量不同攤鋪速度下前輪的驅(qū)動壓力，測量結(jié)果分別如圖8～10所示。由圖可知，3種攤鋪速度下，前輪驅(qū)動的壓力匹配良好，始終保持在12 MPa左右，即始終提供正向的輔助驅(qū)動力。另外，額外進(jìn)行的牽引力測試數(shù)據(jù)顯示，采用前輪輔助驅(qū)動后，整機(jī)牽引力提高近28%。在熨平板浮動的情況下，進(jìn)一步測試變攤鋪速度（即速度突然減?。┣闆r下前輪的驅(qū)動壓力，模擬比較惡劣的工況，結(jié)果都顯示前輪輔助驅(qū)動良好，如圖11所示。可以看出，在速度突變增加較大的情況下，前驅(qū)壓力有瞬時下降的現(xiàn)象，但依然能維持一定的驅(qū)動壓力，且很快就恢復(fù)正常，這個現(xiàn)象可以通過修改控制軟件改善。

4 結(jié) 語

本文所設(shè)計的前輪輔助驅(qū)動系統(tǒng)已經(jīng)在某型輪式攤鋪機(jī)上投入使用，效果明顯。橋式結(jié)構(gòu)改善了前輪在復(fù)雜路面的附著情況。通過液壓驅(qū)動結(jié)構(gòu)和電氣控制策略相結(jié)合，有效解決了速度匹配控制帶來的前輪輔助驅(qū)動力變化大甚至產(chǎn)生負(fù)向寄生功率及易受各種因素影響的問題，同時解決了前輪打滑（或懸空）并越轉(zhuǎn)越快的問題以及后輪打滑帶來的前驅(qū)壓力超高或偏低的問題，從而在各種工況下使前輪最大限度地發(fā)揮輔助驅(qū)動能力，大大降低了前輪滑轉(zhuǎn)磨損。該前輪輔助驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制思路具有一定的通用性及借鑒意義。

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[責(zé)任編輯：王玉玲]