小型道路清掃車靜液壓行走及控制系統(tǒng)設(shè)計簡述

盧 頌 ，張利峰

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.長沙恒泰液壓科技有限公司，湖南 長沙 410011；3.湖南省農(nóng)業(yè)機械鑒定站，湖南 長沙 410004）

近年來，隨著我國城市化進程的加快推進以及人們對環(huán)境衛(wèi)生的越來越重視，城市道路、街巷、公園、社區(qū)等公共區(qū)域需要清掃的面積在不斷擴大，環(huán)衛(wèi)部門平日的工作量也隨之不斷增大，受限于道路設(shè)計等因素的影響，清掃的機械化程度較低，目前的清掃工作主要還是依靠人工完成。

道路清掃車的開發(fā)可以大大提高人工清掃工作的效率低，改善人工清掃時塵土飛揚造成對環(huán)境的二次污染和工人身體健康的影響，長期在高溫環(huán)境下工作，同時會對清潔工的健康產(chǎn)生較大傷害。綜上所述，研發(fā)一種道路清掃設(shè)備，對社會具有很大的意義，同時其本身也具有廣闊的市場前景。但于清掃車的作業(yè)條件具有：路況復(fù)雜、垃圾堆放不均勻、雜物清理方式復(fù)雜、車輛載荷變化不確定等多種因素的影響，造成了車輛的發(fā)動機負(fù)荷以及車輛在作業(yè)過程中，速度變化不確定的現(xiàn)象，最終影響清掃車的清掃效率。因此，針對目前道路清掃車的應(yīng)用情況及市場需求，清掃車的研究多趨向于超環(huán)保、多功能、智能化、小型化發(fā)展。

靜液壓系統(tǒng)本身具有的傳動平穩(wěn)、過載保護、操縱簡單、無級調(diào)速等優(yōu)點，使其在小型設(shè)備中應(yīng)用廣泛，適合小型道路清掃車作業(yè)工況復(fù)雜、負(fù)荷變化較大的工作環(huán)境。因此，為解決小型城市道路、城市道路、街巷、公園、社區(qū)等環(huán)境的清掃問題，研發(fā)了一種小型道路清掃車，并根據(jù)清掃車的主要結(jié)構(gòu)及功能要求，本文設(shè)計了該清掃車的液壓行走系統(tǒng)，并著重探討各功能布置及控制系統(tǒng)設(shè)計，對小型清掃車的研發(fā)具有重要意義。

1 行走液壓系統(tǒng)模型

1.1 系統(tǒng)原理圖

小型道路清掃車采用靜液壓驅(qū)動，其中靜液壓行走系統(tǒng)解決方案如圖1所示。

圖1 行走液壓系統(tǒng)原理圖

基本的閉式行走液壓回路組成為：液壓變量泵、補油泵、補油單向閥、高壓溢流閥、液壓馬達等。在該回路中，變量泵的斜盤擺角一般由操作者利用控制手柄對其進行操控，而變量泵的輸出流量就在控制作用下不斷的變化，從而實現(xiàn)整個卷揚回路的無級變速。此外，液壓馬達旋轉(zhuǎn)的方向可通過控制變量泵的斜盤擺過零點用以實現(xiàn)其方向的改變；在整個過程中，補油泵的作用是補償由于馬達、泵容積損失等所造成的系統(tǒng)的流量泄漏，補油泵的補油的方向與補油單向閥有關(guān)，其方向依據(jù)系統(tǒng)兩側(cè)受到的壓力的大小，再對補油的方向進行選擇；高壓溢流閥可為系統(tǒng)提供高壓溢流保護，限制系統(tǒng)壓力沖擊的峰值

1.2 補油系統(tǒng)

依據(jù)所承受的負(fù)載運動方向的不同，閉式系統(tǒng)的兩條主油路一般分為：高壓油路、低壓油路兩種，兩種油路均可為低壓油路補充所需的油液。當(dāng)系統(tǒng)由于泵或者馬達泄露等因素?fù)p失了部分液壓油時，補油泵可以把油箱中處于低溫狀態(tài)的低溫油液利用補油系統(tǒng)中的單向閥，將油液連續(xù)地補充到主油路中，與此同時，還能降低整個閉回路的溫度；由于補油泵為溢流的狀態(tài)，因此其溢流壓力應(yīng)該由補油溢流閥進行設(shè)定，并且這個壓力除開用于維持主油路回油所需的壓力和防止低壓油路的空氣滲入和產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象之外，還能夠為變量泵的控制回路提供具有壓力的控制油液，因此，補油泵必須保證能夠在任何工況下，其都可以為主系統(tǒng)提供所需的壓力油。

液壓閉式回路的補油問題直接影響著閉式回路的性能，為了使系統(tǒng)更為可靠，一般采用動力補油的方法，在一定程度上能提高系統(tǒng)的性能。

2 行走裝置關(guān)鍵控制系統(tǒng)

2.1 速度敏感控制

當(dāng)?shù)缆非鍜哕嚢l(fā)動機以2000 rpm恒速運轉(zhuǎn)，此時發(fā)動機輸出的最大功率為80 kW，如果用于吸塵的風(fēng)機負(fù)載和掃路掃盤的總吸收功率為50 kW，那么發(fā)動機最大有30 kW可以用于車輛行駛。在平直的城市道路上，當(dāng)驅(qū)動車輛以10 km/h進行清掃作業(yè)時，車輛行駛功率消耗需求為10 kW，則發(fā)動機能夠提供的最大功率將不能滿足車輛需求，發(fā)動機會掉速甚至熄火。為避免該問題，本小型道路清掃車液壓系統(tǒng)采用速度敏感控制器（DA閥）來解決。

上面的介紹表明，速度敏感控制同樣適用于對發(fā)動機進行直接驅(qū)動、最大輸出功率超過發(fā)動機最大功率的大容量液壓傳動裝置。在這種類型的液壓系統(tǒng)中，速度敏感控制器所起的作用與恒扭矩或總功率控制器件所起的作用一樣，其均是為了將泵在特定的工作壓力下的輸出所需要的流量，限制在發(fā)動機的最大功率范圍內(nèi)。

速度敏感控制器，又稱DA閥，它能將發(fā)動機的轉(zhuǎn)速變化轉(zhuǎn)換成變量泵的控制油壓的變化，從而改變變量泵的排量，實現(xiàn)恒動率控制。速度敏感控制器的速度信號，可以很方便地用測量發(fā)動機直接驅(qū)動的另一臺補油定量泵的流量獲得，如圖1所示，補油定量泵輸出的流量和掃路車發(fā)動機的轉(zhuǎn)速成正比，并且在控制器孔板3（即液阻）上將會有一個壓差△P=P1-P2。該壓差的作用是影響孔板閥芯組件11的平衡位置。從而能夠打開控制閥口4，控制油變量泵先導(dǎo)閥流向變量控制缸?？刂朴泄苈分械膲毫3作用在孔板閥芯組件的環(huán)形面積上（輸出的反饋力），方向從左向右，與孔板3兩端壓力差減小，因此，控制閥口8將會打開，從而使得變量缸中油壓下降，孔板閥芯組件11上的力重新平衡后，控制閥口8才會重新關(guān)閉。通過速度敏感控制器的作用，發(fā)動機轉(zhuǎn)速和控制變量油壓P3以及由此形成的泵的變量角，在此方式下形成了比例關(guān)系。即發(fā)動機轉(zhuǎn)速下降，使變量控制油壓P3按比例下降，進而泵的排量也按比例下降；反之亦然。改變彈簧5的預(yù)壓縮量，就控制改變限扭矩特性曲線。

這種速度敏感控制是自動的，通過先進的電液控制技術(shù)實現(xiàn)自適應(yīng)控制，無需操作者人為照管，它可以防止發(fā)動機出現(xiàn)故障并保證整個掃路車的控制。值得特別提到的是，采用速度敏感控制，與大多數(shù)的恒功率控制方式一樣，并不妨限壓，負(fù)載敏感控制等，但當(dāng)發(fā)動機負(fù)載較大時，它將超越其他控制而先起作用。

2.2 定速巡航

定速巡航系統(tǒng)（CRUISE CONTROL SYSTEM，縮寫為CCS）其又稱為定速巡航駕駛裝置、速度控制系統(tǒng)或者自動駕駛統(tǒng)。目前，常用的掃路車巡航系統(tǒng)分為：巡航控制、自適應(yīng)控制兩種，其中后者是前者的衍生產(chǎn)物。為避免清掃作業(yè)司機長時間控制腳踏板導(dǎo)致疲勞駕駛，該小型掃路車實現(xiàn)了車速自動控制。首先司機踩下油門，由油門通過控制器人為的調(diào)節(jié)液壓泵排量，將車速從0提高到一個期望速度m，然后司機按下定速巡航開關(guān)，控制器則會持續(xù)保持當(dāng)前液壓泵控制信號和保持當(dāng)前液壓泵排量不變，從而實現(xiàn)車輛行駛速度自動恒定控制，這時，司機可以將腳從油門踏板或者踩下剎車，則車速自動恒定功能自動解除。

掃路車巡航系統(tǒng)的開發(fā)時間較晚，但其在整個系統(tǒng)中的主要作用為：使用者按下巡航系統(tǒng)控制開關(guān)之后，車輛開始啟動巡航控制機構(gòu)，并且能夠做到掃路車在整個的行駛過程中，駕駛員無需一直踩加速踏板，也能夠自由控制車輛車速的目的。并且在整個的過程中，即使外界因素會不斷地變化，但整個車輛也可以依據(jù)因素的變化，而自動變換檔位大小從而改變車速，使得發(fā)動機與掃路車可以在最佳的工況下進行工作。

掃路車定速巡航系統(tǒng)的基本功能：

（1）車速設(shè)定功能。當(dāng)掃路車處于行駛過程中時，若路面狀況良好，適合車輛勻速前進時，駕駛員可設(shè)定某一固定的車輛的行駛速度值，通過該功能，掃路車可以一直保持勻速行駛的狀態(tài)。

（2）恢復(fù)功能。當(dāng)掃路車在行駛過程中路況發(fā)生變化時，司機可依據(jù)實際情況和自身需要，對車速進行控制。通過這種方法，掃路車以另一個恒定速度在路面上勻速行駛。

（3）取消功能。當(dāng)駕駛員踩下制動踏板或者按下“取消”按鈕時，掃路車會立即退出“巡航”狀態(tài)。

（4）故障保險功能：①取消高速。當(dāng)掃路車的車速超過某一速度時（一般約30km/h），此時，巡航控制系統(tǒng)將處于停止工作的狀態(tài)，先前設(shè)定的車速消失并且無法恢復(fù)。②開關(guān)消除功能。退出巡航控制系統(tǒng)可通過制動踏板或按下巡航取消按鈕兩種方式進行退出。

2.3 高低速切換

目前我國采用較為廣泛的道路掃路車主要為：濕式、吸掃視兩種雙發(fā)動機式掃路車，這兩類掃路車的結(jié)構(gòu)是基于二類汽車底盤，在底盤的基礎(chǔ)上為了能夠給清掃裝置提供動力，額外增加一套副發(fā)動機動力傳遞系統(tǒng)。通過這種布局，保證了車輛的清掃作業(yè)系統(tǒng)和行走系統(tǒng)實現(xiàn)二者的分離和獨立，同時可實現(xiàn)工作人員對行駛系統(tǒng)及掃路作業(yè)系統(tǒng)進行單獨操作，從而能夠達到目標(biāo)效果；但當(dāng)車輛安裝了兩臺發(fā)動機之后，兩臺發(fā)動機的利用率卻會出現(xiàn)不高和在轉(zhuǎn)場運輸過程中出現(xiàn)副發(fā)動機不工作的狀況。針對掃路車作業(yè)工況特點，小型掃路車通過行走液壓系統(tǒng)實現(xiàn)了高低兩檔。

掃路車所選的行走馬達要求能夠在高速和低速檔位之間自動切換。其切換的原理如圖2所示。行走馬達的調(diào)節(jié)方式是通過行走高速、低速調(diào)節(jié)閥控，進而控制行走馬達調(diào)節(jié)器內(nèi)部的活塞桿的位置，從而實現(xiàn)調(diào)節(jié)走馬達的流量，進而達到了調(diào)節(jié)行走速度的要求。

圖2 行走馬達高低速切換原理

圖2 為行走馬達的高低速切換原理。其中油口P是行走高、低狀態(tài)的控制口。當(dāng)用戶、設(shè)定行走馬達為低速行走時，在P油口處無壓力，高、低速調(diào)節(jié)閥處于1位，行走馬達調(diào)節(jié)器大腔回油，活塞處于調(diào)節(jié)器右側(cè)，行走馬達處于低速工作狀態(tài)。當(dāng)用戶設(shè)定行走馬達為高速行走時，P油口處的壓力為先導(dǎo)壓力Px。對于高、低速調(diào)節(jié)閥來說，當(dāng)系統(tǒng)壓力的4油口壓力Po和彈簧力的合力小于Px時，該閥工作在11位，系統(tǒng)從A（B）油口過來的主壓力油通過高、低速調(diào)節(jié)閥推動行走馬達調(diào)節(jié)器的活塞桿，是行走馬達在大流量狀態(tài)工作，從而實現(xiàn)高速行走。

當(dāng)高速行走時，出現(xiàn)陡坡等障礙時，行走馬在通過障礙的過程中，受到的阻力將會增大，其系統(tǒng)壓力Po也會隨之上升。為避免出現(xiàn)行走馬達系統(tǒng)中的壓力會超出溢流壓力所造成的走不動的情況，在設(shè)計時會將能夠進行高、低速檔位自動切換的行走馬達設(shè)定一個安全壓力值Ps，從而避免由于輸出的轉(zhuǎn)矩不夠所導(dǎo)致的系統(tǒng)壓力過高。當(dāng)4油口壓力（即系統(tǒng)壓力）Po的值超過Ps的值時，Po與彈簧的合力將會大于Px，從而能夠讓高、低速調(diào)節(jié)閥切換到1位。行走馬達將會從高速狀態(tài)切換至低速狀態(tài)。

但在此過程中會存在問題：當(dāng)操作人員將車輛從高速狀態(tài)切換到低速狀態(tài)后，行走馬達系統(tǒng)內(nèi)部的壓力Po下降，但是高、低速調(diào)節(jié)閥的狀態(tài)沒有發(fā)生變化。因此，當(dāng)出現(xiàn)了系統(tǒng)的壓力Po值低于Ps值的情況時，高、低速調(diào)節(jié)閥重新回至11位，如此循環(huán)往復(fù)。因此，在整個上坡或者翻越障礙物的過程中，掃路車的行走馬達內(nèi)部系統(tǒng)的壓力Po值恒在Ps值附近振蕩。

為解決該問題，可以通過調(diào)節(jié)行走馬達的高低速調(diào)節(jié)閥的Px值從而對系統(tǒng)控制，其工作原理如圖2所示。

如圖2所示：AI、BI油口為反饋油路，該反饋油路為從左行走馬達A、B的主油口接過來；同理，AZ、BZ油口則是從右行走馬達A、B主油口接過來的反饋油路。上述4條油路一共經(jīng)過了3個梭閥，再進入行走先導(dǎo)控制閥的6油口。行走先導(dǎo)控制閥的工作原理如下。

（1）低速行走狀態(tài)。車輛處于低速行走狀態(tài)時，8油口中，受到的壓力為O。其中，Po為低速行走時的工作壓力，在此過程中，Po的值小于彈簧力Ft的值，因此，行走高低速先導(dǎo)控制閥的位置仍然位于 11位。

（2）高速行走狀態(tài)，Po＜Ps。車輛處于高速行走狀態(tài)時，8油口中，受到的壓力為Px。當(dāng)Po的值小于Ps的值時，Po的值小于Px與彈簧力的合力，因此，行走高低速先導(dǎo)控制閥的位置仍然位于11位。

（3）高速行走狀態(tài)，Po＞Ps。當(dāng)出現(xiàn)了 Po＞Ps的情況的時候，由于Po大于Px與彈簧力Ft的合力，因此在這種條件下，行走高低速先導(dǎo)控制閥切換到1位。而行走高低速先導(dǎo)閥的2、3油口與5油口連通回油，這樣8油口的壓力和通向行走馬達P油口的壓力為0，圖1中的高低速調(diào)節(jié)閥切換到1位，行走馬達從高速狀態(tài)轉(zhuǎn)換成低速狀態(tài)。同時，4油口與1油口連通，4油口的壓力Px和1油口壓力Po下降時，即使Po回落到以下，由于Px的存在，行走高低速先導(dǎo)控制閥也不會馬上切換到11位。只有當(dāng)Po低于系統(tǒng)設(shè)定的壓力下限Pt時，當(dāng)Po＜Ft，行走高低速先導(dǎo)控制閥才會切換到11位。

通過增加行走高、低速先導(dǎo)控制閥，可實現(xiàn)利用行走馬達的系統(tǒng)壓力控制行走馬達P油口壓力的通、斷，從而解決遇到爬坡時造成行走高低速頻繁切換的問題。

2.4 四輪轉(zhuǎn)向與兩輪轉(zhuǎn)向

掃路車上同時實現(xiàn)兩輪液壓助力轉(zhuǎn)向與四輪液壓助力轉(zhuǎn)向，在掃路車高速轉(zhuǎn)場過程中，為保證車輛行駛的穩(wěn)定性，通過轉(zhuǎn)向控制器控制電磁閥切斷后輪轉(zhuǎn)向油路，后輪轉(zhuǎn)向油路鎖死，僅保留前輪轉(zhuǎn)向功能，在掃路車低速作業(yè)過程中，通過轉(zhuǎn)向控制器接收轉(zhuǎn)向油缸位置信號，當(dāng)前，后轉(zhuǎn)向油缸都處于中位值時，打開控制后橋轉(zhuǎn)向回路的電磁閥，實現(xiàn)四輪轉(zhuǎn)向控制，保證掃路車作業(yè)時的高機動性。

圖3 全液壓轉(zhuǎn)向器工作原理示意圖

小型掃路車車輛采用的是全液壓轉(zhuǎn)向器，該類轉(zhuǎn)向器屬于擺線轉(zhuǎn)閥式全液壓轉(zhuǎn)向裝置。其主要由隨動轉(zhuǎn)閥和一個擺線轉(zhuǎn)子計量馬達組成，其中，內(nèi)部的擺線轉(zhuǎn)子計量馬達又是由定子和轉(zhuǎn)子所組成的，定子與轉(zhuǎn)向器閥體利用螺栓連接，轉(zhuǎn)子和閥套通過萬向軸花鍵連接。其中，隨動轉(zhuǎn)閥則是由閥芯、閥套、閥體三者所構(gòu)成，馬達轉(zhuǎn)子與閥套連接，閥芯與方向盤連接。其工作原理為：當(dāng)轉(zhuǎn)動閥芯時閥門打開，液流進入馬達推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，同時也帶動閥套轉(zhuǎn)動，關(guān)閉閥口，因此閥芯轉(zhuǎn)動多少度，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動多少度，馬達旋轉(zhuǎn)的液流量與發(fā)信轉(zhuǎn)角成正比，流出的油液進入流量放大器。方向盤通過轉(zhuǎn)向柱與轉(zhuǎn)向器相連，方向盤的傳動軸與轉(zhuǎn)向器閥芯連接，操作人員通過方向盤即操縱轉(zhuǎn)閥閥芯，方向盤的操縱力矩取決于閥芯尺寸、結(jié)構(gòu)形式和壓力，通過這種方式能夠獲得小的操縱力矩。

3 討論

3.1 行走液壓系統(tǒng)的特點

通過分析，可以發(fā)現(xiàn)所選用的閉式行走液壓系統(tǒng)具有如下特點：

（1）采用集成機構(gòu)安裝各類元件，減少系統(tǒng)中的管路，有利于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的布置；

（2）掃路車所采用的行走系統(tǒng)，是由電控系統(tǒng)控制發(fā)動機進行控制，該方式本身具有較好的控制性能，但同時對所采用的電控系統(tǒng)有較高的標(biāo)準(zhǔn)；

（3）閉式泵控制系統(tǒng)是利用發(fā)動機通過液壓泵驅(qū)動行走馬達，沒有節(jié)流損失，具有發(fā)熱量小、傳動效高等特點；

（4）系統(tǒng)安全性是由液壓系統(tǒng)與控制系統(tǒng)二者共同保證，但二者對系統(tǒng)的可靠性有較高的要求，因此也增加了所需技術(shù)的難度。

3.2 定速巡航控制特點

綜合掃路車巡航系統(tǒng)的作用，可以總結(jié)出以下幾個優(yōu)點：

（1）有助于掃路車在行駛過程中的穩(wěn)定性、安全性和舒適性。定速巡航系統(tǒng)確保了掃路車在任何路況或者條件變化下能夠勻速行駛。這種優(yōu)點在車輛較少的城市公路上顯示的尤為突出。此時，駕駛員只需要控制住掃路車的行駛方向。該功能有助于駕駛員在清掃作業(yè)時減輕體力和精力的消耗。

（2）減少磨損，延長車輛的壽命。掃路車處于勻速狀態(tài)工作時，依據(jù)牛頓第一定定律，整車所受合力為零，內(nèi)部元件產(chǎn)生的相對摩擦減少，從而大幅度增加車輛使用壽命。

（3）環(huán)保型與經(jīng)濟型。過外有一項實驗為：同一輛車在同一外界環(huán)境和路況中，裝有巡航控制系統(tǒng)的車輛能夠降低15%左右的消耗。其原因為：當(dāng)掃路車處于勻速行駛時，車輛上的各個部件均處在最佳工作環(huán)境中，這種良好的工作狀態(tài)可大幅度減少CO、CH、氮氧化物等有害氣體的排放，使得掃路車更加環(huán)保。

3.3 全液壓轉(zhuǎn)向控制特點

目前，全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展方向朝著高效節(jié)能化、集成化、快速響應(yīng)化的方向快速發(fā)展。

（1）高效節(jié)能化?，F(xiàn)在，越來越多的工程車輛采用全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，動力由發(fā)動機驅(qū)動的液壓泵提供，并且具有多個液壓系統(tǒng)，在工作過程中，可能多個工作系統(tǒng)共用同一個液壓泵，通過這種方式，可以減少液壓系統(tǒng)的能耗。

（2）快速響應(yīng)化。快速響應(yīng)化可以有效地提高工作效率，并且在工作過程中，減少響應(yīng)所需時間，從而做到更加快速、安全、可靠的操作。

（3）集成化。由于工程車輛功能越來越趨向于復(fù)雜化，因此也導(dǎo)致了液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)管路在布置時隨之復(fù)雜。此時，如果繼續(xù)使用大量的液壓管路連接各個液壓單元，將會導(dǎo)致整個液壓系統(tǒng)的可靠性降低，從而出現(xiàn)故障率的上升的情況。因此，逐漸采用液壓轉(zhuǎn)向器和流量放大器，并且目前也出現(xiàn)了一種同軸流量放大全液壓轉(zhuǎn)向器，可以集成轉(zhuǎn)向器與流量放大器，減少液壓管件的使用，從而可以優(yōu)化液壓系統(tǒng)的整體布置，提高系統(tǒng)的可靠性和安全性。