壓實(shí)機(jī)械行走驅(qū)動(dòng)性及智能化方法研究

馮宗軍

（廣西柳工機(jī)械股份有限公司，江蘇 江陰 545001）

國(guó)際通用的道路建設(shè)壓實(shí)設(shè)備如單鋼輪壓路機(jī)、雙鋼輪壓路機(jī)、輪胎式壓路機(jī)等從傳統(tǒng)的有級(jí)變速（具有換擋變速傳動(dòng)）到無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)發(fā)展，不僅實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力銜接連貫發(fā)展，提高了設(shè)備的舒適性，更大大提高了移動(dòng)壓實(shí)機(jī)械的路感平穩(wěn)性，也為當(dāng)今連續(xù)性智能壓實(shí)研究提供了底盤技術(shù)基礎(chǔ)［1］。

實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)的移動(dòng)車輛傳動(dòng)技術(shù)機(jī)理可采用靜液傳動(dòng)通過(guò)改變輪邊的輸入扭矩及轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)，也可通過(guò)其他機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)，如CVT技術(shù)或HVT傳動(dòng)技術(shù)［2］，但對(duì)于圍繞以壓實(shí)速度控制為驅(qū)動(dòng)目標(biāo)的壓實(shí)機(jī)械來(lái)說(shuō)，靜液傳動(dòng)相比CVT或HVT傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)的經(jīng)濟(jì)性及聯(lián)合壓實(shí)裝置匹配驅(qū)動(dòng)結(jié)合更有技術(shù)優(yōu)越性。因此，本文提出對(duì)無(wú)級(jí)變速壓實(shí)機(jī)械電子液壓關(guān)鍵系統(tǒng)研究的必要性。壓實(shí)機(jī)械在驅(qū)動(dòng)起步時(shí)，啟動(dòng)扭矩需求大，帶強(qiáng)振壓實(shí)過(guò)程又比靜壓過(guò)程形成的驅(qū)動(dòng)性能需求復(fù)雜。正常驅(qū)動(dòng)時(shí)，整機(jī)變速過(guò)程需求底盤主牽引對(duì)工作的牽引減少?zèng)_擊，停車時(shí)需求減速平穩(wěn)，降低慣性沖擊效果。

1 壓實(shí)機(jī)械行駛驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)原則研究

壓實(shí)機(jī)械的底盤驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮因素包括附著力、橋荷重量分配以及傳動(dòng)能量元件匹配分析［3］。

在附著力方面，一般壓實(shí)機(jī)械有2種構(gòu)造3種驅(qū)動(dòng)特性，即前后輪鋼輪驅(qū)動(dòng)，前鋼輪、后輪胎驅(qū)動(dòng)以及前鋼輪從動(dòng)、后輪胎驅(qū)動(dòng)。對(duì)于前后輪鋼輪驅(qū)動(dòng)壓實(shí)機(jī)械，光輪附著系數(shù)通?？紤]0.35～0.4，對(duì)于前鋼輪后輪胎的單鋼輪壓實(shí)機(jī)械，輪胎的附著系數(shù)取0.65～0.68。

橋荷分配情況方面，以達(dá)到打滑的極限設(shè)計(jì)為最佳匹配設(shè)計(jì)。對(duì)于雙鋼輪驅(qū)動(dòng)的壓實(shí)機(jī)械，由于前后附著力相同，可考慮前后橋荷相同為最優(yōu)匹配。但對(duì)于后輪輪胎驅(qū)動(dòng)的單鋼輪來(lái)說(shuō)，當(dāng)前后驅(qū)動(dòng)時(shí)，前后橋荷＞1發(fā)揮前后驅(qū)動(dòng)最優(yōu)性能；當(dāng)前鋼輪無(wú)驅(qū)動(dòng)僅為從動(dòng)時(shí)，前后橋荷1∶1較為合適。

關(guān)于電子液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的原件選擇方面，考慮壓實(shí)機(jī)械的行駛驅(qū)動(dòng)主要圍繞轉(zhuǎn)速目標(biāo)控制、扭矩及功率傳遞的匹配控制來(lái)實(shí)現(xiàn)本文研究的智能驅(qū)動(dòng)目的。目前，國(guó)際品牌的壓實(shí)設(shè)備行駛系統(tǒng)已大多采用液壓驅(qū)動(dòng)方式，所以本文研究?jī)H針對(duì)可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速的靜液驅(qū)動(dòng)為基礎(chǔ)的電子液壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析表明，以流體傳動(dòng)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)在實(shí)際工作不同元件下存在容積效率因素［4］，且不同元件組成也存在效率不一因素，行駛過(guò)程尤其是起步加速過(guò)程，整機(jī)質(zhì)量較大，行駛起步過(guò)程慣性沖擊力較大。如果需保證較高的施工質(zhì)量及較好的壓實(shí)穩(wěn)定性要求，就必須對(duì)整機(jī)行駛系統(tǒng)提出較高的要求，比如較好的加速或減速性能等。采取電子液壓控制技術(shù)的系統(tǒng)需考慮元件匹配因素，比如對(duì)開(kāi)式驅(qū)動(dòng)調(diào)試系統(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng)，就應(yīng)考慮元件的壓-流匹配特性（見(jiàn)圖1）。

圖1 元件的壓-流匹配特性

對(duì)于閉式驅(qū)動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)考慮元件的效率特點(diǎn)（見(jiàn)圖2）。這些元件選擇原則確定后，對(duì)液壓馬達(dá)以及減速機(jī)的選擇都圍繞實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)參數(shù)輸出最優(yōu)性能來(lái)確定。

圖2 閉式驅(qū)動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)考慮元件的效率特點(diǎn)

2 不同工況模式智能驅(qū)動(dòng)電子與液壓關(guān)系研究

壓實(shí)機(jī)械的驅(qū)動(dòng)能力必須具備可靠的機(jī)動(dòng)性能，實(shí)現(xiàn)直行模式前進(jìn)后退、爬坡驅(qū)動(dòng)模式以及轉(zhuǎn)向過(guò)程驅(qū)動(dòng)，為鋼輪的振動(dòng)壓實(shí)創(chuàng)造穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)性能條件。驅(qū)動(dòng)過(guò)程的驅(qū)動(dòng)性能一般用牽引力來(lái)表示

其中，F(xiàn)為驅(qū)動(dòng)牽引力；Ff為驅(qū)動(dòng)滾動(dòng)阻力；Fw為行走機(jī)構(gòu)的空氣阻力；Fi為行走機(jī)構(gòu)的坡道阻力。

用牽引力和地面支撐力的比值來(lái)鑒別計(jì)算驅(qū)動(dòng)能力，當(dāng)驅(qū)動(dòng)過(guò)程不考慮前進(jìn)滾動(dòng)克服的滾動(dòng)阻力和空氣阻力時(shí)

其中，GZ為滾輪自重對(duì)地面產(chǎn)生的支承力；f為滾動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)地面的附著系數(shù)。

上面介紹分析中，壓實(shí)機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與地面摩擦接觸的主要是鋼輪或輪胎。當(dāng)鋼輪在滾動(dòng)前進(jìn)過(guò)程中，鋼輪產(chǎn)生的牽引力和地面對(duì)鋼輪的支承力為一組合作用力，通常用tga表示。實(shí)際這一比值可反映驅(qū)動(dòng)底盤的爬坡能力，即達(dá)到打滑狀態(tài)的牽引能力評(píng)價(jià)指標(biāo)。

不同的壓實(shí)機(jī)械如雙滾輪及滾輪與輪胎組合驅(qū)動(dòng)，發(fā)揮的牽引能力不同。對(duì)于雙鋼輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，2個(gè)鋼輪的系統(tǒng)組成牽引比為

其中，tga也稱坡道度；F為單個(gè)鋼輪支撐力；f為地面摩擦系數(shù)；G1為前鋼輪重量；G2為后鋼輪重量。當(dāng)橋荷比為1，則G1=G2。

對(duì)于單鋼輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，前后牽引比與前后輪的附著力不同有關(guān)，即

下文重點(diǎn)以光輪與輪胎組合驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)分析。

3 電子液壓驅(qū)動(dòng)的智能控制分析

對(duì)于前鋼輪、后膠輪的驅(qū)動(dòng)底盤來(lái)說(shuō)，當(dāng)鋼輪重量一旦設(shè)計(jì)選定，針對(duì)鋼輪液壓驅(qū)動(dòng)馬達(dá)輸出扭矩控制是智能控制策略的首要任務(wù)。本文以大扭矩馬達(dá)和變量液壓驅(qū)動(dòng)的單鋼輪電子液壓系統(tǒng)為例（見(jiàn)圖3）。

圖3 大扭矩馬達(dá)和變量液壓驅(qū)動(dòng)的單鋼輪電子液壓系統(tǒng)

3.1 直行模式研究

直行模式研究主要圍繞理論爬坡度分析計(jì)算、驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)馬達(dá)轉(zhuǎn)矩等能力匹配計(jì)算以及電子控制和馬達(dá)轉(zhuǎn)矩控制之間的關(guān)系研究。

在理論平地上分析時(shí)，忽略滾動(dòng)阻力及空氣阻力，一般理論爬坡能力可通過(guò)上述計(jì)算。

在理論平整地上馬達(dá)輸出最大扭矩時(shí)，不能超過(guò)單個(gè)鋼輪的滾動(dòng)轉(zhuǎn)矩需求，以免失去摩擦阻力打滑。采取電子閉環(huán)控制方式，并通過(guò)液晶顯示屏顯示狀態(tài)參數(shù)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)視，實(shí)施智能監(jiān)視反饋方式。

當(dāng)馬達(dá)為全變量馬達(dá)的電子液壓轉(zhuǎn)矩控制與調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)壓實(shí)機(jī)械的行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，進(jìn)行電子脈寬信號(hào)與轉(zhuǎn)矩輸出關(guān)系研究。

前鋼輪轉(zhuǎn)矩輸出

后2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)矩

其中，F(xiàn)M1、FM2、FM3為前鋼輪、后輪轉(zhuǎn)矩；ΔP1、ΔP2、ΔP3為馬達(dá)驅(qū)動(dòng)壓差；q1、q2、q2為馬達(dá)排量；η1、η2、η3為馬達(dá)效率。

在直線過(guò)程，對(duì)于馬達(dá)在前進(jìn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)調(diào)速及防滑失速調(diào)整，通過(guò)每個(gè)馬達(dá)配置速度檢測(cè)傳感器為電子控制單元提供信號(hào)檢測(cè)，電子控制單元輸出脈寬數(shù)字IPWM實(shí)時(shí)調(diào)整馬達(dá)排量實(shí)現(xiàn)3個(gè)馬達(dá)轉(zhuǎn)矩控，IPWM與q為正比關(guān)系，所以與輸出扭矩是正比關(guān)系。當(dāng)速度反饋輸入在控制系統(tǒng)設(shè)定的界限時(shí)，可通過(guò)IPWM的正比關(guān)系調(diào)整馬達(dá)排量實(shí)現(xiàn)馬達(dá)滑轉(zhuǎn)控制。

在直線轉(zhuǎn)向過(guò)程，針對(duì)馬達(dá)轉(zhuǎn)矩控制形式最終的速度調(diào)節(jié)，也可實(shí)現(xiàn)對(duì)整機(jī)的差速轉(zhuǎn)向，對(duì)后輪建立差速轉(zhuǎn)向的模型（見(jiàn)圖4）。

圖4 后輪差速轉(zhuǎn)向的模型

通過(guò)研究轉(zhuǎn)向時(shí)的邏輯關(guān)系特性，可確立

其中，K為速度差系數(shù)；V1為左輪速度；V2為右輪速度；V0為直行速度；R為轉(zhuǎn)彎半徑。

因此，在壓實(shí)機(jī)械正常行走轉(zhuǎn)向過(guò)程，通過(guò)操作調(diào)速轉(zhuǎn)向輸入信號(hào)設(shè)定轉(zhuǎn)向參數(shù)K進(jìn)行控制參數(shù)調(diào)節(jié)。司機(jī)輸入轉(zhuǎn)向角度-控制系數(shù)K值-左右馬達(dá)速差-轉(zhuǎn)向角度之間建立了智能運(yùn)行關(guān)系，達(dá)到控制目的。

3.2 爬坡模式的研究

在爬坡模式工況下，除需建立電子控制和馬達(dá)轉(zhuǎn)矩控制關(guān)系外，考核牽引特性的爬坡度參數(shù)也與平地理論爬坡度略有不同。

一般情況下，壓實(shí)機(jī)械在爬坡過(guò)程的實(shí)際坡能力tga會(huì)隨著爬坡過(guò)程整機(jī)質(zhì)心產(chǎn)生的作用力在垂直方向發(fā)生變化，從而使前后輪在馬達(dá)驅(qū)動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生的轉(zhuǎn)驅(qū)需求與平整地面上不同（見(jiàn)圖5）。

圖5 壓實(shí)機(jī)械爬坡模式工況

前鋼輪馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩為FM1=ΔP1×q1×η。

假如爬坡過(guò)程后輪胎左右輪速度相同條件下爬坡，則在坡道方向上整機(jī)中心作用力和2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)力建立平衡方程

通過(guò)分析上述電子控制系統(tǒng)輸出脈寬信號(hào)值IPWM與馬達(dá)排量q為正比關(guān)系，當(dāng)實(shí)際爬坡度越大時(shí)，在不出現(xiàn)鋼輪滑轉(zhuǎn)的情況下，需求電子控制輸出的IPWM越大；但當(dāng)超過(guò)滑轉(zhuǎn)臨界條件時(shí)，需由馬達(dá)速度反饋信號(hào)判斷滑轉(zhuǎn)臨界條件來(lái)智能調(diào)整排量變化，這樣既能實(shí)現(xiàn)坡道最佳轉(zhuǎn)矩輸出，又能保證不出現(xiàn)滑轉(zhuǎn)條件［5］。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)研究表明，基于壓實(shí)機(jī)械行走驅(qū)動(dòng)的電子液壓智能控制系統(tǒng)中：

（1）引入閉環(huán)方式的起步加速控制技術(shù)，運(yùn)用數(shù)字控制系統(tǒng)可減少加速過(guò)程的擾動(dòng)與偏差，提高了壓實(shí)設(shè)備穩(wěn)定性能，使機(jī)器的加速與減速特性能適應(yīng)大負(fù)荷或者低負(fù)荷的環(huán)境。

（2）試驗(yàn)研究表明，智能策略的實(shí)施使機(jī)器轉(zhuǎn)向時(shí)通過(guò)智能數(shù)字式控制方式，可根據(jù)實(shí)際匹配情況設(shè)備系統(tǒng)輸出脈沖信號(hào)，通過(guò)以當(dāng)前直線速度為基本參考基準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)較好的轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)性能，左右速度可平緩實(shí)現(xiàn)遞增或遞減，減少了速度波動(dòng)。

（3）本文研究的大扭矩馬達(dá)和變量液壓驅(qū)動(dòng)的單鋼輪電子液壓系統(tǒng)，建立三傳感信號(hào)進(jìn)入控制系統(tǒng)的方式為系統(tǒng)運(yùn)行提供了數(shù)字信號(hào)及液壓參數(shù)控制創(chuàng)造了智能監(jiān)控實(shí)現(xiàn)條件，最終為前鋼輪工作裝置提供了穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)條件，為鋼輪均勻性壓實(shí)路面減少了對(duì)路面的沖擊，也提高了壓實(shí)的一致性。