單鋼輪壓路機防滑轉(zhuǎn)的試驗研究

王世旺，肖斌有，肖 春

（三一重工股份有限公司，湖南 長沙 410100）

0 引 言

汽車在起步、加速或者在濕滑路面上行駛時，車輪容易打滑，這是因為當(dāng)汽車發(fā)動機傳遞給車輪的最大驅(qū)動力超過輪胎與地面的附著力（輪胎和路面之間的附著系數(shù)與輪胎壓在地面上的法向作用力的乘積，即附著力）時，車輪就會發(fā)生打滑空轉(zhuǎn)，即滑轉(zhuǎn)。為了應(yīng)對汽車的驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)，ASR系統(tǒng)應(yīng)運而生。ASR在不同國家以不同的方式出現(xiàn)，但其核心思想是：在車輪開始滑轉(zhuǎn)時，通過降低發(fā)動機的輸出扭矩和控制制動系統(tǒng)的制動力，來減小傳遞給驅(qū)動車輪的驅(qū)動力，防止驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)，提高車輪的通過性，改善汽車的方向操控性和行駛的穩(wěn)定性［1-2］。

國內(nèi)的全液壓單鋼輪壓路機定位大多集中在中低端，出于經(jīng)濟和成本上的考慮，一般都采用機械手推式變量泵和前后輪兩點驅(qū)動馬達。通過前后輪驅(qū)動馬達的最大排量和最小排量的排列組合，理論上可以獲得4個不同的擋位速度，但實際上，其中有2個擋位的速度變化基本一致，可以認為是一個擋位。所以采用這種配置的單鋼輪壓路機一般只有3個擋位，且在行駛過程中，馬達的排量只能在最大值和最小值之間變化，使其在打滑時，根本無法對滑轉(zhuǎn)輪進行有效調(diào)節(jié)，脫困能力及爬坡能力受到限制，在工況復(fù)雜的地面上表現(xiàn)一般。

為了提升這類單鋼輪壓路機的防滑轉(zhuǎn)性能，液壓部分將鋼輪和后輪上的兩個驅(qū)動馬達更換成電比例柱塞馬達；電氣部分增加一個鋼輪轉(zhuǎn)速傳感器和一個車身傾角傳感器，以滿足防滑轉(zhuǎn)試驗的控制需求。

1 防滑轉(zhuǎn)控制原理與策略

沒有防滑控制的單鋼輪壓路機，其最大的爬坡能力受限于車輪或鋼輪的最小牽引力（附著力）［3-4］。車輪和鋼輪類似，都通過液壓馬達驅(qū)動，當(dāng)?shù)孛娴母街苄?，而鋼輪?qū)動馬達的排量很大時，鋼輪就會產(chǎn)生滑轉(zhuǎn)。在目前的狀況下，雖然駕駛員可以通過調(diào)節(jié)換擋開關(guān)減小排量來改變扭矩，但是驅(qū)動馬達在最大、最小排量之間沒有中間狀態(tài)，所以不能達到最佳爬坡能力。

增加防滑轉(zhuǎn)控制后，總的思想是：當(dāng)發(fā)生滑轉(zhuǎn)時，自動調(diào)節(jié)馬達的排量，使排量在最小值與最大值之間變化，實現(xiàn)自動防滑轉(zhuǎn)控制，達到最佳爬坡能力。采用工況智能識別和模糊控制技術(shù)實現(xiàn)單鋼輪防滑轉(zhuǎn)控制。在不同擋位和不同坡度下，采用不同的防滑轉(zhuǎn)控制策略，使單鋼輪壓路機的防滑性能達到最佳。根據(jù)以上總的思路得到各擋的防滑策略。

1.1 第一擋防滑控制策略

調(diào)節(jié)擋位，使單鋼輪壓路機的兩個驅(qū)動比例馬達均為最大排量，如果其中一個馬達所驅(qū)動部分開始打滑（例如鋼輪向前爬坡），壓路機控制器通過防滑控制程序，結(jié)合前后輪速度傳感器的反饋情況，給鋼輪的驅(qū)動馬達一個參考速度，通過PID對馬達排量進行相應(yīng)控制，使實際速度與參考速度一致，達到最大的附著力狀態(tài)，消除打滑現(xiàn)象。在平地狀態(tài)、爬坡狀態(tài)等情況下，若發(fā)生打滑，防打滑程序均工作［5］。

1.2 第二擋防滑控制策略

借助傾角傳感器等設(shè)備，識別路面情況。當(dāng)壓路機向前行駛在平坦路面時，鋼輪驅(qū)動馬達排量為Qmin，車輪驅(qū)動馬達排量為Qmax；當(dāng)向前行駛在下坡路面（坡度大于10%）時，鋼輪驅(qū)動馬達排量為Qmax，車輪驅(qū)動馬達排量為Qmin。這些調(diào)節(jié)不但適用于其后再次行駛于平坦路面，也適用于反方向行駛（Qmax為馬達最大排量，Qmin為最小排量）。

不管行駛馬達最初排量狀態(tài)如何，一旦行駛在上坡或下坡路面上，并且壓路機開始打滑時，則處于最上面的輪子的馬達排量被調(diào)整為Qmax。（前進上坡時，最上面的輪子為鋼輪；前進下坡時，最上面的輪子則為后輪，后退則情況相反）。

1.3 第三擋防滑控制策略

在三擋時，鋼輪和車輪兩個行駛馬達排量都為Qmin，防打滑功能不起作用，但是，當(dāng)壓路機鋼輪在前向前行駛停止時，在前的鋼輪馬達排量變?yōu)镼max；當(dāng)壓路機車輪在前向后行駛停止時，在前的車輪馬達排量變?yōu)镼max。

2 壓路機無防滑轉(zhuǎn)功能最大爬坡能力計算

假設(shè)壓路機的最大爬坡角度為α，則在角度為α的坡道上勻速、正向、向上行駛時（圖1），必須滿足以下條件：總驅(qū)動力Fd始終大于或等于總阻力F，前、后輪驅(qū)動力小于各自對應(yīng)的附著力。

前、后輪所受的阻力為：前滾動阻力Fff、后滾動阻力Ffa、前坡道阻力Fif、后坡道阻力Fia，同時受到前驅(qū)動力Fdf、前附著力FΨf、后驅(qū)動力Fda及后附著力FΨa。

圖1 壓路機爬坡

由上述條件可知：Fd＝F，即

壓路機以一擋速度6.3km·h-1在最大坡度角為α的坡面上勻速正向向上行駛時，前、后輪的轉(zhuǎn)速為

式中：V0為前、后輪線速度，V0＝6.3km·h-1；Nf為前輪轉(zhuǎn)速；Na為后輪轉(zhuǎn)速。

則由前、后輪的轉(zhuǎn)速可以得到前、后驅(qū)動馬達的轉(zhuǎn)速分別為

式中：if和ia分別為前、后輪的減速比。

則前、后驅(qū)動馬達所需的最大流量為（前、后馬達的排量分別為60、80mL·r-1）

則泵需提供的最小流量為（馬達的容積效率取0.95）

取ΔP＝28MPa，考慮發(fā)動機因風(fēng)扇等功率消耗，取有效功率為90kW；ηm為系統(tǒng)機械效率；ηv為系統(tǒng)液壓效率，都換算成統(tǒng)一國際單位進行運算。

油泵理論最大流量

由于Qp0＞Qp，滿足使用要求。

則前、后驅(qū)動力

式中：Mdf、Mda分別為前、后驅(qū)動馬達輸出扭轉(zhuǎn)矩；Vmf、Vma分別為前、后驅(qū)動馬達排量。

不計坡道滾動阻力，則可以得到

式中：G1為整機質(zhì)量；sinα＝0.308 9，則α＝18°（坡度為30.89%）。

由以上實際計算可以得到，單鋼輪壓路機在無防滑轉(zhuǎn)功能時的最大爬坡坡度為30.89%。

3 機器一擋爬坡試驗測試和分析計算

為了對防滑轉(zhuǎn)控制程序的表現(xiàn)進行徹底的研究，選擇40%的水泥坡道，以一擋進行試驗對比測試，并用測試儀器記錄整個爬坡過程中的鋼輪速度、后輪速度、前后輪速度差、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、行駛泵A口壓力及行駛泵B口壓力等目標(biāo)參數(shù)［6］，以此來分析防滑過程的具體情況。

壓路機的相關(guān)配置參數(shù)如下：前、后輪半徑均為750mm；整機質(zhì)量為12 300kg，前輪分配質(zhì)量為7 000kg，后輪分配質(zhì)量為5 300kg；柴油機功率為93kW，柴油機轉(zhuǎn)速為2 200r·min-1；行走泵排量為75mL·r-1，最高壓力為41.5MPa；后驅(qū)動馬達排量為80mL·r-1，最高壓力為41.5MPa；前驅(qū)動馬達排量為60mL·r-1，最高壓力為41.5MPa；前減速機傳動比為55.3；驅(qū)動橋總傳動比為43.7。

3.1 坡道阻力及附著力計算和分析

無論有無防滑轉(zhuǎn)功能，壓路機在兩種情況下的坡道阻力和附著力都是一致的（由于防滑程序的調(diào)節(jié)，驅(qū)動力有很大不同），壓路機在40%坡道（角度為21.81°）上勻速、正向、向上行駛中，前、后輪所受的阻力等性能參數(shù)如下。

前輪坡道阻力

式中：Gf為前輪分配質(zhì)量，Gf＝70kN；α＝21.81°。

后輪坡道阻力

式中：Ga為后輪分配質(zhì)量，Ga＝53kN；α＝21.81°。

前輪附著力

式中：Ψf為鋼輪附著系數(shù)，Ψf＝0.34；α＝21.81°。

后輪附著力

式中：Ψa為后輪附著系數(shù)，Ψa＝0.85；α＝21.81°。

前輪滾動阻力

式中：ff為鋼輪滾動阻力系數(shù)，ff＝0.02；α＝21.81°。

后輪滾動阻力

式中：fa為后輪滾動阻力系數(shù)，fa＝0.026；α＝21.81°。

前輪總阻力

假設(shè)前輪在40%混凝土坡道上勻速行駛，則最低啟動壓力

式中：Vmf為前驅(qū)動馬達排量（60mL·r-1）；ΔP 為啟動壓力；ηm為效率，ηm＝0.95；Rdf為動力半徑，Rdf＝0.75m；i為傳動比，i＝55.3。

后輪總阻力

假設(shè)后輪在40%混凝土坡道上勻速行駛，則最低啟動壓力為

式中：Vma為前驅(qū)動馬達排量（80mL·r-1）；ΔP 為啟動壓力；ηm為效率，ηm＝0.95；Rda為動力半徑，Rda＝0.75m；i為傳動比，i＝43.7。

3.2 無防滑轉(zhuǎn)功能的驅(qū)動力計算

根據(jù)試驗測試得到各壓力數(shù)據(jù)等參數(shù)，計算壓路機無防滑轉(zhuǎn)功能條件下前、后輪驅(qū)動力等情況，測試曲線見圖2。

圖2 一擋爬坡測試曲線（無防滑轉(zhuǎn)功能）

（1）前驅(qū)動力Fdf由前驅(qū)動馬達提供，則9.5s時，F(xiàn)df＝20.18kN。

（2）后驅(qū)動力Fda由后驅(qū)動馬達提供，則9.5s時，F(xiàn)da＝21.27kN。

（3）前驅(qū)動力Fdf由前驅(qū)動馬達提供，則10.5s時，F(xiàn)df＝25.29kN。

（4）后驅(qū)動力Fda由后驅(qū)動馬達提供，則10.5s時，F(xiàn)da＝26.66kN。

（5）前驅(qū)動力Fdf由前驅(qū)動馬達提供，則11.5s時，F(xiàn)df＝19.27kN。

（6）后驅(qū)動力Fda由后驅(qū)動馬達提供，則11.5s時，F(xiàn)da＝0kN。

系統(tǒng)工作壓力為28.8MPa，小于后輪在40%混凝土坡道上勻速行駛時的最低啟動壓力（29.75 MPa），后驅(qū)動輪無動作。將一擋爬坡（無防滑轉(zhuǎn)功能）各性能參數(shù)匯總，如表1所示。

表1 前、后輪驅(qū)動力與附著力分析（無防滑轉(zhuǎn)功能）

在無防滑轉(zhuǎn)功能情況下，從表1的數(shù)據(jù)中可以看到，前輪驅(qū)動力大于附著力，前輪飛快空轉(zhuǎn)，液壓油都迅速流向前驅(qū)動馬達，消耗了大量功率，致使后輪的液壓馬達壓力下降，工作壓力低于啟動壓力，后驅(qū)動輪停止動作，驅(qū)動力為0，壓路機無法爬上40%的坡道（圖3），這和前面的理論計算結(jié)果一致。

3.2 有防滑轉(zhuǎn)功能的驅(qū)動力計算

根據(jù)試驗測試得到各壓力數(shù)據(jù)等參數(shù)，計算壓路機有防滑轉(zhuǎn)功能條件下前、后輪驅(qū)動力（方法與前述驅(qū)動力計算一樣）等情況。測試曲線見圖4，得到的驅(qū)動力等各項數(shù)據(jù)見表2。

圖3 一擋無法爬上坡（無防滑轉(zhuǎn)功能）

圖4 一擋爬坡測試曲線（有防滑轉(zhuǎn)功能）

表2 前、后輪驅(qū)動力與附著力分析（有防滑功能）

在有防滑轉(zhuǎn)功能的情況下，從表2的數(shù)據(jù)分析和總結(jié)可以看出，壓路機在爬坡過程中盡管出現(xiàn)了打滑現(xiàn)象，但隨著電氣防滑轉(zhuǎn)控制程序的介入，前輪滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象得到了遏制，前輪的驅(qū)動力始終保持在一定范圍，只要出現(xiàn)前輪驅(qū)動力大于附著力的情況，控制程序立刻對前馬達進行調(diào)節(jié)，使其發(fā)揮最大的驅(qū)動能力；而后輪的驅(qū)動力在程序的調(diào)節(jié)下，始終保持在30kN左右，沒有出現(xiàn)驅(qū)動力中斷的情況，壓路機能順利爬上40%的坡道（圖5）。這相比于沒有防滑轉(zhuǎn)控制程序的情況，爬坡能力提升了21.17%，極大地提升了壓路機在爬坡能力上的技術(shù)指標(biāo)。

圖5 一擋可以爬上坡（有防滑轉(zhuǎn)功能）

4 結(jié) 語

單鋼輪壓路機的防滑轉(zhuǎn)控制主要關(guān)注前輪（鋼輪）的防滑控制，因為鋼輪與地面的附著系數(shù)較小，容易出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，而后輪為橡膠輪胎，其與地面的接觸狀況良好，附著力遠遠大于前輪。但在本次試驗研究中，也將其納入防滑控制中。由于壓路機在作業(yè)的時候速度一般都很低，所以重點關(guān)注一擋的防滑控制研究，經(jīng)過試驗研究得到以下結(jié)論。

（1）鋼輪防滑采用程序監(jiān)控鋼輪轉(zhuǎn)速和馬達排量，實時對馬達排量進行調(diào)節(jié)，其防滑轉(zhuǎn)功能實現(xiàn)得比較好，打滑現(xiàn)象得到比較明顯的遏制。

（2）后輪在水泥坡道上的附著系數(shù)較大，且在坡道上行駛時，壓路機整機重心后移，壓在后輪上的質(zhì)量大大增加，其附著力也隨之增大，因此驅(qū)動力超過附著力的可能性較小，沒出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。

（3）由于缺少壓路機絕對速度的參照作用（壓路機的參考速度以前、后輪的速度為參照計算），以參照速度來替代絕對速度，讓計算有一定的誤差，導(dǎo)致控制程序不會在剛打滑時就對驅(qū)動馬達進行調(diào)節(jié)，往往在打滑現(xiàn)象非常明顯的時候才能介入。建議在以后的研究中增加一個GPS信號，以監(jiān)控壓路機的行駛速度，提升控制的準確性。

（4）目前的防滑控制研究主要針對一擋，二擋和三擋的防滑效果還有非常大的改善空間，對驅(qū)動馬達不能做到精確的調(diào)節(jié)，由于只在最大和最小排量兩個擋位變化，沒有做到比例調(diào)節(jié)，主要原因是不能把握外部工況的準確性，例如道路情況、行進速度等信息欠缺，加上行駛速度較快，要求調(diào)節(jié)和反饋更加迅速。