平地机作业平整度的控制

平地机作业平整度的控制

1传动路线介绍本文讨论的全液压平地机是具有动态变量泵的闭臂能源输出的开放式气泵。采用统一分配器防止单调滑动，采用泵和扶贫板的驱动结构。如图1所示,主液压泵输出的高压油通过液压胶管连接到液压马达的工作油口,通过压力、流量的变化改变整车的车速和牵引力。传动路线为:电喷发动机→主液压泵→液压马达(双马达)→减速平衡箱→驱动车轮。发动机与主液压泵通过花键连接轴相连,液压马达通过花键与减速平衡箱连接,马达到车轮为定传动比。主控制器、电喷发动机ECU(电子控制单元)、显示器、速度传感器、压力传感器、电磁阀等组成控制系统。主控制器、电喷发动机ECU、显示器之间采用CAN总线进行数据通信,可实现系统数据通信的实时性、稳定性、可靠性。主控制器采集马达转速信号,发动机(泵)转速信号、系统压力传感器的数据,通过控制泵前进电磁阀Y11(或泵后退电磁阀Y12)、马达电磁阀Y3的电流,改变泵、马达的排量,控制整车的速度和输出牵引力。主控制器通过CAN总线与电喷发动机ECU进行数据通信,控制发动机的转速和输出功率。2控制变量在系统中的函数关系2.1平衡箱的传动比式中:V———整车行驶速度,km/h;nm———马达输出轴转速,r/min;i———减速平衡箱的传动比;Rd———驱动轮动力半径,m;np———泵的转速,r/min;qp———泵的排量,mL/r;qm———单个马达排量,mL/r;ηv———容积效率。车速只与泵(发动机)的转速成正比,与泵和马达的排量比β成正比。理论上可通过改变np和β达到任意车速。2.2系统压力及补油压力计算式中:F———车轮输出牵引力,N;T——马达输出转矩,N·m;Δp———系统压力与补油压力之差,Pa;ηmh———马达到车轮的机械效率。假设地面能提供足够的摩擦系数,马达的输出牵引力与马达排量、液压系统压力成正比,则最大牵引力受系统最高许可压力限制。2.3发动机电控能力式中:P———车轮输出功率,W;车轮的输出功率P只与系统压力、泵排量、泵转速有关,通过控制策略可以充分发挥发动机的功率,提高作业效率。2.4平地机恒速控制某全液压平地机选用变量柱塞泵和变量柱塞马达组成的闭式回路行走驱动系统和电喷发动机。通过调节泵的斜盘角度、马达排量的大小和发动机动态转速来控制平地机的速度大小。其主要参数如下:发动机额定功率Ne=145kW,额定转速ne=2300r/min,液压泵和液压马达的最大排量分别为qpmax=125mL/r和qmmax=160mL/r。综合减速平衡箱的传动比、驱动轮动力半径,发动机额定转速下,泵和马达都为最大排量时,车速6.3km/h,设为常量V0。n0为发动机的最佳降速工作点,此时的功率不小于总功率的95%,输出转矩不小于最大转矩的95%。由公式(2)可知,动态改变泵或马达的排量均可达到恒速;对液压系统效率而言,在泵调到最大排量,开始下调马达排量的拐点附近,即泵和马达同时处在最大排量的工作点就是液压系统的最大效率点。当负载较小时,可考虑降低发动机转速,提供适应负载的功率,同时燃油经济性得到提升,满足作业需求。根据工况的不同和施工方的作业习惯兼顾作业效率,提供的控制系统可设置3~10km/h的作业速度。恒速控制流程如图2所示。当设置车速等于V0时,在发动机额定转速下,泵和马达都为最大排量;当设置车速大于V0时,必须使泵排量和发动机转速最大,其次改变马达排量实现车速为V,并采用PID算法调节马达,实现车速快速动态响应;当设置车速小于V0时,首先使马达处于最大排量状态,选择事先设计好的高效率泵、马达的排量比,根据公式计算设定速度V所需要的发动机转速,若计算的发动机转速大于n0,则确定泵的排量,并采用PID算法调节发动机转速,实现车速快速动态响应;若计算的发动机转速小于n0,则重新选择泵、马达的排量比,重复上述流程。由公式(4)得:N(n)-P=N(n)-Knppmaxqp=ε式中:pmax———当前发动机转速、泵排量条件下最大许可负载压力,Pa;N(n)———发动机转速为n时的发动机功率,W;ε———N(n)-P的最小许可值,即过载保护的安全值,W;在完成平地机恒速控制的同时,结合平地机工作负载变化频繁等工况,增加过载保护功能。控制思想:液压系统所产生的功率始终小于当前转速下发动机的输出功率;当N(n)-P小于过载保护的安全值时,过载保护程序执行。为兼顾液压系统的寿命及最高容积效率,尽量使泵-马达系统在中高压区工作。过载保护流程如图3所示,当设定车速大于V0,且系统压力大于pmax时,增大马达排量,同时给出警告:负载过大,与设置车速不匹配;当设定车速小于V0,且系统压力大于pmax时,此时马达排量最大,使输出牵引力处于最大状态,增加泵的排量,同时相应的发动机转速降低,满足恒速度要求;发动机转速降低,N(n)减小,根据公式(5),系统压力应有所下降;若降低后的发动机转速大于n0,则重复上述流程,可进一步减小系统压力;若降低后的发动机转速小于n0,流程结束,保证应有的系统功率。恒定车速设置界面如图4(a)所示,调试页面如图4(b)所示。2.5行驶距离记录在稍微平整过的土地上,丈量200m的作业空间,使平地机沿指定方向作业,速度稳定后,开始秒表计时,记录行驶距离,同时查看显示器上的行驶速度,记录结果如表1所示。试验结果显示,作业速度基本达到恒速,与设定值相同。3平地机负载及工况压力控制(1)本文针对平地机施工工况,提供一种全液压平地机的恒速控制策略,经试验验证,平地机作业平稳,输出稳定,达到恒速施工要求。该控制方法充分利用液压系统的压力以提供足够的输出功率与负载相匹配。当外部负载发生变化时,优先提供充足的牵引力,同时保持机器的作业速度。(2)通过各类传感器信息采集及通信手段对车轮工况监控,实现精确的速度控制;同时分析马达排量与平地机作业速度的关系,匹配发动机的转速及泵、马达排量实现机器恒速运行的设计;提出泵、