馮宗軍

（廣西柳工機械股份有限公司，江蘇 江陰 545001）

國際通用的道路建設(shè)壓實設(shè)備如單鋼輪壓路機、雙鋼輪壓路機、輪胎式壓路機等從傳統(tǒng)的有級變速（具有換擋變速傳動）到無級變速傳動發(fā)展，不僅實現(xiàn)了動力銜接連貫發(fā)展，提高了設(shè)備的舒適性，更大大提高了移動壓實機械的路感平穩(wěn)性，也為當今連續(xù)性智能壓實研究提供了底盤技術(shù)基礎(chǔ)［1］。

實現(xiàn)無級變速傳動的移動車輛傳動技術(shù)機理可采用靜液傳動通過改變輪邊的輸入扭矩及轉(zhuǎn)速實現(xiàn)，也可通過其他機械傳動技術(shù)，如CVT技術(shù)或HVT傳動技術(shù)［2］，但對于圍繞以壓實速度控制為驅(qū)動目標的壓實機械來說，靜液傳動相比CVT或HVT傳動驅(qū)動的經(jīng)濟性及聯(lián)合壓實裝置匹配驅(qū)動結(jié)合更有技術(shù)優(yōu)越性。因此，本文提出對無級變速壓實機械電子液壓關(guān)鍵系統(tǒng)研究的必要性。壓實機械在驅(qū)動起步時，啟動扭矩需求大，帶強振壓實過程又比靜壓過程形成的驅(qū)動性能需求復(fù)雜。正常驅(qū)動時，整機變速過程需求底盤主牽引對工作的牽引減少沖擊，停車時需求減速平穩(wěn)，降低慣性沖擊效果。

1 壓實機械行駛驅(qū)動設(shè)計原則研究

壓實機械的底盤驅(qū)動設(shè)計應(yīng)考慮因素包括附著力、橋荷重量分配以及傳動能量元件匹配分析［3］。

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

橋荷分配情況方面，以達到打滑的極限設(shè)計為最佳匹配設(shè)計。對于雙鋼輪驅(qū)動的壓實機械，由于前后附著力相同，可考慮前后橋荷相同為最優(yōu)匹配。但對于后輪輪胎驅(qū)動的單鋼輪來說，當前后驅(qū)動時，前后橋荷＞1發(fā)揮前后驅(qū)動最優(yōu)性能；當前鋼輪無驅(qū)動僅為從動時，前后橋荷1∶1較為合適。

關(guān)于電子液壓驅(qū)動系統(tǒng)的原件選擇方面，考慮壓實機械的行駛驅(qū)動主要圍繞轉(zhuǎn)速目標控制、扭矩及功率傳遞的匹配控制來實現(xiàn)本文研究的智能驅(qū)動目的。目前，國際品牌的壓實設(shè)備行駛系統(tǒng)已大多采用液壓驅(qū)動方式，所以本文研究僅針對可實現(xiàn)無級變速的靜液驅(qū)動為基礎(chǔ)的電子液壓驅(qū)動技術(shù)。通過實驗分析表明，以流體傳動為基礎(chǔ)的系統(tǒng)在實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，行駛過程尤其是起步加速過程，整機質(zhì)量較大，行駛起步過程慣性沖擊力較大。如果需保證較高的施工質(zhì)量及較好的壓實穩(wěn)定性要求，就必須對整機行駛系統(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，比如對開式驅(qū)動調(diào)試系統(tǒng)傳動系統(tǒng)，就應(yīng)考慮元件的壓-流匹配特性（見圖1）。

圖1 元件的壓-流匹配特性

對于閉式驅(qū)動調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)考慮元件的效率特點（見圖2）。這些元件選擇原則確定后，對液壓馬達以及減速機的選擇都圍繞實現(xiàn)驅(qū)動參數(shù)輸出最優(yōu)性能來確定。

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

2 不同工況模式智能驅(qū)動電子與液壓關(guān)系研究

壓實機械的驅(qū)動能力必須具備可靠的機動性能，實現(xiàn)直行模式前進后退、爬坡驅(qū)動模式以及轉(zhuǎn)向過程驅(qū)動，為鋼輪的振動壓實創(chuàng)造穩(wěn)定驅(qū)動性能條件。驅(qū)動過程的驅(qū)動性能一般用牽引力來表示

其中，F(xiàn)為驅(qū)動牽引力；Ff為驅(qū)動滾動阻力；Fw為行走機構(gòu)的空氣阻力；Fi為行走機構(gòu)的坡道阻力。

用牽引力和地面支撐力的比值來鑒別計算驅(qū)動能力，當驅(qū)動過程不考慮前進滾動克服的滾動阻力和空氣阻力時

其中，GZ為滾輪自重對地面產(chǎn)生的支承力；f為滾動機構(gòu)對地面的附著系數(shù)。

上面介紹分析中，壓實機械驅(qū)動機構(gòu)與地面摩擦接觸的主要是鋼輪或輪胎。當鋼輪在滾動前進過程中，鋼輪產(chǎn)生的牽引力和地面對鋼輪的支承力為一組合作用力，通常用tga表示。實際這一比值可反映驅(qū)動底盤的爬坡能力，即達到打滑狀態(tài)的牽引能力評價指標。

不同的壓實機械如雙滾輪及滾輪與輪胎組合驅(qū)動，發(fā)揮的牽引能力不同。對于雙鋼輪驅(qū)動系統(tǒng)來說，2個鋼輪的系統(tǒng)組成牽引比為

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

對于單鋼輪驅(qū)動系統(tǒng)來說，前后牽引比與前后輪的附著力不同有關(guān)，即

下文重點以光輪與輪胎組合驅(qū)動設(shè)計分析。

3 電子液壓驅(qū)動的智能控制分析

對于前鋼輪、后膠輪的驅(qū)動底盤來說，當鋼輪重量一旦設(shè)計選定，針對鋼輪液壓驅(qū)動馬達輸出扭矩控制是智能控制策略的首要任務(wù)。本文以大扭矩馬達和變量液壓驅(qū)動的單鋼輪電子液壓系統(tǒng)為例（見圖3）。

圖3 大扭矩馬達和變量液壓驅(qū)動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算、驅(qū)動液壓系統(tǒng)馬達轉(zhuǎn)矩等能力匹配計算以及電子控制和馬達轉(zhuǎn)矩控制之間的關(guān)系研究。

在理論平地上分析時，忽略滾動阻力及空氣阻力，一般理論爬坡能力可通過上述計算。

在理論平整地上馬達輸出最大扭矩時，不能超過單個鋼輪的滾動轉(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，并通過液晶顯示屏顯示狀態(tài)參數(shù)實現(xiàn)驅(qū)動狀態(tài)監(jiān)視，實施智能監(jiān)視反饋方式。

當馬達為全變量馬達的電子液壓轉(zhuǎn)矩控制與調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)壓實機械的行走驅(qū)動系統(tǒng)時，進行電子脈寬信號與轉(zhuǎn)矩輸出關(guān)系研究。

前鋼輪轉(zhuǎn)矩輸出

后2個驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)矩

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

在直線過程，對于馬達在前進過程實現(xiàn)調(diào)速及防滑失速調(diào)整，通過每個馬達配置速度檢測傳感器為電子控制單元提供信號檢測，電子控制單元輸出脈寬數(shù)字IPWM實時調(diào)整馬達排量實現(xiàn)3個馬達轉(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。當速度反饋輸入在控制系統(tǒng)設(shè)定的界限時，可通過IPWM的正比關(guān)系調(diào)整馬達排量實現(xiàn)馬達滑轉(zhuǎn)控制。

在直線轉(zhuǎn)向過程，針對馬達轉(zhuǎn)矩控制形式最終的速度調(diào)節(jié)，也可實現(xiàn)對整機的差速轉(zhuǎn)向，對后輪建立差速轉(zhuǎn)向的模型（見圖4）。

圖4 后輪差速轉(zhuǎn)向的模型

通過研究轉(zhuǎn)向時的邏輯關(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，在壓實機械正常行走轉(zhuǎn)向過程，通過操作調(diào)速轉(zhuǎn)向輸入信號設(shè)定轉(zhuǎn)向參數(shù)K進行控制參數(shù)調(diào)節(jié)。司機輸入轉(zhuǎn)向角度-控制系數(shù)K值-左右馬達速差-轉(zhuǎn)向角度之間建立了智能運行關(guān)系，達到控制目的。

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，壓實機械在爬坡過程的實際坡能力tga會隨著爬坡過程整機質(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驅(qū)動過程產(chǎn)生的轉(zhuǎn)驅(qū)需求與平整地面上不同（見圖5）。

圖5 壓實機械爬坡模式工況

前鋼輪馬達輸出轉(zhuǎn)矩為FM1=ΔP1×q1×η。

假如爬坡過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中心作用力和2個驅(qū)動輪的驅(qū)動力建立平衡方程

通過分析上述電子控制系統(tǒng)輸出脈寬信號值IPWM與馬達排量q為正比關(guān)系，當實際爬坡度越大時，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；但當超過滑轉(zhuǎn)臨界條件時，需由馬達速度反饋信號判斷滑轉(zhuǎn)臨界條件來智能調(diào)整排量變化，這樣既能實現(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

通過研究表明，基于壓實機械行走驅(qū)動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)，運用數(shù)字控制系統(tǒng)可減少加速過程的擾動與偏差，提高了壓實設(shè)備穩(wěn)定性能，使機器的加速與減速特性能適應(yīng)大負荷或者低負荷的環(huán)境。

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

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