基于全液壓平地機小油門工況下“游車”問題的分析及探討

謝金龍， 趙源，王進，曾塬

(三一重工股份有限公司路面機械研究院，長沙 410100)

0 引 言

近幾年來，隨著國家對工程機械行業的大力投入以及機械、液壓和電氣控制等領域的科學技術不斷推陳出新，客戶不但對機器的工作性能和效率提出了更高的要求，而且也對機器節能環保、油耗低以及操作的舒適性提出了新的要求。即客戶使用機器時，一方面，希望機器的智能化水平和工作效率得到最大程度的發揮。另一方面，也希望機器耗油量小、排污量低，操作安全舒適。全液壓平地機在小油門工況下行駛和作業時機器表現出來的“游車”現象是一個重大問題，既影響機器行駛和作業效率，同時還降低機器操作的舒適性，且機器行駛速度忽高忽低來回振蕩，存在追尾的安全隱患。

1 問題現象

全液壓平地機是三一重工自主研發且屬于世界首創的靜液壓驅動工程機械新產品，如圖1 所示。

圖1 全液壓平地機

與液力式和機械式平地機不同，其整機的牽引力由靜壓提供。液壓系統主要由一個電控變量泵和電控變量馬達（兩個）組成，且為閉式系統。在此系統基礎上，整機的傳動路線為：發動機→液壓主泵→液壓馬達（2 個）→減速平衡箱→驅動車輪，如圖2 所示。

圖2 全液壓平地機傳動路線

客戶在使用平地機時，為了節能減排，油門踏板通常不是直接踩踏到底，而是踩踏油門踏板總行程的一半。這樣既能滿足行駛或作業時所需要功率的要求，同時還能降低油耗，且使得發動機不長時間工作在額定轉速和功率下，對發動機進行了一定程度的保護，延長發動機的使用壽命。但是此時機器出現一個問題，其行駛速度忽高忽低循環變化，這種“游車”現象嚴重影響機器行駛和作業性能，必須予以解決。問題試驗測試曲線如圖3 所示。

圖3 全液壓平地機“游車”測試曲線

由圖3 測試曲線可知，在小油門工況下，機器在不同擋位下的行駛速度均存在來回波動現象，尤其以高速擋4 擋和5 擋最為嚴重。

2 原因分析

2.1 問題產生過程分析

在小油門工況下機器行駛和作業時發動機輸出功率打折，而外部負載卻為實時變化的負載。當負載大于發動機荷載能力時，此時液壓系統就會憋壓，發動機轉速會出現掉速，造成輸出功率進一步減小，機器的牽引力和行駛速度也減小。當負載小于發動機荷載能力時，此時發動機轉速會表現為升速，且輸出功率進一步增大，機器的牽引力和行駛速度也增加。此兩種工況來回循環變化，使得機器表現出“游車”的現象。

2.2 發動機小油門工況分析

式中：vg為每轉一圈的幾何排量，cm3；n 為轉速，r/min；ηv為容積效率。

由式（1）可分別得到以下計算公式

式中：qv為流量，L/min；Δp為壓差，bar；ηt為總效率。

由式（7）可分別得液壓馬達功率計算公式為：

全液壓平地機應用的為大連道依茨發動機。由其外特性曲線（圖4）可知，發動機輸出功率與轉速近似成正比關系。在油門踏板踩踏機械最大行程一半時（約1 700 r/min），此時發動機輸出功率約為額定功率的1/2（約120 kW），輸出扭矩在最大扭矩附近（約為675 Nm）。在忽略機器傳動過程功率損失的情況下，由能量守恒可得：

馬達輸出轉速乘以傳動比即為驅動車輪行駛速度，所以由上述推導計算可知，在小油門工況下，發動機輸出的功率和扭矩完全能夠滿足機器中等負載作業和中速行駛的要求。因此發動機小油門工況本身不是"游車"問題產生的原因。

2.3 機器液壓主泵和馬達排量控制策略缺陷分析

在忽略液壓系統因吸附、泄漏等損失情況下，由液壓系統守恒可得： qp=qm（8）

將式（2）和式（3）代入式（8）中可得：

因為液壓主泵和發動機通過花鍵連接軸剛性連接，所以 ne=np。 （10）

在忽略液壓系統效率損失的情況下，ηvp=ηvm。（11）將式（10）和式（11）代入式（9）中可得

由式（12）可知馬達輸出轉速nm(乘以傳動比即為行駛速度)與發動機 轉 速ne、主泵 排 量vp、馬達排量vm有關。在小油門機械位置一定后，發動機轉速ne因外部負載變化而小范圍變化時，主泵和馬達排應量盡可能保持不變，從而維持馬達輸出的轉速基本為定值，即機器行駛速度基本恒定。而機器現行液壓主泵和馬達排量的控制策略均為與發動機轉速成線性關系。液壓主泵排量和發動機輸出扭矩成正比線性關系，即vp=f（Te）。由圖4 可知，大連道依茨發動機最大扭矩輸出點為1 450 r/min 左右。所以當發動機轉速在怠速至1 450 r／min 變化時，發動機輸出的扭矩Te在600~705 Nm之間正比變化，液壓主泵排量vp相應在0%~100%范圍內正比變化。液壓馬達排量的控制策略為馬達排量vm和發動機轉速ne成反比線性關系，即vm=f（ne）。綜上所述，液壓主泵和馬達排量均與發動機轉速成線性變化關系是問題產生的主要原因。

圖4 道依茨發動機外特性曲線

3 解決措施

由上述問題產生的原因深入剖析后可知，外部負載實時變化導致發動機輸出轉速、扭矩和功率發生時大時小地循環變化，這是機器和發動機本身的固有特性，是不好進行控制和改變的。唯一可以控制的是怎樣將這種變化不失真地在泵和馬達上進行弱化，即將主泵和馬達排量與發動機轉速實時變化的線性關系轉變為非實時變化的非線性關系，具體思路闡述為：一方面，主泵排量vp不與發動機輸出扭矩建立線性關系，而是建立分段對應關系。即發動機輸出扭矩在某一范圍內時，對應主泵的排量vp為一個定值。具體對應關系如表1 所示。

另一方面，當發動機轉速從當前范圍段變化到另一個范圍段時，主泵排量首先不立即響應變化，而是先判斷變化量是否超過50 r/min，若超過50 r/min，則主泵排量開始變化，否則，保持當前排量不變。而且變化過程采用先慢后快的斜坡輸出方式，使得小范圍的變化過程得以弱化和平穩進行。相應的控制策略流程圖如圖5 所示。

表1 液壓主泵排量和發動機轉速關系定義

圖5 液壓主泵排量控制流程圖

表2 液壓馬達排量和發動機轉速關系定義

液壓馬達新控制策略也分為兩個方面。一方面，將發動機轉速整體分為4段：怠速段、低速段、中速段和高速段。馬達排量在這4 個范圍段內的排量分別定義為100%、75%、50%和25%，具體對應關系如表2 所示。

另一方面，當發動機轉速從當前范圍段變化到另一個范圍段時，馬達排量首先不立即響應變化，而是先判斷變化量是否超過50 r/min，若超過50 r/min，則馬達排量開始變化，否則，保持當前排量不變。而且變化過程采用先慢后快的斜坡輸出方式，使得小范圍的變化過程得以弱化和平穩進行。相應的控制策略流程圖如圖6 所示。

4 重新試驗測試及結果

按照上述解決措施，將液壓主泵和馬達排量新控制策略流程圖程序代碼化，然后重新進行試驗測試，測試曲線如圖7 所示。

由上述曲線可知，機器在小油門工況下行駛或作業時，各個擋位的行駛速度不再忽高忽低來回波動形成“游車”現象，而是保持良好的平穩性。不但提高機器操作的舒適性，而且降低了發動機的油耗，達到既節能環保，同時又提升了機器工作效率的目的。

圖6 液壓馬達排量控制流程圖

圖7 全液壓平地機不“游車”測試曲線

5 結 語

由上述試驗結果可知，關聯發動機轉速ne、輸出扭矩Te以及功率Pe等系統參數的液壓主泵和馬達排量控制策略，成功解決了機器在小油門工況下“游車”的問題。不但提高了小油門工況下機器行駛和作業的工作性能，同時還節能減排、降低油耗，并且提高了機器操作的舒適性。

關聯系統各個參數的液壓主泵和馬達排量控制策略以及從理論公式和機器工藝過程分析問題原因，找出解決問題的方法和過程可以借鑒應用到其他產品的其它問題上。

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