三履帶滑模攤鋪機液壓系統低速帶載行走穩定性分析及優化

武浩浩

（徐州華清京昆能源有限公司，江蘇 徐州221001）

三履帶滑模攤鋪機是高質量、高速度修建水泥混凝土排水溝、路緣石、防撞墻等路面構造物的現代化機械施工裝備，它集成了計算機、自動控制、機械制造及現代水泥混凝土的應用技術[1]。三履帶滑模攤鋪機施工時行走速度最大3m/s，受施工存在路拱、凹坑、凸起、轉彎等路面特征影響，帶動模具復制路面特征到成型的路緣石或防撞墻上[2]。尤其是當輸料艙滿料時最為明顯，進一步測試數據，輸料壓力約為80bar-120bar，因此行走壓力在20-80bar 時，行走與輸料相互影響。為滿足施工連續性、穩定性要求，通過AMESIM 仿真和整機行駛工況試驗，設計能夠實現自動適應路面特征的行走系統，提高行走系統的可行性和低速穩定性。

1 AMESIM 仿真分析

采用典型的負載敏感控制原理，由恒壓差泵、電比例調速閥、電磁開關閥、液壓馬達構成。重點關注電比例調速閥的性能，故先建立該閥的仿真模型，采用HYD 庫建模，在液壓原理方面建立性能仿真模型[3]，如圖1 所示。按照先導級最大消耗1.5L 流量計算，當先導級的電比例節流閥通流面積最大時，假設按照阻尼孔壓降為5.3bar 的壓降、電比例節流閥按照1.6bar壓降進行分配，據此，阻尼孔直徑約為1.2mm、電比例節流閥相當于直徑2mm 的節流孔。由于壓力補償器彈簧設定壓力6.9bar，按照6.9bar 壓差計算，液控節流閥的最大通流面積約為112.5mm2，相當于直徑12mm 的節流孔；當電比例閥全部開啟，此時液控節流閥兩側控制壓差為5.3bar，而液控節流閥為全開位置，將液控節流閥的彈簧壓力設定為3bar，全部開啟壓差為5.3bar，仿真結果如圖2 所示。

當主節流閥開口度4%（壓力補償器開度3.2%）時，流量為14.6L/min，不受負載變化影響；當主節流閥開口度1.4%時（壓力補償器開度1.3%）時流量為4.8L/min，不受負載影響；仿真中可實現的流量范圍5L/min 至190L/min；當流量14.6L/min 時，主閥及補償器的開度分別為4%、3.2%，開度均很?。槐玫膲翰?0bar及40bar 對閥的調速特性影響不大，主要由閥芯本身補償器決定流量。由于元件的實際性能受電磁力滯環、死點、液壓油、溫度等等影響，實際很難達到理論模擬的4.8L/min 的下限，電比例調速閥樣本只給到19L/min 的流量，也從側面說明很難覆蓋滑模攤鋪機速0.3m/min 時要求的1.5L/min 的極小流量。從閥芯設計上，大流量閥很難兼顧小流量性能，極小的閥芯開度很不穩定，存在性能盲區。結合閥芯性能數據及仿真模擬，可以推斷當極小車速0.3m/min 時（1.5L/min），只有先導級的電比例節流閥在工作，液控節流閥及補償閥均未工作，此時流量受泵與負載壓差決定。

圖1 三履帶式滑模攤鋪機行走系統仿真模型

圖2 泵壓差20bar、40bar 時，先導閥開口與主閥調節流量的關系

2 試驗設計

依照三履帶滑模攤鋪機液壓原理圖上標注的行走液壓馬達測壓點連接液壓傳感器。利用DEWESoft 數據采集儀采集數據?；備仚C分別加載2.5KN、16KN、18.5KN、37.5KN 有效切線牽引力及最大有效切線牽引力，測量其發動轉速、液壓馬達壓力、液壓泵壓力。

圖3 有效切線牽引力與行駛液壓系統泵和馬達關系擬合曲線

經過測試得知，行駛液壓系統在3m/min（滑模攤鋪機顯視器顯示速度）速度下開同步分流閥帶載起步停機液壓馬達液壓泵的沖擊壓力最大為35bar；液壓泵起步過程的沖擊壓力最大為77bar；停機過程的沖擊壓力最大為228bar,穩定后液壓系統液壓馬達與液壓泵的最大壓力差為45bar?；備仚C比例閥控制起步、停機過程液壓系統沖擊壓力小于由換向閥控制的起步、停機過程的沖擊壓力；液壓泵與液壓馬達之間壓差過大，壓力損失嚴重。在最大有效切線牽引力7.3KN 工況下，行駛液壓系統液壓泵的壓力為215bar，液壓馬達壓力為175bar（前履帶出現打滑）?；備仚C螺旋輸料器內加入880kg 水泥混凝土，且不開同步分流閥的情況下，最大有效切線牽引力為73KN（前履帶出現打滑）?；備仚C螺旋輸料器內加入880kg 水泥混凝土且打開同步分流閥的情況下，最大有效切線牽引力為70KN（三履帶靜止不動）。2.5KN 有效切線牽引力下行駛液壓馬達壓力為35bar，16KN 有效切線牽引力下行駛液壓馬達壓力為63.75bar，18.5KN 有效切線牽引力下行駛液壓馬達壓力為71.5bar，37.5.5KN 有效切線牽引力下行駛液壓馬達壓力為112bar。通過有效牽切線牽引力與行駛液壓馬達壓力擬合曲線，如圖3 所示?；備仚C螺旋輸料器內加入880kg 水泥混凝土，且不開同步分流閥的情況下，最大有效切線牽引力為73KN（前履帶出現打滑），且同步分流閥未能發揮有效作用[4]。

可以得出液壓泵壓力與有效切線牽引力擬合方程，式（1），行駛液壓馬達壓力與有效牽切線牽力擬合方程，式（2）：

仿真中可實現的流量范圍5L/min 至190L/min；當流量14.6L/min 時，主閥及補償器的開度分別為4%、3.2%，開度均很??；泵的壓差20bar 及40bar 對閥的調速特性影響不大，主要由閥芯本身補償器決定流量；由于元件的實際性能受電磁力滯環、死點、液壓油、溫度等等影響，實際很難達到理論模擬的4.8L/min 的下限，閥的樣本只給到19L/min 的流量，也從側面說明很難覆蓋NC1300 車速0.3m/min 時要求的1.5L/min 的極小流量。從閥芯設計上，大流量閥很難兼顧小流量性能，極小的閥芯開度很不穩定，存在性能盲區。

根據實驗測試結果，滑膜攤鋪機顯示器顯示行駛速度1m/min、3m/min、5m/min、10m/min，實際測量行駛速度分別為1.154m/min、1.686m/min、3.372m/min、4.054m/min。分析發現，行走速度調節取決于速度電位計，電位計輸入線性對應比例閥目標輸出，形成電流閉環反饋；無行走速度傳感器檢測，顯示器上顯示的行走速度值（m/min）根據電位計輸入，如在低速模式下，計算對應出相應的行走速度，程序上增加修正系數處理生成。

3 改進方案

并聯一路小流量電比例調速閥，用于實現低速穩定性，在液壓馬達上增加馬達轉速傳感器，可實現3m/min 以內的精確調速，電氣方面，增加相應的邏輯控制，當施工車速3m/min 及以內時，用新增的電比例調速閥工作，當施工車速高于3m/min 時，仍用原P 電比例調速閥；為實現最核心的施工行走問題，分流閥按照3m/min 車速進行選型，兩級分流閥分流比為2：1、1：1，需要廠家再確定具體閥芯型號，因插孔改變，此改動原有行走閥組無法采用；也可以直接改成一分三的分流閥，按總流量15L/min 左右選型；液控換向閥，換向壓力至少為13bar，完全換向17.2 至27.6bar，結合行走壓力只有20bar 的工況，此壓力不足以保證液控換向閥換向，不能保證開啟分流模式，該閥接外部控制油源。同時在行走馬達上加裝馬達轉速傳感器，并在轉向油缸內部設置位置傳感器，以提高調速閥獲取數據的準確性。

4 結論

三履帶滑模攤鋪機帶載行駛過程的穩定性直接影響了水泥砼的成型質量，通過分析液壓系統工作原理，采用AMESIM仿真分析配套的電比例調速閥液壓原理方面的性能，發現電比例調速閥的流量穩定下限高于實際工況所需流量，通過實際試驗驗證了各個帶載工況電比例調速閥所需流量與實際流量的差別，提出了并聯小流量電比例調速閥的臨時改進措施和按照車速采用分流閥的長遠改進方案，并對影響測量準確性的傳感器進行優化，改進后的行走系統穩定性得到較好改善。