王 歡

(山河智能股份有限公司，湖南 長沙 410100)

0 引 言

根據(jù)液壓油循環(huán)方式的不同，液壓系統(tǒng)分為閉式系統(tǒng)和開式系統(tǒng)。閉式系統(tǒng)的液壓油，除了因改善散熱使低壓側(cè)的冷油和熱油進(jìn)行部分交換外，其余液壓油在泵與執(zhí)行器間循環(huán)。應(yīng)用閉式系統(tǒng)液壓行走的典型工程機(jī)械包括攤鋪機(jī)等路面機(jī)械。開式系統(tǒng)的液壓油從油箱經(jīng)泵排出并進(jìn)入執(zhí)行器，執(zhí)行器做功后液壓油再回到油箱。應(yīng)用開式系統(tǒng)液壓行走的工程機(jī)械，有雙泵分別驅(qū)動(dòng)雙馬達(dá)的方式，如常見挖掘機(jī)的行走；也有單泵驅(qū)動(dòng)雙馬達(dá)的方式，如露天鑿巖設(shè)備。要限制類似露天鑿巖設(shè)備的直線行走跑偏量，其左、右兩條履帶的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速差應(yīng)控制在一定的偏差范圍，這與設(shè)備的結(jié)構(gòu)參數(shù)、驅(qū)動(dòng)參數(shù)、液壓系統(tǒng)參數(shù)等息息相關(guān)，尤其左、右兩條履帶的行走負(fù)載區(qū)別較大時(shí)，極易導(dǎo)致直線行走時(shí)的跑偏量超出設(shè)備施工要求。因此，設(shè)計(jì)過程應(yīng)采取限制直線行走跑偏量的技術(shù)措施。吳保林等[1]研究了影響單泵驅(qū)動(dòng)雙馬達(dá)速度同步的負(fù)載干擾問題，主要分析負(fù)載比和排量比之間的關(guān)系對實(shí)現(xiàn)速度同步的影響。顧海榮等[2]根據(jù)力學(xué)和液壓傳動(dòng)理論，對采用不同同步方式的單泵多馬達(dá)液壓行走的動(dòng)力學(xué)問題進(jìn)行了研究，得出采用電子防滑技術(shù)優(yōu)于同步分流技術(shù)的結(jié)論。董金芳等[3]根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)對行駛跑偏量的計(jì)算和檢測方法進(jìn)行了分析；謝衛(wèi)國[4]對行駛跑偏量的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了研究。李致遠(yuǎn)等[5]研究了液導(dǎo)比的取值對液壓全橋壓力特性的影響并明確了液導(dǎo)比取值范圍的研究方法。筆者主要基于開式系統(tǒng)單泵雙馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的履帶液壓行走，分析液壓驅(qū)動(dòng)行走的技術(shù)原理、跑偏原因，研究直線行走過程中跑偏的液壓補(bǔ)償解決方案，目的是改善設(shè)備的行走直線性能，使行走跑偏量滿足施工需求。

1 行走糾偏參數(shù)計(jì)算

履帶式車輛是靠履帶卷繞時(shí)地面對履帶接地段產(chǎn)生的反作用力來推動(dòng)車輛行走的[6]。圖1所示是某型露天鑿巖設(shè)備的履帶底盤簡圖，左、右兩個(gè)行走機(jī)構(gòu)都由四輪一帶組成，即驅(qū)動(dòng)輪、導(dǎo)向輪、支重輪、拖鏈輪和履帶。設(shè)備的平臺(tái)固定安裝在該底盤上，平臺(tái)上包含發(fā)動(dòng)機(jī)、油箱、液壓電氣系統(tǒng)、駕駛室、執(zhí)行器臂架等部件。

圖1 履帶行走底盤簡圖

不考慮車輛的滑移，根據(jù)相對運(yùn)動(dòng)的原理可以推導(dǎo)出履帶在驅(qū)動(dòng)輪的作用下相對于靜止地面的運(yùn)動(dòng)速度即為單側(cè)履帶的行駛速度。因此，左側(cè)和右側(cè)履帶的理論行駛速度應(yīng)等于履帶卷繞運(yùn)動(dòng)的線速度，即：

(1)

式中：vt為履帶的理論行駛速度；Zk為驅(qū)動(dòng)輪的有效嚙合齒數(shù)；LB為鏈節(jié)距；ωk為驅(qū)動(dòng)輪角速度；nk為驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速。

對于開式系統(tǒng)單泵雙馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的液壓行走，典型的液壓原理如圖2所示，圖中省去了液壓泵的簡圖。泵排出的液壓油分別經(jīng)左、右換向控制閥進(jìn)入左、右液壓馬達(dá)，馬達(dá)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)履帶行走機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)。直線行走時(shí)，操縱行駛的電控手柄或液控手柄輸出到左、右換向控制閥的電流信號(hào)或與先導(dǎo)壓力保持一致，即換向控制閥閥口的開度一致；左、右換向控制閥閥口的壓差統(tǒng)一由液壓泵上的定壓差閥確定，使得通過換向控制閥的流量與液壓馬達(dá)的負(fù)載壓力無關(guān)，左、右換向控制閥的液阻也保持一致。左、右換向控制閥均帶有壓差補(bǔ)償器，負(fù)載反饋回路中取出了左、右液壓馬達(dá)中較大的負(fù)載壓力并反饋到液壓泵上負(fù)載低的一側(cè)，壓差補(bǔ)償器將消耗掉部分壓差。

圖2 單泵雙馬達(dá)液壓行走原理

根據(jù)式(1)可知，導(dǎo)致設(shè)備跑偏的關(guān)鍵原因是左、右履帶的驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速差，工作負(fù)載、效率、內(nèi)泄漏等，多重因素影響左、右液壓馬達(dá)的工作流量，從而形成速度差。驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速與液壓參數(shù)滿足下式：

(2)

式中：Qf為驅(qū)動(dòng)馬達(dá)入口的流量；vg為驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的排量；ηv為驅(qū)動(dòng)馬達(dá)在特定工作壓力和轉(zhuǎn)速時(shí)的容積效率；i為減速機(jī)的傳動(dòng)比。

因此，除履帶行走機(jī)構(gòu)中零部件生產(chǎn)偏差、裝配間隙、工作環(huán)境等影響行走跑偏外，行走機(jī)構(gòu)中液壓零部件工作參數(shù)區(qū)別是導(dǎo)致轉(zhuǎn)速差的關(guān)鍵原因，體現(xiàn)為左、右液壓馬達(dá)的工作流量不同。因此，為改善行走的直線性能，應(yīng)根據(jù)跑偏量的要求，分析左、右液壓馬達(dá)的工作壓力差，在左、右液壓馬達(dá)之間建立補(bǔ)償。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中對行駛的跑偏量一般都有明確的規(guī)定。常用的檢測方法是在試驗(yàn)跑道上取出測量長度為L的區(qū)間，確定地面上的直線行駛參考線。以雙履帶對稱平面作為設(shè)備上的直線行駛參考，操縱設(shè)備從試驗(yàn)起點(diǎn)出發(fā)并沿著參考線方向行走，不調(diào)整轉(zhuǎn)向動(dòng)作的情況下通過試驗(yàn)長度，測量設(shè)備上的參考點(diǎn)偏離行駛參考線的距離e為跑偏量。根據(jù)履帶跑偏形成的圓弧及董金芳等[3]的研究結(jié)果，可得出跑偏形成的路徑的圓弧半徑r滿足下式：

(3)

已知履帶底盤上兩個(gè)履帶行走機(jī)構(gòu)的間距B，假設(shè)右側(cè)行走機(jī)構(gòu)的負(fù)載大于左側(cè)的，導(dǎo)致行走時(shí)設(shè)備向右側(cè)跑偏。則右側(cè)履帶行走機(jī)構(gòu)的路徑對應(yīng)的圓弧半徑ry為：

(4)

左側(cè)行走對應(yīng)的圓弧半徑rZ為：

(5)

行走路徑對應(yīng)的圓弧中心角θ應(yīng)滿足下式：

(6)

根據(jù)圓弧中心角和圓弧半徑可分別確定履帶行走機(jī)構(gòu)的路徑長度，左側(cè)行走機(jī)構(gòu)的行駛路徑是弧長LZ，右側(cè)可參考相應(yīng)的圓弧半徑計(jì)算。

(7)

根據(jù)行駛路徑長度LZ和履帶行走機(jī)構(gòu)中驅(qū)動(dòng)輪的動(dòng)力半徑rc，可分別確定左、右履帶行走機(jī)構(gòu)中驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)nc。

(8)

結(jié)合設(shè)備中左側(cè)履帶行走機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)扭矩tZ、液壓馬達(dá)的機(jī)械效率ηt，估算出左側(cè)液壓馬達(dá)的工作壓力PZ，右側(cè)可參考計(jì)算，從而可確定左、右液壓馬達(dá)的工作壓差Δp。

(9)

Δp=Py-PZ

(10)

最后結(jié)合泵排量、泵轉(zhuǎn)速、馬達(dá)排量及效率曲線，初步確定左、右馬達(dá)的工作流量及流量偏差。根據(jù)液壓馬達(dá)的工作壓差和流量偏差，可以指導(dǎo)液壓補(bǔ)償阻尼參數(shù)的計(jì)算和選用。

2 液壓補(bǔ)償差速的原理

應(yīng)用單泵雙馬達(dá)液壓驅(qū)動(dòng)行走的設(shè)備，對行走跑偏量的要求相對中等，在雙馬達(dá)之間建立液壓補(bǔ)償，如同機(jī)械差速器，可以較好地解決跑偏問題，實(shí)現(xiàn)方式簡單，性價(jià)比高。建立液壓補(bǔ)償?shù)脑砗唸D如圖3所示。

圖3 液壓補(bǔ)償差速的原理圖

圖3可視為液壓全橋，P為泵出口的工作壓力，Q為泵出口的工作流量，Rcz為左換向控制閥的液阻，Rcy為右換向控制閥的液阻。直線行駛時(shí)，控制手柄輸出與換向控制閥的信號(hào)一致，不計(jì)溫度變化的影響，因此換向控制閥的液阻用固定液阻表示。Rfz為左液壓馬達(dá)相應(yīng)的工作負(fù)載，Rfy為右液壓馬達(dá)相應(yīng)的工作負(fù)載，工作負(fù)載用可變液阻表示。Rm為左、右液壓馬達(dá)之間的補(bǔ)償阻尼，該阻尼大小在設(shè)備試制時(shí)設(shè)置為可調(diào)。根據(jù)設(shè)備重心、負(fù)載及液壓件效率等的區(qū)別，理論計(jì)算初步確定取值，指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)測試直線行走。

通過補(bǔ)償阻尼孔的流量與左、右液壓馬達(dá)的工作壓力差和補(bǔ)償阻尼的孔徑相關(guān)。各液阻的計(jì)算，可參考電阻的計(jì)算進(jìn)行。靜態(tài)液阻R是液阻兩端壓差對流量的比值[7]，可定義：

(11)

液壓補(bǔ)償差速原理的理論分析參考電阻串并聯(lián)、惠斯通電橋的原理進(jìn)行簡化分析。以瞬時(shí)的右側(cè)液壓馬達(dá)的工作壓力Py大于左側(cè)液壓馬達(dá)的工作壓力PZ進(jìn)行分析，則右側(cè)液壓馬達(dá)入口的流量可分成兩部分：

Qcy=Qfy+Qm

(12)

式中：Qcy為右側(cè)換向控制閥出口的流量；Qfy為右側(cè)液壓馬達(dá)的工作流量；Qm為通過補(bǔ)償阻尼的流量。

根據(jù)串聯(lián)分壓的原理，右側(cè)液壓馬達(dá)的工作壓力Py可表示如下：

(13)

同理，左側(cè)液壓馬達(dá)的工作壓力PZ可表示如下：

(14)

則補(bǔ)償阻尼兩端的壓力差可表示如下：

(15)

整理式(15)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)換向控制閥閥口的液阻和液壓馬達(dá)的工作負(fù)載滿足式(16)的關(guān)系時(shí)，液橋處于平衡狀態(tài)，則補(bǔ)償阻尼中沒有流量通過，設(shè)備將保持直線行走。

Rfy×Rcz=Rfz×Rcy

(16)

當(dāng)液橋不平衡時(shí)，液壓馬達(dá)的工作負(fù)載Rfz和Rfy不相等，根據(jù)上述推導(dǎo)可知補(bǔ)償阻尼的兩側(cè)有壓力差，則補(bǔ)償阻尼中有流量通過。設(shè)置補(bǔ)償阻尼后，可實(shí)現(xiàn)左、右液壓馬達(dá)的工作壓力補(bǔ)償和行走糾偏功能，改善行走時(shí)的直線性能。

3 糾偏測試結(jié)果分析

實(shí)際的產(chǎn)品應(yīng)用中，在左、右換向控制閥的補(bǔ)償器后增加一個(gè)阻尼Rm，阻尼值的大小根據(jù)前述分析方法進(jìn)行初步估算。圖4所示是初步估算后設(shè)置補(bǔ)償阻尼的測試結(jié)果。

圖4 補(bǔ)償阻尼為φ1.2 mm的流量曲線

圖4中，Qfy為右液壓馬達(dá)入口的流量曲線，Qfz為左液壓馬達(dá)入口的流量曲線。實(shí)驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn)設(shè)備向右側(cè)的跑偏量超出了設(shè)計(jì)要求，測試結(jié)果也可看出左、右液壓馬達(dá)入口的流量有明顯區(qū)別，糾偏效果不理想。其主要原因在于補(bǔ)償阻尼兩側(cè)的壓差產(chǎn)生的流量偏小，因此應(yīng)增大補(bǔ)償阻尼的尺寸。

如圖5所示是將補(bǔ)償阻尼由φ1.2 mm增大到φ1.5 mm的測試結(jié)果。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的行走跑偏量得到了限制，行走的直線性能滿足技術(shù)要求。從測試結(jié)果看，左、右液壓馬達(dá)的工作流量曲線交織在一起，行走過程中，頻繁地發(fā)生左側(cè)向右側(cè)補(bǔ)償、右側(cè)向左側(cè)補(bǔ)償?shù)默F(xiàn)象，動(dòng)態(tài)地調(diào)整了設(shè)備的直線行走性能。

圖5 補(bǔ)償阻尼為φ1.5 mm的流量曲線

放大后的液壓馬達(dá)工作流量和工作壓力曲線如圖6所示。

圖6 補(bǔ)償阻尼為φ1.5 mm的糾偏過程

糾偏過程如下：當(dāng)左側(cè)液壓馬達(dá)的工作壓力PZ減少時(shí)，右側(cè)液壓馬達(dá)與左側(cè)液壓馬達(dá)之間形成正向壓差ΔPm，右側(cè)液壓馬達(dá)的工作流量Qfy減少，左側(cè)液壓馬達(dá)的工作流量Qfz增大。反之則反。

通過實(shí)驗(yàn)調(diào)整設(shè)備上左、右履帶行走機(jī)構(gòu)的負(fù)載差距，發(fā)現(xiàn)補(bǔ)償阻尼可選擇偏小一些；而對行走的跑偏量要求提高到一定程度時(shí)，設(shè)置補(bǔ)償阻尼不能完全有效地改善直線行走性能。

4 結(jié) 語

根據(jù)行走跑偏量的目標(biāo)要求，通過理論分析履帶設(shè)備的行走原理，確定了用于改善行走直線性能的液壓補(bǔ)償阻尼的計(jì)算流程和方法；經(jīng)實(shí)際測試，驗(yàn)證了增設(shè)液壓補(bǔ)償阻尼可以有效地解決有中等跑偏量要求的工程機(jī)械的行走直線性能。此次研究結(jié)果為解決工程機(jī)械的行走跑偏提供了一種簡單、性價(jià)比高的解決辦法。