全液压扫路机的DA泵控行走液压系统

刘伯祥， 刘 振， 刘 坚， 李建华， 黄兴华

(1.中联重科股份有限公司 环境产业公司，长沙 410013； 2.上海电机学院 机械学院，上海 201306)



全液压扫路机的DA泵控行走液压系统

刘伯祥1， 刘 振1， 刘 坚1， 李建华1， 黄兴华2

(1.中联重科股份有限公司 环境产业公司，长沙 410013； 2.上海电机学院 机械学院，上海 201306)

介绍了全液压小型扫路机的行走液压系统的工作原理和DA阀的结构，基于AMEsim软件建立仿真模型，通过仿真与实验测试该液压系统和DA阀的动态特性。结果表明：扫路机DA泵控行走液压系统的仿真结果与试验结果较吻合，系统的AMESim模型正确可用，该行走系统可使发动机功率自适应外界负载的变化，全液压小型扫路机具备良好的控制性能。

全液压小型扫路机； DA阀； 功率匹配； 行走液压系统； AMEsim

全液压小型扫路机主要适用于市内街道、公园、小区、广场、仓库等通道狭小，对作业噪声和排放控制较严的场所[1]。扫路机作业时间长且作业过程中穿梭进退、曲折迂回，对调速、换向、低速稳定行驶性能、操作舒适性要求比较高；同时，扫路机需用一台发动机驱动行走、转向和所有工作机构，因此，整机液压元件需布局方便、结构紧凑。现有的行走传动方式主要有纯机械传动、液力传动、电力传动、静压传动4种[2-3]。其中，纯机械传动方式效率高，但调速方式复杂且不线性，元件布局受限；液力传动方式能无级调速，但变矩范围小，传动效率低，逆向工作能力差，且速度随负载波动大；电力传动布局灵活且调节性能好，但其功率密度小、系统发热量大；静压传动方式功率密度大，元件布局灵活，无级调速范围广，能实现方向、速度、力矩的精准控制[2-3]。综合考虑，静液压行走系统更适合全液压小型扫路机。

本文结合AMEsim软件与扫路机行走液压系统原理图、DA阀的结构，建立了系统仿真模型，仿真分析与试验测试了该系统的动态特性。结果表明：采用该行走液压系统的扫路机具备良好的行走特性，扫路机发动机功率可以得到合理利用且能防过载。

1 全液压小型扫路机的行走液压系统

1.1 系统原理

全液压小型扫路机的行走液压系统是由主变量泵、高压溢流阀、DA阀、补油单向阀、补油泵、液压电动机等组成。图1为全液压小型扫路机行走液压系统原理图。

1-脚踏板；2-主变量泵；3-高压溢流阀；4-DA阀；5-压力切断阀；6-补油泵；7-冲洗阀；

当扫路机处于转场模式时(高速行走不执行其他工作)，脚踏板的输出信号只控制发动机转速，电子控制单位(Electronic Control Unit, ECU)输出最大控制电流给主变量泵的电比例阀，此时，电比例阀开口保持最大；当发动机怠速时，补油泵的油液经过DA阀全部流回油箱，无控制油进入电比例阀和变量缸，此时，变量泵的理论排量为零，扫路机静止不动。缓慢踩下脚踏板，当发动机转速增加至一定转速后，补油泵的部分油液经过DA阀流入主变量泵的电比例阀和变量缸，此时，主变量泵的排量增加，其输出压力油驱动液压电动机旋转。主变量泵的流量随发动机转速产生连续变化，从而实现行走的无级变速；此外，可通过控制主变量泵的斜盘过零点来实现液压电动机旋转方向的改变。补油泵既提供压力油给主变量泵的变量机构，又补偿电动机、主变量泵的容积损失，高压溢流阀限制系统的压力冲击[4-5]。

1.2 DA阀工作原理

速度敏感控制器又称DA阀，其结构原理如图2所示。DA阀由调节螺钉1、弹簧2、阀芯3、阀座4、阻尼片5等零件组成[6-8]。

图2 DA阀的结构原理图

辅助泵的流量q1流进阻尼片5，在其前、后产生压差Δp，阻尼片前、后压力为p1、p2。该压差Δp作用在阀芯3上，当压差Δp增大到一定值后，推动阀芯3克服弹簧2的反作用力Ft向左移动，当阀芯3的行程x超过遮盖量后，控制油路打开，控制压力油进入主变量泵的变量机构，进而改变主变量泵的输出流量。同时，控制压力油作用在阀芯3的环形面积上，产生方向向右的反作用力，与由Δp产生的向左推动力相抗衡，从而使阀芯3稳定在平衡位置。阀芯3工作时的平衡方程为[9-10]

(1)

式中，p3为控制油压力；D为阀座4的内圆直径；d2为阀芯3阶梯口的外圆直径。

当DA阀的阻尼片5选定后，Δp主要受辅助泵流量q1的影响，即

(2)

式中，ρ为油液的密度；d为阻尼片薄壁孔的直径；Cq1为阻尼片薄壁孔流量系数。

辅助定量泵的流量q1与扫路车发动机转速n成正比，为

q1=nVp/1 000

(3)

式中，Vp为泵的排量。

控制压力油的压力值p3与阀芯3可变节流口的开度x、控制压力油的流量q3有关[11-12]，即

(4)

式中，Cq2为阀芯可变节流孔流量系数。

综上所述，深踩油门，发动机转速n升高，q1增大，Δp增大，推动力增大，阀芯3左移，其可变节流口变大，控制压力p3增大，弹簧2和控制压力油的反作用力增大，直至阀芯3恢复平衡，主变量泵排量与输出流量增大；松开油门，发动机转速n降低，q1减小，Δp减小，推动力减小，阀芯3右移，其可变节流口变小，控制压力p3减小，弹簧2和控制压力油的反作用力减小，直至阀芯2恢复平衡，主变量泵排量与输出流量减小。改变弹簧2的预压缩量，可改变DA阀限矩特性曲线起点值大小；改变阻尼片薄壁小孔的孔径可整体降低或升高DA阀限矩特性曲线。

2 基于AMEsim软件的行走系统仿真

基于全液压扫路机行走液压系统原理图和式(1)～(4)，建立该系统的AMEsim模型，如图3所示。

图3 全液压小型扫路机行走液压系统AMEsim模型

图中，发动机为功率30 kW的柴油机，主变量泵为轴向柱塞变量泵(EP电控带DA阀)，马达为径向内曲线电动机。

该模型主要由发动机模块、DA阀模块、主变量泵模块、补油泵模块、行走电动机及负载模块组成[13-15]。为了降低仿真建模的难度与可靠性，做以下优化：① 省略主变量泵的冲洗阀模块；② 忽略油液温度、管路弹性模量对系统的影响；③ 主变量泵的变量机构由数学模块进行简化处理；④ 主变量泵与行走电动机的容积效率固定，不考虑其他因素的影响。

简化系统，用一个变量信号模块模拟发动机转速的变化，负载模块输出设置为0，仿真分析控制油压力pPs随发动机转速变化的特性，其仿真特性曲线如图4所示。

图4 DA阀pPs-n的仿真曲线

将负载模块输出设置为一固定值，仿真分析扫路机的行走特性，其仿真特性曲线如图5所示。图中，v为车速；pMa、pPs为主变量泵Ma和Ps口的压力。

图5 扫路机行走液压系统的仿真曲线

3 样机的试验论证及对比分析

基于全液压小型扫路机样机，进行DA阀性能测试与行走性能测试，记录并分析扫路机DA泵控静液压驱动行走系统的动态特性。试验测试时，上位机通过CAN总线直接从样机ECU中读取发动机转速与主泵的脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation, PMW)电流信号，其余压力与转速信号通过数据采集仪采集后再传输给上位机，试验测试设备信息如表1所示。

表1 试验测试设备信息

3.1 DA阀性能试验

调节好DA阀的弹簧压缩量，选择合适的节流孔板，测量得到DA阀Ps口控制压力随发动机转速变化的曲线如图6所示。

对比图4、6可知，仿真曲线与实测曲线的趋势基本相同，Ps口压力与发动机转速近似成二次方程关系；但因仿真模型中主变量泵的壳体压力油直接回油箱，而试验样车主变量泵的壳体压力为0.2 MPa，故仿真曲线比试验曲线下降约80 kPa，但两曲线的宏观形状一致性较好，进而验证了DA阀仿真模型的准确性，这有助于其他机型DA阀参数的预选。

图6 DA阀Ps压力-发动机转速的实测特性曲线

3.2 行走试验

调节好DA阀后，ECU输出最大PMWI电流信号给主变量泵的电比例阀，操作扫路机进行行走试验(慢速起步、快速停车)，测量发动机转速n、车速v、主变量泵接收到的PMWI电流信号I以及主变量泵Ma、Mb、Ps、X1、X2、G口压力pMa、pMb、pPs、pX1、pX2、pG，结果如图7所示。

图7 扫路机静液压行走系统的实测特性曲线

由图7可知，ECU输出1.150 A电流给主变量泵的电比例阀。当t=0～3 s时，踏板无信号，n=1 100 r/min为怠速，pPs=0.5 MPa，v= 0 km/h；当t= 3～6 s时，n随油门踏板信号缓慢增加到1 450 r/min，pPs从0.5 MPa增加到0.75 MPa，但pPs<0.75 MPa不足以使主变量泵的变量机构变量，车速v仍保持为0 km/h；当t= 6～29 s时，n从1 450 r/min增加到2 700 r/min，pPs从0.75 MPa增加到2.5 MPa，主变量泵的变量机构开始工作，v也从0 km/h加速到31 km/h；当t=29～38 s时，n维持2 700 r/min不变，pPs也维持在2.5 MPa不变，主变量泵排量保持最大，v维持31 km/h不变；当t=38～45 s时，n从2 700 r/min快速降低到怠速，pPs从2.5 MPa减小到0.5 MPa，主变量泵的排量也逐渐从最大降低到0(理论)，同样v也从31 km/h降低到0 km/h；当t=45～51 s时，n=1 100 r/min为怠速，pPs维持在0.5 MPa左右，扫路机静止不动。由图7可见，n随油门踏板信号成正比变化，pPs随n增加而增加，进而控制主变量泵排量随n变化，最终引起扫路机v随n自适应变化。

对比图5与图7可知，仿真曲线与实测曲线的趋势基本相同。受驾驶员操作油门踏板稳定性的影响，实测曲线的局部出现波动性变化；同时，由于实验场地的平整度一直较差，当t=17～27 s时，负载相对其他时段整体增大；但两曲线的宏观形状一致性较好，验证了该行走液压系统仿真模型的准确性，可用该模型进一步仿真分析扫路机行走制动力矩、冲洗阀流量的动态响应。

4 结 论

本文介绍了全液压小型扫路机的行走液压系统的工作原理和DA阀的结构，基于AMEsim软件建模并经过仿真与试验测试了该系统和DA阀的动态特性。由仿真与试验结果分析可得到以下结论：

(1) 全液压小型扫路机的DA泵控闭式行走液压系统的AMEsim模型基本正确，可用于分析和优化扫路机行走系统的动态特性；

(2) 当采用DA泵控行走液压系统时，全液压小型扫路机的车速v可随发动机转速n自适应变化，具备良好的控制性能；

(3) 当扫路机行驶驱动阻力增加时，发动机转速下降，主泵排量下降，可避免发动机因负载过大而熄火；当行驶驱动阻力减小时，发动机转速升高，主泵排量上升，可避免发动机的功率浪费。全液压小扫路机采用DA泵控行走液压系统可以使发动机功率自适应外界负荷的变化，功率得到合理利用并不过载。

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DA Travel Hydraulic System of Miniature Full Hydraulic Sweeper

LIU Boxiang1, LIU Zhen1, LIU Jian1, LI Jianhua1, HUANG Xinghua2

(1. Zoomlion Environmental Industry Branch, Zoomlion Heavy Industry Science & Technology Co., Ltd., Changsha 410013，China;2. School of Mechanical Engineering, Shanghai Dianji University, Shanghai 201306, China)

The working principle of the travel hydraulic system of a miniature full hydraulic sweeper and the structure of its DA valve is introduced. The hydrostatic transmission system is modeled with AMEsim. Dynamic characteristics of the transmission system and the DA valve are tested by simulation and experiment. The experiments and simulation results agree with each other, showing that the simulation model is correct. With the travel hydraulic system, the engine power automatically suits the load changes. Therefore, the control performance of the miniature full hydraulic sweeper is satisfactory.

miniature full hydraulic sweeper; DA valve; power match; hydrostatic transmission system; AMEsim

2017 -04 -16

上海市科技攻关计划项目资助(12231202502)

刘伯祥(1968-)，男，工程师，主要研究方向为流体传动与控制，E-mail:1721950113@qq.com

李建华(1959-)，男，高级工程师，主要研究方向为清扫设备，E-mail:ljh2jv22@sina.cn

2095 - 0020(2017)03 -0175 - 06

U 469.691

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