程 斐，趙靜一，王志峰

(1.燕山大學(xué)河北省重型機(jī)械流體動(dòng)力傳輸與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北秦皇島 066004;2.燕山大學(xué)先進(jìn)鍛壓成型技術(shù)與科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北秦皇島 066004;3.首都航天機(jī)械公司，北京 100076)

自行式載重車是額定載重在50 t以上，具有自行走及液壓提升裝置的專用運(yùn)輸車輛，具有超重載荷搬運(yùn)、自行駛、高穩(wěn)定性以及高通過性等優(yōu)異性能，廣泛應(yīng)用于路橋施工、船舶建造、軍事、機(jī)場、石油化工、鋼廠及大件運(yùn)輸?shù)榷鄠€(gè)領(lǐng)域［1］.自行式載重車負(fù)載慣性大且換向頻繁、要求低速穩(wěn)定性好，因此行走系統(tǒng)宜采用閉式液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng).另外閉式液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還具有能夠?qū)崿F(xiàn)無極調(diào)速、功率密度高、布局方便、過載保護(hù)能力強(qiáng)和控制方式靈活［2］等特點(diǎn)，對(duì)提升自行式載重車的操控性、機(jī)動(dòng)性、穩(wěn)定性以及安全性具有重要意義.

自行式載重車采用的是多輪驅(qū)動(dòng)，差速與差力控制是設(shè)計(jì)行走液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)必須解決的問題.轉(zhuǎn)向時(shí)各輪轉(zhuǎn)向半徑不同，要求各車輪能夠以不同的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng).當(dāng)各車輪接觸路面狀況有差異時(shí)，地面附著力不同，各輪輸出的最大牽引力亦不同，如果不進(jìn)行人為調(diào)節(jié)，系統(tǒng)壓力是一致的，牽引力就由附著力最小的那個(gè)車輪決定，即驅(qū)動(dòng)每個(gè)車輪的牽引力不能超過附著系數(shù)最小的那個(gè)車輪的附著力，否則該車輪將會(huì)打滑.這樣整個(gè)車輛的驅(qū)動(dòng)力就有可能不能驅(qū)動(dòng)整個(gè)車輛前進(jìn)，因此要求各車輪能夠?qū)崿F(xiàn)差力控制.自行式載重車行走液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)馬達(dá)普遍采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，較容易實(shí)現(xiàn)差速控制，但不能實(shí)現(xiàn)差力控制.本文在分析自行式載重車行走液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電控改變馬達(dá)排量實(shí)現(xiàn)差力控制局限性的基礎(chǔ)上，希望找到行走閉式液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)防打滑效果更好的途徑.

1 靜液壓驅(qū)動(dòng)電子防打滑系統(tǒng)

電子防打滑系統(tǒng)是通過控制手段在檢測(cè)到某個(gè)馬達(dá)處于打滑狀態(tài)時(shí)，減小打滑馬達(dá)排量，進(jìn)而減小馬達(dá)輸出扭矩，直至為零.此時(shí)馬達(dá)處于浮動(dòng)狀態(tài)，由主動(dòng)輪變?yōu)閺膭?dòng)輪，這樣系統(tǒng)的流量將流向保持純滾動(dòng)的馬達(dá)，由這些車輪馬達(dá)建立起更高的系統(tǒng)工作壓力，維持驅(qū)動(dòng)整個(gè)車輛的牽引力.只有在車輛上的總驅(qū)動(dòng)力大于行駛阻力，保持純滾動(dòng)的驅(qū)動(dòng)輪就能正常驅(qū)動(dòng)車輛前進(jìn).電子防打滑系統(tǒng)液壓元件有閉式變量泵與帶零排量電比例控制液壓馬達(dá)，電控元件有控制器、轉(zhuǎn)速傳感器和車輪轉(zhuǎn)角傳感器.以一輛四馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的自行式載重車為例，介紹電子防打滑系統(tǒng)的組成，如圖1所示.

圖1 電子防打滑系統(tǒng)組成Fig.1 Electronic anti-skidding system

轉(zhuǎn)速傳感器可以實(shí)時(shí)檢測(cè)馬達(dá)輸出軸的轉(zhuǎn)速，通過輪邊減速機(jī)的速比和輪胎的承載半徑可以求得對(duì)應(yīng)車輪的實(shí)際轉(zhuǎn)速，在正常行駛狀態(tài)下選取四車輪中的最小或者最大實(shí)際轉(zhuǎn)速作為判斷車輪打滑的參考轉(zhuǎn)速n0.根據(jù)自行式載重車行駛時(shí)選擇的轉(zhuǎn)向模式(斜行、橫行、頭尾擺動(dòng)、原地回轉(zhuǎn)、半八字轉(zhuǎn)向、八字轉(zhuǎn)向等轉(zhuǎn)向模式［3］)和輸入的轉(zhuǎn)向角度，由于轉(zhuǎn)向時(shí)各車輪必須滿足阿克曼轉(zhuǎn)向幾何條件［4］，而整車的轉(zhuǎn)彎半徑和各輪胎轉(zhuǎn)向角度是確定的，因此根據(jù)不同車輪的轉(zhuǎn)彎半徑求得其他車輪的相對(duì)轉(zhuǎn)速

式中:Δnei為各車輪與參考車輪的相對(duì)轉(zhuǎn)速差，Δnei=f(Ri，n0，zi，E)，其中Ri是車輪的轉(zhuǎn)彎半徑，zi為轉(zhuǎn)向中心到參考車輪的距離，E是誤差.誤差E由基本誤差、轉(zhuǎn)速相關(guān)誤差、轉(zhuǎn)向角度相關(guān)誤差組成，基本誤差是考慮車輛結(jié)構(gòu)等因素，轉(zhuǎn)速相關(guān)誤差考慮車輪檢測(cè)轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的誤差，角度誤差是轉(zhuǎn)向角度傳感器檢測(cè)產(chǎn)生的誤差［5］.

控制器在一個(gè)采樣周期內(nèi)比較ni與n0+Δnei的大小.當(dāng)ni＞n0+Δnei時(shí)，說明該車輪有打滑的趨勢(shì)，減小ni對(duì)應(yīng)馬達(dá)的排量，直至ni降到誤差E范圍內(nèi)，再緩慢將該馬達(dá)的排量恢復(fù)到調(diào)節(jié)前的值.如果ni≤n0+Δnei時(shí)，說明在此采樣周期內(nèi)該車輪沒有出現(xiàn)打滑，不改變馬達(dá)的排量.電子防打滑馬達(dá)排量調(diào)節(jié)過程如圖2所示［6］.

電子防打滑系統(tǒng)是通過比例控制馬達(dá)排量獲得系統(tǒng)流量的正確分配，回路中無流量控制閥與分流閥，系統(tǒng)發(fā)熱少，控制靈活.但是在馬達(dá)排量減小至零的過程中，隨著馬達(dá)排量的減小，可能會(huì)出現(xiàn)馬達(dá)轉(zhuǎn)速快速增大甚至產(chǎn)生飛車現(xiàn)象.通常的解決辦法是在馬達(dá)排量連續(xù)減小到一定值時(shí)，若馬達(dá)車輪仍轉(zhuǎn)動(dòng)，則將其排量以階躍信號(hào)的形式快速調(diào)節(jié)至零，因此對(duì)馬達(dá)要求較高，必須要求采用帶零排量電比例控制的液壓馬達(dá).

圖2 電子防打滑馬達(dá)排量調(diào)節(jié)過程Fig.2 Adjustment process ofmotor displacement for electronic anti-skidding system

2 運(yùn)用液控自由輪閥的行走驅(qū)動(dòng)防打滑技術(shù)

自行式載重車行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所用到的馬達(dá)除了電比例控制的液壓馬達(dá)外，還經(jīng)常會(huì)用到定量馬達(dá)或無零排量的液壓馬達(dá)等，而由這些馬達(dá)組成的閉式液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在解決多車輪間的差力控制問題上運(yùn)用電子控制馬達(dá)排量的方法是行不通的.針對(duì)電子防打滑系統(tǒng)的局限性，設(shè)計(jì)了一種適用范圍更廣的閉式液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)防打滑控制方法.液壓元件除了液壓泵與液壓馬達(dá)外，還包括自由輪閥與電磁換向閥，電控元件與電子防打滑系統(tǒng)構(gòu)成相同.以自行式載重車的一個(gè)驅(qū)動(dòng)橋?yàn)槔?，介紹液控自由輪閥防打滑系統(tǒng)的組成，如圖3所示.

圖3 運(yùn)用液控自由輪閥的防打滑系統(tǒng)組成Fig.3 Anti-skidding system w ith hydraulicallycontrolled free-wheel valve

車輛在正常行駛的過程中，電磁換向閥得電，自由輪閥工作在上位，此時(shí)該橋?yàn)轵?qū)動(dòng)橋，兩個(gè)馬達(dá)能夠參與提供牽引力驅(qū)動(dòng)車輛行走;當(dāng)檢測(cè)到該橋某個(gè)馬達(dá)超速打滑時(shí)，由控制器發(fā)出切斷電磁換向閥的電信號(hào)，自由輪閥的控制油被切斷，在回位彈簧的作用下工作在下位，變量液壓馬達(dá)的兩個(gè)工作油口與系統(tǒng)閉式液壓泵的油源切斷.馬達(dá)兩工作油口通過自由輪閥與油箱相通，這樣此驅(qū)動(dòng)橋就變?yōu)閺膭?dòng)橋，系統(tǒng)的流量能夠流向其他純滾動(dòng)車輪的馬達(dá).當(dāng)打滑的驅(qū)動(dòng)輪恢復(fù)至純滾動(dòng)時(shí)，電磁換向閥電信號(hào)恢復(fù)，自由輪閥工作在上位，變量液壓馬達(dá)正常工作.

由液控自由輪閥組成的防打滑系統(tǒng)不受馬達(dá)形式限制，控制形式上與電子防打滑控制相同，適用于任何形式自行式載重車行走液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng).但是如果檢測(cè)到有多個(gè)馬達(dá)同時(shí)出現(xiàn)打滑，在切換自由輪閥動(dòng)作時(shí)系統(tǒng)有可能產(chǎn)生壓力沖擊.

3 運(yùn)用驅(qū)動(dòng)限速閥的行走驅(qū)動(dòng)防打滑技術(shù)

無論是電子防打滑系統(tǒng)還是運(yùn)用液控自由輪閥的防打滑系統(tǒng)都是通過轉(zhuǎn)速傳感器反饋車輪實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，由控制器根據(jù)預(yù)先設(shè)定的計(jì)算程序判斷車輪是否處于打滑狀態(tài)，再通過電控的方式改變馬達(dá)的排量，減小打滑馬達(dá)的輸出扭矩或是直接將打滑馬達(dá)由驅(qū)動(dòng)狀態(tài)直接變?yōu)楦?dòng)狀態(tài)，這樣系統(tǒng)就可以重新建立起工作壓力.但是某些情況下，電控應(yīng)用受到限制時(shí)，如煤礦巷道中作業(yè)的自行式載重車，采用上述兩種方法來解決驅(qū)動(dòng)的防打滑問題都將受到限制.因此，介紹一種運(yùn)用驅(qū)動(dòng)限速閥的防打滑系統(tǒng)，如圖4所示.

在行走閉式液壓驅(qū)動(dòng)回路中，每個(gè)液壓馬達(dá)的工作口上設(shè)置了驅(qū)動(dòng)限速閥，驅(qū)動(dòng)限速閥的實(shí)質(zhì)是一個(gè)流量控制閥.當(dāng)某個(gè)車輪打滑時(shí)，通過該馬達(dá)的瞬時(shí)流量增加，當(dāng)增加到驅(qū)動(dòng)限速閥的設(shè)定流量時(shí)，驅(qū)動(dòng)限速閥會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)閥口開度，使通過馬達(dá)的流量維持在設(shè)定流量上，這樣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作壓力還可以通過加大閉式泵的排量建立起來，從而防止打滑馬達(dá)轉(zhuǎn)速過快出現(xiàn)系統(tǒng)壓力無法建立的現(xiàn)象，在打滑車輪的附著力再次建立起來后車輪自動(dòng)恢復(fù)至正常轉(zhuǎn)速.雖然該防打滑系統(tǒng)有可能會(huì)出現(xiàn)打滑車輪的轉(zhuǎn)速相對(duì)于其他車輪轉(zhuǎn)速較快，但系統(tǒng)仍然可以提供充足的牽引力維持車輛正常行走.可見運(yùn)用驅(qū)動(dòng)限速閥的防打滑系統(tǒng)需要在每個(gè)馬達(dá)的工作口上設(shè)置一個(gè)驅(qū)動(dòng)限速閥，保證車輪前進(jìn)、后退都不出現(xiàn)打滑現(xiàn)象.將自行式載重車不同轉(zhuǎn)向模式下車輪最高轉(zhuǎn)速時(shí)的馬達(dá)流量設(shè)定為該馬達(dá)工作口驅(qū)動(dòng)限速閥的設(shè)定流量，各車輪驅(qū)動(dòng)限速閥的設(shè)定流量根據(jù)最高轉(zhuǎn)速不同而有差異.另外該驅(qū)動(dòng)限速閥還集成了補(bǔ)油單向閥，車輛在慣性力作用下超速時(shí)，定量泵能夠及時(shí)為閉式系統(tǒng)的兩個(gè)工作油路補(bǔ)充油液，防止系統(tǒng)抽空.

圖4 運(yùn)用驅(qū)動(dòng)限速閥的防打滑系統(tǒng)Fig.4 Anti-skidding system w ith driving governor valve

運(yùn)用驅(qū)動(dòng)限速閥的防打滑系統(tǒng)回路簡單，不會(huì)出現(xiàn)打滑車輪馬達(dá)的超速，工作安全可靠，不受驅(qū)動(dòng)馬達(dá)形式的約束.但相比前兩種防打滑控制形式，驅(qū)動(dòng)限速閥在防打滑時(shí)屬于節(jié)流控制，系統(tǒng)發(fā)熱量更大.

4 結(jié)論

分析了自行式載重車行走閉式液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)用到的三種防打滑控制:①電子防打滑系統(tǒng)通過減小打滑馬達(dá)的排量，進(jìn)而減小輸出扭矩防止打滑.它屬于容積調(diào)節(jié)，系統(tǒng)發(fā)熱量少，經(jīng)濟(jì)性與操作舒適性好，但是系統(tǒng)復(fù)雜，成本高，必須要求應(yīng)用具有零排量的電比例控制液壓馬達(dá).②運(yùn)用液控自由輪閥防打滑系統(tǒng)是通過將打滑的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)從整體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中分離出來，通過自由輪閥將打滑馬達(dá)的兩個(gè)工作口與油箱連通，由主動(dòng)輪變?yōu)閺膭?dòng)輪，改進(jìn)了電子防打滑系統(tǒng)對(duì)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的嚴(yán)格限制，適用性更廣.③運(yùn)用驅(qū)動(dòng)限速閥的防打滑系統(tǒng)通過限定驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的最高流量，從而保證馬達(dá)在打滑工況下系統(tǒng)仍然可建立起較高的工作壓力來驅(qū)動(dòng)車輛正常行走，從根本上防止馬達(dá)打滑時(shí)的超速危險(xiǎn).系統(tǒng)簡單，工作可靠，不受馬達(dá)形式的制約，尤其適合煤礦巷道作業(yè)車輛不易采用電子防打滑系統(tǒng)的要求.在自行式載重車行走液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)三種防滑系統(tǒng)的特點(diǎn)靈活選擇適合實(shí)際行走閉式液壓系統(tǒng)要求的防打滑方法.

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