双钢轮振动压路机液压系统对比与匹配分析（可编辑）

双钢轮振动压路机液压系统对比与匹配分析（可编辑） 分类号:TH12 10710-2009125088 硕 士 学 位 论 文 双钢轮振动压路机液压系统对比与匹配分析 杨 璐导师姓名职称 冯忠绪 教授 申请学位级别 硕士 学科专业名称 机械设计及理论 论文提交日期 2012年5月10日 论文答辩日期 2012 年5 月23 日 学位授予单位 长安大学 答辩委员会主席 毛开友 学位论文评阅人 张伟社、张小龙 Comparison and Matching of Hydraulic System of Tandem Vibratory RollersA Dissertation Submitted for the Degree of Master Candidate:Yang Lu Supervisor:Prof. Feng ZhongxuChang’an University, Xi’an, China 摘 要 国内外基础建设对工程机械需求的增长为压实机械的发展提供了大的发展空间与 背景,特别是优势突出的高端双钢轮振动压路机。经过模仿研发 与自主开发阶段后,目 前我国压路机处在自主研发和独立创新的过渡阶段。为了提高双钢轮振动压路机的综合 性能,对其行走液压系统和振动液压系统进行了对比与匹配分析。 论文以目前国内外典型的双钢轮压路机为对象进行分析、试验和仿真。首先对双钢 轮压路机进行了不同档位以及不同工况的负荷测试试验和数据处理分析,其中主要包括 作业循环过程中起步、起振、停振、停车和平稳工作过程中所占的时间、功率需求以及 伴随着的压力冲击变化以及发动机转速的变化等。在对系统进行负荷测试的基础上,对 不同的行走和振动系统结构进行分析和性能对比。 行走液压系统的加速度和速度刚度主要受元件质量精度、马达排量、减速机的机械 效率和减速比等影响,但是速度刚度过大,会造成停车过程反拖现象严重。论文分析了 动态过程中功率和压力冲击均较大的原因,双钢轮压路机平稳过程的液压元件的效率均 相对较低,功率较小,所以行走系统应以降低峰值功率和提高平稳过程功率利用率为主。 振动液压系统的机械部分结构参数、路面载荷状况和液压系统参 数均影响频率的稳 定性,起振、停振过程既要兼顾起步过程和考虑压力冲击又受限 于系统的最高工作压力。 振动液压系统起振峰值总功率占发动机总功率的一半以上,通过 控制调整降低其功率峰 值和错开与行走系统的功率峰值,可以降低发动机的装机功率。 利用 Adams和 AMESim建立机械?液压联合仿真模型,将仿真结 果与试验结果对 比,验证仿真模型的正确性和精确性。提出了对行走系统泵排量 控制信号进行分段式设 计的思想,经仿真验证该方法可获得良好的起动性能。 关键词:振动压路机,液压系统,速度特性,压力冲击,功率匹配, 联合仿真 I Abstract The growth of demand for construction machinery provided compaction machine development with big development space and background, particularly superiority tandem vibratory roller. Tandem vibratory roller development is in transition stage of independent research and innovation after imitation research and independent development. Both traveling and vibration hydraulic systems are compared and analyzed in order to improve the comprehensive performance of tandem vibratory rollerIn the article some typical tandem vibratory rollers domestic and overseas are analyzed, tested and researched. First tandem vibratory rollers’ structures are summarized and comparedThen the loads are tested and data are processed of different gears and different modes, including starting, vibration start, vibration stop, parking and smooth working process, power needs, pressure impact and the rotating speed of the engine. Travelling hydraulic system gears setting should be based on vibration parameters. Speed stiffness is mainly affected by the accuracy and quality of components, motor displacement, the mechanical efficiency of the reducer and reducer ratio etc. However, oversize speed stiffness will cause serious reverseThe reasons of the huge dynamic power and pressure impact are figure out. The efficiency and the power of the hydraulic element is relatively low in stationary process. So it’s main to reduce the peak power and improve the power utilization of the stationary process for travel systemThe structural parameters of mechanical parts, the road load conditions and the hydraulic system parameters affect the pressure impact of the vibratory hydraulic system. Vibration start and time is affected by travelling system starting, the pressure impact and the imum system working pressure. Vibratory hydraulic system start-up peak power takes up more than half of the total power of the engine, and controller is designed to stagger the peak powers of the travelling system and vibratory hydraulic system and to reduce the peak vibrating power consumeMachinery & hydraulic co simulation model is establish based on Adams and AMESim software. The correctness and accuracy of the simulation model are verified by comparing the simulation and test results. The idea of travel system pump displacement control signal IIIsectional design is put forward, and this method can achieve good starting performance by simulation Key words:vibratory roller,hydraulic system,speed characteristic,pressure impact, power matching,co-simulation IV目 录 第一章 绪论1 1.1 课题的背景及意义1 1.2 双钢轮振动压路机的发展趋势 2 1.3 双钢轮振动压路机液压系统存在问题 4 1.4 课题研究的主要内容. 6 1.5 课题研究的方法 7 第二章 双钢轮振动压路机的负荷 特征 9 2.1 双钢轮振动压路机工作特点. 9 2.2 双钢轮振动压路机性能要求10 2.3 双钢轮振动压路机工作循环负荷特征. 11 2.3.1 双钢轮振动压路机负荷特性测试试验11 2.3.2 行走系统负荷特性分析12 2.3.3 振动系统负荷特性分析18 2.3.4 双系统组合作业过程负荷特征分析 20 2.4 本章小结. 22 第三章 行走系统对比与匹配分析 25 3.1 行走系统结构和特点25 3.2 行走系统运动参数分析. 26 3.2.1 行走系统运动参数设计要求 26 3.2.2 行走系统运动参数特性30 3.3 行走系统动力学参数匹配 34 3.4 行走系统功率匹配 40 3.5 本章小结. 42 第四章 振动系统对比与匹配分析 43 4.1 振动系统参数与结构对比 43 4.1.1 振动参数高频和低频的对比 43 4.1.2 开式和闭式振动系统对比. 43 4.1.3 单泵双马达与单泵单马达双系统对比46 4.2 振动系统频率影响因素分析50 V4.3 振动系统动力学参数匹配 52 4.4 振动系统功率匹配 57 4.5 本章小结. 58 第五章 双钢轮振动压路机行走系统仿真.61 5.1 仿真模型的建立. 61 5.1.1 Adams 仿真机械模型的建立61 5.1.2 AMESim仿真液压传动系统模型的建立 61 5.1.3 AMESim和 Adams 联合仿真模型62 5.2 仿真模型的验证. 63 5.3 泵控信号的调整与仿真. 64 5.4 本章小结. 67 结论与展望..69 参考文献71 攻读学位期间取得的研究成果75 致 谢.77 VI 长安大学硕士学位论文 第一章 绪论 1.1 课 题 的背景及 意义 预计“十二五”期间全社会固定资产投资增长率在 20%左右,城镇投资仍将占到 85%左右;国家加大保障性住房建设、水利工程建设、海洋工程建设、铁路、公路、城 镇公共交通和基础设施、电力、输气工程、输电工程;预计到 2013 年国际工程机械销 售额将逐步回升到金融危机发生之前的发展趋势,其中发展中国家将成为主要市场,从 而加速“十二五”后期国际工程机械需求增长。本规划预测到 2015 年工程机械主机产 [1] 品国际需求量将达到 2100亿美元,其中流通领域约占 700亿美元左右 。国家对工程机 械的巨大投资,为压实机械制造企业提供了较好的发展市场和机遇。全液压传动、全轮 [2] 驱动双钢轮振动压路机因具有高的压实性能与牵引性能占据国内外市场的绝大部分 。 2011年最新统计数字显示,我国压路机累计销量最高的依然是徐工,但是销售量和 占有率均有所下降,从增长情况看,外资品牌戴纳派克、宝马格、维特根、悍马、沃尔 沃等品牌表现优异,增幅均高于行业平均水平;国内品牌中,往年销量较高的品牌均出 现了大幅下滑,市场对高性能双钢轮振动压路机的需求呈上升趋势,所以高端化和智能 [3] 化将成为双钢轮振动压路机未来新的发展点和增长点 。 性能突出的双钢轮压路机已成为路面压实过程中的主导机型,而在双钢轮压路机中 采用全液压传动方式已然成为主流趋势,主要原因有以下几点: 1 液压传动能在给定范围内平稳的调节牵引速度,并可实现无级调速。所以在压 实过程中能够根据铺层的厚度、温度和摊铺的速度调节压路机的行驶速度,扩大了压路 机的使用范围,也为压实工艺的制订提供了方便。 2 对动态负荷有较好的适应性以及相对较高的效率区间。与机械传动相比,液压 传动在大负荷情况下起动时能在发动机低速大扭矩下迅速建立相应的工作压力并与发 动机功率相匹配,从而获得大的起动扭矩和良好的加速性能,功率利用充分;较液力传 动而言其效率区间较宽,且效率值较高。图 1.1、图 1.2分别为液压传动与液力传动对比 曲线。 1 第一章 绪论A-液压传动;B-变矩器;C-耦合器 A-液压传动;B-变矩器;C-耦合器 图 1.1 传动效率η和变矩比 K关系 图 1.2 液压与液力传动高效区范围 3 易于布置,质心位置调节方便。质心位置是压路机静态参数中比较重要的一个, 其既影响压实的均匀性,又影响行走的直线性、爬坡性能和惯性质量转移的大小。液压 元件质量轻体积小,因此惯性较小,液压泵和液压马达之间用油管连接,在空间布置上 彼此不受严格限制,而且为振动压路机质心的调节提供了很大的便利。 4 便于自动控制,操作性好。液压系统中,压力、流量和方向是非常容易控制的, 再加上电气装置的配合,很容易实现复杂的自动工作循环。 1.2 双钢轮振动压 路机的发 展趋势 随着压实理论和压实新技术的不断发展与进步,全液压驱动、电液控制、实时自动 监控、总线技术等先进技术均得到了广泛的应用,双钢轮压路机技术发展亦日趋完善 [4-5] ,双钢轮压路机的压实质量、压实效率、经济性能和行车舒适性都有了很大的提高。 目前关于双钢轮压路机的研究单位主要有国际压实中心(IHCC )、BOMAG FAYAT GROUP、Transportation Research Board 和 Delft University of Technology 等,国内主要有 长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室、吉林大学和东北大学等,经国内外研 究者的努力已经对双钢轮压路机进行了卓有成效的改进,主要表现在以下几个方面。 1)机械控制??电控??数据总线传输技术 双钢轮压路机从最初的机械控制到电子控制,目前逐渐发展为采用世界上最先进的 [6] 控制系统 CAN-BUS,即数据总线传输技术 ,与传统的电气控制系统不同,该技术的 应用使双钢轮压路机具有以下几点优势: (1)使整机控制水平得以提高; (2)驾驶操控 更加简单; (3)没有复杂的仪表盘,极大地简化了整机的电路,提高了电气控制系统可 靠性;(4)各项信息显示监测更加完善,电路故障自动诊断,方便日常操作及维修。 2 长安大学硕士学位论文 2)戴纳派克首次在压路机上采用“软起动”和“软停车”技术,当行走控制手柄 推到某一位置时,行驶速度并不是马上加速到最大速度,而是缓慢平稳加速;当手柄从 前进或者从后退回到中位,压路机不是立即停机,而是再滑行一段距离,目前最先进的 [7] 双钢轮压路机的起停距离是可以自行设定的 ,避免了对材料的推移,减少裂纹,提高 路面的平整度。 3)振动参数的调整和优化 目前双钢轮压路机振动频率最高可以做到 70Hz 左右,高频振动 使得双钢轮压路机 更适合薄面层作业的需求,冲击间隔更加均匀,路面平整度更高,同时提高了压实效率, 而且可以在桥面振动压实,因高频和桥梁固有频率相差很大,几乎对桥梁结构没有影响; [8] 除此之外,多振幅与无级调频机构使得双钢轮压路机具有更广的适应范围与能力 。 [9] 速频 管理系统 工资管理系统慧云智能化管理系统免费考勤管理系统员工工资计算excel病人信息管理系统 能使振动参数与运动参数相互配合,主要有日本酒井 和徐州工程机 械股份有限公司的速频管理系统,将速度传感器和频率传感器的信号传递至控制器,经 过运算处理后在显示屏上显示出速频关系,方便用户观察和正确使用压路机。 4)中压 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 提升为高压方案 液压系统的工作压力是由负荷产生的,双钢轮压路机系统压力选择与参数匹配应该 依据载荷的实际循环来设定,对液压元件的压力配置必须综合考虑工作寿命和效率。一 般通过主溢流阀限定系统的最高工作压力,对系统起安全保护作用。 由于泵、马达技术的不断更新发展,新系列油泵改进了设计,耐高压能力较原有系 列有所提高,从目前相关泵、马达技术资料来看,Rexroth 新型泵的压力比原来又提升 了大约 5MPa,所以现在泵最高工作压力可达到 50MPa,如图 1.3 所示,具有高效率, [10-11] 低噪音以及高功率密度 。 图 1.3 不同压力下牵引力对比 5)普通泵改为集成型泵 双钢轮压路机外观造型的优化后易受内部空间限制,采用紧凑的集成型油泵就可以 3 第一章 绪论 较好的解决这个问题,因为紧凑型油泵的有以下几个特点: (1)油泵轴向长度与是否通 轴驱动无关;(2)带压力切断功能;(3)内置补油泵,补油泵不在外置。 紧凑的集成型泵应用于双钢轮压路机振动和行走系统时组成三串泵方案,有如下几 个特点:(1)双振动泵方案提高了液压系统的效率;(2)主机不需要分动箱;(3)前、 后钢轮的振动液压系统可以独立控制,操作更加简便; (4)液压 振动系统独立回路,与 单泵?双马达串联系统比较无压力叠加,减少了单个回路流量,系统可选配小通径油管; (5)液压振动系统回路中不需要安装振动阀,提升了振动系统的性能;(6)模块式组 合,且有多种油泵组合可能;(7)紧凑型油泵轴向长度较常规油泵缩短了约 17%左右。 [12-13] 国外某 型号 pcr仪的中文说明书矿用离心泵型号大全阀门型号表示含义汽车蓄电池车型适配表汉川数控铣床 双钢轮压路机的行走和振动液压系统采 A4VG56+A10VG45+A10VG45 [14-15] 的三串泵方案,其总长度小于 590mm 。 6)双钢轮压路机防打滑技术 目前双钢轮压路机的液压驱动系统多采用单泵双马达并联的形式,由此产生的问题 之一就是会当其中的一个钢轮附着力不足时会造成打滑,导致车辆失去牵引力,同时造 成马达因超速而损坏,为了解决这一问题目前在双钢轮压路机上逐渐采用高效的电子防 滑转技术。该技术可以自动对泵和马达进行协调控制,防止引起马达超速,并且重新建 立系统压力,提供车辆所需要的牵引力,避免车辆爬坡时坡上打 滑,有利于改善双钢轮 [16] 压路机的爬坡能力 。 由上述发展趋势可以看出,这些改善措施的核心都是为了保证压实质量,而所有的 这些措施都是由调控或匹配振动和行走液压系统而实现的。 1.3 双钢轮振动压 路机液压 系统存在 问题 液压系统是双钢轮压路机系统中的一个重要的组成部分,其性能优劣决定了压路机 的压实效果和使用范围,而且对整车的功率消耗以及经济节能有重要影响,然而目前双 钢轮压路机液压系统存在以下几方面主要问题: 1)压路机本身的循环式作业特点使得机器负荷呈交变循环模式,如图 1.4~1.7分别 为行走系统和振动系统从起动到停止过程压力和功率波动曲线。其最明显的特点为: (1) 动态负荷较大; (2)平稳负荷相对较小; (3)动态负荷和平稳负荷差值较大。压路机恒 速压实阶段所需功率较小,而起步和起振瞬间所需功率较大,甚至有短时超过发动机额 定功率的现象。 4 长安大学硕士学位论文图 1.4 行走系统压差曲线 图 1.5 行走系统功率曲线图 1.6 振动系统压差曲线 图 1.7 振动系统功率曲线 2)循环作业过程中液压系统的能量不能充分发挥,利用率相对较低,而且影响元 件的寿命,主要体现在以下两点: (1)动态过程中存在冲击,甚至长时间溢流; (2)平 稳过程能量利用不高,效率低下。双钢轮压路机在工作时的负载是时刻在变化的,尤其 是在起步、起振过程中负载变化比较大,产生剧烈变化的压力,形成瞬时压力峰值,产 [17] 生液压冲击。根据《液压轴向柱塞泵试验方法》 (JB/T7044-93) 和《液压轴向柱塞技 [18] 术条件》 (JB/T7043-93) 可知,液压元件在压力冲击下工作 1 小时(冲击频率为 10~30 次/分)相当于在同等幅值情况下工作 8.2~24.5小时。 3)双钢轮压路机中振动液压系统和行走液压系统双系统共同工作。振动和行走两 系统驱动的执行机构惯性负荷较大,使得系统的控制方式更复杂,对双系统的相互配合 [19] 有一定要求,对动力源的要求也较高 。行走和振动系统在起动过程会引起发动机掉速, 而停机过程又可能会产生严重的升速,严重损害发动机及液压元件的使用寿命,这种转 速的变化对行走过程中进行精细作业的压路机来讲还会影响其作业质量,图 1.8~图 1.9 为压实作业过程中行走和振动液压系统压差和发动机转速曲线。 5 第一章 绪论图 1.8 低频高幅 I 档压实作业 图 1.9 高频低幅 I 档压实作业 对于双钢轮压路机这种负荷波动剧烈的工程机械,解决以上问题的核心就是合理匹 配液压系统,做好动力系统和执行机构间的传递纽带,液压系统性能参数的合理匹配是 系统获得高效、可靠的工作性能和降低系统元件采购成本的基本保障,提高机器综合性 能的主要途径就是对液压传动系统进行匹配分析研究,最终实现一种传动效率高,传动 比调节范围大,可控制性好的液压传动系统。 1.4 课 题 研究的主 要内容 本课题以双钢轮压路机为研究对象,主要包括行走液压系统和振动液压系统,两大 系统分别由各自独立的液压回路完成,彼此之间相对独立,但是 泵作为液压系统中的动 力元件与发动机接口,因此液压系统的流量、压力、扭矩和功率与发动机的输出性能具 有密不可分的关系,同时马达作为液压系统中的执行元件又与压路机负荷接口,而负荷 的动态变化又直接对动力元件的输出产生影响,通过对液压系统进行分析和调节使三者 之间形成良好的匹配关系,正是本文要研究的主要内容,具体包括以下几方面。 (一)行走系统的合理匹配及调控模式 (1) 行走系统的不同工况负荷测试试验及特征 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf ; (2) 行走系统的结构和工况特点; (3) 行走系统加速度和速度刚度的影响因素; (4) 行走液压系统的动力匹配; (5) 行走液压系统的功率配置。 (二)振动系统的动态特性及匹配分析 (1) 振动系统的不同振动参数下负荷测试试验及特征总结; (2) 振动参数与振动系统结构对比; 6 长安大学硕士学位论文 (3) 振动系统频率影响因素分析; (4) 振动液压系统的不同振动参数下的压力和扭矩; (5) 振动液压系统不同振动参数下的功率配置。 (三)行走系统仿真 (1) 联合仿真模型的建立与模型的验证; (2) 变量泵控制信号的调整与仿真。 1.5 课 题 研究的方 法 课题就双钢轮压路机液压系统存在的问题,采用以理论分析对比、试验测试验证和 仿真分析优化相结合的方法进行研究。 科学的理论分析对课题的研究具有重要的指导意义。理论分析能够反映出事物的本 质,能够清晰表达出各影响因素之间的关系,为下一步的研究提供理论上的导向和依据。 但是理论分析通常较为复杂,需要推导大量的公式及相互关系。因此,在公式推导和建 立相关数学模型的过程中,采用合理的假设,进行模型简化,并需要试验来验证。 试验研究通过主支变革、控制研究对象来发现与确认事物间的因果联系,也是检验 理论正确与否的唯一 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 。试验研究借助各种方法技术,减少或消除各种可能影响科学 的无关因素的干扰,在简化、纯化的状态下认识研究对象,用来检验理论上提出的方案 的正确性和可行性。 仿真软件可以完成需要的设计、制造和模拟试验过程。仿真软件的应用可以大大简 化建模过程,降低机械的设计成本,减小相关人员的工作量,最终实现系统的优化,缩 短研发周期。 7 长安大学硕士学位论文 第二章 双钢 轮 振动压 路机的 负荷特 征 2.1 双钢轮振动压 路机工作 特点 双钢轮振动压路机是工程施工的重要设备之一,主要用于公路、铁路、机场、港口、 建筑等工程中基层和面层的压实,包括土壤和沥青混合料等的普通压实和回填石料、路 基材料等的艰难压实,双钢轮压路机主要涉及到以下几种工况。 1)压实工作循环 在压实过程中,双钢轮压路机的作业方式属于典型的连续循环作业,如图 2.1所示, 包括起步加速、起振、匀速压实、停振、停车减速过程,其中频繁的循环前进或后退换 向,在起动过程中起步、起振和停车过程中停振、停车都是双系统协同工作,平稳压实 过程是双系统相对独立的稳定工作。图 2.1 双钢轮压路机压实工作循环 2)运输工况 运输工况一般指压路机短距离转场过程中,由于消耗的功率和承载的扭矩相对较 低,所以在最大速度行驶。 3)其他工况 双钢轮压路机有时处在坡道作业或转向等复杂工况。在砾石或坡道压实等工况下, 钢轮附着性能变差,机器的驱动能力如果不能和工况相适应就会引起工作效率和工作质 量下降。 表 2.1 CC系列压路机载荷过程 工况 扭矩百分数% 速度百分数% 时间百分数% 运输 33 100 10 一般压实 40 60 53 艰难压实 46 42 30 爬坡 60 48 5 瞬时最大载荷 100 18 2 9 第二章 双钢轮振动压路机的负荷特征 表 2.1为国外某系列双钢轮压路机载荷谱,振动压路机并不是总处于满载荷下工作, 相当一部分时间内,压路机在 50%额定载荷以下工作。 2.2 双钢轮振动压 路机性能 要求 双钢轮压路机的工作过程是一个周期的循环过程,对其又有作业质量要求,而且压 实质量是其性能指标的首要指标,其次应考虑可靠性、经济性、动力性和舒适性等性能。 本文主要关注双钢轮压路机的行走液压系统和振动液压系统,液压系统的参数匹配要与 载荷相适应,要综合效率、动态特性对液压系统的影响,要求能够节能高效,主要有以 下几方面要求。 (一)作业质量要求 双钢轮压路机其主要应用于面层和基层的压实,对于面层压实,首先要保证平整度, 然后是压实度及其均匀性,对于基层压实首先要保证压实度,然后是均匀性和平整度。 在介质均匀规范化的前提下使工作装置载荷达到稳定值的充要条件就是要求运动状态 的稳定性。提高这些性能的关键就是调控液压系统使负荷尽可能平稳变化,而且尽可能 处于系统的高效区间。 (二)可靠性 工作机构的动态特性将直接反映到传动系统上,对于液压系统最显著的变化就是压 力的大小和方向的变化所形成的压力冲击现象,这对机器寿命和可靠性是致命的伤害, [20] 这就要求提高元件的质量和尽可能减小压力冲击 。 (三)动力性 发动机作为双钢轮压路机的动力源,其动力性是双钢轮压路机整机使用性能的基 础。发动机的动力性的发挥与机器负荷变化密切相关,液压传递系统的好坏表征了执行 [21-22] 机构对发动机功率利用的有效程度 。 除此之外,在不影响压实质量和保证动力性能的基础上,应尽可能减少燃油消耗量, 经济作业和行驶;改善操作性、增加舒适性也是压路机发展的重要方面。 基于以上性能要求,分析双钢轮压路机的负荷循环变化规律至关重要,通过分析工 作机构的动态特性对液压系统的影响,以保证液压系统各元件的可靠性与寿命,从而保 证动力传递的平稳性;同时匹配可靠、高效的传动系统,使得发动机输出动态波动较小, 平均动力输出较大,工作装置运动特性、动力特性适合作业、运 输等多种工况的需求。 10 长安大学硕士学位论文 2.3 双钢轮振动压 路机工作 循环负荷 特征 2.3.1 双钢轮振动压路机负荷特性测试试验 惯性负荷是机械产生动力响应的本质原因,惯性载荷的产生又是由机械本身的质量 引起的。为了清楚观测双钢轮压路机的负荷特性,对目前国内外典型的双钢轮压路机进 行了详细试验对比测试和分析,表 2.2为试验研究样机的基本参数。 表 2.2 试验研究样机的主要基本参数 主要技术参数 样机一 样机二 样机三 样机四 样机五 工作质量/kg 12500 11850 11300 12600 13000 前后轮分配 6050/6450 5890/5960 5650/5650 6300/6300 6500/6500 质量/kg 振动轮静线压力 30.25/32.25 30.2/30.6 29.0/29.0 30.0/29.1 30.5/30.5 /kg/cm 高幅 50/0.6 49/0.59 51/0.8 51/0.8 51/0.8 频率Hz/振幅mm 42/0.6 49/0.67 67/0.3 低幅 62/0.34 50/0.3 67/0.3 67/0.3 67/0.3 频率Hz/振幅mm 62/0.24 42/0.3 高幅激振力/kN 148/82/58 128/111 154 166 165 低幅激振力/kN 141/100 65/72 101 106 108 0~4 0~6 0~6 行驶速度/km/h 0~7 0~12 0~12 0~9 0~12 0~11 0~12 最小转弯半径/ m 6.3 / 6.07 6.16 6.60 最大爬坡能力/ % 31 34 40 36 40 发动机额定功率/ 90 93 82/93/113 93/113 98 kW 单泵单马达 单泵单马达 单泵单马达 单泵单马达 振动形式 单泵双马达 (变量双泵) 双系统 双系统 双系统 单泵双高速 单泵双低速 单泵双高速 单泵双高速 单泵双高速 驱动形式 马达并联 马达并联 马达并联 马达并联 马达并联 (一)试验标准 试验测试中,参照国标《振动压路机性能试验方法》 (GB-T4478-95)、 《振动压路机》 (GB-T8511-2005)和《自行式振动压路机》(GB-T8511.1-1995) 及相关标准执行。压 路机在悬空状态、在橡胶槽或者不同路面上分别以不同档位进行起步加速、匀速行驶、 停车减速和起振、振动、停振试验。对压路机的行走速度、行走和振动起、停时间和加 速度、行走马达转速、振动马达转速、振动加速度、发动机转速、行走液压系统压力、 11 第二章 双钢轮振动压路机的负荷特征 振动液压系统压力等进行测试,试验如图 2.2所示。 (二)试验主要仪器介绍 试验测试主要采用数据采集仪、加速度传感器、测速仪、压力和位移传感器等。 DEWE2010 型数据采集仪:主机配置便携式 16 位数据采集系统,内置 16 路 DEWETRON DAQ/PAD 系列调理模块插槽,提供 16通道动态信号输入,所有通道同步 采样,数据传输率 40MB/s,输入信号范围-35V~60V,分辨率 24Bit,最大采样率 50MHz。 加速度传感器:采用朗斯的 LC0401,电荷灵敏度:20pC/g,频率范围:1~10000Hz (?10%,横向灵敏度:?5%,质量:21mg,使用温度范围:-20~+120?。 压力传感器:采用 PTY量程 60MPa 的传感器,灵敏度?2%。 (三)试验结果分析与处理 试验后可以将采集的数据导出到数据分析处理软件中,如 Excel、FlexPro、Origin 或 MATLAB 等。本课题中主要将采集的数据导出到 Origin 中进行相关分析和处理。试验现场 数据采集仪行走系统试验 振动系统试验 图 2.2 双钢轮压路机试验图 2.3.2 行走系统负荷特性分析 12 长安大学硕士学位论文 行走系统负荷特性主要以目前技术发展比较成熟的双钢轮压路机样机四为主要对 象进行分析,该试验样机各档位泵、马达排量及速比如表 2.3 所示。 表 2.3 样机四行走液压系统配置 驱动泵排量 前轮马达排量 前桥速比 后轮马达排量 前后轮马达 后桥速比 i 档位 b q / i q / q ml / r ml / r ml / r 排量比 i p mf f mb 0 ?档 0~56 (全排量)45 56 (全排量)45 56 1 ?档 0~56 (半排量)22 56 (半排量)45 56 0.49 ?档 0~56 (全排量)22 56 (全排量)22 56 1 (一)平稳行驶过程中载荷状况 压路机的行走系统的平稳过程主要指匀速行驶过程(匀速压实工 况、运输工况), 负荷特性见表 2.4。 表 2.4 样机四匀速行驶过程(水泥路面)行走系统负荷特性表 整车工况 前轮负荷状况 后轮负荷状况 v / M / F /// F // b M // ef tf b eb tb f f工作状态m/s? N.mN % % N %N.m% ?档 1.704 33.63 16.8 2897.4 50 33.63 16.8 2897.4 50 匀速行驶 ?档 2.281 17.84 18.2 1537.0 32.8 36.49 18.2 3143.8 67.2 ?前进? ?档 3.444 27.63 28.2 2380.4 50 27.63 28.2 2380.4 50 ?档 1.691 25.04 12.5 2157.3 50 25.04 12.5 2157.3 50 匀速行驶 ?档 2.272 15.04 15.4 1295.8 32.8 30.77 15.4 2651.0 67.2 ?后退? ?档 3.448 18.89 19.3 1627.4 50 18.89 19.3 1627.4 50 v ?行驶速度, m/s; 其中: M ?前、后钢轮马达输出扭矩值,Nm; fb , FF , ?前、后钢轮提供的有效牵引力,N; ef ef M f, b? ?前、后马达提供的扭矩占各自能提供的最大扭矩的百分 比, %; f, b M F e? ?前、后钢轮提供的牵引力占能提供的总牵引力的百分比,%。 tf , tb F t 由表 2.4 可知,该双钢轮压路机行走系统在平稳工作过程中,前、后马达所提供的 最大扭矩均能满足工况需要,平稳负荷均较小,主要克服机器外部行驶阻力和内部摩擦 13 第二章 双钢轮振动压路机的负荷特征 阻力。前、后马达的最大扭矩仅占所能提供的最大扭矩的比例相对较小,最大才达到 16.8%。其中?、?档,前后马达排量 1:1,前后马达提供的牵引力几乎一样,充分发挥 了整车的驱动能力。?档前后马达排量比为 0.49,前轮提供的切线牵引力小于后驱动轮, 此时后钢轮主要起驱动作用,在特殊情况下可以用 Combi 橡胶轮替换后钢轮,提高动力 [23] 性能 。 (二)动态过程中载荷状况 压路机的行走系统的动态过程主要指起步加速、停车减速过程。 样机四在悬空、水 泥路面不同档位时,负荷特性如表 2.5~2.10 所示。 表 2.5 样机四悬空前进 I 档负荷特性表 转矩百分数 压差 加速终了 时间百分数 况 工 工作状态 时间/s (%) (MPa) 速度(m/s) (%) 加速前 0.3 0.09 起步 瞬时最大 23.4 6.52 1.93 2.19 5.6 加速 加速终了 15.9 4.44 前 匀速 15.6 4.36 1.90 34.52 88.1 进 减速前 15.3 4.28 停车 瞬时最大 16.3 4.56 1.87 2.45 6.3 减速 减速终了 0.5 0.15 表 2.6 样机四悬空前进?档负荷特性表 转矩百分数 压差 加速终了 时间百分数 况 工 工作状态 时间/s (%) (MPa) 速度(m/s) (%) 加速前 0.5 0.15 起步 瞬时最大 37.8 10.57 2.28 1.90 8.2 加速 加速终了 19.7 5.51 前 匀速 19.4 5.41 2.47 17.31 74.9 进 减速前 19.0 5.31 停车 瞬时最大 16.7 4.67 2.65 3.90 16.9 减速 减速终了 0.8 0.2114 长安大学硕士学位论文 表 2.7 样机四悬空前进 III 档负荷特性表 转矩百分数 压差 加速终了 时间百分数 工 工作状态 时间/s 况 (%) (MPa) 速度(m/s) (%) 加速前 0.1 0.02 起步 瞬时最大 78.4 21.94 3.59 1.95 8.8 加速 加速终了 23.2 6.49 前 匀速 23.2 6.49 3.65 16.15 72.8 进 减速前 22.8 6.39 停车 瞬时最大 49.7 13.89 3.71 2.24 18.4 减速 减速终了 0.6 0.18图 2.3 行走系统压差与角加速度关系曲线 图 2.4 行走系统功率与角加速度关系曲线 表 2.8 样机四水泥混凝土路面行驶行走系统?档负荷特性表 转矩百分数 压差 加速终了 时间百分数 工况 工作状态 时间/s (%) (MPa) 速度(m/s) (%) 加速前 0.6 0.17 起 步 瞬时最大 72.0 20.1 1.704 2.44 2.8 加 速 加速终了 19.6 5.46 前 匀速 17.1 4.78 1.710 38.50 44.5 进 减速前 14.7 4.10 停 车 瞬时最大 58.5 16.32 1.716 2.34 2.7 减 速 减速终了 0.5 0.15 加速前 0.6 0.17 起 步 瞬时最大 61.0 17.03 1.691 2.48 2.8 加 速 加速终了 10.9 3.03 后 匀速 9.7 2.72 1.689 39.00 44.5 退 减速前 8.6 2.41 停 车 瞬时最大 58.5 16.34 1.688 2.39 2.7 减 速 减速终了 0.5 0.13 15 第二章 双钢轮振动压路机的负荷特征 表 2.9 样机四水泥混凝土路面行驶行走系统?档负荷特性表 转矩百分数 压差 加速终了 时间百分数 工况 工作状态 时间/s (%) (MPa) 速度(m/s) (%) 加速前 0.4 0.10 起 步 瞬时最大 134.7 37.63 2.281 2.232 11.3 加 速 加速终了 16.8 4.70 前 匀速 18.4 5.14 2.287 19.84 79.6 进 减速前 20.0 5.58 停 车 瞬时最大 116.7 32.59 2.292 1.81 9.13 减 速 减速终了 0.6 0.16 加速前 0.6 0.17 起 步 瞬时最大 126.3 35.27 2.272 2.300 9.59 加 速 加速终了 14.3 3.99 后 匀速 12.8 3.57 2.280 19.873 82.84 退 减速前 11.3 3.15 停 车 瞬时最大 133.4 37.26 2.288 1.816 7.57 减 速 减速终了 0.4 0.10 表 2.10 样机四水泥混凝土路面行驶行走系统?档负荷特性表 转矩百分数 压差 加速终了 时间百分数 工况 工作状态 时间/s (%) (MPa) 速度(m/s) (%) 加速前 0.7 0.20 起 步 瞬时最大 151.6 42.42 3.444 4.113 8.8 加 速 加速终了 27.3 7.63 前 匀速 25.2 7.05 3.442 17.18 36.6 进 减速前 23.1 6.46 停 车 瞬时最大 150.8 42.19 3.440 2.19 4.6 减 速 减速终了 0.6 0.16 加速前 0.4 0.12 起 步 瞬时最大 149.5 41.82 3.448 4.00 8.6 加 速 加速终了 17.3 4.83 后 匀速 16.9 4.74 3.444 17.25 36.8 退 减速前 16.6 4.65 停 车 瞬时最大 155.0 43.36 3.440 2.14 4.6 减 速 减速终了 0.5 0.14 16 长安大学硕士学位论文图 2.5 行走系统压差与加速度关系 曲线 图 2.6 行走系统功率与加速度关系曲线 表 2.11 样机四水泥混凝土路面行驶行走系统最大切线牵引力 以及加速度分析 ?档 ?档 ?档 工 工作状态 最大切线 最大加 最大切线 最大加 最大切线 最大加 况 2 2 2 牵引力/kN 速度m/s 牵引力/kN 速度m/s 牵引力/kN 速度 m/s 起步加速 25.345 1.17 36.01 1.64 26.177 1.29 前 进 停车减速 19.244 1.41 30.41 2.20 25.717 2.03 起步加速 21.454 0.90 32.97 1.67 25.487 1.14 后 退 停车减速 21.225 1.39 35.76 2.45 26.519 2.05 1)通过悬空转动、水泥混凝土路面行驶载荷对比可知,不同行驶 条件下动态特性 差异明显,空转过程主要克服摩擦阻力和旋转惯性力,正常行驶 主要克服平移惯性力、 旋转惯性力、内部摩擦阻力和地面阻力等。 2)从表 2.8~2.10中可以看出,平稳工作过程负荷较小,但动态负荷较大,二者差 值较大,必然对元件构成压力冲击,在?、?档行走系统动态负荷都超过了马达所能提 供的最大扭矩,这必定大大影响元件的使用寿命。 3)起步加速和停车减速的动态过程总时间占循环周期的 15~20%,但瞬时功率需求 较大,是平稳功率的 2倍左右,在水泥混凝土路面行驶过程中,起步最大加速度?档~ 2 2 2 ?档为 1.1 m/s ~1.6 m/s ~1.2 m/s ,停车减速最大加速度?档~?档为 2 2 2 -1.4 ~-2.3 ~-2.0 。 m/s m/s m/s 4)起步和停车过程惯性力引起载荷的转移,起步加速过程中,前轮部分载荷向后 轮转移,即前轮载荷减小,后轮载荷增大;停车减速过程中,后轮部分载荷向前轮转移, [24] 即前轮载荷增大,后轮载荷减小 ,见表 2.12。 17第二章 双钢轮振动压路机的负荷特征 表 2.12 压路机行走过程前后轮载荷变化情况 载荷变化情况 行车方向 工作循环过程 前轮 后轮 起步加速 ? + 前进 平稳运行 × × 停车减速 + ? 起步加速 + ? 后退 平稳运行 × × 停车减速 ? + “?”代表减小;“+”代表增大;“×”代表无变化。 2.3.3 振动系统负荷特性分析 以目前技术发展比较成熟的双钢轮压路机样机四为主要对象进 行分析,该试验样机 振动系统为单泵?单马达双系统,泵、马达排量如表 2.13所示。 表 2.13 样机四振动液压系统配置 -1 -1 ml ?r ml ?r 振动形式 激振力/kN 发动机转速/r/min 泵排量/ 马达排量/ 高频