阅读说明：本技术 一种全液压推土机 (Full hydraulic bulldozer ) 是由 朱耿寅 赵晓云 秦贞佩 关祥龙 姜友山 于 2019-09-17 设计创作，主要内容包括：本发明提出一种全液压推土机,包括控制单元和执行单元,控制单元包括操作机构,执行单元包括至少一个数字变量泵、至少一个数字变量马达、补油泵和控制器,数字变量泵与发动机刚性连接,数字变量泵和数字变量马达构成闭合回路,数字变量泵的输出轴上设有扭矩传感器,数字变量马达的输出轴上设有转速传感器,补油泵与数字变量泵以及数字变量马达相连接,控制器与数字变量泵、数字变量马达、扭矩传感器以及转速传感器电连接,控制器配置为根据扭矩传感器的反馈信号生成数字变量泵的控制量,根据转速传感器的反馈信号生成数字变量马达的控制量,操作机构与控制器电连接。(The invention provides an all-hydraulic bulldozer, which comprises a control unit and an execution unit, wherein the control unit comprises an operating mechanism, the execution unit comprises at least one digital variable pump, at least one digital variable motor, an oil supplementing pump and a controller, the digital variable pump is rigidly connected with an engine, the digital variable pump and the digital variable motor form a closed loop, a torque sensor is arranged on an output shaft of the digital variable pump, a rotating speed sensor is arranged on an output shaft of the digital variable motor, the oil supplementing pump is connected with the digital variable pump and the digital variable motor, the controller is electrically connected with the digital variable pump, the digital variable motor, the torque sensor and the rotating speed sensor, the controller is configured to generate the control quantity of the digital variable pump according to a feedback signal of the torque sensor, the control quantity of the digital variable motor is generated according to the feedback signal of the rotating speed sensor, and the operating mechanism is electrically connected with the controller.)

一种全液压推土机

技术领域

本发明实施例涉及工程机械技术，尤其涉及一种全液压推土机。

背景技术

推土机适用于公路、铁路、矿山、机场等地面的推运、开挖、回填土石方以及其它散料作业，是国防工程、矿山建设、城乡道路等建筑施工和水利建设等不可缺少的机械设备。

传统的全液压推土机主要靠发动机带动行走泵，进而通过液压系统带动行走马达，再通过终传动带动履带实现行走。由于传统全液压推土机都靠终传动带动履带实现最终的行走，所以不同马力的推土机都要设计一种独有的终传动(减速机)，但终传动在工作中容易出现内部零部件磨损、发热，因此维修十分不方便。传统的全液压推土机存在的问题还包括：铲掘工况时，推土阻力很大，发动机往往在最大扭矩附近工作，造成发动机功率的损失。运土和卸土工况时推土阻力略小一些，但也会造成发动机功率的损失。倒退工况时，推土阻力很小，往往要求机器具有较高的速度和较低的油耗，虽然发动机功率损失很小，但油耗较大。

发明内容

本发明提供一种全液压推土机，全液压推土机的发动机可以在最佳工作区工作，以实现降低发动机燃油消耗，节约能源的目的。

本发明实施例提供一种全液压推土机，包括控制单元和执行单元，所述控制单元包括操作机构，所述执行单元包括至少一个数字变量泵、至少一个数字变量马达、补油泵和控制器。所述数字变量泵与发动机刚性连接，所述数字变量泵和所述数字变量马达构成闭合回路，所述数字变量泵的输出轴上设有扭矩传感器，所述数字变量马达的输出轴上设有转速传感器。所述补油泵与所述数字变量泵以及所述数字变量马达相连接。所述控制器与所述数字变量泵、所述数字变量马达、所述扭矩传感器以及所述转速传感器电连接，所述控制器配置为根据所述扭矩传感器的反馈信号生成所述数字变量泵的控制量，根据所述转速传感器的反馈信号生成所述数字变量马达的控制量。所述操作机构与所述控制器电连接。

进一步的，所述执行单元还包括过滤器、分油块和制动换向阀，所述补油泵通过所述过滤器与所述分油块相连接，所述补油泵通过所述分油块分别向所述数字变量泵、所述数字变量马达以及所述制动换向阀提供液压油。

进一步的，所述执行单元还包括锁存器，所述锁存器与所述控制器电连接。

进一步的，所述控制单元还包括采样保持器和A/D转换器，所述采样保持器与所述A/D转换器电连接，所述操作机构通过所述采样保持器、所述A/D转换器与所述控制器电连接。

进一步的，所述操作机构为控制手柄。

进一步的，所述操作机构还包括缓冲器，所述操作机构通过所述缓冲器与所述控制器电连接。

进一步的，还包括交互单元，所述交互单元包括键盘和显示器，所述键盘和所述显示器与所述控制器电连接。

进一步的，还包括外部通信单元，所述外部通信单元通过定时计数器与所述控制器电连接。

进一步的，所述执行单元包括第一数字变量泵、第二数字变量泵、第一数字变量马达、第二数字变量马达，

所述第一数字变量泵、所述第二数字变量泵与所述发动机刚性连接，所述第一数字变量泵与所述第一数字变量马达构成闭合回路，所述第二数字变量泵与所述第二数字变量马达构成闭合回路，所述第一数字变量泵、所述第二数字变量泵的输出轴上分别设有第一扭矩传感器和第二扭矩传感器，所述第一数字变量马达、所述第二数字变量马达的输出轴上分别设有第一转速传感器和第二转速传感器。

进一步的，所述第一数字变量泵、所述第二数字变量泵通过联轴器与所述发动机刚性连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提出的全液压推土机结构紧凑，该全液压推土可以实现数字变量泵与发动机之间的功率匹配，保证发动机在最佳工作区工作，降低了发动机燃油消耗，节约能源。该全液压推土配合数字控制方法可以提高操作舒适度及作业质量。

附图说明

图1是实施例中全液压推土机结构示意图；

图2是实施例中另一种全液压推土机结构示意图；

图3是实施例中另一种全液压推土机结构示意图；

图4是实施例中一种执行单元结构示意图；

图5是实施例中全液压推土机控制方法方框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图1是实施例中全液压推土机结构示意图，参考图1，本实施例提出一种全液压推土机，包括控制单元1和执行单元2，控制单元2包括操作机构101，执行单元2包括至少一个数字变量泵201、至少一个数字变量马达202、补油泵203和控制器204。数字变量泵201与发动机205刚性连接，数字变量泵201和数字变量马达202构成闭合回路，数字变量泵201的输出轴上设有扭矩传感器，数字变量马达202的输出轴上设有转速传感器。补油泵203与数字变量泵201以及数字变量马达202相连接。控制器204与数字变量泵201、数字变量马达202、扭矩传感器以及转速传感器电连接，控制器204配置为根据扭矩传感器的反馈信号生成数字变量泵201的控制量，根据转速传感器的反馈信号生成数字变量马达202的控制量。操作机构101与控制器204电连接。操作机构101用于向控制器204输入控制指令。

可选的，数字变量泵201选用数字变量柱塞泵，数字变量马达202选用数字变量柱塞马达。可选的，数字变量泵201可以通过联轴器与发动机205刚性连接。

本实施例提出的全液压推土机为闭式系统。即，数字变量泵201和数字变量马达202构成闭式泵结构，本实施例提出的这种闭式泵结构体积小，功率大，可以实现良好的节能效果。控制器204通过转矩传感器采集数字变量泵201的转矩信号，根据该转矩信号生成针对数字变量泵201的控制信号，控制器204和数字变量泵201之间构成一个闭环控制环节，通过该闭环控制环节，可以根据发动机的实际工况修正针对数字变量泵201的控制信号，使在不同位置油门时，发动机205和数字变量泵201之间均能实现有效匹配，进而减少全液压推土机作业时的油耗。

与数字变量泵201类似，控制器204与数字变量马达202之间也构成一个闭环控制系统，通过控制器204直接生成针对数字变量马达202的控制信号，可以实现全液压推土机的无极调速，即需要多大的行驶速度就可以得到多大的行驶速度，这样全液压推土机中不再需要减速机，同时由于控制器204直接接收数字变量马达202的转速信号，因此当使用多个变量马达202时，控制器204可以精确的使每个数字变量马达202转速稳定在指定转速，这样单个由数字变量马达202驱动的履带不会出现速度的渐变或跳变，可以有效避免“跑偏”现象，提高作业质量。

为了在复杂工况下实现对数字变量泵201和数字变量马达202的精确控制，本实施例采用模糊控制方法生成数字变量泵201和数字变量马达202的控制量。具体的，本实施例中采用三维模糊控制方法，即将转矩信号或者转速信号的误差、误差的增量以及误差增量的增量作为输入，针对数字变量泵201、数字变量马达202马达的控制信号作为输出建立模糊控制规则。其中转矩和转速的误差采用如下公式计算：

E(U(T))＝K₁×e(U(T_k))＝K₁×[R_T-y(U(T_k))]

E(U(V))＝K₁×e(U(V_k))＝K₁×[R_V-y(U(V_k))]

误差的增量采用如下公式计算：

ΔE(U(T))＝K₂×Δe(U(T_k))＝K₂×[e(U(T_k))-e(U(T_k-1))]

ΔE(U(V))＝K₂×Δe(U(V_k))＝K₂×[e(U(V_k))-e(U(V_k-1))]

误差增量的增量采用如下公式计算：

ΔE²(U(T))＝K₃×Δe²(U(T_k))＝K₃×[Δe(U(T_k))-Δe(U(T_k-1))]

ΔE²(U(V))＝K₃×Δe²(U(V_k))＝K₃×[Δe(U(V_k))-Δe(U(V_k-1))]

上式中，K₁、K₂、K₃为语言变量的量化因子，R_T、R_V为设定的初始控制信号参考值，U(T_k)、U(V_k)由转矩传感器和转速传感器输出的转矩和转速序列，y(U(T_k)、y(U(V_k)为上述序列对应的控制信号。将发动机205的转速或者转矩看做油门开度的一元函数，此时，每一油门开度值可以对应一发动机205转速或转矩，即每一油门开度值可以对应一发动机205的功率。基于此，构建功率平衡方式：

M_en_e＝f(ΔP，S，T)

式中M_e为发动机205的转矩，n_e为发动机205转速，P为闭式泵结构回路中高、低压侧压力差，S为数字变量泵201的排量，T为数字变量泵201输出轴的转矩。基于上述功率平衡方程，可结合油门开度值以及数字变量泵201的初始排量确定初始参考转矩，再根据初始参考转矩设定初始控制信号参考值R_T，这样当全液压推土机处于某一工况时，若数字变量泵201的转矩发生变化，则控制器204可以生成针对数字变量泵201的控制信号，进而改变数字变量泵201的排量，使发动机205与数字变量泵201之间达到功率匹配。与设定初始控制信号参考值R_T的方式类似，每一油门开度值可以对应一数字变量马达202输出轴的转速，基于此，结合油门开度值可以设定初始控制信号参考值R_V，进而控制器204可以通过转速传感器的反馈值，稳定数字变量马达202输出轴的转速。

图5是实施例中全液压推土机控制方法方框图，参考图5，与二维模糊控制相同，三维模糊控制的过程为：

步骤1.计算转矩和转速的误差E(U(T))、E(U(V))，误差增量ΔE(U(T))、ΔE(U(V))，误差增量的增量ΔE²(U(T))、ΔE²(U(V))；

步骤2.将精确的误差、误差增量、误差增量的增量模糊化，变成模糊量；

步骤3.按照模糊控制规则决策，得到模糊控制量；

步骤4.将模糊控制量转换成精确的控制信号。

其中模糊化的方法与二维模糊控制相同。示例性的，为简化三维模糊控制的复杂度，可采用分页表格的形式描述控制规则，即建立与不同状态(词语变量)误差增量的增量对应的误差和误差增量可能出现的状态和相应的控制策略。例如误差(A)、误差增量(B)、误差增量的增量均有NB、NS、ZO、PS、PB五种状态，则当误差增量的增量属于NB状态时，模糊控制规则如表1所示：

表1

当误差增量的增量属于其他四种状态时，模糊控制规则表与表1类似，在此不再赘述。示例性的，采用加权平均法将模糊控制量转换成精确的控制信号，控制信号作用在数字变量泵201以及数字变量马达202的步进电机上，通过对步进电机的精确控制，使数字变量泵201以及数字变量马达202数字缸的活塞的精确运动，进而使数字变量泵201以及数字变量马达202内的斜盘旋转至指定倾角。其中，通过对数字变量泵201内斜盘倾角的控制，实现控制闭式泵结构内液压油的流量，从而实现数字变量泵201和发动机205之前的功率匹配。通过对数字变量马达202内斜盘倾角的控制，实现对全液压推土机行进速度以及行进方向的控制，具体的，通过靠改变斜盘的倾斜方向来实现全液压推土机的前进与倒退，通过改变斜盘的倾角大小来改变全液压推土机的行进速度。

全液压推土机行驶控制系统的性能是影响推土机作业性能发挥的重要因素，决定着作业生产率的高低。本实施例提出的执行单元为行驶控制系统中的核心部件，利用该执行单元并结合执行单元的控制方法可以减轻操作人员的劳动强度以及改善全液压推土机作业的经济性和动力性。

图2是实施例中另一种全液压推土机结构示意图，参考图2，可选的，执行单元2还包括过滤器206、分油块207和制动换向阀208，补油泵203通过过滤器206与分油块207相连接，补油泵203通过分油块207分别向数字变量泵201、数字变量马达202以及制动换向阀208提供液压油。

其中，补油泵203传动轴与数字变量泵201的传动轴串联，补油泵203的作用主要为改善由数字变量泵201和数字变量马达202构成的闭式泵结构的吸油性能，同时向数字变量泵201的有杆腔以及数字变量马达202的无杆腔内提供液压油，使得数字变量泵201和数字变量马达202中的步进电机可以带动斜盘运动。在补油泵203补充闭式泵结构内泄漏的液压油时，也可以一定的散热效果。可选的，为提高散热效果，可以在数字变量泵201上安装一冲洗阀，通过冲洗阀从闭式泵结构中引出一定量的热液压油，进入补油泵203的油箱，再通过补油泵203向闭式泵结构中补充经过冷却的液压油，以达到加快散热的目的。

可选的，执行单元2还包括锁存器209，锁存器209与控制器204电连接。通过锁存器将控制器204生成的控制信号存储起来，通过锁存器209减少控制器204输出控制信号的抖动。其中锁存器209可以是控制器204上的功能单元，也可以是与控制器204相独立的锁存单元。

作为一种优选方案，控制单元2还包括采样保持器102和A/D转换器103，采样保持器102与A/D转换器103电连接，操作机构101通过采样保持器102、A/D转换器103与控制器204电连接。为便于操作，操作机构101选用控制手柄。本实施例中控制手柄本体的前后方向上设有行程开关、左右方向上设有行程传感器，行程开关和行程传感器输出的指令信号通过采样保持器102和A/D转换器103转化为数字信号，从而实现对数字变量泵201和数字变量马达202的高精度控制。

可选的操作机构101还包括缓冲器，操作机构101通过缓冲器与控制器204电连接。全液压推土机上可以设置多种操作机构101，例如，可以同时设置一控制手柄和一数字信号输入设备(例如PLC设备)，此时数字信号输入设备通过缓冲器与控制器204电连接，通过缓冲器暂存数字信号输入设备的指令信号，便于控制器204获取该指令信号，使数字信号输入设备与控制器204协调工作。

图3是实施例中另一种全液压推土机结构示意图，参考图3，全液压推土机还包括交互单元4，交互单元4包括键盘401和显示器402，键盘401和显示器402与控制器204电连接。键盘401用于向控制器204中输入调节主控程序的指令。显示器402主要用于显示全液压推土机的相关控制参数。

本实施例中全液压推土机还可以包括外部通信单元5，外部通信单元5通过定时计数器6与控制器204电连接。示例性的，外部通信单元5可以为一种遥控装置，通过遥控装置实现无人驾驶，其中定时计数器6用于对外部通信单元5发送的指令信号进行定时采样，以便于实现对全液压推土机的高精度控制。

图4是实施例中一种执行单元结构示意图，参考图4，作为一种可替换方案，执行单元2包括第一数字变量泵21、第二数字变量泵22、第一数字变量马达24、第二数字变量马达23。第一数字变量泵21、第二数字变量泵22与发动机205刚性连接，第一数字变量泵21与第一数字变量马达24构成闭合回路，第二数字变量泵22与第二数字变量马达23构成闭合回路。第一数字变量泵21、第二数字变量泵22的输出轴上分别设有第一扭矩传感器和第二扭矩传感器。第一数字变量马达24、第二数字变量马达23的输出轴上分别设有第一转速传感器和第二转速传感器。其中，第一数字变量泵21和第二数字变量泵22构成串泵结构。可选的，第一数字变量泵21、第二数字变量泵22可以通过分动箱与发动机205刚性连接。

通过设置两个数字变量泵和两个数字变量马达可以单独完成对全液压推土机左、右驱动轮的控制。减小控制方法的设计复杂度，同时将左、右驱动轮的控制装置分开设计，也可以减小维修的难度。

作为一种可替换方案，还可以使用一个数字变量泵控制两个数字变量马达，即，执行单元2包括第一数字变量泵21、第一数字变量马达24、第二数字变量马达23。第一数字变量泵21与发动机205刚性连接，第一数字变量泵21与第一数字变量马达24、第二数字变量马达23构成闭合回路。第一数字变量泵21的输出轴上设有第一扭矩传感器。第一数字变量马达24、第二数字变量马达23的输出轴上分别设有第一转速传感器和第二转速传感器。使用一个数字变量泵可以进一步的简化执行单元2的结构。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。