液壓無級變速傳動系統(tǒng)在輪式挖掘機(jī)上的仿真及應(yīng)用

欒文博,欒新立

(1.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院,上海201804;2.洛陽拖拉機(jī)研究所有限公司,河南 洛陽 471039)

液壓變速系統(tǒng)是指通過改變泵和馬達(dá)排量或采取節(jié)流控制流量的方式來調(diào)節(jié)馬達(dá)轉(zhuǎn)速的系統(tǒng).液壓傳動變速系統(tǒng)中泵與馬達(dá)有四種匹配方式:第一是定量泵和定量馬達(dá)組合,馬達(dá)轉(zhuǎn)速隨泵輸入轉(zhuǎn)速線性變化,泵轉(zhuǎn)速恒定時,可用節(jié)流調(diào)速;第二是變量泵和定量馬達(dá)組合,馬達(dá)的轉(zhuǎn)速與泵的流量成正比,馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比,馬達(dá)輸出功率與轉(zhuǎn)速成正比,變量機(jī)構(gòu)可通過零點實現(xiàn)換向,多用于閉式回路;第三是定量泵和變量馬達(dá)組合,馬達(dá)轉(zhuǎn)速與馬達(dá)排量成反比,由于泵流量不變,馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩與其轉(zhuǎn)速成反比,而且馬達(dá)排量過小時不能正常工作,多用于開式回路;第四是變量泵和變量馬達(dá)組合,馬達(dá)排量設(shè)置可實現(xiàn)無級調(diào)速,馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速與輸入流量成正比,而與馬達(dá)的排量成反比,馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩隨馬達(dá)進(jìn)、出口壓差增大及馬達(dá)排量變大而增加,這種匹配方式調(diào)節(jié)范圍寬,可滿足高轉(zhuǎn)速和大轉(zhuǎn)矩的要求.

輪式挖掘機(jī)行走系統(tǒng)必須滿足高速度和大驅(qū)動力的使用要求,變量泵和變量馬達(dá)匹配是輪式挖掘機(jī)的行走液壓系統(tǒng)的最佳方案.工地間轉(zhuǎn)移用高速擋,縮短轉(zhuǎn)移時間;在工地用低擋,發(fā)揮大的驅(qū)動力.設(shè)計輪式挖掘機(jī)行走系統(tǒng)液壓元件必須經(jīng)多次匹配計算,才能確定較好的方案,工作量大而繁瑣.需建立仿真模型對其變量泵、變量馬達(dá)的排量匹配進(jìn)行優(yōu)化,以達(dá)到設(shè)計最優(yōu)且縮短設(shè)計周期的目的.

1 液壓無級變速系統(tǒng)工作原理

液壓無級變速系統(tǒng)用于輪式車輛行走系統(tǒng),主要由變量泵、變量馬達(dá)和閥組成,根據(jù)行走阻力大小的變化,自動變化速度.

其中變量泵的恒功率曲線如圖1所示.橫坐標(biāo)為壓力p,縱坐標(biāo)為流量Q.在直線ap0之間壓力升高,流量不變;p0pmax曲線為變量泵恒功率段.p0點是恒功率壓力起調(diào)點,即壓力升到p0點時,隨著壓力的再升高,泵的流量減少;pmax點為壓力終點,即為系統(tǒng)的額定壓力點,系統(tǒng)的額定輸出功率在ap0pmax曲線下方變化,絕不超過ap0pmax曲線以外.p3點為控制變量馬達(dá)的壓力點.

圖1 變量泵恒功率時流量—壓力曲線Fig.1 Curve of flow and pressure of variable pump in invariableness power

圖2 變量馬達(dá)壓力控制曲線Fig.2 Curve of PressureControl of Variable Motor

變量馬達(dá)壓力控制排量變化曲線如圖2所示,p1為壓力控制起點,不同的馬達(dá)控制起點p1值不同.Δp是壓力增量,即隨著Δp的增大,馬達(dá)排量從0增大到最大.q1是馬達(dá)工作排量起始點;p3是馬達(dá)排量開始變化時的控制壓力,p3的確定與壓力控制起點p1、壓力增量Δp和排量比B有關(guān).如A6VM80馬達(dá)的最大排量為80 mL·r-1,最小工作排量為40 mL·r-1,則排量比B為0.5.壓力控制起點p1為23 MPa,壓力增量Δp為5 MPa,在馬達(dá)壓力控制曲線上排量比0.5對應(yīng)的縱坐標(biāo)壓力p3為25.5 MPa.即當(dāng)壓力小于等于p3時,馬達(dá)以q1排量工作,當(dāng)壓力大于p3時,馬達(dá)隨壓力的升高排量變大,直到最大排量80 mL·r-1.

系統(tǒng)工作過程如下:變量泵具有恒功率特性,當(dāng)變量泵壓力大于p3值時,泵隨著壓力升高,流量減小,此時變量馬達(dá)的排量逐漸增大至最大排量,馬達(dá)轉(zhuǎn)速降低,適用于低轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩工況;當(dāng)變量泵的工作壓力小于等于 p3值時,變量馬達(dá)在設(shè)定的最小排量下工作,隨著變量泵的壓力降低,變量泵的流量加大,馬達(dá)轉(zhuǎn)速升高,適用于高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)矩工況.

2 匹配設(shè)計計算與仿真分析

首先提出匹配目標(biāo):①最高車速不低于28 km·h-1;②要求在城市路面以28 km·h-1的速度行駛時,最大爬坡能力不低于2%;③要求在公路上以高擋位行駛時,最大爬坡能力不低于12%;④要求在工作路面行駛時,最大爬坡能力不低于50%.

下面根據(jù)設(shè)計進(jìn)行液壓系統(tǒng)匹配.根據(jù)發(fā)動機(jī)功率、轉(zhuǎn)速,確定液壓泵的起調(diào)壓力p0和排量,壓力終點的壓力pmax和對應(yīng)的排量,確認(rèn)恒功率曲線圖[1].選定變量馬達(dá)型號,查壓力控制曲線圖(見圖2),確定行走馬達(dá)起調(diào)變量點排量和起調(diào)壓力.這里所匹配的輪式挖掘機(jī)行走系統(tǒng)采用2擋變速箱,四輪驅(qū)動,即1擋時的總傳動比為驅(qū)動橋傳動比與變速箱1擋傳動比的乘積,2擋時的總傳動比為驅(qū)動橋傳動比與變速箱2擋傳動比的乘積.

式中:Mm為馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩;pp為泵進(jìn)出口壓力之差;qm為馬達(dá)排量;ηp為液壓系統(tǒng)效率,取0.84;ηm為馬達(dá)機(jī)械效率,取0.95.

式中:F為行走驅(qū)動力;Mm為馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩;RD為車輪動力半徑;η為變速箱和驅(qū)動橋的總效率,取0.88;I∑為某1擋位下變速箱和驅(qū)動橋的總傳動比.

式中:nm為馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速;qp為泵的排量;np為泵的額定轉(zhuǎn)速;ηpV為泵的容積效率,取0.96;ηmV為馬達(dá)的容積效率,取0.96.

式中:Fz為道路滾動阻力和爬坡阻力;G為整車載荷;α為坡度角;f為滾動阻力系數(shù),公路、城市路面取0.02,工作路面取0.1.

式中:vi為以某1擋位工作下的最高或最低行走速度;nmj為在某1擋位下馬達(dá)的最高或最低工作轉(zhuǎn)速;Rm為車輪滾動半徑.

根據(jù)上面對液壓無級變速系統(tǒng)的匹配計算分析,利用MATLAB/Simulink建立仿真模型,通過改變變量泵或變量馬達(dá)的相關(guān)參數(shù),分析其匹配的效果,優(yōu)化匹配結(jié)果.由于仿真模型的前提條件是在發(fā)動機(jī)全負(fù)荷、工作轉(zhuǎn)速為2200 r·min-1的驅(qū)動變量泵的工況下建立的,將2200 r·min-1轉(zhuǎn)速下變量泵的壓力與流量關(guān)系曲線和變量馬達(dá)改變排量比與壓力關(guān)系曲線制成插值表,建立如圖3所示的仿真模型[2],其中整車質(zhì)量為10 t,1擋總傳動比為93.59,2擋總傳動比為27.07.

圖3 液壓無級變速系統(tǒng)仿真模型Fig.3 Simulation model of hydraulic continuously variable transmission system

由工程實際經(jīng)驗,現(xiàn)將變量馬達(dá)的設(shè)計最小工作排量調(diào)整為3種情況:即35 mL·r-1對應(yīng)排量比0.4375,排量改變時壓力為25.1875 MPa;40 mL·r-1對應(yīng)排量比0.5,排量改變時壓力為25.5 MPa;45 mL·r-1對應(yīng)排量比0.5625,排量改變時壓力為25.8125 MPa.根據(jù)這3種情況,通過仿真,繪出2個擋位下的驅(qū)動力與速度曲線,如圖4～6所示.

圖4 馬達(dá)最小排量35 mL·r-1時2個擋位下驅(qū)動力與速度關(guān)系曲線Fig.4 Curve of driving force and vehicle speed in two gears when the minimum displacement of motor is 35 mL·r-1

從圖6中可以看出,當(dāng)馬達(dá)最小排量設(shè)計為45 mL·r-1時,平直公路上的最高車速為26 km·h-1,不符合匹配設(shè)計要求;圖4中,當(dāng)馬達(dá)最小排量設(shè)計為35 mL·r-1時,2擋下最高車速為33 km·h-1,此時對應(yīng)的馬達(dá)轉(zhuǎn)速為5370 r·min-1,轉(zhuǎn)速偏高,影響馬達(dá)壽命;圖5中當(dāng)馬達(dá)最小排量設(shè)計為40 mL·r-1時,1,2檔速度區(qū)間有重疊,最高車速29 km·h-1時對應(yīng)的馬達(dá)轉(zhuǎn)速為4708 r·min-1,滿足最高車速設(shè)計要求.此外根據(jù)剩下的3個匹配目標(biāo),在馬達(dá)最小排量40 mL·r-1的驅(qū)動力與速度關(guān)系圖上分別做出2%坡度的城市路面道路阻力、12%坡度的公路道路阻力和50%坡度的工作路面道路阻力,如圖7所示.

由圖7可以看出,當(dāng)以2擋行駛在2%坡度的城市路面上時最高車速為28.5 km·h-1,2擋的最大驅(qū)動力大于12%坡度的公路道路阻力,1擋最大驅(qū)動力也大于50%坡度的工作路面道路阻力,滿足了匹配設(shè)計目標(biāo).此外,從仿真模型中可以看出,整個行走系統(tǒng)從變量泵到變量馬達(dá)的功率輸出的效率僅為67%左右,究其原因,主要是由于負(fù)載傳感液壓系統(tǒng)的壓力補償節(jié)流損失[3]、液壓系統(tǒng)的管路壓力損失、閥的節(jié)流損失,以及受泵與馬達(dá)的容積、機(jī)械效率及驅(qū)動橋與變速箱的機(jī)械傳動效率影響[4,5].要提高整個行走系統(tǒng)的工作效率,必須對上述幾個方面進(jìn)行深入研究.

圖8 變量馬達(dá)原理圖Fig.8 Principle of variable motor

3 在輪式挖掘機(jī)上的應(yīng)用

變量馬達(dá)工作原理如圖8所示,當(dāng)壓力油由A口進(jìn)入時,推開三位三通滑閥F下移,同時推動馬達(dá)旋轉(zhuǎn),壓力油通過三位三通滑閥F,再經(jīng)過下部單向閥從B口流回.隨著阻力的增加,系統(tǒng)壓力升高,當(dāng)壓力超過設(shè)定值時,推開梭閥E,液壓力克服二位三通滑閥G的彈簧力推動其右移(如壓力沒有達(dá)到彈簧力時,二位三通滑閥G不移動,馬達(dá)的變量活塞缸小腔的壓力與大腔的節(jié)流壓力平衡,活塞不動,馬達(dá)的排量不變),液壓油進(jìn)入馬達(dá)的活塞變量缸大腔,克服小腔的壓力,向左移動,將馬達(dá)排量變大,隨著壓力升高排量變?yōu)樽畲?馬達(dá)設(shè)置有壓力過載閥D,當(dāng)停止向馬達(dá)供油時,由于車輛慣性帶動馬達(dá)繼續(xù)旋轉(zhuǎn),此時馬達(dá)高壓側(cè)的液壓油推開過載閥向低壓側(cè)流動,構(gòu)成液壓油的循環(huán).當(dāng)需要低速大轉(zhuǎn)矩時,通過X口供液壓油,推動二位三通閥G右移,使馬達(dá)的排量處在最大狀態(tài)下工作.

液壓無級變速系統(tǒng)在輪式挖掘機(jī)應(yīng)用,其原理如圖9所示.變量泵1的液壓油通過多路閥2進(jìn)入變量馬達(dá)3的進(jìn)油口,變量馬達(dá)3與變速器聯(lián)結(jié)并驅(qū)動其旋轉(zhuǎn)將動力傳給前、后橋;先導(dǎo)閥5為單通道,腳踏板踏下即可接通先導(dǎo)油,推動多路閥換向;換向電磁閥4是為了車輛換向所設(shè),通過電磁閥換向使車輛前進(jìn)擋變后退擋;控制馬達(dá)排量電磁閥6與變量馬達(dá)的X口接通,強制推動馬達(dá)大排量工作,發(fā)揮最大牽引力.

該系統(tǒng)應(yīng)用在10 t輪式挖掘機(jī)上,其選用DANA公司的2擋變速箱和前后橋、東芝PVC92RC03變量泵、力士樂A6VM80的變量馬達(dá).在發(fā)動機(jī)額定轉(zhuǎn)速條件下,通過城市路面,測得1擋的速度范圍為2.4～8.5 km·h-1,其最大驅(qū)動力為53.64 kN;2擋的速度范圍為8.3～28.3 km·h-1,其最大驅(qū)動力為15.52 kN.分別在工作路面、公路、城市路面上使用效果良好.

4 結(jié)語

圖9 輪式挖掘機(jī)液壓原理圖Fig.9 Hydraulic principleof wheel wxcavate

液壓無級變速傳動系統(tǒng)在輪式挖掘機(jī)上的仿真分析對設(shè)計輪式挖掘機(jī)行走系統(tǒng)非常方便.在同一機(jī)型上改變馬達(dá)工作排量起始點進(jìn)行優(yōu)化匹配分析,使其設(shè)計達(dá)到最優(yōu);對系列機(jī)型設(shè)計時,輸入不同的技術(shù)參數(shù)可進(jìn)行匹配分析,省略了大量設(shè)計計算,提高了設(shè)計效率.但設(shè)計應(yīng)用無級變速液壓系統(tǒng)時應(yīng)注意如下事項:

(1)液壓泵、馬達(dá)規(guī)格大小的選配,主要與發(fā)動機(jī)的功率大小有關(guān).在發(fā)動機(jī)功率許可范圍內(nèi),泵的壓力起調(diào)點盡量高,以便充分發(fā)揮發(fā)動機(jī)功率.對馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)節(jié)流損失要盡量小.

(2)馬達(dá)最低轉(zhuǎn)速不受限制,然而要使轉(zhuǎn)速平穩(wěn),最小轉(zhuǎn)速不能低于100 r·min-1,最高轉(zhuǎn)速不應(yīng)超過馬達(dá)參數(shù)規(guī)定值.馬達(dá)最小排量比是根據(jù)馬達(dá)輸出壓力和轉(zhuǎn)矩來確定的,但一般不能低于0.2.

(3)運行前和運行期間馬達(dá)殼體必須充滿油.殼體內(nèi)壓力與馬達(dá)起點控制壓力有關(guān),殼體回油管直接通油箱內(nèi)液面下,回油壓力不超過規(guī)格書要求.對馬達(dá)的最高轉(zhuǎn)速、最高壓力要限定.

(4)液壓油的選擇,為了正確選擇液壓油,必須知道與環(huán)境溫度有關(guān)的工作溫度.閉式回路中指回路油溫度;開式回路中指油箱中油的溫度.液壓油的選擇:在工作溫度范圍內(nèi)粘度處于最佳范圍,按油液溫度曲線圖選擇.液壓油清潔度等級越高,軸向柱塞元件的壽命越長,為了保證軸向柱塞元件的正常工作,最低清潔度等級是NAS9級.

[1]張玉川.進(jìn)口液壓挖掘機(jī)國產(chǎn)化改造[M].成都:西南交通大學(xué)出版社,1999.ZHANG Yuchuan.The domestic reform of imported hydraulic excavators[M].Chengdu:Southwest Jiaotong University Press,1999.

[2]薛定宇,陳陽泉.基于MA TLAB/Simulink的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2002.XUE Dingyu,CHEN Yangquan.The system simulation technology and application based on Matlab/Simulink[M].Beijing:Tsinghua University Press,2002.

[3]欒新立,欒文博.負(fù)荷傳感液壓系統(tǒng)在液壓傳動車輛上的研究應(yīng)用[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運輸車,2009(1):19-21.LUAN Xinli,LUAN Wenbo.Research and application of load sensing hydraulic system on hydraulic drive vehicle[J].Tractor and Farm Transporter,2009(1):19-21.

[4]宋學(xué)義.袖珍液壓氣動手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1994.SONG Xueyi.Pocket hydraulic pneumatic manual[M].Beijing:China machine Press,1994.

[5]李壽剛.液壓傳動[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,1994.LI Shougang.Hydraulic transmission[M].Beijing:Beijing Institute of Technology Press,1994.