朱浩月，蔡祖戈

（江蘇匯智高端工程機(jī)械創(chuàng)新中心有限公司，江蘇 徐州 221004）

由于工程機(jī)械變速箱功率大，作業(yè)條件復(fù)雜，且需要頻繁進(jìn)行換擋，主從動(dòng)摩擦片轉(zhuǎn)速差導(dǎo)致變速箱濕式離合器結(jié)合時(shí)產(chǎn)生大量的熱量，需要足夠的流量進(jìn)行潤滑冷卻［1］。此外，軸承、齒輪、花鍵軸等高速旋轉(zhuǎn)件也需進(jìn)行冷卻潤滑。如何合理的設(shè)計(jì)變速箱潤滑系統(tǒng)，使流量滿足各潤滑點(diǎn)的需求，對(duì)于保證各旋轉(zhuǎn)件穩(wěn)定運(yùn)行，提高變速箱可靠性具有重要的意義。

工程機(jī)械變速箱一般采用強(qiáng)制壓力噴油潤滑方式，由于潤滑點(diǎn)較多，各個(gè)點(diǎn)發(fā)熱量差異較大，傳統(tǒng)粗略估算的方式難以保證潤滑流量的精確分析［2］。本文基于Matlab軟件，搭建了變速箱潤滑系統(tǒng)仿真模型，通過試驗(yàn)測(cè)試對(duì)仿真模型進(jìn)行了驗(yàn)證，并分析了輸入轉(zhuǎn)速、潤滑油溫度及換擋過程對(duì)潤滑流量分配的影響。

1 仿真模型

某型號(hào)工程機(jī)械變速箱潤滑系統(tǒng)如圖1所示，潤滑油進(jìn)入變速箱各軸，通過軸向及徑向節(jié)流孔，離合器、軸承、齒輪和花鍵進(jìn)行潤滑。所有潤滑油最后又流回油底殼，形成一個(gè)完整的閉合回路。各位置潤滑流量分配主要通過調(diào)整流量分配孔實(shí)現(xiàn)。

流量分配孔一般采用短孔，流過短孔的流量計(jì)算公式如式（1）所示［3］。

式中 Q為過流流量；Cd為流量系數(shù)；A0為節(jié)流小口的截面積；ΔP為節(jié)流口前后壓差；ρ為油液密度。

圖1 潤滑系統(tǒng)原理圖

此外，為了準(zhǔn)確計(jì)算節(jié)流口前后的壓差，必須考慮壓力損失影響，對(duì)于液壓軟管及軸內(nèi)的細(xì)長油道，沿程壓力損失計(jì)算公式為［3］

式中 ΔPλ為沿程壓力損失；λ為沿程阻力系數(shù)；l為管路長度；d為管路內(nèi)徑；ρ為油液密度；v為管內(nèi)油液平均流速。

對(duì)于三通接頭、直角接頭，局部壓力損失計(jì)算公式為［3］

式中 ΔPξ為局部壓力損失；ξ為局部阻力系數(shù)。

基于上述計(jì)算方法，利用專業(yè)的數(shù)學(xué)仿真軟件Matlab，搭建了動(dòng)力換擋變速箱潤滑系統(tǒng)仿真分析模型。模型中考慮了主泵、液壓軟管、三通接頭、直角接頭、油道、節(jié)流口等主要液壓元件，模型如圖2所示。仿真模型可以考慮不同元件壓力損失影響，得到各節(jié)流口精確的潤滑流量值。基于DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)理念，改變不同潤滑點(diǎn)的節(jié)流口徑，運(yùn)用軟件批處理運(yùn)行工具，可以同時(shí)對(duì)多組流量分配方案進(jìn)行仿真計(jì)算，并從中挑取與理論流量需求值接近的最優(yōu)方案。

圖2 潤滑系統(tǒng)仿真模型

2 仿真模型精確度驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述仿真模型的精確度，建立了如圖3所示的潤滑流量試驗(yàn)臺(tái)。在油溫80℃，總流量85L/min的條件下，仿真分析與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表1所示。通過對(duì)比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，各主要潤滑點(diǎn)仿真與試驗(yàn)值最大相差3.17%，仿真模型精度可以滿足工程分析。

圖3 潤滑系統(tǒng)流量分布試驗(yàn)

表1 仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表

3 流量分配特性研究

工程機(jī)械變速箱作業(yè)工況復(fù)雜，換擋頻繁，輸入轉(zhuǎn)速、油溫變化范圍較大，某些失速工況下，油溫短時(shí)間內(nèi)甚至可達(dá)120℃，因此設(shè)計(jì)潤滑系統(tǒng)時(shí)必須考慮轉(zhuǎn)速、油溫及換擋過程帶來的流量分配特性變化。

3.1 轉(zhuǎn)速對(duì)流量分配特性影響分析

變速箱輸入轉(zhuǎn)速一般為800～2200r/min，轉(zhuǎn)速范圍較大，由于變速泵一般為定排量齒輪泵，導(dǎo)致系統(tǒng)流量發(fā)生較大變化。利用仿真模型，對(duì)不同轉(zhuǎn)速下各主要潤滑點(diǎn)的潤滑流量分配特性進(jìn)行了分析，如圖4所示，變速箱輸入轉(zhuǎn)速的變化，只改變了各潤滑點(diǎn)的流量大小，但對(duì)流量分配比例基本無影響。

圖4 不同轉(zhuǎn)速下潤滑流量分配

3.2 溫度對(duì)流量分配特性影響分析

溫度主要對(duì)潤滑油的黏度產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響系統(tǒng)潤滑特性。變速箱剛啟動(dòng)時(shí)，油溫較低，而正常工作時(shí)，溫度一般在80℃～100℃。不同種類潤滑油其黏度與溫度基本呈指數(shù)變化關(guān)系，因此有必要分析不同溫度條件下潤滑油黏度變化對(duì)流量分配的影響。

如圖5所示，隨著溫度升高，對(duì)于大孔徑的潤滑油口，流量會(huì)顯著減小，而對(duì)于潤滑孔徑較小的位置，潤滑流量呈增大趨勢(shì)。主要原因是低溫時(shí)，油液運(yùn)動(dòng)粘度較大，對(duì)于直徑較小的潤滑孔，雷諾數(shù)Re小于臨界值，油液處于層流狀態(tài)，此時(shí)粘性力起主導(dǎo)作用，因此流速較低。溫度增加至70℃時(shí)，油液粘度減小，雷諾數(shù)Re大于臨界值，油液變?yōu)橥牧鳡顟B(tài)，流量系數(shù)增大，潤滑流量也相應(yīng)增大。因此，在進(jìn)行潤滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)低溫狀態(tài)下齒輪、軸承、花鍵軸等流量較小的潤滑點(diǎn)的流量進(jìn)行校核。

變速箱換擋瞬間，大量油液進(jìn)入換擋離合器活塞腔，導(dǎo)致潤滑系統(tǒng)流量產(chǎn)生較大波動(dòng)。變速箱輸入轉(zhuǎn)速2000r/min，某擋位換擋過程中流量分配仿真結(jié)果如表2所示。

3.3 換擋過程對(duì)流量分配特性影響分析

仿真結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，換擋過程中離合器結(jié)合占用了系統(tǒng)流量，使得潤滑流量瞬間下降約30L/min，各主要潤滑點(diǎn)流量同步下降。經(jīng)數(shù)據(jù)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，下降比例相差不大，因此換擋過程對(duì)流量分配特性影響較小。

圖5 不同溫度下潤滑流量分配

表2 換擋過程潤滑流量分配結(jié)果

4 結(jié)束語

（1）基于Matlab提供了一種可靠的工程機(jī)械變速箱潤滑系統(tǒng)仿真方法和模型，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，仿真精度達(dá)到3.17%。

（2）通過仿真分析發(fā)現(xiàn)，變速箱輸入轉(zhuǎn)速對(duì)各潤滑點(diǎn)流量分配影響較??；潤滑油溫度對(duì)各潤滑點(diǎn)流量分配存在影響，尤其是小流量潤滑點(diǎn)，在低溫時(shí)潤滑流量分配會(huì)降低；換擋過程中用于潤滑的流量總體降低，各潤滑點(diǎn)的流量分配基本不變。