劉 敏

（山西鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，太原 030013）

隨著國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平與農(nóng)業(yè)技術(shù)現(xiàn)代化的持續(xù)發(fā)展，輕型履帶拖拉機(jī)的市場(chǎng)需求不斷提升。因此，研究輕型履帶拖拉機(jī)內(nèi)分流式液壓機(jī)械雙流傳動(dòng)系統(tǒng)具有重要意義。

1 輕型履帶拖拉機(jī)內(nèi)分流式液壓機(jī)械雙流傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 選用分動(dòng)器

輕型履帶拖拉機(jī)的液壓系統(tǒng)需要具有較強(qiáng)的抗沖擊力和較高的工作壓力，可以無(wú)極調(diào)速。綜合比較國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的容積泵，葉片泵具有制造成本低、壽命長(zhǎng)、流量脈動(dòng)小、工作壓力高以及穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，可以選為內(nèi)分流液壓機(jī)械雙流傳動(dòng)系統(tǒng)的分動(dòng)器。葉片泵有雙作用式和單作用式之分。其中，雙作用式的葉片泵不可調(diào)節(jié)排量，單作用式的葉片泵可以調(diào)節(jié)排量。為有效實(shí)現(xiàn)分動(dòng)器的無(wú)極調(diào)速，內(nèi)分流液壓機(jī)械雙流傳動(dòng)系統(tǒng)的馬達(dá)與泵必須有一個(gè)是變排量。若采用變排量會(huì)極大增加分動(dòng)器的復(fù)雜性，會(huì)出現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定、油液泄露等隱患。葉片泵的雙作用式能夠有效解決動(dòng)平衡問(wèn)題，因此在分動(dòng)器的選用上傾向于葉片泵的雙作用式。使用可變排量單作用式葉片泵作為內(nèi)分流液壓機(jī)械雙流傳動(dòng)系統(tǒng)的液壓馬達(dá)，可充分借助葉片泵高壓高速性能好、使用壽命長(zhǎng)，無(wú)流量脈動(dòng)以及噪聲低的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速[1]。

1.2 確定密封

輕型履帶拖拉機(jī)需要具有較高的密封性能、耐久性、耐寒性、耐熱性和低泄漏性，因此通常會(huì)采用機(jī)械密封方式。在長(zhǎng)期的高速轉(zhuǎn)動(dòng)條件下，機(jī)械密封能夠始終保持穩(wěn)定性能，具有磨損量小、泄漏量小、維修周期較長(zhǎng)以及對(duì)

液壓機(jī)械雙流傳動(dòng)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)軸的偏擺與震動(dòng)不敏感等特點(diǎn)。但是，由于它的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，需要滿足較高的加工技術(shù)要求，安裝不夠簡(jiǎn)便。機(jī)械密封是旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)密封，主要靠垂直于軸的補(bǔ)償機(jī)構(gòu)彈力與流體壓力作用保持密封效果，進(jìn)而防止油液泄漏。

1.3 計(jì)算分動(dòng)器排量

在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的傳動(dòng)方案時(shí)，應(yīng)確定功率輸入點(diǎn)、油路匯流點(diǎn)、油液分流點(diǎn)、液壓功率與機(jī)械功率的輸出匯流點(diǎn)。某輕型履帶拖拉機(jī)的參數(shù)設(shè)置，如表1所示。在啟動(dòng)前，設(shè)備主要依靠純液壓傳動(dòng)作為傳動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)分動(dòng)器將輸出功率轉(zhuǎn)化為液壓能。將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率、發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、系統(tǒng)工作壓力帶入相應(yīng)的計(jì)算公式，可以得出發(fā)動(dòng)機(jī)的分動(dòng)器排量，進(jìn)而可以選擇相應(yīng)的機(jī)器型號(hào)，以滿足相應(yīng)的要求。

表1 某輕型履帶拖拉機(jī)的參數(shù)設(shè)置

2 輕型履帶拖拉機(jī)內(nèi)分流式液壓機(jī)械雙流傳動(dòng)系統(tǒng)元件功能

2.1 分動(dòng)器

輕型履帶拖拉機(jī)的內(nèi)分流液壓機(jī)械雙流傳動(dòng)系統(tǒng)的無(wú)級(jí)變速器主要借助設(shè)備轉(zhuǎn)換分流輸入功率，將輸入功率分為機(jī)械功率與液壓功率，再將兩者匯流輸出。分動(dòng)器作為換能裝置，能夠?qū)⑤斎氲臋C(jī)械功率輸出為液壓功率。某輕型履帶拖拉機(jī)使用雙凸輪葉片泵作為分動(dòng)器，其功率輸入端連接輸出軸，通過(guò)分動(dòng)器轉(zhuǎn)換為機(jī)械液壓功率。同時(shí)，主動(dòng)件與從動(dòng)件具有轉(zhuǎn)速差，可以引發(fā)容積變化的排油，導(dǎo)致腔內(nèi)油壓出現(xiàn)作用力。分動(dòng)器會(huì)對(duì)外分流液壓功率，而從動(dòng)件會(huì)對(duì)外輸出機(jī)械功率。最后，機(jī)械功率與液壓功率通過(guò)分動(dòng)器的輸出軸匯流輸出[2]。

2.2 液壓馬達(dá)

輕型履帶拖拉機(jī)的內(nèi)分流液壓機(jī)械雙流傳動(dòng)系統(tǒng)的馬達(dá)容積腔利用排量控制腔控制容積量，借助轉(zhuǎn)子與定子軸間距控制容積腔的體積。排量控制腔的油壓、復(fù)位彈簧剛度可以改變轉(zhuǎn)子與定子的軸間距，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)馬達(dá)排量。假定輕型履帶拖拉機(jī)的工作壓力、馬達(dá)流量不變，軸間距變動(dòng)會(huì)引發(fā)馬達(dá)排量變動(dòng)，削弱輸出轉(zhuǎn)子的軸轉(zhuǎn)速，提升輸出轉(zhuǎn)子的軸轉(zhuǎn)矩；反之，則減小馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)子的軸轉(zhuǎn)矩，提升馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速。同時(shí)，受機(jī)械效率、馬達(dá)容積的影響，拖拉機(jī)的靜液壓輸入功率要始終大于馬達(dá)輸出功率。因此，借助對(duì)馬達(dá)軸間距的有效控制，能夠在一定程度上實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，進(jìn)而滿足相應(yīng)的負(fù)載要求。

2.3 蓄能器與超越離合器

輕型履帶拖拉機(jī)的內(nèi)分流壓機(jī)械雙流傳動(dòng)系統(tǒng)的液壓儲(chǔ)能元件為蓄能器。在靜液壓容積傳動(dòng)裝置的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，系統(tǒng)油路往往會(huì)出現(xiàn)流量波動(dòng)和壓力波動(dòng)情況，因此需要借助蓄能器吸收油路內(nèi)的流量以及部分壓力，進(jìn)而抑制能量波動(dòng)與壓力波動(dòng)，保障系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

內(nèi)分流液壓機(jī)械雙流傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)裝置為超越離合器。系統(tǒng)的輸出齒輪與馬達(dá)轉(zhuǎn)子軸會(huì)借助超越離合器進(jìn)行聯(lián)接，若輸出齒輪的轉(zhuǎn)速小于馬達(dá)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，馬達(dá)轉(zhuǎn)子軸的功率會(huì)通過(guò)超越離合器輸入輸出齒輪；若輸出齒輪的轉(zhuǎn)速大于馬達(dá)轉(zhuǎn)子，軸轉(zhuǎn)速的系統(tǒng)會(huì)中斷傳動(dòng)。上述連接方式能夠有效避免液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)被輸出齒輪反拖，導(dǎo)致功率循環(huán)出現(xiàn)負(fù)面影響，從而更好地保障液壓機(jī)械雙流傳動(dòng)系統(tǒng)能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)[3]。

3 輕型履帶拖拉機(jī)內(nèi)分流式液壓機(jī)械雙流傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)效率

3.1 靜液壓驅(qū)動(dòng)容積效率

內(nèi)分流機(jī)械雙流傳動(dòng)系統(tǒng)的靜液壓元件如液壓馬達(dá)、液壓泵等，主要依靠封閉腔的容積變動(dòng)開展工作，但在能量轉(zhuǎn)化中會(huì)有一定的能量損失，主要為機(jī)械損失和容積損失。系統(tǒng)在吸排油工作進(jìn)程中會(huì)受到油液壓縮、泄露等影響出現(xiàn)流量偏差，這部分能量損失被統(tǒng)稱為籠級(jí)效率。此外，靜液壓驅(qū)動(dòng)元件在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)受到摩擦作用影響出現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)矩?fù)p失，被統(tǒng)稱為機(jī)械效率。

在系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，靜液壓驅(qū)動(dòng)的容積效率主要為輸出流量的實(shí)際值和理論值之比。其容積效率與流量的偏離程度成反比。泄漏主要分為外部泄漏和內(nèi)部泄漏兩種。內(nèi)部泄露是指封閉腔內(nèi)的泄露。外部泄漏是指油液回路泄露。相關(guān)研究實(shí)踐表明，容積效率主要受兩方面影響。一方面，介質(zhì)的可壓縮性。若系統(tǒng)的油液介質(zhì)純度不高，空氣與油液會(huì)在混合攪動(dòng)條件下形成兩相介質(zhì)，具有較強(qiáng)的可壓縮性。在流量小、壓力高的油路傳動(dòng)工作狀態(tài)下，靜液壓驅(qū)動(dòng)容積效率會(huì)受到壓縮性的較大影響。因此，在選取油液時(shí)，應(yīng)盡可能選用高純度油液，防止出現(xiàn)流量小的工作狀況。另一方面，零部件的彈性變形。在流體壓力作用下，固體零部件極大可能產(chǎn)生彈性變形。盡管彈性變量極小，但彈性變形問(wèn)題仍然會(huì)影響裝配剛度。裝配體與承載零部件會(huì)因剛度變化出現(xiàn)位移，導(dǎo)致靜液壓驅(qū)動(dòng)流量出現(xiàn)變動(dòng)。

3.2 靜液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械效率

靜液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械效率是指輸入轉(zhuǎn)矩與輸出轉(zhuǎn)矩之比。與靜液壓驅(qū)動(dòng)容積效率不同，機(jī)械效率的變動(dòng)趨勢(shì)較為復(fù)雜。在轉(zhuǎn)速接近于零時(shí)，零部件的靜摩擦遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于動(dòng)摩擦。元件啟動(dòng)至轉(zhuǎn)速接近于零的范圍內(nèi)，會(huì)存在阻力峰值。當(dāng)轉(zhuǎn)速逐步升高并遠(yuǎn)離低速區(qū)域后，液壓機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的摩擦系數(shù)會(huì)逐步減弱到某一穩(wěn)定值。該區(qū)間為動(dòng)摩擦區(qū)間，其系數(shù)在工程力學(xué)計(jì)算中是常量，不受法向載荷和相對(duì)速度影響。由于零部件摩擦力是法向載荷與摩擦系數(shù)的乘積，因此呈線性正比例關(guān)系，與零部件的轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)。除上述影響因素以外，靜液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械效率還應(yīng)充分考慮壓力損失與阻力損失。這兩項(xiàng)變動(dòng)因素會(huì)直接影響工作系統(tǒng)的流量[4]。

輕型履帶拖拉機(jī)內(nèi)分流液壓機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)在克服零部件的輸出轉(zhuǎn)矩與摩擦轉(zhuǎn)矩的同時(shí)，還要充分平衡工作壓力損失。在保持介質(zhì)運(yùn)動(dòng)粘度不變的前提下，流量越大，元件轉(zhuǎn)速越高，工作介質(zhì)壓力損失越大。在流量等同于轉(zhuǎn)速的背景下，系統(tǒng)工作壓力越大，系統(tǒng)克服流動(dòng)阻力、機(jī)械摩擦損失壓力的比值越大，系統(tǒng)的機(jī)械效率越高。此外，若變量液壓泵不具有明顯變化，其往復(fù)運(yùn)動(dòng)也不容易自鎖。在泵轉(zhuǎn)子軸轉(zhuǎn)速不變的前提下，影響機(jī)械效率的因素為系統(tǒng)的進(jìn)出口壓力。受液阻影響的流量變大，機(jī)械效率會(huì)下降，但該因素的影響有限[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，輕型履帶拖拉機(jī)內(nèi)分流式液壓機(jī)械雙流傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含分動(dòng)器選用、密封確定和分動(dòng)器排量計(jì)算。分動(dòng)器、液壓馬達(dá)、蓄能器以及超越離合器構(gòu)建了液壓機(jī)械雙流傳動(dòng)系統(tǒng)。通過(guò)提升靜液壓驅(qū)動(dòng)的容積效率與機(jī)械效率，能夠有效提高輕型履帶拖拉機(jī)內(nèi)分流式液壓機(jī)械雙流傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率。