張坤生

（濰坊市知識產(chǎn)權(quán)保護中心，山東 濰坊 261000）

伴隨著液壓技術(shù)和農(nóng)業(yè)機械的快速發(fā)展，在大型機械上應(yīng)用液壓技術(shù)變得十分普遍。傳統(tǒng)的車輛行走系統(tǒng)的傳動方式為機械傳動，這種傳動方式的好處是效率高、故障率低且容易維修。近年來，農(nóng)業(yè)機械廠家開始把在工作系統(tǒng)上成熟應(yīng)用的液壓技術(shù)應(yīng)用在行走系統(tǒng)上，其優(yōu)勢開始逐漸顯示出來，成為了一種重要的傳動方式[1-2]。該傳動方式最突出的特點是液壓系統(tǒng)的無級變速，不需要離合器，也不需要頻繁地換擋，僅需要操作手桿就可以讓車輛行走。當操作者想讓車輛進行倒退操作時，僅需要操作手桿從中位向后拉動即可，因此可以大大簡化變速箱的配置，減少操作者的工作強度。傳動系統(tǒng)的布置方面也可以大大簡化，因為動力元件泵和執(zhí)行元件馬達的連接通過液壓軟管來實現(xiàn)，在車輛的整體設(shè)計方面提供了更大的空間。在剎車操作方面，液壓行走傳動多數(shù)情況下可以僅靠將手柄拉回中位進行制動。正因為液壓行走驅(qū)動顯示出越來越多的優(yōu)勢，很多廠家進一步探索液壓行走技術(shù)更復(fù)雜的應(yīng)用，比如本文要探討的一泵兩馬達配置。一泵兩馬達的優(yōu)勢是可以實現(xiàn)四輪驅(qū)動，增加最大扭矩，提升車輛的爬坡能力。然而，很多情況下，大型農(nóng)業(yè)機械需要長途行走，路況比較復(fù)雜，在經(jīng)過沙土或者泥濘的路段時，車輪容易發(fā)生打滑。對于液壓系統(tǒng)來說，一旦某一個車輪發(fā)生了打滑，那么液壓系統(tǒng)的流量會全部流向其中一個馬達，車輛會陷在這個路段出不來，可以說是有勁使不出。為了解決這個問題，本研究探索用分流閥實現(xiàn)流量的強制分配，以防止在打滑狀況時，流量只流向其中一個馬達。

1 一泵兩馬達液壓行走系統(tǒng)的設(shè)計思路

為了更好地說明如何實現(xiàn)一泵兩馬達系統(tǒng)的防打滑設(shè)計，首先對普通的一泵兩馬達液壓系統(tǒng)的設(shè)計做一下簡要說明。

1.1 整車配置參數(shù)及設(shè)計要求

以下面的整車配置參數(shù)為例（四驅(qū)工作檔位），說明如何進行一泵兩馬達行走系統(tǒng)的設(shè)計[3-4]。

整車重量W為11 t，驅(qū)動軸1的載重比例K1為58%，驅(qū)動軸2的載重比例K2為42%，行走系統(tǒng)可用功率P為65 kW，發(fā)動機轉(zhuǎn)速n為2 000 r/min，發(fā)動機與泵的轉(zhuǎn)速比z為0.8，滾動阻力系數(shù)r為20%。前橋工作檔位速比為85，行走檔速比為30，爬坡檔速比為200，齒輪傳動效率為0.95，滾動半徑為0.67 m，滑轉(zhuǎn)率為0。后橋速比為50，齒輪傳動效率為0.95，滾動半徑為0.54 m，滑轉(zhuǎn)率為0。

整車設(shè)計要求：四驅(qū)工作檔爬坡度≥60%，四驅(qū)工作檔最高車速大于5.5 km/h。

以四驅(qū)工作檔為例，計算滿足整車設(shè)計要求的液壓系統(tǒng)參數(shù)。

1.2 整車車速及爬坡度的計算

整車車速的計算：

由于前后輪車速必須一致，因而前后輪的流量分配存在如下關(guān)系：

式中，Q1、Q2—分配到前橋、后橋馬達的流量，L/min。

R1、R2—前輪、后輪的半徑，m。

V1、V2、—前橋、后橋馬達的排量，cc/r。

i1、i2—前橋、后橋速比。

在工作檔時，前橋速比為85，后橋速比為50，計算可得前橋、后橋馬達的流量比：

計算車速：

式中，V—整車車速，km/h；Vp—泵的排量，cc/r。

爬坡度的計算：

式中，S—爬坡度，a—最大牽引力與機重比。

式中，b—最大牽引力。

式中，d—驅(qū)動軸1的牽引力，e—驅(qū)動軸2的牽引力。

式中，p為最大壓差，齒輪傳動效率按照95%計算。

爬坡檔和行走檔的計算與以上計算過程類似。

1.3 計算結(jié)果

如圖1所示，經(jīng)過計算，結(jié)合實際液壓產(chǎn)品，排量為105 cc/r的泵、排量為75 cc/r的前橋馬達、排量為80 cc/r的后橋馬達可以滿足整車設(shè)計參數(shù)要求[5-7]。具體參數(shù)如下。

圖1 車輛行駛速度與牽引力關(guān)系圖

泵的最大排量為105 cc/r，數(shù)量為1，最大壓力差p為40 MPa。前橋馬達參數(shù)：馬達的最大排量為75 cc/r，馬達的最小排量為75 cc/r，馬達的數(shù)量為1。后橋馬達參數(shù)：馬達的最大排量為80 cc/r，馬達的最小排量為0 cc/r，馬達的數(shù)量為1。（前橋馬達為定量馬達，后橋馬達為變量馬達）

2 分流閥的工作原理

分流閥的原理：分流閥的作用是使液壓系統(tǒng)中的同一個油源向兩個以上執(zhí)行元件供應(yīng)固定比例的流量，從而實現(xiàn)執(zhí)行元件速度保持同步或定比關(guān)系。

如圖2所示，以等比例分流閥為例說明，設(shè)進油壓力為p0，進油流量為q0，首先油液通過固定節(jié)流孔1和2，然后進入油腔a和b，經(jīng)過可變節(jié)流孔3和4進入油口Ⅰ和Ⅱ，最后進入兩個執(zhí)行元件。如果執(zhí)行元件的負載相同，則閥出口壓力p3=p4，因為分流閥兩條支路的結(jié)構(gòu)參數(shù)完全相同，所以輸出流量相同，即q1=q2，并且p1=p2。當執(zhí)行元件的負載不相同時，以p3＞p4為例，此時閥芯來不及調(diào)整，仍然處于中間位置，必然導致q1＜q2，通過固定節(jié)流孔1的壓差小于通過固定節(jié)流孔2的壓差，因此p1＞p2。該壓差反饋到分流閥的兩端將使閥芯左移，使得可變節(jié)流孔3變大、可變節(jié)流孔4變小，從而使得q1變大、q2變小，直到q1=q2，閥芯才能重新達到平衡。這就是分流閥的工作原理[8-9]，分流閥符號如圖3所示。

圖2 分流閥原理圖

圖3 分流閥符號

3 防打滑一泵兩馬達液壓行走系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 工作模式

當在泥濘路段行駛時，車輛需要實現(xiàn)防打滑的功能，且對于正常路段，車輛可以正常行駛。通常情況來說，僅僅要求一個檔位具備防打滑功能即可，這樣可以最大程度地簡化設(shè)計。對于本設(shè)計，為了更好地說明如何計算，設(shè)計兩個檔位（爬坡檔和工作檔）的防打滑功能。對于農(nóng)機車輛比較常見的是，會設(shè)置一個行走檔位，方便快速轉(zhuǎn)場；一個工作檔位，用于在農(nóng)田里作業(yè)；一個爬坡檔位，用于在大的傾斜路段行走。顯然，在工作檔位設(shè)置防打滑功能是最合適的，這樣可以保證工作區(qū)域比較泥濘濕滑時，也不影響工作。

因此，車輛的工作模式可以設(shè)置為3種：一種為兩驅(qū)模式，對應(yīng)行走檔位；一種是常規(guī)四驅(qū)模式（即沒有防打滑功能），對應(yīng)工作檔和爬坡檔；一種是防打滑四驅(qū)模式，對應(yīng)工作檔。

3.2 工作原理

如圖4所示，本設(shè)計中防打滑功能主要是通過分流閥實現(xiàn)的，因此首先要選擇合適比例的分流閥。前面已經(jīng)經(jīng)過計算，四驅(qū)工作檔位下前橋馬達和后橋馬達的流量比是1.28，選擇最接近流量比的分流閥，即3∶2的分流閥。即使這樣，前橋馬達仍然會處于欠流量的狀態(tài)，所欠流量計算如下：

圖4 防打滑四驅(qū)液壓行走系統(tǒng)原理圖

式中：Qt為總流量。

可以計算得到，在工作檔下，所欠流量為7.24 L/min，且是后橋馬達應(yīng)向前橋馬達分配流量。

爬坡檔前橋馬達和后橋馬達的流量比計算與前文類似，可以計算得到所欠流量為28 L/min，且是后橋馬達應(yīng)向前橋馬達分配流量。

可以看到，兩種不同的檔位下，所欠流量是不同的。如果沒有兩個馬達支路間流量的調(diào)節(jié)，單純靠分流閥強制分配流量，將會產(chǎn)生嚴重的吸空發(fā)熱現(xiàn)象。

分流閥的最大通流量是有限制的，因此本設(shè)計采用兩個分流閥4組成一個具有較大通流量的分流比一定的分流閥組。

如果分流閥的分流比與前輪馬達和后輪馬達需求的流量比不一致，那么會導致嚴重的發(fā)熱或者馬達吸空現(xiàn)象。

對于7.24 L/min的流量差，考慮采用流量調(diào)節(jié)閥來溝通兩個馬達通路。并且需要采用最接近的6.28 L/min的流量調(diào)節(jié)閥，這樣可以最大程度減少在打滑工況時非打滑馬達支路流量的損失。

通過插裝閥電磁閥的開啟可以控制實現(xiàn)車輛的3種模式。

當插裝閥2和3的控制電磁閥均失電時，插裝閥2和3處于通路狀態(tài)，此時可以實現(xiàn)兩驅(qū)或者常規(guī)四驅(qū)狀態(tài)。相比于分流閥的壓損，插裝閥的壓差顯然小得多，因此泵的流量將全部從插裝閥2和3進入馬達8和9，這種情況下相當于液壓泵1直接通過液壓管路驅(qū)動前橋馬達8和后橋馬達9。當后橋馬達全排量時，實現(xiàn)的是常規(guī)四驅(qū)模式；當后橋馬達切到0排量時，即實現(xiàn)兩驅(qū)模式。需要注意的是，兩驅(qū)模式時必須將后橋馬達切到0排量，不能單純通過將插裝閥的通路關(guān)閉實現(xiàn)，因為后橋馬達的轉(zhuǎn)動將導致嚴重的吸空發(fā)熱。在兩驅(qū)模式中，還需要計算車速最大時后橋馬達的轉(zhuǎn)速，因為后橋速比小于前橋速比，后橋馬達容易出現(xiàn)超過額定轉(zhuǎn)速的情況。

當插裝閥2和3的控制電磁閥均得電時，泵的排量將完全通過分流閥進入兩個馬達，從而實現(xiàn)流量的強制分配，即使一個馬達處于打滑狀態(tài)，流量也不至于全從該馬達經(jīng)過。此時不管前輪或者后輪發(fā)生打滑，流量都會以固定的比例向兩馬達分配，液壓系統(tǒng)仍然可以建立起壓力，從而使整機可以駛出泥濘打滑地段。其中元件5為流量調(diào)節(jié)閥，元件7為調(diào)速閥。在工作檔下，流量調(diào)節(jié)閥5的作用是從后橋馬達向前橋馬達分配7.24 L/min的流量；在爬坡檔下，流量調(diào)節(jié)閥5和調(diào)速閥7共同作用，從后橋馬達向前橋馬達分配28 L/min的流量。需要說明的是，一般調(diào)速閥的通流量要比流量調(diào)節(jié)閥大，因此在工作檔位下，應(yīng)選擇盡可能接近所欠流量的流量調(diào)節(jié)閥。這樣的好處是，在打滑工況下，非打滑馬達支路可以盡可能少地向打滑馬達支路分配流量。當處于爬坡檔位時，僅僅依靠流量調(diào)節(jié)閥已經(jīng)不能彌補所欠流量，這時同時開啟調(diào)速閥7，共同作用，調(diào)節(jié)所欠流量。調(diào)速閥7通過開關(guān)閥6開啟，其開關(guān)應(yīng)該同爬坡檔檔位同步開啟，即轉(zhuǎn)入爬坡檔時，開關(guān)閥6開啟。

3種工作模式與閥2、3、6應(yīng)該存在如表1所示邏輯關(guān)系：

表1 工作模式與電磁閥開啟的邏輯關(guān)系

4 熱平衡測試

通過分流閥進行流量的強制分配，不可避免地會增加壓損，如果設(shè)計不合理，很容易產(chǎn)生嚴重的發(fā)熱，影響液壓系統(tǒng)的使用壽命。為此，進行了以下熱平衡實驗[10-12]。

4.1 防打滑四驅(qū)爬坡檔熱平衡測試

如圖5所示，筆者對防打滑四驅(qū)爬坡檔熱平衡進行了測試。

圖5 防打滑四驅(qū)爬坡檔熱平衡測試

測試條件：田地，環(huán)境溫度-0.2℃，發(fā)動機最大轉(zhuǎn)速，防打滑四驅(qū)爬坡檔跑車。

測試結(jié)果：泵殼體泄油測試溫度30.2℃，換算溫度61.8℃（換算溫度45℃），前橋馬達殼體泄油測試溫度43.7℃，換算溫度75.3℃（換算溫度45℃）。

結(jié)論：熱平衡換算溫度允許值≤90℃（換算溫度45℃），符合液壓系統(tǒng)使用要求。

4.2 防打滑四驅(qū)工作檔熱平衡測試

如圖6所示，筆者對防打滑四驅(qū)工作檔熱平衡進行了測試。

圖6 防打滑四驅(qū)工作檔熱平衡測試

測試條件：田地，環(huán)境溫度-0.2℃（與圖中有差異，長時間跑車后環(huán)境溫度傳感器數(shù)據(jù)偏高），發(fā)動機最大轉(zhuǎn)速，防打滑四驅(qū)工作檔跑車。

測試結(jié)果：泵殼體泄油測試溫度33.2℃，換算溫度67.7℃（換算溫度45℃），前橋馬達殼體泄油測試溫度50.2℃，換算溫度84.2℃（換算溫度45℃）。

結(jié)論：熱平衡換算溫度允許值≤90℃（換算溫度45℃），符合液壓系統(tǒng)使用要求。

5 結(jié)論

車輛打滑時，液壓行走系統(tǒng)的流量將全部流向打滑側(cè)的馬達，為此筆者設(shè)計了一種防打滑四驅(qū)液壓系統(tǒng)，通過分流閥實現(xiàn)流量的強制分配。由于分流閥的分流比很難與實際需求一致，欠流量的液壓元件會產(chǎn)生吸空和發(fā)熱現(xiàn)象，為盡可能減少不同檔位下的欠流量，采用了調(diào)速閥和流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)兩個分流支路間的流量。通過熱平衡實驗驗證，系統(tǒng)的發(fā)熱量符合液壓系統(tǒng)的設(shè)計要求，并且考慮到防打滑模式一般在短時間內(nèi)使用，實際上的發(fā)熱量更少。