張坤生
(濰坊市知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)中心,山東 濰坊 261000)
伴隨著液壓技術(shù)和農(nóng)業(yè)機(jī)械的快速發(fā)展,在大型機(jī)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(jī)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(jī)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(diǎn)是液壓系統(tǒng)的無級變速,不需要離合器,也不需要頻繁地?fù)Q擋,僅需要操作手桿就可以讓車輛行走。當(dāng)操作者想讓車輛進(jìn)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(qiáng)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(dá)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(jìn)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(jìn)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(dá)配置。一泵兩馬達(dá)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(jī)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(dá),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(qiáng)制分配,以防止在打滑狀況時,流量只流向其中一個馬達(dá)。
為了更好地說明如何實現(xiàn)一泵兩馬達(dá)系統(tǒng)的防打滑設(shè)計,首先對普通的一泵兩馬達(dá)液壓系統(tǒng)的設(shè)計做一下簡要說明。
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(jìn)行一泵兩馬達(dá)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(jī)轉(zhuǎn)速n為2 000 r/min,發(fā)動機(jī)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)。
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(dá)的流量,L/min。
R1、R2—前輪、后輪的半徑,m。
V1、V2、—前橋、后橋馬達(dá)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(dá)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(jī)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。
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(dá)、排量為80 cc/r的后橋馬達(dá)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(dá)參數(shù):馬達(dá)的最大排量為75 cc/r,馬達(dá)的最小排量為75 cc/r,馬達(dá)的數(shù)量為1。后橋馬達(dá)參數(shù):馬達(dá)的最大排量為80 cc/r,馬達(dá)的最小排量為0 cc/r,馬達(dá)的數(shù)量為1。(前橋馬達(dá)為定量馬達(dá),后橋馬達(dá)為變量馬達(dá))
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(jìn)油壓力為p0,進(jìn)油流量為q0,首先油液通過固定節(jié)流孔1和2,然后進(jìn)入油腔a和b,經(jīng)過可變節(jié)流孔3和4進(jìn)入油口Ⅰ和Ⅱ,最后進(jìn)入兩個執(zhí)行元件。如果執(zhí)行元件的負(fù)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(dāng)執(zhí)行元件的負(fù)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(dǎo)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(dá)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
當(dāng)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(jī)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。
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(dá)和后橋馬達(dá)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(dá)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(dá)應(yīng)向前橋馬達(dá)分配流量。
爬坡檔前橋馬達(dá)和后橋馬達(dá)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(dá)應(yīng)向前橋馬達(dá)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(dá)支路間流量的調(diào)節(jié),單純靠分流閥強(qiáng)制分配流量,將會產(chǎn)生嚴(yán)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(dá)和后輪馬達(dá)需求的流量比不一致,那么會導(dǎo)致嚴(yán)重的發(fā)熱或者馬達(dá)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(dá)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(dá)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(dāng)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(jìn)入馬達(dá)8和9,這種情況下相當(dāng)于液壓泵1直接通過液壓管路驅(qū)動前橋馬達(dá)8和后橋馬達(dá)9。當(dāng)后橋馬達(dá)全排量時,實現(xiàn)的是常規(guī)四驅(qū)模式;當(dāng)后橋馬達(dá)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(dá)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(dá)的轉(zhuǎn)動將導(dǎo)致嚴(yán)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(dá)的轉(zhuǎn)速,因為后橋速比小于前橋速比,后橋馬達(dá)容易出現(xiàn)超過額定轉(zhuǎn)速的情況。
當(dāng)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(jìn)入兩個馬達(dá),從而實現(xiàn)流量的強(qiáng)制分配,即使一個馬達(dá)處于打滑狀態(tài),流量也不至于全從該馬達(dá)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(dá)分配,液壓系統(tǒng)仍然可以建立起壓力,從而使整機(jī)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(dá)向前橋馬達(dá)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(dá)向前橋馬達(dá)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(dá)支路可以盡可能少地向打滑馬達(dá)支路分配流量。當(dāng)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(bǔ)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
通過分流閥進(jìn)行流量的強(qiáng)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(yán)重的發(fā)熱,影響液壓系統(tǒng)的使用壽命。為此,進(jìn)行了以下熱平衡實驗[10-12]。
如圖5所示,筆者對防打滑四驅(qū)爬坡檔熱平衡進(jìn)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(jī)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(dá)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。
如圖6所示,筆者對防打滑四驅(qū)工作檔熱平衡進(jìn)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(jī)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(dá)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。
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(dá),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(qiáng)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。