帶變速閥挖掘機(jī)液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速切換特性*

湯何勝 訚耀保 王康景

(同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 200092)

液壓馬達(dá)是挖掘機(jī)行走機(jī)構(gòu)中非常重要的零部件，其傳動(dòng)穩(wěn)定性直接影響驅(qū)動(dòng)性能［1-2］.帶變速閥的液壓馬達(dá)主要用于滿足挖掘機(jī)低速重載和載荷急劇變化時(shí)的工況要求，其依靠變速閥調(diào)節(jié)馬達(dá)排量，降低因挖掘機(jī)換擋操縱頻繁所引起的壓力沖擊，保證挖掘機(jī)平穩(wěn)行駛.目前，挖掘機(jī)已逐漸采用帶變速閥的液壓馬達(dá)作為可變行走驅(qū)動(dòng)裝置，取代了采用溢流閥方式來(lái)控制馬達(dá)的高低速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，可解決挖掘機(jī)換擋過(guò)程中負(fù)荷沖擊過(guò)大和換向時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，有利于提高挖掘機(jī)的生產(chǎn)效率和能源利用率.在復(fù)雜工況下，挖掘機(jī)換擋操縱產(chǎn)生的負(fù)荷沖擊與液壓馬達(dá)的變速特性有關(guān)，而變速閥的換向性能是影響液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速切換特性的主要因素［3-4］.Triet、Kim、Nakazawa 等［5-7］提出采用飛輪機(jī)構(gòu)與液壓蓄能器相結(jié)合的方式控制液壓馬達(dá)排量的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力挖掘機(jī)的能量回收和控制策略，但成本高.閆雨良等［8］通過(guò)分析恒壓液壓網(wǎng)絡(luò)上液壓馬達(dá)的3 種調(diào)速方法，提高了馬達(dá)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的控制精度及系統(tǒng)穩(wěn)定性.張彥廷、秦華偉等［9-11］引入開(kāi)關(guān)液壓源理論和脈頻調(diào)制方法控制大慣性負(fù)載液壓馬達(dá)速度，提高了液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性和快速性.孟慶堂、施光林等［12-14］提出一種采用高速開(kāi)關(guān)閥組實(shí)現(xiàn)配流與調(diào)速的新型液壓馬達(dá)，分析了液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)過(guò)程，發(fā)現(xiàn)改變高速開(kāi)關(guān)閥控制信號(hào)占空比可有效地調(diào)節(jié)馬達(dá)轉(zhuǎn)速，提高馬達(dá)轉(zhuǎn)速切換的快速性.代鑫、沈偉等［15-16］在馬達(dá)制動(dòng)工況下利用液壓蓄能器回收制動(dòng)能和重力勢(shì)能，提高了馬達(dá)速度切換穩(wěn)定性.為解決挖掘機(jī)的行走負(fù)荷沖擊和行走穩(wěn)定性問(wèn)題，文中以帶變速閥的液壓馬達(dá)為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)不同變速閥結(jié)構(gòu)參數(shù)下液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速切換規(guī)律進(jìn)行比較，探討變速閥結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)液壓馬達(dá)變速切換特性的影響，以提高挖掘機(jī)的動(dòng)力性、燃料經(jīng)濟(jì)性及安全性，滿足人們對(duì)挖掘機(jī)操縱的方便性和舒適性要求.

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 變速閥結(jié)構(gòu)

圖1 示出了所研制的變速閥結(jié)構(gòu)，與二位四通先導(dǎo)式液控?fù)Q向閥相比，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，包括鎖緊螺母1、閥體2、變速閥芯3、變速小閥芯4、彈簧5 以及彈簧座6.變速閥芯3 中間分別設(shè)置先導(dǎo)油腔壓力控制口9 和制動(dòng)油腔10.當(dāng)先導(dǎo)油腔未接定量泵的外控壓力油時(shí)，支座柱塞腔8 與回油腔7 連通，馬達(dá)處于低轉(zhuǎn)速狀態(tài).當(dāng)先導(dǎo)油腔接外控壓力油時(shí)，先導(dǎo)油腔與變速閥芯左端油腔相通，克服彈簧預(yù)緊力，變速閥芯右移，變速閥處于右位，A 口的高壓油與支座柱塞腔連通，B 口與油箱連通，馬達(dá)轉(zhuǎn)速處于高轉(zhuǎn)速狀態(tài);當(dāng)制動(dòng)油缸壓力增大時(shí)，制動(dòng)油腔與變速小閥芯左端油腔相通，變速閥芯左移，變速閥處于左位，支座柱塞腔與回油腔連通，馬達(dá)轉(zhuǎn)速?gòu)母咿D(zhuǎn)速狀態(tài)自動(dòng)切換為低轉(zhuǎn)速狀態(tài).為滿足挖掘機(jī)換擋頻繁和負(fù)載急劇變化的工況，采用兩個(gè)定量泵串聯(lián)和并聯(lián)切換的方法來(lái)控制變速閥先導(dǎo)油腔的外控壓力油，從而實(shí)現(xiàn)液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速切換功能.

圖1 變速閥結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of shift valve

1.2 帶變速閥的液壓馬達(dá)工作原理

帶變速閥的液壓馬達(dá)，包括液壓泵、液壓馬達(dá)、制動(dòng)油缸1、變速小閥芯2、支座柱塞3 和變速閥5，如圖2 所示.初始狀態(tài)下，先導(dǎo)油腔壓力口X 未接定量泵的外控壓力油時(shí)，變速閥芯處于左位，變速閥的C 和D 口與油箱連通，液壓泵A1 口與制動(dòng)油缸1連通，液壓馬達(dá)處于大擺角低轉(zhuǎn)速狀態(tài).當(dāng)先導(dǎo)油腔壓力口X 接外控壓力油時(shí)，壓力油經(jīng)阻尼孔6，克服變速閥彈簧預(yù)緊力，推動(dòng)變速閥芯右移，變速閥處于右位，液壓泵的A1 口分別與制動(dòng)油缸以及變速閥的D 口連通，一部分高壓油進(jìn)入制動(dòng)油缸腔，另一部分高壓油經(jīng)阻尼孔4 進(jìn)入支座柱塞腔，推動(dòng)支座柱塞改變馬達(dá)變量擺角，液壓馬達(dá)從大擺角低速狀態(tài)切換成小擺角高轉(zhuǎn)速狀態(tài)，變速閥的C 口與安全閥B1 口連通，液壓油經(jīng)安全閥回到油箱，從而實(shí)現(xiàn)馬達(dá)轉(zhuǎn)速切換功能.當(dāng)制動(dòng)油缸壓力增加時(shí)，制動(dòng)油腔與變速小閥芯油腔連通，在變速小閥芯2 的反推力作用下，變速閥芯左移，變速閥處于左位，變速閥的C 和D 口與油箱連通，支座柱塞腔的液壓油回到油箱，液壓馬達(dá)斜盤(pán)從小擺角高轉(zhuǎn)速狀態(tài)切換成大擺角低轉(zhuǎn)速狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)馬達(dá)轉(zhuǎn)速自動(dòng)調(diào)節(jié)功能.先導(dǎo)油腔的外控壓力油是由定量泵的轉(zhuǎn)速和工作壓力所決定，隨負(fù)載壓力增加，改變定量泵轉(zhuǎn)速，提高先導(dǎo)油腔的外控壓力，控制液壓馬達(dá)變量擺角，從而實(shí)現(xiàn)馬達(dá)轉(zhuǎn)速切換功能.

圖2 帶變速閥的液壓馬達(dá)工作原理圖Fig.2 Working principle diagram of hydraulic motor with a shift valve

2 帶變速閥的液壓馬達(dá)數(shù)學(xué)模型

2.1 變速閥的數(shù)學(xué)模型

根據(jù)節(jié)流小孔的流量公式，閥口流量表達(dá)式為

式中:qv為閥口流量，L/min;cd1為閥口流量系數(shù);d1為閥口的等效直徑，mm;y 為閥芯的位移量，mm;α1為變速閥芯錐度;ρ 為油液密度，kg/m3;p1為閥口壓力，MPa;p2為閥出口壓力，MPa.

變速閥芯的力平衡方程為

式中:m1為變速閥芯質(zhì)量，kg;p3為先導(dǎo)油腔壓力，MPa;A1為先導(dǎo)油腔作用面積，m2;A2為制動(dòng)油腔作用面積，m2;p4為制動(dòng)油腔壓力，MPa;k 為彈簧剛度，N·mm;y0為閥芯初始開(kāi)口量，mm;x0為彈簧預(yù)壓縮量，mm;μ 為油液動(dòng)力黏度，Pa·s;rc為閥芯與閥體之間的徑向間隙，mm;f 為變速閥芯所受摩擦力，N;Fs為穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力，N.

閥口流量連續(xù)性方程為

其中，

式中:cd2為變速閥阻尼孔的流量系數(shù);V1為閥進(jìn)口受控腔容積，m3;K 為液壓油彈性模量，N/m2.

2.2 液壓馬達(dá)的數(shù)學(xué)模型

馬達(dá)的初始排量為全排量，假設(shè)最小排量為全排量的0.6 倍，馬達(dá)排量隨著變速閥的閥口壓力增加而減小，馬達(dá)實(shí)際排量為

式中:qm為馬達(dá)實(shí)際排量，L/r;qmmax為馬達(dá)最大排量，L/r;qmk為液壓馬達(dá)的控制排量，L/r;Tm為液壓馬達(dá)的時(shí)間常數(shù);km為液壓馬達(dá)的比例系數(shù).

液壓馬達(dá)的流量連續(xù)方程為

式中:Ctm為液壓馬達(dá)的總泄漏系數(shù);V3為變量馬達(dá)的比例系數(shù);ωm為液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速，r/min.

馬達(dá)的負(fù)載力矩平衡方程為

式中:Jt為負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2;Bt為阻尼系數(shù);TL為變負(fù)載力矩，N·m.

3 理論結(jié)果及其分析

由式(1)-(7)的帶變速閥液壓馬達(dá)數(shù)學(xué)模型，可建立液壓馬達(dá)系統(tǒng)仿真模型，如圖3 所示.液壓馬達(dá)的速度切換特性與變速閥的結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)，變速閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響馬達(dá)轉(zhuǎn)速切換特性.本節(jié)主要分析變速閥的初始開(kāi)口量、變速閥阻尼孔直徑、先導(dǎo)油腔阻尼孔直徑以及彈簧剛度對(duì)馬達(dá)轉(zhuǎn)速切換特性的影響.

圖3 帶變速閥的液壓馬達(dá)系統(tǒng)模型Fig.3 System model of hydraulic motor with a shift valve

3.1 閥芯初始開(kāi)口量的影響

圖4 示出了不同閥芯的初始開(kāi)口量對(duì)馬達(dá)轉(zhuǎn)速切換特性的影響.

圖4 不同閥芯初始開(kāi)口量下的馬達(dá)轉(zhuǎn)速變化曲線Fig.4 Speed curves of motor at different displacements of spool

變速閥的先導(dǎo)油腔未接外控壓力油時(shí)，變速閥在0～0.6s 處于左位，馬達(dá)處于低轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速為850r/min;0.6 s 后，變速閥的先導(dǎo)油腔接通外控壓力油，變速閥處于右位，液壓馬達(dá)在0.6～1.5 s 處于轉(zhuǎn)速切換階段，存在轉(zhuǎn)速峰值，峰值響應(yīng)時(shí)間為0.5 s;1.5 s后，馬達(dá)處于高轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速為1 135 r/min.液壓馬達(dá)處于轉(zhuǎn)速切換階段，閥芯初始開(kāi)口量增大，馬達(dá)轉(zhuǎn)速峰值時(shí)間越長(zhǎng)，轉(zhuǎn)速超調(diào)量越大.其原因是閥芯初始開(kāi)口量降低了支座柱塞油腔壓力的穩(wěn)定性，導(dǎo)致斜盤(pán)容易出現(xiàn)壓力沖擊現(xiàn)象，影響斜盤(pán)擺動(dòng)的穩(wěn)定性，使馬達(dá)轉(zhuǎn)速超調(diào)量增大，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)間延長(zhǎng)，馬達(dá)流量損失增加.

3.2 先導(dǎo)油腔阻尼孔直徑的影響

圖5 示出了不同先導(dǎo)油腔阻尼孔直徑d2對(duì)馬達(dá)轉(zhuǎn)速切換特性的影響.不同先導(dǎo)油腔液阻直徑對(duì)于處于低速和高速狀態(tài)下的馬達(dá)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性幾乎沒(méi)有影響.馬達(dá)處于轉(zhuǎn)速切換階段，隨著直徑d2增大，馬達(dá)轉(zhuǎn)速切換時(shí)間提前，轉(zhuǎn)速切換時(shí)間縮短，轉(zhuǎn)速峰值時(shí)間減小.該結(jié)果表明，先導(dǎo)油腔阻尼孔直徑對(duì)馬達(dá)轉(zhuǎn)速切換時(shí)間的影響較大，其原因是先導(dǎo)油腔壓力與變速閥換向性能有關(guān)，隨著直徑d2增大，先導(dǎo)油腔壓力損失降低，變速閥的換向時(shí)間縮短.因此，先導(dǎo)油腔阻尼孔直徑不宜過(guò)小，否則馬達(dá)轉(zhuǎn)速切換時(shí)間延長(zhǎng)，轉(zhuǎn)速超調(diào)量增大，轉(zhuǎn)速切換性能降低.

圖5 不同先導(dǎo)油腔阻尼孔直徑下的馬達(dá)轉(zhuǎn)速變化曲線Fig.5 Speed curves of motor with different diameters of damper orifice at the pilot pressure port

3.3 變速閥阻尼孔直徑的影響

圖6 不同變速閥阻尼孔直徑下的馬達(dá)轉(zhuǎn)速變化曲線Fig.6 Speed curves of motor with different diameters of damper orifice at the shift valve

圖6 示出了不同變速閥阻尼孔直徑d3對(duì)馬達(dá)轉(zhuǎn)速切換特性的影響.馬達(dá)處于低速和高速狀態(tài)時(shí)，隨著直徑d3增大，馬達(dá)轉(zhuǎn)速也隨之降低.馬達(dá)處于轉(zhuǎn)速切換階段時(shí)，直徑d3對(duì)馬達(dá)轉(zhuǎn)速切換性能的影響較大，隨著直徑d3增大，馬達(dá)轉(zhuǎn)速切換幅度降低，可能出現(xiàn)馬達(dá)轉(zhuǎn)速無(wú)法實(shí)現(xiàn)高低速切換的現(xiàn)象.該結(jié)果表明，直徑d3與變速閥入口壓力相關(guān)，隨著直徑d3增大，支座柱塞油腔壓力對(duì)斜盤(pán)的作用力矩減小，導(dǎo)致馬達(dá)斜盤(pán)擺角切換幅度減小，馬達(dá)轉(zhuǎn)速切換幅度也隨之降低，馬達(dá)流量損失增加.因此，變速閥阻尼孔直徑是影響馬達(dá)轉(zhuǎn)速切換特性的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，合理選擇變速閥阻尼孔直徑可提高馬達(dá)的轉(zhuǎn)速切換性能.

3.4 彈簧剛度的影響

圖7 示出了彈簧剛度對(duì)馬達(dá)轉(zhuǎn)速切換特性的影響.變速閥彈簧剛度對(duì)處于低速和高速狀態(tài)下的馬達(dá)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性幾乎沒(méi)有影響，馬達(dá)轉(zhuǎn)速分別為850r/min和1135 r/min.馬達(dá)處于轉(zhuǎn)速切換階段時(shí)，隨著變速閥彈簧剛度增大，轉(zhuǎn)速切換時(shí)間隨之增大，轉(zhuǎn)速峰值時(shí)間延長(zhǎng).其原因是變速閥彈簧腔的背壓隨彈簧剛度增加而增大，變速閥芯開(kāi)啟困難，變速閥的閥口流量減少，馬達(dá)流量損失增大，支座柱塞腔壓力對(duì)斜盤(pán)的作用力矩減小，馬達(dá)轉(zhuǎn)速切換時(shí)間延長(zhǎng).因此，變速閥彈簧剛度不宜設(shè)置過(guò)大，否則馬達(dá)轉(zhuǎn)速切換時(shí)間延長(zhǎng)，馬達(dá)轉(zhuǎn)速切換性能降低.

圖7 不同彈簧剛度下的馬達(dá)轉(zhuǎn)速變化曲線Fig.7 Speed curves of motor with different spring stiffness

4 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

將所研制的新型變速閥和測(cè)試液壓馬達(dá)(KYB/MAG-170VP-3800E)組合后，在250 kW 馬達(dá)綜合性能試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行轉(zhuǎn)速切換試驗(yàn).試驗(yàn)平臺(tái)包括控制電機(jī)、液壓泵(Rexroth/ A11VO146R2)、加載馬達(dá)(Rexroth/A2F107R2)、測(cè)試液壓馬達(dá)、集成式操作臺(tái)、控制軟件和圖像處理軟件，如圖8 所示.

圖8 液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速切換特性試驗(yàn)Fig.8 Speed-switching characteristic test of hydraulic motor

液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速切換特性試驗(yàn)試驗(yàn)要求如下:①液壓系統(tǒng)溫度控制在50°～60°，先導(dǎo)壓力設(shè)定為3.9～4.0 MPa;②變速閥的先導(dǎo)油腔在0～10 s 時(shí)未接通外控壓力油，變速閥處于左位工作，馬達(dá)的測(cè)試轉(zhuǎn)速和壓力分別調(diào)定為800 r/min 和10 MPa，馬達(dá)處于低轉(zhuǎn)速狀態(tài);③變速閥的先導(dǎo)油腔在10～20 s 時(shí)接通外控壓力油，變速閥處于右位工作，馬達(dá)處于高轉(zhuǎn)速狀態(tài)，記錄馬達(dá)轉(zhuǎn)速和壓力的試驗(yàn)數(shù)據(jù).

圖9 示出了實(shí)際液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速變化曲線.變速閥在0～11 s 處于左位，馬達(dá)轉(zhuǎn)速為780 r/min;變速閥在11～20 s 處于右位，而馬達(dá)在11～12 s 處于速度切換階段，轉(zhuǎn)速峰值較小，超調(diào)量小于3%.馬達(dá)在12～20 s 處于高轉(zhuǎn)速狀態(tài)，轉(zhuǎn)速為1 200 r/min.試驗(yàn)結(jié)果表明，液壓馬達(dá)在10～12 s 處于速度切換階段，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相差1 s，其原因是實(shí)驗(yàn)采用的電磁換向閥在工作過(guò)程中存在時(shí)滯性，延遲時(shí)間為0.5 s，導(dǎo)致變速閥芯開(kāi)啟所需的先導(dǎo)壓力存在滯后，且在閥芯的摩擦阻力及配合間隙的影響下，馬達(dá)的泄漏流量損失增加，馬達(dá)轉(zhuǎn)速切換時(shí)間亦隨之延長(zhǎng)，而仿真模型采用矩形方波來(lái)模擬先導(dǎo)油腔壓力，未考慮馬達(dá)內(nèi)部的泄漏流量損失.

圖9 實(shí)際液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速變化曲線Fig.9 Practical speed curves of hydraulic motor

5 結(jié)論

(1)液壓馬達(dá)處于轉(zhuǎn)速切換階段時(shí)，變速閥的初始開(kāi)口量越大，閥芯側(cè)面的壓力差越大，閥芯的徑向不平衡力越大，會(huì)引起閥芯振動(dòng)響應(yīng)，使支座柱塞腔壓力的穩(wěn)定性降低，導(dǎo)致斜盤(pán)出現(xiàn)壓力沖擊現(xiàn)象，馬達(dá)轉(zhuǎn)速超調(diào)量增大，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)間延長(zhǎng).

(2)先導(dǎo)油腔阻尼孔與變速閥換向性能有關(guān)，隨著阻尼孔d2增大，先導(dǎo)油腔壓力損失降低，變速閥芯的開(kāi)口壓力增加，變速閥的換向時(shí)間縮短，馬達(dá)轉(zhuǎn)速切換的響應(yīng)性提高.

(3)變速閥阻尼孔與馬達(dá)斜盤(pán)擺角有關(guān)，隨著阻尼孔d3增大，支座柱塞腔壓力升高越緩慢，斜盤(pán)的作用力矩減小，馬達(dá)斜盤(pán)擺角切換幅度減小，從而降低了馬達(dá)轉(zhuǎn)速切換幅度.

(4)彈簧剛度與變速閥的開(kāi)啟壓力有關(guān)，隨著彈簧剛度增大，變速閥彈簧腔的背壓增加，變速閥芯開(kāi)啟變得困難，閥口流量減少，斜盤(pán)的作用力矩降低，馬達(dá)轉(zhuǎn)速切換時(shí)間增加.

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