平地機三種典型傳動系統(tǒng)特性對比分析

吳仁智，鄭賽花

(同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院，上海 201804)

平地機是一種裝有以鏟土刮刀為主，可選配推土板、推雪鏟、松土器、松土耙等多種可換輔助作業(yè)裝置，進行土壤切削、平整和攤鋪的作業(yè)機械，功能多樣，用途廣泛［1］.平地機的工作裝置靠機器行走的牽引力推動，其工作過程就是將發(fā)動機的輸出功率通過傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)闋恳σ钥朔ぷ餮b置阻力的過程.現(xiàn)代平地機的傳動方式主要有機械傳動、液力機械傳動和全液壓傳動三大類.無論采用何種傳動方式，平地機生產(chǎn)商在傳動系統(tǒng)性能方面的追求目標都是一致的，即使之實現(xiàn)寬廣的扭矩和速度變換范圍，以滿足平地、挖溝、刮坡、推土、疏松等各種不同作業(yè)工況下的負載和行駛速度變化范圍的作業(yè)要求，從而獲得最佳的動力性、經(jīng)濟性和最大的作業(yè)生產(chǎn)率.

1 平地機的三種典型傳動方式

1.1 機械傳動

以卡特彼勒(Caterpillar)、沃爾沃(Volvo)和約翰迪爾(John Deere)等為代表的歐美平地機生產(chǎn)商，始終堅持在多檔位變速箱的基礎(chǔ)上對發(fā)動機進行合理利用的技術(shù)路線［2］，由變功率發(fā)動機直接驅(qū)動多檔位機械變速箱，最大限度地發(fā)揮機械傳動效率高的優(yōu)勢.如圖1所示，其動力傳遞路線依次為:發(fā)動機、動力換檔變速箱、驅(qū)動橋、平衡箱、驅(qū)動輪.為滿足平地機速度和扭矩變換范圍大的作業(yè)要求，增強機器對變化負載的適應(yīng)能力，機械傳動平地機的變速箱檔位多設(shè)置為八個以上前進檔、四個以上后退檔.

圖1 平地機機械傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 M echanical transm ission structure of grader

1.2 液力機械傳動

機械傳動是平地機較為理想的傳動方式，但由于國內(nèi)制造加工技術(shù)水平的限制，自主生產(chǎn)符合要求的多檔位機械變速箱短時間內(nèi)還存在一定的困難，且換檔控制技術(shù)也未獲得突破，這一傳動方式對國內(nèi)平地機生產(chǎn)商來說暫時還無法實現(xiàn)［3］，因此國產(chǎn)平地機基本上采用液力變矩器+動力換檔變速箱的傳動方案.如圖2所示，其動力傳遞路線依次為:發(fā)動機、液力變矩器、動力換檔變速箱、驅(qū)動橋、平衡箱、驅(qū)動輪.在發(fā)動機和變速箱之間增加液力變矩器，利用變矩器良好的自適應(yīng)特性，擴大動力范圍，降低對變速箱檔位的技術(shù)要求.變矩器+動力換檔變速箱的傳動方案中，變速箱一般僅設(shè)置六個前進檔和三個后退檔.

1.3 全液壓傳動

目前市場上全液壓平地機產(chǎn)品采用無變速箱、無傳動軸和無驅(qū)動橋的靜液壓傳動方式.如圖3所示，其動力傳遞路線依次為:發(fā)動機、變量液壓泵、變量液壓馬達、平衡箱、驅(qū)動輪.這種傳動方式易于通過自動控制實現(xiàn)無級調(diào)速［4］，但限于液壓傳動系統(tǒng)自身固有特點，以下全液壓傳動的一些關(guān)鍵技術(shù)難題仍未獲得理想的解決:

圖2 平地機液力機械傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Hydro-mechanical transm ission structure of grader

(1)變速范圍小

由于取消了變速箱，完全由液壓泵和液壓馬達通過排量變化進行調(diào)速，限于泵和馬達的結(jié)構(gòu)、軸承的最大轉(zhuǎn)速、潤滑條件的形成等制約，全液壓傳動與機械傳動和液力機械傳動相比，調(diào)速范圍較窄，最高車速僅為31 km·h－1，達不到國內(nèi)外平地機最高車速通常大于35 km·h－1的要求，不能很好地滿足高速轉(zhuǎn)場的需要.

(2)同步(偏載)作業(yè)性能差

由并聯(lián)雙液壓馬達分別驅(qū)動左右側(cè)車輪，缺少傳統(tǒng)機械傳動或液力機械傳動平地機驅(qū)動橋上的差速鎖定機構(gòu)，在兩側(cè)驅(qū)動輪地面附著條件不同或偏載(如鏟刀向側(cè)邊刮土、刮邊坡等)作業(yè)時，液壓油優(yōu)先供往載荷較小的液壓馬達，兩側(cè)驅(qū)動輪不能實現(xiàn)同步驅(qū)動，從而引起單邊打滑現(xiàn)象，這樣就降低了平地機的有效牽引力，加劇輪胎磨損.

圖3 平地機全液壓傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Hydraulic transmission structure of grader

因此，本文提出采用液壓機械復(fù)合傳動方式，即采用單變量液壓泵+單變量液壓馬達+機械式變速箱+驅(qū)動橋的傳動結(jié)構(gòu)，如圖4所示.其中變量液壓泵和變量液壓馬達通過液壓管路連接成閉式液壓系統(tǒng)，變速箱為結(jié)構(gòu)簡潔的兩檔或三檔變速箱.

圖4 平地機液壓機械復(fù)合傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Hydraulic-mechanical-compound transmission structure of grader

變量液壓馬達耦合變速箱構(gòu)成復(fù)合變速器，相當于兩臺變速器的串聯(lián)聯(lián)接.復(fù)合變速器中，變量液壓馬達通過不同排量的選擇(變量液壓馬達的最小排量Vmmin約為最大排量Vmmax的1/3～1/4，在Vmmin和Vmmax之間選擇若干個不同的排量值，其意義完全等同于機械式變速箱設(shè)置幾個不同的檔位)，即檔位的選擇，再同與之串聯(lián)耦合的變速箱進行組合，即可實現(xiàn)不同速比的多檔變速功能.

由變量液壓泵和變量液壓馬達組成的閉式液壓系統(tǒng)中，在每一個選定的液壓馬達排量下，變量液壓泵的排量均可在最大排量Vpmax到零排量之間無級變化，在實現(xiàn)機器不同工作檔位的同時，實現(xiàn)液壓馬達的輸出轉(zhuǎn)速在該檔位下的最高轉(zhuǎn)速至零轉(zhuǎn)速之間的連續(xù)調(diào)節(jié)，即實現(xiàn)機器每一工作檔位下的無級變速.

新型液壓機械復(fù)合傳動平地機與一般的全液壓平地機相比增加了兩檔(或三檔)變速箱和驅(qū)動橋，可以有效地解決全液壓平地機變速范圍小及同步(偏載)作業(yè)性能差的問題.

2 性能分析

選取發(fā)動機功率在145 kW左右，國內(nèi)外市場銷量最大的三種典型傳動系統(tǒng)平地機，分別對其牽引性能、傳動效率等特性進行對比分析.機械傳動平地機選擇國外某品牌平地機，整機設(shè)計質(zhì)量為15 970 kg，柴油發(fā)動機采用變功率控制技術(shù)，變速箱檔位為前八后四;液力機械傳動平地機選擇國內(nèi)某品牌平地機，整機設(shè)計質(zhì)量為15 400 kg，變速箱檔位為前六后三;根據(jù)新型液壓機械復(fù)合傳動系統(tǒng)的設(shè)計思路，類比同功率平地機的技術(shù)參數(shù)，自行匹配設(shè)計新型復(fù)合傳動平地機，整機設(shè)計質(zhì)量15 500 kg，選用QSB6.7型柴油發(fā)動機，ZF－2HL型兩檔變速箱，整機檔位設(shè)置為前八后八.

2.1 牽引性能的對比分析

牽引性能反映了整機行駛(或作業(yè))速度與牽引力之間的關(guān)系，牽引性能的好壞決定了平地機在各種作業(yè)速度下能否發(fā)揮最佳牽引功率和最高作業(yè)效能.

三種傳動系統(tǒng)的牽引特性曲線如圖5所示.

圖5 三種傳動方式平地機的牽引特性曲線Fig.5 Traction performance of three transmission systems for grader

從圖6中三種傳動方式平地機的牽引特性對比曲線可以看出，液力機械傳動與液壓機械復(fù)合傳動平地機的行駛(或作業(yè))速度變化范圍相近，最高車速均可達到42 km·h－1左右，略低于機械傳動平地機的最高車速.一方面反映出，利用變矩器的自動適應(yīng)性能，液力機械傳動采用較少檔位的變速箱可以實現(xiàn)與機械傳動相近的車速變化范圍;另一方面反映出，液壓機械復(fù)合傳動中后置的機械變速箱可以拓寬液壓馬達的輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的覆蓋匹配范圍，有效地解決了全液壓平地機變速范圍較小的問題.

由于平地機遇到最惡劣工況時，原則上都要使用1檔作業(yè).因此，將平地機1檔的牽引特性單獨列出比較(見圖7)，其余各檔位的趨勢基本與1檔相同.

圖6 三種傳動方式平地機牽引特性比較Fig.6 Traction performance comparison of three transmission systems for grader

圖7 三種傳動方式平地機1檔牽引特性比較Fig.7 Traction performance comparison of the first gear of three transmission systems for grader

平地機的最大切線牽引力取決于兩個方面，一是發(fā)動機轉(zhuǎn)矩經(jīng)傳動系統(tǒng)傳遞至驅(qū)動輪上的最大切線牽引力，二是由地面附著條件決定的最大切線牽引力，兩者的較小值即為平地機的最大切線牽引力.由地面附著條件決定的最大切線牽引力Fkφ由下式?jīng)Q定:

式中:ms為整機使用質(zhì)量，g為重力加速度，ζ為附著重量利用系數(shù)，φ為行走機構(gòu)與地面的附著系數(shù)，f為滾動阻力系數(shù).

綜合三種平地機的整機使用質(zhì)量，ms取為15 500 kg.平地機工作的典型地面條件下，ζ取為0.7，φ 取為0.7，f取為 0.1.代入各數(shù)值，計算得到典型地面附著條件決定的平地機最大切線牽引力Fkφ=85 kN，如圖7中水平虛線所示.從圖7可看出，三種傳動方式平地機由發(fā)動機轉(zhuǎn)矩決定的最大切線牽引力均超過由地面附著條件決定的最大切線牽引力，牽引力有適當?shù)膬?，這樣平地機的牽引系統(tǒng)可較好地適應(yīng)不同的工作重量和地面附著條件，以及可能的外部負載突變.

平地機正常工作時的牽引力由負載決定，負載線與牽引特性曲線的交點即為機器的穩(wěn)定工作點.圖7中取平地機的牽引負載達到地面附著力這一工況為例進行比較.如圖所示，該負載線與機械傳動、液力機械傳動和液壓機械復(fù)合傳動的牽引特性曲線分別交于點A、點B和點C，對應(yīng)的行駛速度分別為4.3，3.9和4.2 km·h－1.

機械傳動平地機在2.7 km·h－1的行駛速度下可達到最大切線牽引力145 kN(對應(yīng)圖7中點A')，該行駛速度下，液力機械傳動和液壓機械復(fù)合傳動的切線牽引力分別為118 kN和128 kN(分別對應(yīng)點B'和點C').點A'、點B'和點C'分別為 2.7 km·h－1的速度線與機械傳動、液力機械傳動和液壓機械復(fù)合傳動的牽引特性曲線的交點.

牽引特性曲線上任一點的牽引力值和對應(yīng)行駛速度值的乘積即為平地機的牽引功率.在發(fā)動機輸出功率相同的條件下，通過三種傳動方式平地機牽引力或行駛速度量化值的比較可知，機械傳動提供的牽引功率最大，液壓機械復(fù)合傳動次之，液力機械傳動最小.

2.2 傳動效率的對比分析

平地機在牽引作業(yè)(或高速轉(zhuǎn)場)的工作過程中，由發(fā)動機輸出的有效功率沿傳動系統(tǒng)各組成部件的傳遞路線如圖8所示.

圖8中各組成部件相關(guān)參數(shù)意義如下:

(1)發(fā)動機的輸出特性參數(shù)包括發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩Me和轉(zhuǎn)速ne.

(2)變速箱的參數(shù)包括傳動比it、機械效率ηt、功率損失 ΔPt、輸出轉(zhuǎn)矩Mt及轉(zhuǎn)速nt.

(3)液力變矩器的參數(shù)包括傳動比itc、效率ηtc、功率損失 ΔPtc、輸出轉(zhuǎn)矩Mtc及轉(zhuǎn)速ntc.

(4)變量液壓泵的參數(shù)包括變換比Rp(與排量Vp相關(guān))、機械效率 ηpt、容積效率 ηpv、功率損失ΔPp、壓力p和流量Q.

(5)變量液壓馬達的參數(shù)包括變換比Rm(與排量Vm相關(guān))、機械效率ηmt、容積效率ηmv、功率損失ΔPm、輸出轉(zhuǎn)矩Mm及轉(zhuǎn)速nm.

(6)驅(qū)動橋平衡箱總成的參數(shù)包括傳動比ih、機械效率 ηh、功率損失 ΔPh、輸出轉(zhuǎn)矩Mh及轉(zhuǎn)速nh.

(7)在不考慮行走機構(gòu)的滑轉(zhuǎn)和滾動阻力的情況下，行走機構(gòu)(即驅(qū)動輪)的參數(shù)包括驅(qū)動輪動力半徑rd、切線牽引力Fk及理論行駛速度vT.

圖8 三種傳動系統(tǒng)的功率流傳遞示意圖Fig.8 Power flow of three transm ission systems for grader

圖8直觀地顯示了發(fā)動機輸出功率在傳動系統(tǒng)中的流向、分配和能量轉(zhuǎn)換的情況.黑色箭頭表示功率的流向.流入或流出每個組成部件的功率可表示為兩個變量的乘積:機械功率中為轉(zhuǎn)矩M和轉(zhuǎn)速n，或力F和速度v;液壓功率中為壓力p和流量Q.功率每流經(jīng)一個部件時，由于傳動效率η的影響，都造成一定的功率損失ΔP.在不考慮行走機構(gòu)的滑轉(zhuǎn)和滾動阻力的情況下，傳遞至終端(行走機構(gòu))的功率通過驅(qū)動輪與地面的附著作用，轉(zhuǎn)換為驅(qū)動輪上的切線牽引力Fk及理論行駛速度vT，兩者乘積即為平地機的牽引功率.平地機的牽引功率與相應(yīng)的發(fā)動機有效功率之比稱為平地機的牽引效率.牽引效率是衡量平地機牽引作業(yè)時發(fā)動機功率的有效利用程度，是各個組成效率綜合影響的結(jié)果.由圖8可知，牽引效率主要由機械傳動效率、液力傳動效率、液壓傳動效率等構(gòu)成.

由第2.1節(jié)的分析可知，與液力機械傳動和液壓機械復(fù)合傳動相比，在發(fā)動機輸出功率相同的條件下，機械傳動的牽引功率最高，即牽引效率最高.液力機械傳動與機械傳動的主要差別在液力傳動效率上，正是由于在變矩器中存在功率損失的緣故，使得液力機械傳動的牽引效率低于機械傳動.液壓機械復(fù)合傳動中變量液壓泵與變量液壓馬達通過管路連接成閉式液壓傳動系統(tǒng)，液壓傳動基于能量兩次轉(zhuǎn)化原理，就傳動裝置本身而論，液壓傳動的穩(wěn)態(tài)效率確實不如傳統(tǒng)的機械傳動.

由零部件生產(chǎn)廠家提供的試驗數(shù)據(jù)可知，機械傳動平地機的變速箱和驅(qū)動橋平衡箱總成的機械效率均為0.9左右，因此該平地機傳動裝置的總傳動效率 η∑1約為0.8(η∑1=ηtηh).

圖9為液力變矩器原始特性曲線.變矩器原始特性是指泵輪轉(zhuǎn)矩系數(shù)λ1、變矩系數(shù)K、傳動效率ηtc與傳動比itc之間的關(guān)系.液力變矩器高效區(qū)域很窄，通常認為傳動效率ηtc在0.75以上為高效區(qū)，即傳動比在itc1～itc2之間，如圖9所示.當遇到重載時，隨著負載的增大，變矩器工況點沿圖中曲線K向左上方移動，同時變矩器的傳動效率沿曲線ηtc向左下方急劇下降［5－6］.

圖9 液力變矩器原始特性Fig.9 Original characteristic curve of torque converter

液力機械傳動平地機采用變矩器結(jié)合六檔變速箱的傳動方案，主要依靠多檔位變速箱的換檔來適應(yīng)各種工況下負載的大幅度變化，降低了液力變矩器的作用，使之只在小范圍內(nèi)調(diào)節(jié)以適應(yīng)每一工作檔位下負載的小幅度波動，保證了變矩器始終處于高效區(qū)工作，使發(fā)動機功率得到較好發(fā)揮.

圖10為液力機械傳動各檔傳動效率情況.該平地機傳動裝置的總傳動效率為 η∑2=ηtcηtηh.當變矩器在高效區(qū)(ηtc＞0.75)工作時，可使總傳動效率η∑2保持在0.6以上.圖中點A～E分別為相鄰檔位牽引特性曲線的交點，即換檔點.當負載逐漸增加，平地機工作點沿牽引特性曲線左移，同時效率η∑2沿效率曲線不斷下降，直至工作點與換檔點重合，此時只需將變速箱降低一個檔位，在保證牽引力不降低的情況下，可將η∑2重新拉回到較大值.從圖中可看出，各檔位最高傳動效率η∑2均在0.73左右，各換檔點的傳動效率η∑2在0.64以上，則該平地機各工況下的總傳動效率約為0.64～0.73(可保證變矩器一直處于高效區(qū)工作).

圖10 液力機械傳動各檔傳動效率Fig.10 Each shifting efficiency of hydromechanical transm ission

平地機液壓機械復(fù)合傳動系統(tǒng)中，變量液壓馬達耦合機械變速箱構(gòu)成的復(fù)合變速器，依靠液壓馬達不同排量的設(shè)定及變速箱檔位的切換來實現(xiàn)多檔位變速功能，從而滿足不同工況下的牽引力及行駛速度要求.在每一工作檔位下，該平地機對負載波動的適應(yīng)依靠泵排量的無級變化進行調(diào)節(jié).圖11為該傳動方式平地機各檔傳動效率情況.

圖11 液壓機械復(fù)合傳動各檔效率Fig.11 Each shifting efficiency of hydraulicmechanical-compound transm ission

液壓機械復(fù)合傳動平地機傳動裝置的總傳動效率為 η∑3=ηpmηtηh，其中 ηpm為由變量液壓泵和變量液壓馬達組成的閉式液壓傳動系統(tǒng)的總效率，是造成平地機各檔位下傳動效率η∑3差異的主要因素.ηpm等于各部分效率之積，如下式所示:

式中:ηp為變量液壓泵總效率，ηm為變量液壓馬達總效率，ηc為管路效率.

變量液壓泵的容積效率ηpv、機械效率ηpt和總效率ηp分別為

式中:Cs為層流泄漏系數(shù)，μ為油液動力黏度，Δp為液壓系統(tǒng)工作壓差，βp為泵排量比，Cv為層流阻力系數(shù)，Cf為機械阻力系數(shù)，Tc為與進出口壓差和轉(zhuǎn)速無關(guān)的一定的扭矩損失［7］.

變量液壓馬達的容積效率ηmv、機械效率ηmt和總效率ηm分別為

式中:βm為馬達排量比.

由圖11可看出，液壓機械復(fù)合傳動平地機在1檔和5檔工作時的傳動效率最高，在0.68 ～0.73范圍內(nèi);4檔和8檔的傳動效率最低，約為0.60;中間其余各檔的傳遞效率遞減.

液壓機械復(fù)合傳動平地機處于1檔和5檔工作時，變量液壓馬達固定在最大排量處工作(1～4檔時變速箱處于低檔位工作，5～8檔時變速箱處于高檔位工作);平地機處于4檔和8檔工作時，變量液壓馬達固定在最小使用排量處工作;中間其余各檔的液壓馬達排量依次遞減.

由式(3)～(8)可知，變量液壓泵和液壓馬達的效率與排量、壓力和轉(zhuǎn)速息息相關(guān).根據(jù)大多數(shù)試驗研究得知，隨著排量V的減小，泵及馬達的容積效率和機械效率一般都下降很多，其乘積總效率也顯著降低，故與1檔和5檔相比，4檔和8檔的傳動效率明顯有所降低.

綜上分析，三種傳動方式平地機各檔位下的傳動效率如表1所示.

表1 三種傳動方式平地機各檔傳動效率Tab.1 Each shifting efficiency of three transm ission systems for grader

3 結(jié)論

(1)平地機三種典型傳動系統(tǒng)中機械傳動具有最高的牽引功率和牽引效率，是平地機較為理想的傳動方式.

(2)液力機械傳動和液壓機械復(fù)合傳動平地機分別利用液力變矩器的自動適應(yīng)性能和后置串聯(lián)的機械變速箱，可以拓寬平地機的變速范圍，實現(xiàn)與機械傳動平地機相近的最高車速.

(3)平地機液力機械傳動系統(tǒng)依靠多檔位變速箱的換檔來適應(yīng)不同工況下負載的大幅度變化，降低了液力變矩器的作用，保證了變矩器始終處于高效區(qū)工作.同時，由于變矩器中存在功率損失的緣故，使得液力機械傳動的傳動效率比機械傳動低10%～20%.

(4)液壓機械復(fù)合傳動平地機利用馬達不同排量的設(shè)定及變速箱檔位的切換來實現(xiàn)多檔位變速功能.隨著排量的減小，馬達的傳動效率顯著降低，因此造成不同檔位下平地機總傳動效率的不同.在使用馬達最大排量的檔位下，液壓機械復(fù)合傳動的傳動效率比機械傳動低10% ～15%;在使用馬達最小使用排量的檔位下，傳動效率比機械傳動低25%.

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