挖掘機(jī)換擋閥閥芯控制特性研究

曾超，羅艷蕾

(1.貴州詹陽(yáng)動(dòng)力重工有限公司，貴州貴陽(yáng)550006，2.貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng)550025)

輪式液壓挖掘機(jī)行進(jìn)速度快，不損壞路面，能遠(yuǎn)距離轉(zhuǎn)場(chǎng)作業(yè)，通常輪式挖掘機(jī)行走速度為20～35 km/h，而履帶式挖掘機(jī)行走速度為3～5 km/h［1］，需要頻繁轉(zhuǎn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)，輪式挖掘機(jī)表現(xiàn)出獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)，節(jié)省轉(zhuǎn)場(chǎng)運(yùn)輸費(fèi)用。提高行進(jìn)速度成為輪式挖掘機(jī)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。換擋裝置起減速增扭作用，可滿(mǎn)足工況及作業(yè)模式對(duì)車(chē)輛速度、動(dòng)力輸出的要求，工程機(jī)械的換擋方式，取決于動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制方式。本文作者以某型輪式挖掘機(jī)為研究對(duì)象，建立輪式底盤(pán)傳動(dòng)模型，在此基礎(chǔ)上分析換擋閥結(jié)構(gòu)、性能，對(duì)換擋閥進(jìn)行改進(jìn)，以改善換擋品質(zhì)，使換擋平衡可靠。

1 輪式挖掘機(jī)行走系統(tǒng)

輪式挖掘機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)有多種形式［2］:機(jī)械式、液力機(jī)械式、全液壓式、電傳動(dòng)等。機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)由離合器、變速箱、萬(wàn)向節(jié)、驅(qū)動(dòng)橋、終傳動(dòng)等組成;液力機(jī)械傳動(dòng)則采用液力變矩器/偶合器［1］、動(dòng)力換擋變速箱，在微控制器作用下，由換擋多路閥控制換擋離合器構(gòu)成有級(jí)換擋系統(tǒng);全液壓系統(tǒng)由泵、馬達(dá)、終傳動(dòng)組成，輪邊獨(dú)立驅(qū)動(dòng)方式省去了變速箱，差速器、驅(qū)動(dòng)橋等結(jié)構(gòu)，通過(guò)改變泵或馬達(dá)的排量，構(gòu)成無(wú)級(jí)換擋系統(tǒng)。

如圖1所示，作者所研究的輪式挖掘機(jī)行走系統(tǒng)采用靜壓傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，由主泵、換擋閥、馬達(dá)構(gòu)成閉式液壓回路，后接減速器、驅(qū)動(dòng)橋、終傳動(dòng)。相對(duì)于液力傳動(dòng)，靜壓傳動(dòng)僅將液力元件變?yōu)橐簤罕谩ⅠR達(dá)的組合。閉式回路具有正反方向行走及制動(dòng)功能而不采用其他機(jī)械裝置。泵出口流量大于馬達(dá)入口流量時(shí)車(chē)輛加速;泵出口流量小于馬達(dá)所需流量時(shí)，馬達(dá)出口阻力增大，阻礙車(chē)輛前行，起制動(dòng)作用。泵輸出的流量與負(fù)載相適應(yīng)，沒(méi)有溢流損失和節(jié)流損失，回路的效率高，發(fā)熱少，有較好的靜動(dòng)態(tài)特性［3］。

圖1 輪式挖掘機(jī)行走液壓系統(tǒng)

如圖2所示，輪式挖掘機(jī)底盤(pán)采用馬達(dá)中央傳動(dòng)方式，保留了液力傳動(dòng)車(chē)輛的基本結(jié)構(gòu)。泵與馬達(dá)可分式結(jié)構(gòu)方便了元件的布置，動(dòng)力經(jīng)減速器后，由前橋、后橋、差速器、輪邊減速器至驅(qū)動(dòng)輪，換擋閥改變系統(tǒng)油路聯(lián)接方式，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)擋位切換。本研究基于A(yíng)MESim環(huán)境，通過(guò)建立換擋閥、主減速器、輪邊減速器數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真研究。

圖2 底盤(pán)構(gòu)成

2 換擋閥的優(yōu)化

2.1 換擋閥模型結(jié)構(gòu)介紹

換擋閥為液動(dòng)換向閥，由兩聯(lián)閥芯組成，外部接口與變量馬達(dá)連接。如圖3所示，A、B、C、D為四個(gè)工作油口，開(kāi)口orif1、開(kāi)口orif2的啟閉改變系統(tǒng)油路聯(lián)接方式。

圖3 換擋閥Amesim模型

換擋閥從一個(gè)位切換至另一個(gè)位時(shí)，應(yīng)平穩(wěn)無(wú)沖擊。原始設(shè)計(jì)下的閥桿，經(jīng)分析兩個(gè)工作狀態(tài)的切換在1.5 mm內(nèi)完成，其間使B口供油瞬時(shí)中斷，而此時(shí)馬達(dá)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，所需流量反而增加，因此會(huì)出現(xiàn)供油不足現(xiàn)象。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，重新設(shè)計(jì)了閥體及閥桿結(jié)構(gòu)，在開(kāi)口orif1、orif2處設(shè)置了非全周開(kāi)口，為了保證油封長(zhǎng)度，略增加了閥桿行程。

非全周開(kāi)口有基本的U形、V形、L形及其組合U－U、U－V［4－5］，常用于挖掘機(jī)多路閥。不同形式的開(kāi)口和結(jié)構(gòu)尺寸可獲得不同特性的過(guò)流面積曲線(xiàn)，過(guò)流面積影響了流量的大小。組合形式的開(kāi)口能改變過(guò)流面積對(duì)開(kāi)口長(zhǎng)度的變化率，實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的多級(jí)節(jié)流控制，改善閥的啟閉特性。在節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)中，組合開(kāi)口能夠滿(mǎn)足執(zhí)行元件在啟動(dòng)、停止、微動(dòng)特性上的要求。該設(shè)計(jì)中采用U－V形式開(kāi)口。

圖4 U－V形閥口結(jié)構(gòu)

如圖4所示，E點(diǎn)為U形開(kāi)口的頂點(diǎn)，F(xiàn)為U形、V形切口所形成相貫線(xiàn)OF、FG的交點(diǎn)。組合過(guò)流面積的計(jì)算，將閥口作為薄壁孔口，假設(shè)液體流經(jīng)了徑向節(jié)流面A2和軸向節(jié)流面A1，兩節(jié)流孔串聯(lián)。V形開(kāi)口采用式 (1)、 (2)計(jì)算，U形則采用式(3)、(4)。公式如下:

編程計(jì)算中，徑向過(guò)流面積A2隨開(kāi)口x的增加，進(jìn)行累加運(yùn)算。圖4中EF≈0.2 mm，區(qū)域狹小，軸向截面在此區(qū)域內(nèi)作簡(jiǎn)化處理，計(jì)算端點(diǎn)E處數(shù)值與F處數(shù)值，用直線(xiàn)段連接。

2.2 MATLAB計(jì)算及數(shù)據(jù)處理

如圖5所示，A1、A2均為兩條連續(xù)曲線(xiàn)，因?yàn)閁形與V形軸向、徑向過(guò)流面積變化率不相等，兩條曲線(xiàn)會(huì)發(fā)生偏折，由多段光滑曲線(xiàn)連接而成，在連接處形成尖點(diǎn)。過(guò)流面積曲線(xiàn)具有3個(gè)明顯的階段，實(shí)際上閥口的開(kāi)啟過(guò)程經(jīng)歷了如下4個(gè)過(guò)程:

(1)第一階段:x∈［0，3.5)

(2)第二階段:x∈［3.5，3.7)

此區(qū)域?yàn)閂形向U形過(guò)渡的區(qū)域，式 (1)不適用于此區(qū)域內(nèi)軸向過(guò)流面積A1的計(jì)算，此處作前述簡(jiǎn)化處理，使用式 (1)、(3)分別計(jì)算端點(diǎn)E、F處的值，用兩點(diǎn)連線(xiàn)代替真實(shí)曲線(xiàn)。曲線(xiàn)A1在點(diǎn)E驟然增大，點(diǎn)E為曲線(xiàn)A1分界點(diǎn)。曲線(xiàn)A2仍按式 (2)計(jì)算，當(dāng)開(kāi)口至端點(diǎn)F處時(shí)，則使用式 (4)，點(diǎn)F為曲線(xiàn)A2分界點(diǎn)。

(3)第三階段:x∈［3.7，9.5)

(4)第四階段:x≥9.5

圖5 U－V形開(kāi)口過(guò)流面積曲線(xiàn)

閥口快速開(kāi)啟，按普通滑閥過(guò)流面積計(jì)算，形成第三段曲線(xiàn)。

軸向過(guò)流面積與徑向過(guò)流面積，相當(dāng)于節(jié)流口串聯(lián)，取小進(jìn)行計(jì)算。將 (，)對(duì)開(kāi)口x進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，得A=f(x)。擬合曲線(xiàn)與、重合，較好地反映了過(guò)流面積變化趨勢(shì)。

根據(jù)流體力學(xué)節(jié)流小孔公式，得

式中:Δp為閥口壓差;ρ為油液密度，860 kg/m3;A為閥口過(guò)流面積，mm2;Cd為流量系數(shù)，取0.7。

閥口流量特性如圖6所示。

圖6 閥口流量特性

3 換擋閥對(duì)換擋品質(zhì)的影響

將所得多項(xiàng)式A=f(x)導(dǎo)入AMESim行駛系統(tǒng)模型。設(shè)置仿真時(shí)間為60 s，模擬挖掘機(jī)由1擋起步，行進(jìn)中逐步切換至2擋、3擋，并與換擋閥初始設(shè)計(jì)下的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

圖7(a)、(b)為換擋過(guò)程中馬達(dá)轉(zhuǎn)速－閥芯位移曲線(xiàn)。對(duì)圖7(a)，馬達(dá)轉(zhuǎn)速在閥芯位移為3.5～5 mm區(qū)間內(nèi)完成，馬達(dá)轉(zhuǎn)速發(fā)生突變，所需流量急速增加，而此時(shí)馬達(dá)供油口orif1、orif2開(kāi)口量很小，容易供油不足形成負(fù)壓。對(duì)圖7(b)，馬達(dá)轉(zhuǎn)速在4～13 mm的區(qū)間內(nèi)完成，曲線(xiàn)類(lèi)似S形曲線(xiàn)，速度切換平穩(wěn)。加長(zhǎng)了的閥桿行程，在速度切換過(guò)程中，使馬達(dá)處于短暫的浮動(dòng)狀態(tài)，供油不發(fā)生中斷。如圖7(c)，流量QB為馬達(dá)入口流量，流量Qorif1、流量 Qorif2隨開(kāi)口 orif1、orif2的啟閉而改變，QB=Qorif1+Qorif2。在加擋過(guò)程中，QB平緩地增加，完成由Qorif1供油過(guò)渡到由Qorif2完全供油。圖7(d)為車(chē)體速度曲線(xiàn)，在t=33 s，t=51 s處，換擋閥動(dòng)作，車(chē)速曲線(xiàn)因此分為三級(jí)。33 s之前，為1擋行駛，兩曲線(xiàn)重合;換擋閥改進(jìn)設(shè)計(jì)油封長(zhǎng)度和兩工作位過(guò)渡行程比初始設(shè)計(jì)略長(zhǎng)，改進(jìn)曲線(xiàn)因此稍有滯后，改進(jìn)前的曲線(xiàn)在33 s處突然增加形成為尖點(diǎn)，而改進(jìn)后的曲線(xiàn)在約34 s處完成擋位切換，1擋終了速度經(jīng)一段上凹曲線(xiàn)平穩(wěn)過(guò)渡至2擋，2擋換至3擋情況相同。

圖7 改進(jìn)前后換擋閥的輸出特性

仿真結(jié)果對(duì)比表明，加擋過(guò)程中，雖然換擋閥油封長(zhǎng)度和過(guò)渡行程增加，使提速略有延遲，但是開(kāi)口orif1、開(kāi)口orif2啟閉的過(guò)程中，能保持一定的開(kāi)口面積不致閥口關(guān)閉，使馬達(dá)入口保持供油，避免負(fù)壓的出現(xiàn)，利于馬達(dá)速度平穩(wěn)換接。

4 結(jié)論

(1)在分析某型輪式挖掘機(jī)靜液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成及換擋原理的基礎(chǔ)上，基于A(yíng)MESim構(gòu)建了其傳動(dòng)系統(tǒng)的模型。

(2)分析了換擋閥初始設(shè)計(jì)中存在的不足，重新設(shè)計(jì)閥體、閥桿及閥桿行程、油封長(zhǎng)度等參數(shù)。分析了U－V組合閥口過(guò)流面積的計(jì)算處理過(guò)程及其輸出特性。

(3)通過(guò)分析模擬輪式挖掘機(jī)行進(jìn)中擋位切換過(guò)程，得出了馬達(dá)轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)、車(chē)速曲線(xiàn)，結(jié)果表明改進(jìn)后的換擋閥有助于擋位的平穩(wěn)切換，減小換擋沖擊，提高換擋品質(zhì)。

【1】張樹(shù)忠，鄧斌，宋春華．輪式挖掘機(jī)的技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］．世界科技研究與發(fā)展，2008(3):336 －339．

【2】姚懷新，孫祖望．工程機(jī)械底盤(pán)及其液壓系統(tǒng)傳動(dòng)理論［M］．北京:人民交通出版社，2001．

【3】李壯云．液壓元件與系統(tǒng)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005．

【4】冀宏，傅新，楊華勇．幾種典型液壓閥口過(guò)流面積分析及計(jì)算［J］．機(jī)床與液壓，2003(5):14－16．

【5】周會(huì)，鄧斌，劉桓龍．液壓組合閥口過(guò)流面積計(jì)算及特性分析［J］．設(shè)計(jì)與制造，2009(1):80－83．

【6】黃宗益，張久林，李興華．動(dòng)力換擋變速器液壓操縱系統(tǒng)［J］．工程機(jī)械，2007(4):68 －71．

【7】高盼濤，程志紅，崔永亮．基于A(yíng)MESim的安全閥動(dòng)態(tài)仿真研究［J］．煤礦機(jī)械，2012(3):52－53．

【8】張笑，胡元，秦家升，等．基于A(yíng)MESim的液壓千斤頂優(yōu)化仿真探究［J］．煤礦機(jī)械，2012(11):49－50．

【9】唐經(jīng)世，高國(guó)安．工程機(jī)械［M］．北京:中國(guó)鐵道出版社，1996．

【10】成大先．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)．單行本．液壓傳動(dòng)［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004．

【11】孔德文，趙克利，徐寧生，等．液壓挖掘機(jī)［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006．

【12】鐘麟，王峰．MATLAB仿真技術(shù)與教程［M］．北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2004．

【13】付永領(lǐng)，祁曉野．AMESim系統(tǒng)建模和仿真［M］．北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2006．