輪式裝載機(jī)靜壓轉(zhuǎn)動(dòng)與液力轉(zhuǎn)動(dòng)流動(dòng)數(shù)值模擬

陳小梅

摘 要：為提高輪式裝載機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)流動(dòng)性能，分別從傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)形式、控制和調(diào)速等幾個(gè)方面對(duì)比動(dòng)壓傳動(dòng)和靜壓傳動(dòng)的相關(guān)性能，分析靜壓傳動(dòng)與液力傳動(dòng)的區(qū)別.在HYPESTUDY軟件中進(jìn)行了DOE試驗(yàn)，對(duì)兩種傳動(dòng)方式進(jìn)行了數(shù)值模擬.以壓實(shí)板壓力為設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合NSGA-II算法，對(duì)輪式裝載機(jī)的回轉(zhuǎn)多目標(biāo)優(yōu)化，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相互驗(yàn)證.研究結(jié)果表明：相對(duì)于采用液力機(jī)械動(dòng)壓傳動(dòng)，靜壓傳動(dòng)更具優(yōu)勢(shì)，研究結(jié)果對(duì)輪式裝載機(jī)換熱器密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值.

關(guān)鍵詞：裝載機(jī);靜壓傳動(dòng);液力傳動(dòng);流動(dòng)模擬

中圖分類號(hào)：TH137? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1673-260X（2019）11-0116-04

裝載機(jī)是利用柴油運(yùn)轉(zhuǎn)，鏟挖、裝載作業(yè)以及后續(xù)卸載和運(yùn)輸操作的一種工程機(jī)械.強(qiáng)大的牽引力和動(dòng)力導(dǎo)向說(shuō)明其具有高強(qiáng)度的經(jīng)濟(jì)效用和應(yīng)用效能[1].裝載機(jī)的裝置動(dòng)臂分別連接車架與鏟斗，搖臂和連桿經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)斗缸的運(yùn)轉(zhuǎn)翻轉(zhuǎn)鏟斗，在動(dòng)臂缸的作用下動(dòng)臂環(huán)繞，使鏟斗在升與放的反復(fù)下完成物料的運(yùn)輸[2].在經(jīng)過(guò)以不同速度行走與插入料堆的過(guò)程后利用動(dòng)臂將物料舉高，再進(jìn)行卸載與放置鏟斗，以上是裝載機(jī)一系列操作過(guò)程.

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)輪式裝載機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)流動(dòng)性能的研究不多.文獻(xiàn)[3]對(duì)橡膠材質(zhì)的菱形密封墊片進(jìn)行了壓縮與反復(fù)回彈試驗(yàn).結(jié)果表明，橡膠壓縮具有回彈的特性;文獻(xiàn)[4]為了獲得壓緊板變形和螺栓受力值的有關(guān)內(nèi)容，對(duì)板式換熱器的變形形式做出研究試驗(yàn);文獻(xiàn)[5]研究數(shù)值與工程的緊急情況與加壓密封墊片有關(guān).但上述文獻(xiàn)并沒(méi)有關(guān)于輪式裝載機(jī)靜壓轉(zhuǎn)動(dòng)與液力轉(zhuǎn)動(dòng)流動(dòng)數(shù)值的相關(guān)研究，因此，研究輪式裝載機(jī)靜壓轉(zhuǎn)動(dòng)與液力轉(zhuǎn)動(dòng)流動(dòng)性能并進(jìn)行比較分析，提高裝載機(jī)操作效率，減少能耗損失，研究結(jié)果對(duì)輪式裝載機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值.

1 靜壓轉(zhuǎn)動(dòng)與液力轉(zhuǎn)動(dòng)裝置對(duì)比

靜壓傳動(dòng)和動(dòng)壓傳動(dòng)是裝載機(jī)傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)方式，通過(guò)對(duì)裝載機(jī)靜壓傳動(dòng)和動(dòng)壓傳動(dòng)兩種傳動(dòng)方式的比較，得出更加完善的傳動(dòng)形式，并提出輪式裝載機(jī)的傳動(dòng)優(yōu)化方案.液力傳動(dòng)作為在發(fā)動(dòng)機(jī)后底盤傳動(dòng)前這段傳動(dòng)中的一種液體傳動(dòng)形式，其特性在于輸出轉(zhuǎn)矩可在導(dǎo)輪的影響下使功率增大，轉(zhuǎn)換輸送狀態(tài).關(guān)于靜液壓傳動(dòng)裝置的組成部分，其一為液壓泵，其二為液壓馬達(dá)，其三是在各種附屬條件下的可變數(shù)值單元控制和初始傳動(dòng)裝置.在與其他傳動(dòng)方式，比如純機(jī)械傳動(dòng)和液力機(jī)械傳動(dòng)比較下，靜壓傳動(dòng)的優(yōu)勢(shì)在于區(qū)寬高、控制多效、布局優(yōu)良、變速換向快、利用率高等.

靜壓傳動(dòng)裝置中可將泵與馬達(dá)分離，有利于布置原件，便于工程機(jī)械的設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)的優(yōu)化[6].表1為靜壓傳動(dòng)與動(dòng)壓傳動(dòng)的比較表.

由表1可知，靜壓傳動(dòng)在傳動(dòng)效率方面優(yōu)于動(dòng)壓傳動(dòng).所知力矩隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增大而變化，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與調(diào)速效率低.而靜液壓傳動(dòng)能的較大工作壓力可得到較大的起動(dòng)力矩，在失速條件下，所損失的液壓傳動(dòng)的功率是非線性的，嚴(yán)重的情況下高達(dá)95%，而靜水傳動(dòng)損失只有20%左右.

1.1 操作效率性能

1.1.1 靜壓傳動(dòng)

靜壓傳動(dòng)以其簡(jiǎn)單操作與靈敏反應(yīng)的特性可實(shí)現(xiàn)快速動(dòng)態(tài)傳動(dòng).

（1）為得到換向與變速的高運(yùn)行效率可更改變量泵斜盤傾角和方向，僅用一個(gè)操縱桿完成所有操作.

（2）封閉系統(tǒng)的高制動(dòng)性能導(dǎo)致車速變化不大，快速轉(zhuǎn)向和加減速對(duì)車輛沒(méi)有進(jìn)一步影響.

（3）可用相同的速度進(jìn)行前后移動(dòng)，靜壓傳動(dòng)的高效能應(yīng)用性增強(qiáng)了機(jī)械作業(yè)能力，簡(jiǎn)化了作業(yè)工作量，使駕駛員集中精力，減少失誤，提高生產(chǎn)效率.

1.1.2 液力傳動(dòng)

（1）因?yàn)橐毫ψ兙仄鞑荒芊崔D(zhuǎn)，必然要由機(jī)械反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，電氣出現(xiàn)中斷和松動(dòng)的情況.

（2）相對(duì)滑動(dòng)導(dǎo)致較差的加速度計(jì)性能與落后的響應(yīng)在變壓器主、被動(dòng)元件之間出現(xiàn).

（3）由于阻力不足，轉(zhuǎn)速變化大，制動(dòng)經(jīng)常前后移動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)作用低，生產(chǎn)力明顯下降.

1.2 控制性能

根據(jù)液壓元件和不同的回路，液壓傳動(dòng)可以方便地進(jìn)行液壓反饋控制，將發(fā)動(dòng)機(jī)的外部負(fù)載轉(zhuǎn)化為自動(dòng)加載系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩與外負(fù)載變化成正比，發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的液壓系統(tǒng)可擁有高效率傳送性能[7，8].

1.3 轉(zhuǎn)矩傳遞性能比較

在閉式靜液壓傳動(dòng)的情況下，扭矩可以在兩個(gè)方向上對(duì)稱傳遞，不用更換速度表就可以達(dá)到前后操作的目的.同時(shí)，它還具有抗拖制動(dòng)能力，簡(jiǎn)單的操作降低了制動(dòng)功率和磨損.如果停止高速運(yùn)行的裝載機(jī)，可以將制動(dòng)能量排出，降低使用燃料能耗，增加利用率[9]，但如果車輛發(fā)生坍塌，則反向制動(dòng)將使車輛更難牽引，因此變矩器沒(méi)有反制動(dòng)作用，不能使用發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)器，導(dǎo)致全部制動(dòng)器都依賴于制動(dòng)裝置的制動(dòng)完成.

1.4 調(diào)速準(zhǔn)確性及剛度

在靜液壓傳動(dòng)中，外負(fù)載決定工作壓力的大小，泵流量決定輸出速度的數(shù)值，因?yàn)樗俣群洼d量度沒(méi)有承接上的關(guān)系，無(wú)需手動(dòng)調(diào)節(jié)速度，即使外部負(fù)載發(fā)生變化，轉(zhuǎn)速也保持不變，這種高速剛度擴(kuò)展了靜液壓傳動(dòng)的范圍.配有特殊的控制裝置不僅可以用于自動(dòng)交換速度和負(fù)載利用動(dòng)力的機(jī)器，而且可以用于需要精確檔位和速度穩(wěn)定性的機(jī)器，確保操作質(zhì)量.毫無(wú)疑問(wèn)，靜液壓傳動(dòng)對(duì)于這類機(jī)械有明顯的優(yōu)勢(shì)[10].

液壓機(jī)械傳動(dòng)擁有自我適應(yīng)能力，外部負(fù)載發(fā)生變化.變矩器的速度相應(yīng)變化.通過(guò)調(diào)節(jié)外負(fù)載時(shí)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，不僅避免發(fā)動(dòng)機(jī)因外負(fù)載增加而停機(jī)，而且可以在降低外負(fù)載時(shí)提高起動(dòng)轉(zhuǎn)速，充分利用動(dòng)力，提高了工作效率，這對(duì)高負(fù)荷機(jī)器來(lái)說(shuō)是非常重要的.變頻器的自動(dòng)速度控制是通過(guò)主、被動(dòng)部件的速度差來(lái)達(dá)到的，這導(dǎo)致了沒(méi)有固定的速度比，不正確的速度關(guān)系和規(guī)律，縮小了它的范圍.

1.5 傳動(dòng)性能與效率

因?yàn)橐簤簜鲃?dòng)系統(tǒng)的壓力和發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度沒(méi)有關(guān)聯(lián)，但是由車輛在負(fù)載扭矩下靜態(tài)起動(dòng)時(shí)的外部負(fù)載決定，所以液壓變送器可以在速度低點(diǎn)快速確定工作壓力并且通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)保持與發(fā)動(dòng)機(jī)性能的一致性來(lái)達(dá)到高性能、高效率的運(yùn)轉(zhuǎn)目的.是載量、牽引和起動(dòng)重型貨車的非常重要的手段[11].

液壓電動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器在圖1情況下，引擎旋轉(zhuǎn)速度和輸出調(diào)節(jié)機(jī)動(dòng)時(shí)引擎的問(wèn)題不能充分利用，吸收速度急劇下降，瞬間效率降低.在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行汽車發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，汽車的轉(zhuǎn)動(dòng)速度會(huì)很低，僅可以達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)和電力，而沒(méi)有完成大功率運(yùn)轉(zhuǎn).為了有很大的牽引力，液壓電動(dòng)必須輸入很大的電力功率，為此循環(huán)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)啟動(dòng)變矩器內(nèi)部滑轉(zhuǎn)形式，這種多次掉頭，反復(fù)起步的循環(huán)性作業(yè)工程操作對(duì)能耗損失很大[12].

在靜態(tài)傳動(dòng)模式狀態(tài)下，定義高阻力矩工作壓力強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)高初始力矩.低速、高力與初期狀況相同，當(dāng)靜壓發(fā)動(dòng)機(jī)處于低功率工作時(shí)具有大功率、高效率的優(yōu)點(diǎn)，而液力傳動(dòng)則相反，對(duì)比靜壓傳動(dòng)的20%，液壓功率損失率高達(dá)95%.表明低速時(shí)靜壓傳動(dòng)功率更好，優(yōu)于液壓傳動(dòng)能力[13].

當(dāng)車輛在駛動(dòng)過(guò)程中垂直增加負(fù)荷時(shí)，應(yīng)低速調(diào)整大轉(zhuǎn)矩性能.例如，當(dāng)引入裝載機(jī)時(shí)，在失速狀態(tài)下的車輛液壓傳動(dòng)動(dòng)力幾乎100%喪失.而現(xiàn)在，只有20%-30%的靜態(tài)傳輸損耗，為高壓容積在常規(guī)狀態(tài)下的損耗值.η為傳動(dòng)效率，K為變矩比，在非常規(guī)速度下，靜壓傳動(dòng)更具優(yōu)勢(shì).如圖2所示.

高能耗的工作區(qū)域設(shè)為η=75%，靜壓傳動(dòng)在傳動(dòng)范圍內(nèi)的度值和效率值高于液力傳動(dòng)，如圖3所示.靜壓傳動(dòng)在高效能的傳動(dòng)比為0.6-0.7，具有高質(zhì)量的元件在0.7左右，變矩器常規(guī)條件下為0.2-0.3.液壓傳動(dòng)工具通常會(huì)導(dǎo)致車輛在高牽引力的情況下滑到高性能區(qū)域（η=75%）的邊緣，而變速箱在靜止條件下和重力條件下的粘性要大得多，功率不能完全利用，導(dǎo)致輪胎嚴(yán)重?fù)p壞.最終導(dǎo)致降低液壓壓力，減少初始功率與功率利用率，機(jī)器不能徹底分配各項(xiàng)性能.

為了使驅(qū)動(dòng)輪在完全狀態(tài)下不打滑，靜壓傳動(dòng)可設(shè)置最高壓力值，保證高效利用發(fā)動(dòng)機(jī)的功率.發(fā)動(dòng)機(jī)在操作狀態(tài)下的總功率用來(lái)進(jìn)行牽引動(dòng)作，靜液壓傳動(dòng)裝置在工作進(jìn)行中的最大牽引力通常等于機(jī)械重量的一部分，從而符合牽引系數(shù)閾值，減少了驅(qū)動(dòng)輪的滑動(dòng).然而，當(dāng)鏟斗進(jìn)入物料堆時(shí)，液壓傳動(dòng)的牽引力過(guò)大，輪胎往往滑動(dòng)和磨損.如果鏟斗在翻轉(zhuǎn)狀態(tài)中，靜壓液壓仍然為該液壓裝置提供最大的牽引力，而液壓驅(qū)動(dòng)裝置只能為該液壓裝置提供50%的牽引力，大大減少了機(jī)器的操作效能.

如果每個(gè)換熱器的厚度和板式換熱器的密封性一樣，則板式換熱器和動(dòng)態(tài)板式換熱器分離后，板式換熱器會(huì)發(fā)生開裂和密封.利用Solid works建立基于本實(shí)驗(yàn)要求的相關(guān)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，包括固定壓板、活?dòng)壓板、主要步驟的對(duì)應(yīng)夾緊螺栓及支架等.

在固定和可移動(dòng)的內(nèi)板中，由于采用了發(fā)光換熱器和密封墊片，所以對(duì)固定和可移動(dòng)的內(nèi)壓對(duì)板的作用是一樣的，但是方向不同.因此說(shuō)明，板式換熱器板、用作密封的膠制墊片及換熱作用下的相關(guān)介質(zhì)分布不平衡，故在壓緊板上建立實(shí)驗(yàn)分析坐標(biāo)系，原點(diǎn)為固定的壓力板中心，設(shè)立x，y軸，z軸是外法線，在固定壓緊板上的壓力p表示：

p=pi（1+ax2+by2）? （1）

式中：pi表示緊壓板工作壓力;a、b表示自變量.

應(yīng)用Hyper Study軟件進(jìn)行DOE（The Design of Experiments Method）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，其中選用中心復(fù)合法（Central Composite Design）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，試驗(yàn)點(diǎn)總數(shù)為2n+2n+1，n為參數(shù)個(gè)數(shù)，然后基于DOE實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)行響應(yīng)面擬合，并根據(jù)你喝的響應(yīng)面進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì).結(jié)合式（1）設(shè)計(jì)參數(shù)，可確定板式換熱器多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)學(xué)形式，標(biāo)識(shí)如下：

為了提高輪式裝載機(jī)換熱器的換熱效率，采用0-HT壓力和沖擊力計(jì)算假設(shè)直螺栓的夾緊下受力值，一定壓力下螺栓直接擠壓的模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一致的，差別不大.

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在4個(gè)定位夾緊機(jī)構(gòu)相同的情況下，利用Solid works建立機(jī)構(gòu)的三維模型進(jìn)行了動(dòng)力分析，開發(fā)并簡(jiǎn)化了三維物理模型螺釘裝置，避免了模型動(dòng)力沖擊.

為了充分表示實(shí)驗(yàn)的有效性，進(jìn)行相關(guān)導(dǎo)入試驗(yàn)，如圖4所示.

（1）調(diào)節(jié)螺栓夾緊，進(jìn)行準(zhǔn)備工作（圖4a）.

（2）裝置機(jī)械，夾緊操作，調(diào)整角度，對(duì)準(zhǔn)中軸線（圖4b）.

（3）穿入固定法蘭螺栓孔（圖4c）.

（4）螺栓穿入活動(dòng)法蘭（圖4d）.

（5）定位后，接觸的同時(shí)套筒馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，連接螺母與螺栓（圖4e）.

（6）最后，螺栓夾緊機(jī)構(gòu)庫(kù)釋放螺栓（圖4f）.

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：螺栓夾緊結(jié)構(gòu)應(yīng)能滿足20個(gè)螺栓在高精度位置固定和定位的要求，具有高度的定位能力，使20個(gè)螺栓能同時(shí)放置在法蘭螺栓孔和螺母中，螺栓夾緊結(jié)構(gòu)應(yīng)符合：經(jīng)過(guò)連接后的管道法蘭螺栓可以安全地松開螺栓.在大約4.5分鐘內(nèi)，夾緊機(jī)構(gòu)激活并定位所有螺釘，這些螺釘與法蘭連接機(jī)具的耦合性能大致對(duì)應(yīng).

3 結(jié)論

在工程中正確使用靜壓傳遞裝置，可以在新的階段提升機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)，擴(kuò)大生產(chǎn)效能，節(jié)約資源用量，提高機(jī)械質(zhì)量.此傳動(dòng)系統(tǒng)具有多種突出的特性，例如在力矩、功率、調(diào)速、對(duì)點(diǎn)方面，都有較大的優(yōu)化，可根據(jù)這些特點(diǎn)匹配相應(yīng)的系統(tǒng)，獲得與發(fā)動(dòng)機(jī)有關(guān)的變量結(jié)果;當(dāng)爬坡值達(dá)到最高時(shí)，最高爬升速度可以保持在較高的成程度下，設(shè)置變速移動(dòng)泵，使車輛系統(tǒng)具有很低的速度，系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)具有良好的變形功能;在較高的速度下保持高速段最大的液壓傳動(dòng)效率，而且效率范圍更大.

在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備中，發(fā)動(dòng)機(jī)由內(nèi)燃機(jī)控制與運(yùn)轉(zhuǎn)，并且以恰當(dāng)?shù)目刂蒲b備輔助運(yùn)行，使得發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度以及轉(zhuǎn)矩與外部承載量相適應(yīng).本次研究表明：研究結(jié)果對(duì)輪式裝載機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有重要作用，隨著各項(xiàng)技術(shù)的完善與各類原件的改進(jìn)，發(fā)動(dòng)機(jī)和內(nèi)燃機(jī)的有效運(yùn)用已成為高性能系列產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)，增加了一系列工程機(jī)械，使得轉(zhuǎn)動(dòng)流動(dòng)數(shù)值模擬更為準(zhǔn)確.

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