推土機(jī)轉(zhuǎn)向制動(dòng)閥性能分析與研究

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引言

轉(zhuǎn)向制動(dòng)閥主要作用是在履帶式推土機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作時(shí)，使轉(zhuǎn)向離合器及時(shí)脫開動(dòng)力傳遞，并在一定時(shí)刻進(jìn)行有效的制動(dòng)。該閥是實(shí)現(xiàn)推土機(jī)轉(zhuǎn)向制動(dòng)控制的核心部件，其工作性能對(duì)推土機(jī)的轉(zhuǎn)向制動(dòng)離合器性能控制及整機(jī)的轉(zhuǎn)向制動(dòng)操作舒適性起著關(guān)鍵作用。分析研究轉(zhuǎn)向制動(dòng)閥結(jié)構(gòu)參數(shù)，可為其改進(jìn)設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)向制動(dòng)系統(tǒng)分析研究提供理論依據(jù)[1-3]。

1 轉(zhuǎn)向制動(dòng)閥結(jié)構(gòu)與工作原理[5-9]

轉(zhuǎn)向制動(dòng)閥結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.1 轉(zhuǎn)向閥工作原理分析

不操作搖臂1時(shí)，轉(zhuǎn)向閥平衡位置如圖1所示。

1.搖臂 2.先導(dǎo)閥 3.閥套 4.彈簧座 5.離合器閥 6.柱塞 7.先導(dǎo)閥 8.閥套 9.彈簧座 10.制動(dòng)器閥 11.柱塞k1，k3.離合器調(diào)制彈簧 k2，k4.復(fù)位彈簧R1，R2，R3，R4.阻尼孔 s1.離合器壓力調(diào)制行程s2.制動(dòng)器壓力調(diào)制行程 A1, A3.助力作用面積A2, A4.柱塞作用面積 P.進(jìn)油口 T泄油口 A.離合器腔 B.制動(dòng)器腔 X.搖臂位移 X0.制動(dòng)閥空行程 L0.總行程圖1 轉(zhuǎn)向制動(dòng)閥結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)推動(dòng)搖臂1往右移動(dòng)時(shí)，由于離合器調(diào)制彈簧k1預(yù)壓緊力大于復(fù)位彈簧k2預(yù)壓緊力，因此，搖臂1通過推動(dòng)轉(zhuǎn)向閥先導(dǎo)閥2及彈簧座4推動(dòng)離合器閥5向右側(cè)移動(dòng)， 此時(shí)， 油口P和油口A之間的通道逐漸打開， 油口A和油口T之間的通道逐漸關(guān)閉， 發(fā)生此情況時(shí)，離合器內(nèi)的壓力pA開始升高，同時(shí)pA通過阻尼孔R(shí)2進(jìn)入柱塞腔，作用于離合器閥5壓力作用面A2上。此時(shí)， 調(diào)制彈簧力與離合器閥液壓作用力達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，同時(shí)pA通過阻尼孔R(shí)1進(jìn)入助力腔A1以便降低操作力，繼續(xù)推動(dòng)閥2直到與閥5發(fā)生接觸后(即完成壓力調(diào)制行程s1時(shí))，彈簧k1完成離合器A腔內(nèi)壓力調(diào)制。A腔的壓力根據(jù)轉(zhuǎn)向桿的位移量變化，從而實(shí)現(xiàn)離合器壓力pA的控制。當(dāng)0≤X≤s0時(shí)，pA=0。力平衡方程如下：

當(dāng)s0

(2)

(3)

當(dāng)s0+s1﹤X≤L0時(shí),為pA調(diào)制完成階段。

Fc+pA·A1-(F2+k2·(s0+x5))-pA·A2=

(4)

式中，s0為離合器閥5遮蔽量;Fc為轉(zhuǎn)向閥操縱力；F1為彈簧k1安裝載荷；F2為彈簧k2安裝載荷；x2為先導(dǎo)閥2位移；x5為離合器閥5位移；m2為先導(dǎo)閥質(zhì)量；m4為彈簧座質(zhì)量；m5為離合器閥質(zhì)量；pA為離合器壓力。

1.2 制動(dòng)閥工作原理分析

(1) 油口P無壓力油時(shí)，此時(shí)制動(dòng)器壓力pB=0，制動(dòng)閥平衡位置如圖1所示，制動(dòng)閥10受力平衡方程：

F0+(F3+k3·x10)=F4+k4·x10

(5)

式中，F(xiàn)0為閥套8對(duì)閥芯10的反力；F3為彈簧k3安裝載荷；F4為彈簧k4安裝載荷；x10為制動(dòng)閥10位移。

(2) 當(dāng)壓力油進(jìn)入P口時(shí)，由于P口與B口連通，因此壓力油p進(jìn)入制動(dòng)離合器油口B，同時(shí)壓力油p通過阻尼孔R(shí)4進(jìn)入制動(dòng)閥柱塞腔，形成液壓作用力，壓縮制動(dòng)器彈簧k4向右移動(dòng)，并達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，如圖2所示，此時(shí)制動(dòng)器壓力為最大工作壓力，既pB=p，同時(shí)P口的壓力油通過阻尼孔R(shí)3進(jìn)入助力腔，以便降低操作力，由于柱塞11作用力大于助力，所以座9與制動(dòng)閥10之間存在距離s4。

(3) 充油后，推動(dòng)搖臂1，在搖臂1作用下，彈簧座9向右移動(dòng)并與制動(dòng)閥芯10發(fā)生接觸，繼續(xù)推動(dòng)搖臂1，此時(shí)，油口P與油口B逐漸關(guān)閉，油口B和油口T逐漸打開，制動(dòng)器內(nèi)的油壓pB在彈簧k3作用下逐步降低，繼續(xù)推動(dòng)搖臂1直到閥7與閥10接觸，pB調(diào)壓完成，油口P與油口B完全關(guān)閉，油口B和油口T完全打開，制動(dòng)器內(nèi)壓力pB降低至0，彈簧k3,k4完成制動(dòng)器內(nèi)壓力調(diào)制。油口B處的壓力根據(jù)轉(zhuǎn)向桿的位移量變化，從而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)器壓力的控制。力平衡方程如下：

當(dāng)0≤X≤X0時(shí)，為制動(dòng)搖臂空行程，閥10無動(dòng)作，此時(shí)pB=p。

當(dāng)X0

(6)

pB·A4=F4+k4·x4

(7)

當(dāng)X0+s4

F3+k3·(X-X0-s4)+pB·A4=F4+k4·x4+

(8)

(9)

當(dāng)X0+s3

(10)

式中，F(xiàn)3為彈簧k3安裝載荷；F4為彈簧k4安裝載荷；x7為先導(dǎo)閥7位移；x10為制動(dòng)器閥10位移；m7為先導(dǎo)閥7質(zhì)量；x9為座9質(zhì)量；x10為閥10質(zhì)量；x11為柱塞11質(zhì)量；pB為制動(dòng)器壓力。

2 基于SimulationX的轉(zhuǎn)向制動(dòng)閥控制特性分析

根據(jù)上述建立的轉(zhuǎn)向制動(dòng)閥模型，利用SimulationX仿真軟件對(duì)轉(zhuǎn)向制動(dòng)閥進(jìn)行建模[4]，如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)向制動(dòng)閥仿真模型及壓力曲線

2.1 彈簧剛度對(duì)轉(zhuǎn)向制動(dòng)閥控制特性影響

彈簧參數(shù)分別取k1=6.5，7.5， 8.5；k2=0.6，0.99，1.2；k3=6.93、8.43， 9.93；k4=5.82，6.82， 7.82 N/mm時(shí)，進(jìn)行仿真分析，轉(zhuǎn)向制動(dòng)閥壓力調(diào)制曲線如圖4所示。p1為離合器最小調(diào)制壓力，p2為離合器最大調(diào)制壓力，p3為制動(dòng)器最大調(diào)制壓力，p4為制動(dòng)器最小調(diào)制壓力。可知，彈簧k1，k2影響離合器的最小調(diào)制壓力p1和最大調(diào)制壓力p2，k1是主要關(guān)鍵因子，k1越大，p1和p2也越大；彈簧k3，k4影響制動(dòng)離合器的最大調(diào)制壓力p3和最小調(diào)制壓力p4，k4是主要關(guān)鍵因子，k4越大，p3和p4也越大，在轉(zhuǎn)向制動(dòng)閥與轉(zhuǎn)向制動(dòng)離合器匹配時(shí)，p1和p2(p3和p4)要與轉(zhuǎn)向離合器(制動(dòng)離合器)的開啟壓力和最大壓力相匹配， 可避

圖4 不同彈簧剛度對(duì)轉(zhuǎn)向制動(dòng)閥控制特性影響

免離合器摩擦片和光盤之間出現(xiàn)滑摩及離合器油缸與缸體出現(xiàn)瞬時(shí)碰撞。因此，在進(jìn)行匹配時(shí)，必須綜合考慮彈簧k1和k2，k3和k4，對(duì)最大最小調(diào)制壓力的影響，找出最優(yōu)參數(shù)組合。

2.2 柱塞大小對(duì)轉(zhuǎn)向制動(dòng)閥控制特性影響

柱塞直徑分別取φ8.5，φ9，φ10時(shí)，進(jìn)行仿真分析，轉(zhuǎn)向制動(dòng)閥壓力調(diào)制曲線如圖5所示?？芍娣e大小對(duì)最大最小調(diào)制壓力和調(diào)制曲線斜率均有影響，柱塞面積越小，最小調(diào)制壓力越大，且調(diào)制曲線斜率越大，最大調(diào)制壓力也越大。對(duì)制動(dòng)閥而言，柱塞面積越大，最小調(diào)制壓力越小，且調(diào)制曲線斜率越小，最大調(diào)制壓力也越小，且隨著柱塞面積的增大，制動(dòng)閥穩(wěn)定壓力越小。

圖5 不同柱塞面積對(duì)轉(zhuǎn)向制動(dòng)閥控制特性影響

2.3 調(diào)壓行程對(duì)轉(zhuǎn)向制動(dòng)閥控制特性影響

調(diào)壓行程s1分別取5.5， 7， 8.5 mm，s2為5，6， 7 mm 時(shí)，進(jìn)行仿真分析，轉(zhuǎn)向制動(dòng)閥壓力調(diào)制曲線如圖6所示?？芍?，調(diào)壓行程s1大小只影響轉(zhuǎn)向閥最大調(diào)制壓力，行程越大，最大調(diào)制壓力越大，調(diào)壓行程s2大小只影響制動(dòng)閥最小調(diào)制壓力，行程越大，最小調(diào)制壓力越小。

2.4 阻尼孔對(duì)轉(zhuǎn)向制動(dòng)閥控制特性影響[10-13]

阻尼孔R(shí)2分別為φ0.4，φ0.6，φ0.8，φ1時(shí)，進(jìn)行仿真分析，轉(zhuǎn)向制動(dòng)閥壓力調(diào)制曲線如圖7所示。可知，在轉(zhuǎn)向閥升壓階段，阻尼孔R(shí)2越大，最小調(diào)制壓力超調(diào)量越小，調(diào)壓過程穩(wěn)定時(shí)間越短，響應(yīng)越快。在轉(zhuǎn)向閥泄壓階段，阻尼孔R(shí)2越大，最大調(diào)制壓力超調(diào)量越小，響應(yīng)快，且出現(xiàn)壓力下降震蕩情形，節(jié)流孔為φ0.4和φ0.6時(shí)，壓力下降相對(duì)平穩(wěn)。因此，在設(shè)計(jì)阻尼孔R(shí)2時(shí)需綜合考慮升壓和降壓階段調(diào)制壓力超調(diào)量及響應(yīng)特性，本例φ0.6 為最優(yōu)參數(shù)值。

圖6 不同調(diào)壓行程對(duì)轉(zhuǎn)向制動(dòng)閥控制特性影響

圖7 不同阻尼孔對(duì)轉(zhuǎn)向閥控制特性曲線的影響

制動(dòng)閥阻尼孔R(shí)4與轉(zhuǎn)向閥相似，不再贅述。

3 結(jié)論

本研究通過對(duì)比分析關(guān)鍵參數(shù)變化，對(duì)轉(zhuǎn)向制動(dòng)閥控制性能的影響，研究了彈簧剛度、柱塞面積、調(diào)壓行程、阻尼孔關(guān)鍵因子對(duì)轉(zhuǎn)向制動(dòng)閥控制特性的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論：

(1) 彈簧剛度k1，k2，k3，k4影響轉(zhuǎn)向制動(dòng)閥的最大和最小調(diào)制壓力，k1和k4是關(guān)鍵因子，起決定作用；

(2) 柱塞面積A2，A4影響轉(zhuǎn)向制動(dòng)閥的最大和最小調(diào)制壓力和調(diào)壓速度，但柱塞面積過大會(huì)對(duì)穩(wěn)定值大小有影響；

(3) 調(diào)壓行程s1決定轉(zhuǎn)向閥調(diào)制曲線最大調(diào)制壓力大??；調(diào)壓行程s2決定制動(dòng)閥調(diào)制曲線最低調(diào)制壓力大?。?/p>

(4) 阻尼孔R(shí)2，R4直徑大小對(duì)轉(zhuǎn)向制動(dòng)閥調(diào)壓曲線有一定影響，阻尼孔越大，轉(zhuǎn)向制動(dòng)閥壓力起調(diào)點(diǎn)的壓力超調(diào)量越小，響應(yīng)越快，但在轉(zhuǎn)向閥的泄壓階段越易出現(xiàn)壓力震蕩。