基于輪式拖拉機液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用研究

姚海波

摘要：拖拉機轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的可靠性關(guān)系到駕駛?cè)藛T的人身安全。依據(jù)液壓流體力學(xué)理論，通過將拖拉機液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理和液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合，采用液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，計算分析某機型的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)空行程問題的主要原因是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實際所需轉(zhuǎn)向泵和轉(zhuǎn)向器的排量大于設(shè)計值，排量不足造成的。通過合理改進轉(zhuǎn)向油缸缸徑和活塞桿直徑，減小了油缸容積，有效解決了空行程問題。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向系統(tǒng);數(shù)學(xué)模型;空行程;油缸容積

0? 引言

拖拉機轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為整機重要操縱系統(tǒng)，其關(guān)系到駕駛員的人身安全。我國針對拖拉機轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有一系列嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)要求，特別是對拖拉機轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向圈數(shù)多少、轉(zhuǎn)向有無空行程、轉(zhuǎn)向操縱力等，有明確的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。由于拖拉機各馬力段系列的整機重量不同，需要匹配的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故不相同，因此如何計算選擇合適的前橋、轉(zhuǎn)向泵、轉(zhuǎn)向器和管路成為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。目前對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計的相關(guān)研究很多，但大部分是理論性的研究，缺少詳細(xì)的結(jié)合拖拉機整機的實際使用情況進行的應(yīng)用型研究。本文依據(jù)液壓流體力學(xué)理論，針對液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理，將液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范與理論相結(jié)合，采用液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，計算分析某機型的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)空行程問題的主要原因，提出具體有效的改進措施。

1? 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

輪式拖拉機基本上都采用全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。其原理是由液壓轉(zhuǎn)向泵吸油經(jīng)過單穩(wěn)閥以穩(wěn)定流量供給全液壓轉(zhuǎn)向器，方向盤帶動全液壓轉(zhuǎn)向器的閥芯控制了配油方向，從而驅(qū)動前橋轉(zhuǎn)向油缸活塞運動，推動前橋鉸接機構(gòu)作相對偏轉(zhuǎn)而進行轉(zhuǎn)向。全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理如圖1所示。

拖拉機的發(fā)動機工作時，帶動液壓恒流泵運轉(zhuǎn)，油箱內(nèi)的液壓油通過粗濾器被吸入到轉(zhuǎn)向泵，經(jīng)過單穩(wěn)閥以穩(wěn)定流量供給全液壓轉(zhuǎn)向器。若方向盤不轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)向泵吸入的液壓油經(jīng)轉(zhuǎn)向器直接返回油箱，拖拉機轉(zhuǎn)向系統(tǒng)處于空循環(huán)狀態(tài)，整機前橋不動作，保證當(dāng)前行駛狀態(tài)。當(dāng)方向盤向左轉(zhuǎn)動時，將帶動全液壓轉(zhuǎn)向器的控制閥反時針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向泵吸入的液壓油經(jīng)轉(zhuǎn)向器進入左邊油缸的有桿腔體和右邊油缸的無桿腔體，從而活塞桿推動前橋轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)拖拉機的向左轉(zhuǎn)向，同時轉(zhuǎn)向油缸另一腔體的液壓油沿轉(zhuǎn)向器回油口返回油箱。當(dāng)方向盤右轉(zhuǎn)時，油缸活塞桿工作方式相反，從而實現(xiàn)拖拉機向右轉(zhuǎn)向。方向盤旋轉(zhuǎn)多少，拖拉機就隨之轉(zhuǎn)動多少，直到前橋達到設(shè)計的最大轉(zhuǎn)向角度，方向盤停止轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)向運動亦停止。

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)涉及以下幾個數(shù)學(xué)模型。

1.1 轉(zhuǎn)向阻力矩

2? 主機案例分析

基于以上數(shù)學(xué)模型，針對某主機案例進行分析。

某主機在生產(chǎn)調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向空行程現(xiàn)象。經(jīng)過試驗測試，主機存在輪胎方向從左向右轉(zhuǎn)動時方向盤出現(xiàn)半圈空行程無反應(yīng)的問題，通過更換同型號新的檢驗合格的轉(zhuǎn)向泵和轉(zhuǎn)向器，問題沒有解決，可排除是液壓部件質(zhì)量問題造成的。故需要從原理和設(shè)計角度分析轉(zhuǎn)向空行程原因。主機的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)理論設(shè)計參數(shù)如表1所示。依據(jù)數(shù)學(xué)模型分步驟計算分析空行程問題的影響因素。

2.1 主機的轉(zhuǎn)向阻力矩

2.3 轉(zhuǎn)向液壓泵理論流量

根據(jù)已知的轉(zhuǎn)向液壓泵公稱流量16L/min，可判斷不論是2～4s的工作狀態(tài)下（不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速會影響轉(zhuǎn)向時間），有桿腔和無桿腔最大流量接近公稱流量值，轉(zhuǎn)向泵經(jīng)過臺架測試實際能提供的流量能達到18.4L/mim，可滿足使用需求。而且轉(zhuǎn)向空行程現(xiàn)象，從原理上來說，和流量不足沒有直接關(guān)系，若轉(zhuǎn)向液壓泵流量不足，會造成打轉(zhuǎn)向比較緩慢，給人打轉(zhuǎn)向沉的感覺，不會出現(xiàn)能打動而有空行程的現(xiàn)象。

2.4 轉(zhuǎn)向液壓泵排量

主機的發(fā)動機標(biāo)定轉(zhuǎn)速為2200r/min，按其50%取值，故nB1=1100r/min，同時轉(zhuǎn)向泵理論流量取范圍6.53～17.6L/min，依據(jù)公式（9）代入?yún)?shù)，可得：

2.5 液壓轉(zhuǎn)向器排量

實測主機轉(zhuǎn)向圈數(shù)，方向盤從最左往右打到極限為2.25圈，方向盤從最右往左打到極限為3.33圈。由于主機油缸是在右側(cè)布置，有桿腔工作時，為向右打方向，無桿腔工作時，為向左打方向，故依據(jù)公式（10）代入?yún)?shù)，可得：

根據(jù)已知的液壓轉(zhuǎn)向器的公稱排量160ml/r，可判斷在目前左右打方向時的工作狀態(tài)下，轉(zhuǎn)向器排量已經(jīng)沒法滿足使用要求。而且轉(zhuǎn)向空行程現(xiàn)象，從原理上來說，若液壓轉(zhuǎn)向器排量不足，分配油不足時，會造成打轉(zhuǎn)向時無反應(yīng)的問題出現(xiàn)，即會有空行程的現(xiàn)象。

2.6 分析結(jié)論

根據(jù)以上計算結(jié)果，可以確定本次主機空行程問題是轉(zhuǎn)向泵和轉(zhuǎn)向器排量不足造成的，建議選用較大排量的轉(zhuǎn)向泵和轉(zhuǎn)向器，或者考慮更改油缸容積，通過合理減小油缸容積，來解決轉(zhuǎn)向泵和轉(zhuǎn)向器排量不足的問題。

3? 改進方案與試驗應(yīng)用

考慮到若采用加大轉(zhuǎn)向泵和轉(zhuǎn)向器排量的方案，除了增加零部件制造成本以外，因為泵體和閥體的體積會增加，將影響主機其他部件的空間布置，故采用更改油缸容積的方案進行驗證。

3.1 前橋油缸改進方案

一般活塞桿直徑取0.35～0.55倍的油缸內(nèi)徑，同時考慮到無桿腔體和有桿腔體的容積差不能太大，否則左右打轉(zhuǎn)向圈數(shù)區(qū)別過大，影響主機操縱性能，以及油缸作用力等性能問題，將油缸由D=？覫63mm/d=？覫32mm改為D=？覫60m/d=？覫25mm。

3.2 試驗應(yīng)用

根據(jù)前橋油缸改進方案（如圖2所示），制造新結(jié)構(gòu)油缸裝在主機上，通過打轉(zhuǎn)向測試，已無空行程現(xiàn)象。同時方向盤從最左往右打到極限和從最右往左打到極限的圈數(shù)更加接近，操縱更加舒適，現(xiàn)場試驗照片如圖3所示。

4? 結(jié)論

依據(jù)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，針對主機轉(zhuǎn)向空行程問題，計算分析得出了該問題是由于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實際所需轉(zhuǎn)向泵和轉(zhuǎn)向器的排量大于設(shè)計值，排量不足造成的?？紤]到無桿腔體和有桿腔體的容積差不能太大，以及油缸作用力等性能問題，將油缸由D=？覫63mm/d=？覫32mm改為D=？覫60m/d=？覫25mm，合理減小了油缸容積，經(jīng)試驗驗證解決了轉(zhuǎn)向泵和轉(zhuǎn)向器排量不足的問題。

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