全液壓輪式工程機(jī)械行駛回路分析

□ 徐成東

四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通與市政工程系 四川德陽 618000

1 分析背景

傳動系采用液壓傳動的工程機(jī)械稱為全液壓式工程機(jī)械[1]。全液壓式工程機(jī)械行駛時,發(fā)動機(jī)將能量傳遞至液壓泵,液壓泵輸出的壓力能通過油液進(jìn)入液壓馬達(dá),液壓馬達(dá)產(chǎn)生機(jī)械能,帶動驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動,產(chǎn)生牽引力,實(shí)現(xiàn)車輛的行駛。在全液壓式工程機(jī)械中,全液壓輪式工程機(jī)械在行駛時經(jīng)常面臨不利的路面條件,因此往往采用前、后輪同時驅(qū)動,行駛回路屬于由液壓馬達(dá)構(gòu)成的多執(zhí)行元件回路。筆者對全液壓輪式工程機(jī)械行駛回路進(jìn)行分析。

2 前、后馬達(dá)串聯(lián)

對于全液壓輪式工程機(jī)械而言,前、后輪都要接受液壓馬達(dá)傳遞過來的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。為了便于分析計(jì)算,假設(shè)前、后輪都是單輪,由各自的液壓馬達(dá)驅(qū)動。為了保證行駛時的順暢,前、后輪采用相同的規(guī)格。前輪驅(qū)動液壓馬達(dá)簡稱前馬達(dá),后輪驅(qū)動液壓馬達(dá)簡稱后馬達(dá),兩者采用相同的類型和規(guī)格。兩臺規(guī)格相同的液壓馬達(dá)可以形成串聯(lián)回路或并聯(lián)回路。

前、后馬達(dá)構(gòu)成的串聯(lián)回路如圖1所示。馬達(dá)轉(zhuǎn)矩TM、進(jìn)出口壓力差ΔpM、排量VM之間存在如下關(guān)系:

TM=ΔpMVM/(2π)

(1)

圖1 前、后馬達(dá)串聯(lián)回路

全液壓輪式工程機(jī)械在狀況較好的路面上行駛時,前、后輪遇到的阻力相同,前、后馬達(dá)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也相同。由于兩臺液壓馬達(dá)的規(guī)格相同、排量相同,因此兩者的進(jìn)出口壓力差也相同。假設(shè)液壓泵的工作壓力為p,不考慮管道的壓力損失和兩臺液壓馬達(dá)回油腔的背壓,則每臺液壓馬達(dá)的進(jìn)出口壓力差均為p/2。不難看出,前馬達(dá)的出口壓力和后馬達(dá)的進(jìn)口壓力均為p/2。由式(1)可知,前、后馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩只能達(dá)到最大轉(zhuǎn)矩的一半。對于全液壓輪式工程機(jī)械而言,時常處于上坡或者起步的工況,此時前、后馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩略顯不足。

前、后馬達(dá)串聯(lián)時,前馬達(dá)的回油油液即為后馬達(dá)的進(jìn)油油液,因此兩臺液壓馬達(dá)的流量相同。兩臺液壓馬達(dá)的規(guī)格相同,排量也相同,自然具有相同的轉(zhuǎn)速。不考慮泄漏時,液壓馬達(dá)流量均為液壓泵的流量q,轉(zhuǎn)速可以達(dá)到最大值。

當(dāng)全液壓輪式工程機(jī)械在不平坦的路面上行駛時,前、后輪在各自液壓馬達(dá)驅(qū)動下同速轉(zhuǎn)動,行駛過程如圖2所示。在t1時刻,全液壓輪式工程機(jī)械位于圖2上部所示位置,前方路面呈現(xiàn)出圓弧形的凸起結(jié)構(gòu),前輪越過該圓弧形路面后,于t2時刻到達(dá)圖2下部所示位置?？梢钥闯?在水平方向,前、后輪移動的距離均為l1,全液壓輪式工程機(jī)械前進(jìn)的距離自然也為l1。但是,前輪經(jīng)過圓弧形凸起路面時行駛的路線長度長于全液壓輪式工程機(jī)械在水平方向前進(jìn)的距離l1,這在前、后輪同速純滾動狀態(tài)下是無法實(shí)現(xiàn)的,在這一過程中,必然伴隨驅(qū)動輪的滑移和滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象。當(dāng)驅(qū)動輪不再做純滾動運(yùn)動時,行駛阻力會大幅度增大,全液壓輪式工程機(jī)械出現(xiàn)大量寄生功率,驅(qū)動馬達(dá)輸出的轉(zhuǎn)矩?zé)o法有效轉(zhuǎn)換為機(jī)械的牽引力。換言之,發(fā)動機(jī)輸出的功率不能有效轉(zhuǎn)換為車輪的驅(qū)動功率,造成大量能量損失。因此,前、后輪在同速轉(zhuǎn)動的情況下經(jīng)過不平坦路面時,出現(xiàn)的滑轉(zhuǎn)和滑移現(xiàn)象不僅會加劇車輪的摩擦發(fā)熱和磨損,還會造成較大的能量損失,情況嚴(yán)重時可能出現(xiàn)無法行駛的現(xiàn)象。

圖2 行駛過程

全液壓輪式工程機(jī)械前進(jìn)時,前車輪經(jīng)過淤泥或極為松散的路面時,車輪和路面沒有足夠的附著力,無法形成牽引力,會出現(xiàn)原地滑轉(zhuǎn)的趨勢。前馬達(dá)的輸出油液全部進(jìn)入后馬達(dá),回路的壓力差主要集中在后馬達(dá),因而后馬達(dá)能形成足夠的轉(zhuǎn)矩,驅(qū)使后輪形成牽引力,帶動全液壓輪式工程機(jī)械盡快擺脫不利的路面條件。反之,在面臨后輪陷入淤泥等不利條件時,前馬達(dá)的作用可使全液壓輪式工程機(jī)械繼續(xù)前進(jìn)。

3 前、后馬達(dá)并聯(lián)

由流體力學(xué)理論可知,油液在等截面直管中流動時呈現(xiàn)出層流狀態(tài),流量q與壓力損失Δp之間存在如下數(shù)學(xué)關(guān)系[2]:

(2)

整理得:

(3)

式中:μ為液體的動力黏度;l為油管的長度;d為油管的內(nèi)徑。

Δp=Rq

(4)

前、后馬達(dá)并聯(lián)回路如圖3所示。液壓泵的輸出油液在A點(diǎn)分為兩路,一路通向前馬達(dá),流量為q1,一路通向后馬達(dá),流量為q2。泵的出口壓力為p,不考慮液壓泵與A點(diǎn)之間的壓力損失,則A點(diǎn)的壓力也為p,前、后馬達(dá)的進(jìn)口壓力分別為p1、p2。假設(shè)油液在等截面直管中流動,那么油液的流動狀態(tài)為層流。不考慮管接頭、彎頭等因素造成的局部壓力損失,假設(shè)前、后馬達(dá)的進(jìn)油管道對稱布置,則由式(4)可得:

p-p1=Rq1

(5)

p-p2=Rq2

(6)

圖3 前、后馬達(dá)并聯(lián)回路

聯(lián)立式(5)、式(6),可得:

p=p1+Rq1=p2+Rq2

(7)

對于式(7)的理解,可以分三種情況討論。

(1) 當(dāng)p1=p2時,q1=q2。全液壓輪式工程機(jī)械在平坦且質(zhì)量均勻的路面上行駛時,前、后輪遇到的阻力相同,前、后馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)矩也相同,因此前、后馬達(dá)的進(jìn)口壓力也相同。此時,兩臺液壓馬達(dá)的流量相同,轉(zhuǎn)速相同,前、后輪的轉(zhuǎn)速也相同。

(2) 當(dāng)p1q2。全液壓輪式工程機(jī)械上坡運(yùn)動如圖4所示。全液壓輪式工程機(jī)械行駛時,前輪遇到帶有坡度的路面,此時前、后輪的運(yùn)動軌跡不在一個水平面上。假設(shè)上坡時路面的角度為θ,前、后輪以相同轉(zhuǎn)速滾動,且滾動距離為s,那么前輪在水平方向移動的距離約為scosθ,后輪在水平方向移動的距離為s。顯然,前、后輪在水平方向移動的距離不同,速度也不同,前輪的速度小于后輪的速度。這一情況下,后輪所形成的牽引力會通過車橋、車架傳遞至前輪,前輪行駛時需要克服的阻力減小,后輪行駛時需要克服的阻力增大。前馬達(dá)輸出的轉(zhuǎn)矩小于后馬達(dá)輸出的轉(zhuǎn)矩,前馬達(dá)的進(jìn)口壓力p1小于后馬達(dá)的進(jìn)口壓力p2,因此前馬達(dá)的流量q1大于后馬達(dá)的流量q2,前輪的轉(zhuǎn)速自然大于后輪的轉(zhuǎn)速。同理,前輪處于水平路段,后輪處于上坡路段時,前馬達(dá)的進(jìn)口壓力p1大于后馬達(dá)的進(jìn)口壓力p2,前馬達(dá)的流量q1小于后馬達(dá)的流量q2,前輪的轉(zhuǎn)速小于后輪的轉(zhuǎn)速。在前、后馬達(dá)進(jìn)口壓力和流量的耦合過程中,前、后輪可以實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)動,前、后輪行駛時的滑移和滑轉(zhuǎn)會大幅減小,寄生功率會大幅降低,功率損失減小,液壓傳動的效率提高。

圖4 上坡運(yùn)動

(3) 當(dāng)p1+Rq1≤p2時,q1達(dá)到最大值,q2為0。全液壓輪式工程機(jī)械行駛時,如果前輪經(jīng)過淤泥或者極為松散的路面,那么前輪遇到的阻力極小,前馬達(dá)的進(jìn)口壓力也會變得很小。這一情況下,關(guān)系式p1+Rq1≤p2成立。當(dāng)p1+Rq1=p2時,q2為0。當(dāng)p1+Rq1

由上述分析可知,全液壓輪式工程機(jī)械的前、后馬達(dá)并聯(lián)時,前、后輪可以根據(jù)實(shí)際路況形成差速轉(zhuǎn)動,有利于保證行駛的流暢性,減小功率損失,提高傳動效率。因此,行駛回路經(jīng)常采用前、后馬達(dá)并聯(lián)的方案。對于特殊情況造成的車輪原地滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象,需要采取相應(yīng)的措施。

4 油液循環(huán)方式與調(diào)速方式

液壓回路的油液循環(huán)方式包括開式與閉式。開式回路指油液從執(zhí)行元件返回油箱,液壓泵再從油箱吸油,通過進(jìn)油管道將油液送入執(zhí)行元件。在開式回路中,油箱為油液循環(huán)的起點(diǎn)和終點(diǎn)。開式回路有利于油液的散熱,可以防止油液劣化變質(zhì)。

閉式回路指油液在回路內(nèi)部循環(huán)流動,從執(zhí)行元件返回的油液直接進(jìn)入液壓泵的吸油口,液壓泵的輸出油液進(jìn)入執(zhí)行元件的進(jìn)油口[3-4]。在閉式回路中,油液散熱不充分。由于存在泄漏現(xiàn)象,必須采用輔助泵進(jìn)行補(bǔ)油,補(bǔ)油的同時也實(shí)現(xiàn)了部分冷熱油液的交換。

全液壓輪式工程機(jī)械行駛系統(tǒng)經(jīng)常在工作時調(diào)節(jié)速度,并且改變方向,因此行駛回路具有無級調(diào)速和換向功能。全液壓輪式工程機(jī)械行駛系統(tǒng)工作時功率消耗大,一般采用容積調(diào)速回路,可以避免節(jié)流調(diào)速帶來的節(jié)流損失和溢流損失[5-7]。容積調(diào)速回路通過改變變量泵或變量馬達(dá)的排量來調(diào)速。當(dāng)全液壓輪式工程機(jī)械行駛方向需要改變時,如果通過換向閥實(shí)現(xiàn),那么機(jī)械運(yùn)動時的慣性會帶來巨大的液壓沖擊,不僅可能損壞液壓元件,影響液壓回路的工作可靠性,而且會加大發(fā)動機(jī)的負(fù)荷,影響發(fā)動機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn),同時給駕駛員帶來不良的操作體驗(yàn)。因此,全液壓輪式工程機(jī)械的行駛回路不宜采用開式回路。

軸向柱塞泵工作時,依靠柱塞的往復(fù)運(yùn)動形成周期性密閉容積變化,實(shí)現(xiàn)吸油和壓油[8]。缸體擺動式軸向柱塞泵結(jié)構(gòu)如圖5所示。假設(shè)柱塞的直徑為d2,所在分度圓的直徑為D,傳動軸與缸體軸線的傾角為γ,柱塞數(shù)為Z,則柱塞泵的排量V為:

(8)

由式(8)可知,調(diào)節(jié)傾角γ的大小可以調(diào)節(jié)排量V。擺動缸體向左下方傾斜時,傳動軸沿圖示方向轉(zhuǎn)動。擺動缸體向左上方傾斜時,傳動軸的轉(zhuǎn)向不變,配油盤吸油窗口、排油窗口的布置相反。由上述特性可知,軸向柱塞泵適合作為雙向變量泵使用,構(gòu)成容積調(diào)速回路。

圖5 軸向柱塞泵結(jié)構(gòu)

軸向柱塞泵具有變量機(jī)構(gòu),可以調(diào)節(jié)傾角的大小及方向,經(jīng)常用于全液壓輪式工程機(jī)械。假設(shè)圖5(a)所示的柱塞泵出油方向代表了全液壓輪式工程機(jī)械的前進(jìn)方向,當(dāng)需要調(diào)速時,可以通過變量機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)傾角大小,進(jìn)而調(diào)節(jié)泵的排量。當(dāng)需要改變行駛方向時,為了避免出現(xiàn)過大的沖擊,往往先將傾角調(diào)小直至為零,泵的排量和流量減小,液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速降低,全液壓輪式工程機(jī)械的行駛速度逐漸降低直至為零。繼續(xù)調(diào)節(jié)傾角,角度從零逐漸增大,方向和原來相反,泵的排量和流量逐漸增大,反向出油,液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速提高,且轉(zhuǎn)動方向和原來相反,全液壓輪式工程機(jī)械反向行駛并逐漸加速。

通過上述分析可知,軸向柱塞泵適用于全液壓輪式工程機(jī)械行駛回路。改變行駛方向的過程伴隨著調(diào)速,通過變量機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)速和改變方向,保證了行駛系統(tǒng)的運(yùn)動流暢性和平穩(wěn)性,避免了較大的沖擊。由于不需要采用換向閥進(jìn)行換向[9-10],因此不宜采用開式回路。軸向柱塞泵構(gòu)成的行駛回路通常為閉式容積調(diào)速回路。

5 典型全液壓輪式工程機(jī)械行駛回路分析

WJ-1.5型全液壓小型輪式裝載機(jī)液壓系統(tǒng)的行駛回路如圖6所示。一對前馬達(dá)和一對后馬達(dá)分別驅(qū)動前、后車輪。兩臺同規(guī)格的雙向變量泵分別向前、后馬達(dá)供油,形成兩個獨(dú)立的閉式容積調(diào)速回路。兩臺變量泵同步變量,保證了裝載機(jī)前、后橋行駛的同步性。液壓馬達(dá)為兩級排量內(nèi)曲線馬達(dá),通過內(nèi)部的變速閥可以改變參與工作的柱塞數(shù),實(shí)現(xiàn)兩種不同的排量[11]。當(dāng)一半數(shù)量的柱塞參與工作時,液壓馬達(dá)的排量為最大排量的一半,轉(zhuǎn)速達(dá)到最大值。由式(1)可知,轉(zhuǎn)矩為最大轉(zhuǎn)矩的一半,液壓馬達(dá)處于高速小轉(zhuǎn)矩狀態(tài)。連通閥在控制油液的作用下處于右工作位,前、后馬達(dá)的油路連通,可以消除某些因素造成的前、后輪轉(zhuǎn)速差對牽引力的影響和輪胎磨損。當(dāng)全部數(shù)量柱塞參與工作時,液壓馬達(dá)的排量達(dá)到最大值,液壓馬達(dá)處于低速大轉(zhuǎn)矩狀態(tài),裝載機(jī)可進(jìn)行爬坡和作業(yè)。連通閥的控制油路泄壓,連通閥在彈簧的作用下處于左工作位。前、后馬達(dá)的油路隔絕,當(dāng)一對車輪處于打滑狀態(tài)時,另一對車輪還會產(chǎn)生相應(yīng)的牽引力。

6 結(jié)束語

全液壓輪式工程機(jī)械行駛系統(tǒng)采用液壓傳動,回路多采用軸向柱塞泵構(gòu)成的閉式容積調(diào)速回路。前、后馬達(dá)并聯(lián)時,前、后輪的轉(zhuǎn)速具有良好的適應(yīng)性,在復(fù)雜路面上行駛時,可減小牽引力的損耗和輪胎磨損,但在特定條件下會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。前、后馬達(dá)串聯(lián)時,前、后輪對于路面的適應(yīng)性變差,在一定條件下會加大牽引力的損耗和輪胎磨損,但可以防止出現(xiàn)持續(xù)打滑現(xiàn)象。

圖6 WJ-1.5型全液壓小型輪式裝載機(jī)液壓系統(tǒng)行駛回路