液压无级变速传动系统在轮式挖掘机上的仿真及应用

栾文博,栾新立

(1.同济大学汽车学院,上海201804;2.洛阳拖拉机研究所有限公司,河南 洛阳 471039)

液压变速系统是指通过改变泵和马达排量或采取节流控制流量的方式来调节马达转速的系统.液压传动变速系统中泵与马达有四种匹配方式:第一是定量泵和定量马达组合,马达转速随泵输入转速线性变化,泵转速恒定时,可用节流调速;第二是变量泵和定量马达组合,马达的转速与泵的流量成正比,马达输出转矩与转速成反比,马达输出功率与转速成正比,变量机构可通过零点实现换向,多用于闭式回路;第三是定量泵和变量马达组合,马达转速与马达排量成反比,由于泵流量不变,马达输出转矩与其转速成反比,而且马达排量过小时不能正常工作,多用于开式回路;第四是变量泵和变量马达组合,马达排量设置可实现无级调速,马达输出转速与输入流量成正比,而与马达的排量成反比,马达输出转矩随马达进、出口压差增大及马达排量变大而增加,这种匹配方式调节范围宽,可满足高转速和大转矩的要求.

轮式挖掘机行走系统必须满足高速度和大驱动力的使用要求,变量泵和变量马达匹配是轮式挖掘机的行走液压系统的最佳方案.工地间转移用高速挡,缩短转移时间;在工地用低挡,发挥大的驱动力.设计轮式挖掘机行走系统液压元件必须经多次匹配计算,才能确定较好的方案,工作量大而繁琐.需建立仿真模型对其变量泵、变量马达的排量匹配进行优化,以达到设计最优且缩短设计周期的目的.

1 液压无级变速系统工作原理

液压无级变速系统用于轮式车辆行走系统,主要由变量泵、变量马达和阀组成,根据行走阻力大小的变化,自动变化速度.

其中变量泵的恒功率曲线如图1所示.横坐标为压力p,纵坐标为流量Q.在直线ap0之间压力升高,流量不变;p0pmax曲线为变量泵恒功率段.p0点是恒功率压力起调点,即压力升到p0点时,随着压力的再升高,泵的流量减少;pmax点为压力终点,即为系统的额定压力点,系统的额定输出功率在ap0pmax曲线下方变化,绝不超过ap0pmax曲线以外.p3点为控制变量马达的压力点.

图1 变量泵恒功率时流量—压力曲线Fig.1 Curve of flow and pressure of variable pump in invariableness power

图2 变量马达压力控制曲线Fig.2 Curve of PressureControl of Variable Motor

变量马达压力控制排量变化曲线如图2所示,p1为压力控制起点,不同的马达控制起点p1值不同.Δp是压力增量,即随着Δp的增大,马达排量从0增大到最大.q1是马达工作排量起始点;p3是马达排量开始变化时的控制压力,p3的确定与压力控制起点p1、压力增量Δp和排量比B有关.如A6VM80马达的最大排量为80 mL·r-1,最小工作排量为40 mL·r-1,则排量比B为0.5.压力控制起点p1为23 MPa,压力增量Δp为5 MPa,在马达压力控制曲线上排量比0.5对应的纵坐标压力p3为25.5 MPa.即当压力小于等于p3时,马达以q1排量工作,当压力大于p3时,马达随压力的升高排量变大,直到最大排量80 mL·r-1.

系统工作过程如下:变量泵具有恒功率特性,当变量泵压力大于p3值时,泵随着压力升高,流量减小,此时变量马达的排量逐渐增大至最大排量,马达转速降低,适用于低转速、高转矩工况;当变量泵的工作压力小于等于 p3值时,变量马达在设定的最小排量下工作,随着变量泵的压力降低,变量泵的流量加大,马达转速升高,适用于高转速、低转矩工况.

2 匹配设计计算与仿真分析

首先提出匹配目标:①最高车速不低于28 km·h-1;②要求在城市路面以28 km·h-1的速度行驶时,最大爬坡能力不低于2%;③要求在公路上以高挡位行驶时,最大爬坡能力不低于12%;④要求在工作路面行驶时,最大爬坡能力不低于50%.

下面根据设计进行液压系统匹配.根据发动机功率、转速,确定液压泵的起调压力p0和排量,压力终点的压力pmax和对应的排量,确认恒功率曲线图[1].选定变量马达型号,查压力控制曲线图(见图2),确定行走马达起调变量点排量和起调压力.这里所匹配的轮式挖掘机行走系统采用2挡变速箱,四轮驱动,即1挡时的总传动比为驱动桥传动比与变速箱1挡传动比的乘积,2挡时的总传动比为驱动桥传动比与变速箱2挡传动比的乘积.

式中:Mm为马达输出转矩;pp为泵进出口压力之差;qm为马达排量;ηp为液压系统效率,取0.84;ηm为马达机械效率,取0.95.

式中:F为行走驱动力;Mm为马达输出转矩;RD为车轮动力半径;η为变速箱和驱动桥的总效率,取0.88;I∑为某1挡位下变速箱和驱动桥的总传动比.

式中:nm为马达输出转速;qp为泵的排量;np为泵的额定转速;ηpV为泵的容积效率,取0.96;ηmV为马达的容积效率,取0.96.

式中:Fz为道路滚动阻力和爬坡阻力;G为整车载荷;α为坡度角;f为滚动阻力系数,公路、城市路面取0.02,工作路面取0.1.

式中:vi为以某1挡位工作下的最高或最低行走速度;nmj为在某1挡位下马达的最高或最低工作转速;Rm为车轮滚动半径.

根据上面对液压无级变速系统的匹配计算分析,利用MATLAB/Simulink建立仿真模型,通过改变变量泵或变量马达的相关参数,分析其匹配的效果,优化匹配结果.由于仿真模型的前提条件是在发动机全负荷、工作转速为2200 r·min-1的驱动变量泵的工况下建立的,将2200 r·min-1转速下变量泵的压力与流量关系曲线和变量马达改变排量比与压力关系曲线制成插值表,建立如图3所示的仿真模型[2],其中整车质量为10 t,1挡总传动比为93.59,2挡总传动比为27.07.

图3 液压无级变速系统仿真模型Fig.3 Simulation model of hydraulic continuously variable transmission system

由工程实际经验,现将变量马达的设计最小工作排量调整为3种情况:即35 mL·r-1对应排量比0.4375,排量改变时压力为25.1875 MPa;40 mL·r-1对应排量比0.5,排量改变时压力为25.5 MPa;45 mL·r-1对应排量比0.5625,排量改变时压力为25.8125 MPa.根据这3种情况,通过仿真,绘出2个挡位下的驱动力与速度曲线,如图4～6所示.

图4 马达最小排量35 mL·r-1时2个挡位下驱动力与速度关系曲线Fig.4 Curve of driving force and vehicle speed in two gears when the minimum displacement of motor is 35 mL·r-1

从图6中可以看出,当马达最小排量设计为45 mL·r-1时,平直公路上的最高车速为26 km·h-1,不符合匹配设计要求;图4中,当马达最小排量设计为35 mL·r-1时,2挡下最高车速为33 km·h-1,此时对应的马达转速为5370 r·min-1,转速偏高,影响马达寿命;图5中当马达最小排量设计为40 mL·r-1时,1,2档速度区间有重叠,最高车速29 km·h-1时对应的马达转速为4708 r·min-1,满足最高车速设计要求.此外根据剩下的3个匹配目标,在马达最小排量40 mL·r-1的驱动力与速度关系图上分别做出2%坡度的城市路面道路阻力、12%坡度的公路道路阻力和50%坡度的工作路面道路阻力,如图7所示.

由图7可以看出,当以2挡行驶在2%坡度的城市路面上时最高车速为28.5 km·h-1,2挡的最大驱动力大于12%坡度的公路道路阻力,1挡最大驱动力也大于50%坡度的工作路面道路阻力,满足了匹配设计目标.此外,从仿真模型中可以看出,整个行走系统从变量泵到变量马达的功率输出的效率仅为67%左右,究其原因,主要是由于负载传感液压系统的压力补偿节流损失[3]、液压系统的管路压力损失、阀的节流损失,以及受泵与马达的容积、机械效率及驱动桥与变速箱的机械传动效率影响[4,5].要提高整个行走系统的工作效率,必须对上述几个方面进行深入研究.

图8 变量马达原理图Fig.8 Principle of variable motor

3 在轮式挖掘机上的应用

变量马达工作原理如图8所示,当压力油由A口进入时,推开三位三通滑阀F下移,同时推动马达旋转,压力油通过三位三通滑阀F,再经过下部单向阀从B口流回.随着阻力的增加,系统压力升高,当压力超过设定值时,推开梭阀E,液压力克服二位三通滑阀G的弹簧力推动其右移(如压力没有达到弹簧力时,二位三通滑阀G不移动,马达的变量活塞缸小腔的压力与大腔的节流压力平衡,活塞不动,马达的排量不变),液压油进入马达的活塞变量缸大腔,克服小腔的压力,向左移动,将马达排量变大,随着压力升高排量变为最大.马达设置有压力过载阀D,当停止向马达供油时,由于车辆惯性带动马达继续旋转,此时马达高压侧的液压油推开过载阀向低压侧流动,构成液压油的循环.当需要低速大转矩时,通过X口供液压油,推动二位三通阀G右移,使马达的排量处在最大状态下工作.

液压无级变速系统在轮式挖掘机应用,其原理如图9所示.变量泵1的液压油通过多路阀2进入变量马达3的进油口,变量马达3与变速器联结并驱动其旋转将动力传给前、后桥;先导阀5为单通道,脚踏板踏下即可接通先导油,推动多路阀换向;换向电磁阀4是为了车辆换向所设,通过电磁阀换向使车辆前进挡变后退挡;控制马达排量电磁阀6与变量马达的X口接通,强制推动马达大排量工作,发挥最大牵引力.

该系统应用在10 t轮式挖掘机上,其选用DANA公司的2挡变速箱和前后桥、东芝PVC92RC03变量泵、力士乐A6VM80的变量马达.在发动机额定转速条件下,通过城市路面,测得1挡的速度范围为2.4～8.5 km·h-1,其最大驱动力为53.64 kN;2挡的速度范围为8.3～28.3 km·h-1,其最大驱动力为15.52 kN.分别在工作路面、公路、城市路面上使用效果良好.

4 结语

图9 轮式挖掘机液压原理图Fig.9 Hydraulic principleof wheel wxcavate

液压无级变速传动系统在轮式挖掘机上的仿真分析对设计轮式挖掘机行走系统非常方便.在同一机型上改变马达工作排量起始点进行优化匹配分析,使其设计达到最优;对系列机型设计时,输入不同的技术参数可进行匹配分析,省略了大量设计计算,提高了设计效率.但设计应用无级变速液压系统时应注意如下事项:

(1)液压泵、马达规格大小的选配,主要与发动机的功率大小有关.在发动机功率许可范围内,泵的压力起调点尽量高,以便充分发挥发动机功率.对马达的旋转节流损失要尽量小.

(2)马达最低转速不受限制,然而要使转速平稳,最小转速不能低于100 r·min-1,最高转速不应超过马达参数规定值.马达最小排量比是根据马达输出压力和转矩来确定的,但一般不能低于0.2.

(3)运行前和运行期间马达壳体必须充满油.壳体内压力与马达起点控制压力有关,壳体回油管直接通油箱内液面下,回油压力不超过规格书要求.对马达的最高转速、最高压力要限定.

(4)液压油的选择,为了正确选择液压油,必须知道与环境温度有关的工作温度.闭式回路中指回路油温度;开式回路中指油箱中油的温度.液压油的选择:在工作温度范围内粘度处于最佳范围,按油液温度曲线图选择.液压油清洁度等级越高,轴向柱塞元件的寿命越长,为了保证轴向柱塞元件的正常工作,最低清洁度等级是NAS9级.

[1]张玉川.进口液压挖掘机国产化改造[M].成都:西南交通大学出版社,1999.ZHANG Yuchuan.The domestic reform of imported hydraulic excavators[M].Chengdu:Southwest Jiaotong University Press,1999.

[2]薛定宇,陈阳泉.基于MA TLAB/Simulink的系统仿真技术与应用[M].北京:清华大学出版社,2002.XUE Dingyu,CHEN Yangquan.The system simulation technology and application based on Matlab/Simulink[M].Beijing:Tsinghua University Press,2002.

[3]栾新立,栾文博.负荷传感液压系统在液压传动车辆上的研究应用[J].拖拉机与农用运输车,2009(1):19-21.LUAN Xinli,LUAN Wenbo.Research and application of load sensing hydraulic system on hydraulic drive vehicle[J].Tractor and Farm Transporter,2009(1):19-21.

[4]宋学义.袖珍液压气动手册[M].北京:机械工业出版社,1994.SONG Xueyi.Pocket hydraulic pneumatic manual[M].Beijing:China machine Press,1994.

[5]李寿刚.液压传动[M].北京:北京理工大学出版社,1994.LI Shougang.Hydraulic transmission[M].Beijing:Beijing Institute of Technology Press,1994.