挖掘機換擋閥閥芯控制特性研究

2014-09-17 12:11:24曾超羅艷蕾

機床與液壓 2014年7期

曾超，羅艷蕾

(1.貴州詹陽動力重工有限公司，貴州貴陽550006，2.貴州大學機械工程學院，貴州貴陽550025)

輪式液壓挖掘機行進速度快，不損壞路面，能遠距離轉場作業，通常輪式挖掘機行走速度為20～35 km/h，而履帶式挖掘機行走速度為3～5 km/h［1］，需要頻繁轉場作業時，輪式挖掘機表現出獨有的優勢，節省轉場運輸費用。提高行進速度成為輪式挖掘機發展的一個趨勢。換擋裝置起減速增扭作用，可滿足工況及作業模式對車輛速度、動力輸出的要求，工程機械的換擋方式，取決于動力傳動系統結構及控制方式。本文作者以某型輪式挖掘機為研究對象，建立輪式底盤傳動模型，在此基礎上分析換擋閥結構、性能，對換擋閥進行改進，以改善換擋品質，使換擋平衡可靠。

1 輪式挖掘機行走系統

輪式挖掘機的傳動系統有多種形式［2］:機械式、液力機械式、全液壓式、電傳動等。機械傳動系統由離合器、變速箱、萬向節、驅動橋、終傳動等組成;液力機械傳動則采用液力變矩器/偶合器［1］、動力換擋變速箱，在微控制器作用下，由換擋多路閥控制換擋離合器構成有級換擋系統;全液壓系統由泵、馬達、終傳動組成，輪邊獨立驅動方式省去了變速箱，差速器、驅動橋等結構，通過改變泵或馬達的排量，構成無級換擋系統。

如圖1所示，作者所研究的輪式挖掘機行走系統采用靜壓傳動結構，由主泵、換擋閥、馬達構成閉式液壓回路，后接減速器、驅動橋、終傳動。相對于液力傳動，靜壓傳動僅將液力元件變為液壓泵、馬達的組合。閉式回路具有正反方向行走及制動功能而不采用其他機械裝置。泵出口流量大于馬達入口流量時車輛加速;泵出口流量小于馬達所需流量時，馬達出口阻力增大，阻礙車輛前行，起制動作用。泵輸出的流量與負載相適應，沒有溢流損失和節流損失，回路的效率高，發熱少，有較好的靜動態特性［3］。

圖1 輪式挖掘機行走液壓系統

如圖2所示，輪式挖掘機底盤采用馬達中央傳動方式，保留了液力傳動車輛的基本結構。泵與馬達可分式結構方便了元件的布置，動力經減速器后，由前橋、后橋、差速器、輪邊減速器至驅動輪，換擋閥改變系統油路聯接方式，進而實現擋位切換。本研究基于AMESim環境，通過建立換擋閥、主減速器、輪邊減速器數學模型進行仿真研究。

圖2 底盤構成

2 換擋閥的優化

2.1 換擋閥模型結構介紹

換擋閥為液動換向閥，由兩聯閥芯組成，外部接口與變量馬達連接。如圖3所示，A、B、C、D為四個工作油口，開口orif1、開口orif2的啟閉改變系統油路聯接方式。

圖3 換擋閥Amesim模型

換擋閥從一個位切換至另一個位時，應平穩無沖擊。原始設計下的閥桿，經分析兩個工作狀態的切換在1.5 mm內完成，其間使B口供油瞬時中斷，而此時馬達高速運轉，所需流量反而增加，因此會出現供油不足現象。針對這個問題，重新設計了閥體及閥桿結構，在開口orif1、orif2處設置了非全周開口，為了保證油封長度，略增加了閥桿行程。

非全周開口有基本的U形、V形、L形及其組合U－U、U－V［4－5］，常用于挖掘機多路閥。不同形式的開口和結構尺寸可獲得不同特性的過流面積曲線，過流面積影響了流量的大小。組合形式的開口能改變過流面積對開口長度的變化率，實現對流量的多級節流控制，改善閥的啟閉特性。在節流調速系統中，組合開口能夠滿足執行元件在啟動、停止、微動特性上的要求。該設計中采用U－V形式開口。

圖4 U－V形閥口結構

如圖4所示，E點為U形開口的頂點，F為U形、V形切口所形成相貫線OF、FG的交點。組合過流面積的計算，將閥口作為薄壁孔口，假設液體流經了徑向節流面A2和軸向節流面A1，兩節流孔串聯。V形開口采用式 (1)、 (2)計算，U形則采用式(3)、(4)。公式如下:

編程計算中，徑向過流面積A2隨開口x的增加，進行累加運算。圖4中EF≈0.2 mm，區域狹小，軸向截面在此區域內作簡化處理，計算端點E處數值與F處數值，用直線段連接。

2.2 MATLAB計算及數據處理

如圖5所示，A1、A2均為兩條連續曲線，因為U形與V形軸向、徑向過流面積變化率不相等，兩條曲線會發生偏折，由多段光滑曲線連接而成，在連接處形成尖點。過流面積曲線具有3個明顯的階段，實際上閥口的開啟過程經歷了如下4個過程:

(1)第一階段:x∈［0，3.5)

(2)第二階段:x∈［3.5，3.7)

此區域為V形向U形過渡的區域，式 (1)不適用于此區域內軸向過流面積A1的計算，此處作前述簡化處理，使用式 (1)、(3)分別計算端點E、F處的值，用兩點連線代替真實曲線。曲線A1在點E驟然增大，點E為曲線A1分界點。曲線A2仍按式 (2)計算，當開口至端點F處時，則使用式 (4)，點F為曲線A2分界點。

(3)第三階段:x∈［3.7，9.5)

(4)第四階段:x≥9.5

圖5 U－V形開口過流面積曲線

閥口快速開啟，按普通滑閥過流面積計算，形成第三段曲線。

軸向過流面積與徑向過流面積，相當于節流口串聯，取小進行計算。將 (，)對開口x進行多項式擬合，得A=f(x)。擬合曲線與、重合，較好地反映了過流面積變化趨勢。

根據流體力學節流小孔公式，得

式中:Δp為閥口壓差;ρ為油液密度，860 kg/m3;A為閥口過流面積，mm2;Cd為流量系數，取0.7。

閥口流量特性如圖6所示。

圖6 閥口流量特性

3 換擋閥對換擋品質的影響

將所得多項式A=f(x)導入AMESim行駛系統模型。設置仿真時間為60 s，模擬挖掘機由1擋起步，行進中逐步切換至2擋、3擋，并與換擋閥初始設計下的仿真結果進行對比。

圖7(a)、(b)為換擋過程中馬達轉速－閥芯位移曲線。對圖7(a)，馬達轉速在閥芯位移為3.5～5 mm區間內完成，馬達轉速發生突變，所需流量急速增加，而此時馬達供油口orif1、orif2開口量很小，容易供油不足形成負壓。對圖7(b)，馬達轉速在4～13 mm的區間內完成，曲線類似S形曲線，速度切換平穩。加長了的閥桿行程，在速度切換過程中，使馬達處于短暫的浮動狀態，供油不發生中斷。如圖7(c)，流量QB為馬達入口流量，流量Qorif1、流量 Qorif2隨開口 orif1、orif2的啟閉而改變，QB=Qorif1+Qorif2。在加擋過程中，QB平緩地增加，完成由Qorif1供油過渡到由Qorif2完全供油。圖7(d)為車體速度曲線，在t=33 s，t=51 s處，換擋閥動作，車速曲線因此分為三級。33 s之前，為1擋行駛，兩曲線重合;換擋閥改進設計油封長度和兩工作位過渡行程比初始設計略長，改進曲線因此稍有滯后，改進前的曲線在33 s處突然增加形成為尖點，而改進后的曲線在約34 s處完成擋位切換，1擋終了速度經一段上凹曲線平穩過渡至2擋，2擋換至3擋情況相同。