液力變速器可靠性臺架試驗方法研究

陳吉祥，宋心賞

（山推工程機(jī)械股份有限公司，山東 濟(jì)寧 272073）

在國內(nèi)，大小工程中對土石方的作業(yè)離不開工程機(jī)械，由此裝載機(jī)在工程建設(shè)中具有非常重要的作用。當(dāng)前國內(nèi)的裝載機(jī)大約有180～200 萬臺，并且每年都會增長20 萬左右，但也有大概10～15 萬臺因損壞而造成報廢。而液力變速器是非常核心的主要部件，并在裝載機(jī)中起著對中樞進(jìn)行連接的重要作用，主要是由發(fā)動機(jī)把動力以轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的模式傳輸至液力變速器，然后由駕駛損傷員操縱變速器的擋位，進(jìn)一步實現(xiàn)牽引與速度的特性。裝載機(jī)的施工環(huán)境有時非常的惡劣，并且受到裝載作業(yè)中需要頻繁地切換擋位，從而導(dǎo)致在工作過程中受到內(nèi)、外部動載荷和沖擊載荷以及交變載荷的作用下，致使液力變速器的穩(wěn)定性受到了嚴(yán)重的影響，從而容易出現(xiàn)故障。

1 裝載機(jī)載荷譜的測試分析

當(dāng)前國內(nèi)5t 級別的裝載機(jī)占據(jù)裝載機(jī)約85%左右的保有量，而配有國產(chǎn)雙渦輪變速器的裝載機(jī)大約有75%左右。本文主要以某ZL50 型號的裝載機(jī)進(jìn)行分析，具體的傳動參數(shù)如下表1 所示，然后經(jīng)過運用不同類型的材料和不同的損傷人員進(jìn)行相應(yīng)的試驗，并收集在工作中發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和液力變速器的輸出轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的詳細(xì)數(shù)據(jù)，以此作為對液力變速器的可靠性臺架試驗的重要基礎(chǔ)。

本試驗主要是把裝載機(jī)運用v 型6 段的損傷作業(yè)方法，主要步驟為空載前進(jìn)、裝斗、滿載倒退、滿載舉升并前進(jìn)、卸料、空載倒退。即由裝載機(jī)的相關(guān)裝置降低到材料的位置，然后將裝載機(jī)行駛到待裝區(qū)，并把鏟斗在行駛的狀態(tài)下插入材料中，最后將鏟斗裝滿物料，裝滿之后切入倒擋，在行駛中將鏟斗提升起來，最后運往指定地點進(jìn)行卸料。

本次選擇小石子為鏟掘作業(yè)的工況，然后采集某一階段的循環(huán)周期載荷譜的詳細(xì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的統(tǒng)計分析，主要包含發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速和液力變速器的輸出轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩信號，主要以時間的序列為基礎(chǔ)，然后對液力變速器的輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩有效的聯(lián)合分布進(jìn)行相應(yīng)的分析。下面以圖1 為例進(jìn)行分析。

圖1 F1 擋“空載前進(jìn)”與“鏟裝”的數(shù)據(jù)聯(lián)合分布

在第20～23s 內(nèi)，裝載機(jī)從空擋怠速變成前進(jìn)F1 擋并逐漸加速前進(jìn)，裝載機(jī)操作員踩下油門將發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速從750r/min 逐漸提升至2200r/min,與此同時，液力變速器的輸出轉(zhuǎn)速由0 提升至800r/min，在這一階段的過程中，由于液力變速器所輸出的轉(zhuǎn)矩需要克服由輪胎和地面所產(chǎn)生的滾動阻力矩，還有在加速過程中所產(chǎn)生的慣性轉(zhuǎn)矩，但當(dāng)加速完成后，產(chǎn)生的所有慣性轉(zhuǎn)矩就會消失，因此輸出轉(zhuǎn)矩表現(xiàn)為先上升后下降的形式。

在第23～25s 內(nèi)裝載機(jī)以F1 擋逐漸靠近物料的過程，當(dāng)操作人員輕微抬起油門時發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速出現(xiàn)下降，液力變速器輸出的轉(zhuǎn)速則保持在相對較為穩(wěn)定的范圍。與此同時，變速器的輸出轉(zhuǎn)矩只能克服由輪胎和地面所產(chǎn)生的滾動阻力矩，所以數(shù)值保持在恒定的范圍。

在第25～28s 內(nèi)，主要是裝載機(jī)以Fl 擋將物料鏟裝的過程，當(dāng)裝載機(jī)接觸物料時產(chǎn)生一定的阻力，此時，液力變速器將自動適應(yīng)并拉低轉(zhuǎn)速而提高轉(zhuǎn)矩，以此解決來自外界的阻力。由于在裝鏟的操作中，操作人員會依據(jù)車速和物料的現(xiàn)狀以及操作特點合理的運用油門，所以在圖1 中的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速表現(xiàn)出的曲線段可能有所不同。

2 建立試驗臺架

傳動系統(tǒng)是裝載機(jī)運用零件最多的系統(tǒng)之一，并且其整體結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，主要包括液力變速器、傳動軸、橋等部分，每個零件間需要運用不同類型的連接方法，從而建立了以力學(xué)特性為基礎(chǔ)且復(fù)雜的傳動鏈。與此同時，由于傳動系統(tǒng)需要承受不同方面的壓力，所以在受力方面十分復(fù)雜，其不僅需要承受發(fā)動機(jī)和路面的各種不同的激勵，還需要承受在起步和換擋以及制動時的激勵，又或是在加速和減速的過程中需要承受工況下的各種沖擊。當(dāng)前對于國內(nèi)機(jī)械的傳動系統(tǒng)所使用的零部件，強(qiáng)度仍然以靜強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計，即設(shè)計時依據(jù)最大載荷量并增加安全系數(shù)。為了有效地提升傳動系統(tǒng)所使用的零部件的壽命與穩(wěn)定性，按照常規(guī)化進(jìn)行設(shè)計時，只會增加安全系數(shù)，由此導(dǎo)致不能看出載荷發(fā)生隨機(jī)變化時的規(guī)律，從而無法顯示出載荷的幅值大小和產(chǎn)生次數(shù)，所以就無法知道載荷的隔值大小和產(chǎn)生次數(shù)，由此對零件產(chǎn)生的損傷程度也無從可知。所以需要對傳動系統(tǒng)的零部件進(jìn)行實驗。圖2 是液力變速器進(jìn)行可靠性試驗平臺示意圖。

圖2 液力變速器的可靠性試驗平臺示意圖

驅(qū)動電機(jī)的各項性能參數(shù)如下：

標(biāo)稱功率為：200kW

滿載轉(zhuǎn)速為：1500r/mm

額定轉(zhuǎn)矩為：1273N·m

恒轉(zhuǎn)矩頻率為：5～50Hz(150～I(xiàn)500r/min)

恒功率頻率為：50～83Hz(1500～2500r/min)

加載電機(jī)的各項性能參數(shù)：

標(biāo)稱功率為：500kW

額定轉(zhuǎn)速為：750r/mm

額定轉(zhuǎn)矩為：6666N·m

恒轉(zhuǎn)矩頻率為：3～25Hz(90～750r/min)

恒功率頻率為：25～50Hz(750～1500r/min)

利用驅(qū)動電機(jī)可以有效地進(jìn)行變頻調(diào)速，并且精準(zhǔn)度的控制可以達(dá)到±1r/min 的速度，可以達(dá)到ZL50 型裝載機(jī)的發(fā)動機(jī)所具有的動力特性。而加載電機(jī)可以進(jìn)行電回饋的加載，主要是其能夠當(dāng)作發(fā)電機(jī)進(jìn)行加載，還可以當(dāng)作電動機(jī)進(jìn)行拖動。并且其所具備的加載特性非常高，可以在額定的轉(zhuǎn)速下有效的保持恒轉(zhuǎn)矩的加載，在額定的轉(zhuǎn)速上能夠快速實現(xiàn)恒功率的有效加載。

對換擋的操作控制裝置可以由計算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，從而達(dá)到液力變速器可以自動換擋。

對試驗的臺架裝配有油路冷卻過濾系統(tǒng)，這樣可以有效地保證對變矩器的出口油液進(jìn)行冷卻并過濾，還能起到一定的冷卻潤滑作用。

3 可靠性試驗

由于裝載機(jī)在施工中，液力變速器處在較為復(fù)雜環(huán)境下的工況中，從而導(dǎo)致在實際施工操作中對于工況的載荷譜無法有效的控制。另外，液力變速器的總成可靠性是由該部件中最薄弱的零件可靠性所決定，但又不可以只對最薄弱的零部進(jìn)行臺架試驗，還有箱體的變形、軸發(fā)生變形、裝配的情況、潤滑具備的條件等方面都會對齒輪和軸承等重要部件的使用壽命造成嚴(yán)重的影響。在有效結(jié)合載荷譜與液力傳動的特性下，進(jìn)一步對進(jìn)行試驗的流程做出相應(yīng)的處理，最大程度地還原施工時裝載機(jī)的循環(huán)過程。

具備的試驗條件：裝載機(jī)的液力變速器進(jìn)口在工作時的油溫達(dá)到80～100℃；并將裝載機(jī)的變速器、濾油器、冷卻器按照車輛上的布置進(jìn)行一樣的布局。

試驗的流程：依據(jù)裝載機(jī)載荷譜的相關(guān)數(shù)據(jù)，對各擋位的使用率加以明確，并確定不同的轉(zhuǎn)速比i 值工況下變矩器的時間比。然后運用抵擋裝置對變速器進(jìn)行操作，并對每個擋位進(jìn)行加載試驗，最后把強(qiáng)化載荷所需的輸入轉(zhuǎn)速、輸出轉(zhuǎn)速、運行時間進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)定，從而有效完成擋位所需的試驗時間。對液力變速器的可靠性試驗行出的結(jié)果評定，主要依據(jù)首次發(fā)生故障的時間和故障停機(jī)的次數(shù)以及發(fā)生故障的平均間隔來進(jìn)行。

評定方法：在進(jìn)行試驗的過程當(dāng)中，如果沒有發(fā)生較為嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)損壞，可以進(jìn)行少量的零部件更換。必須保證運行時間達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求后才能有效地進(jìn)行相關(guān)的評定。在試驗時更換的零件，沒有達(dá)到相關(guān)的使用壽命標(biāo)準(zhǔn)時則判定不合格。對于零件的裂紋與斷裂按照表2 分類。

表2 裂紋與斷裂的嚴(yán)重程度分類表

4 結(jié)語

通過上述內(nèi)容的分析后，設(shè)計出較為可靠的液力變速器臺架試驗的方法，在設(shè)計時主要以載荷譜和液力傳動的特性為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計，因此擁有較強(qiáng)的實用性，從而可以為檢測液力傳動系統(tǒng)的零部件可靠性提供有利的基礎(chǔ)。