翻拋機液壓系統串并聯回路的沖擊分析

2020-07-16 02:09:22林家祥楊曉奇薛金鑫

廣西科技大學學報 2020年3期

林家祥，楊曉奇，薛金鑫

（廣西科技大學機械與交通工程學院，廣西柳州 545005）

0 引言

翻拋機是一種固廢處理的環保設備，主要應用于垃圾分類、處理[1].在液壓驅動的行走系統中，根據在平地行駛時采用高速低扭矩，上坡或工作行走時采用低速增加轉矩的不同路況需要，設計不同的液壓回路：即平坦需要高流量低扭矩，可快速行駛；路況惡劣需要低流量高扭矩，也可以單邊應對各自工況，由此設計了串并聯可切換的雙液壓馬達驅動的翻拋機液壓回路，該回路較其他液壓回路結構簡單，經濟實用.底盤液壓系統中，當兩液壓馬達串聯時，由于流量基本一致，可達到同步行走.單純的兩個并聯馬達由于兩側負載不同較難實現同步.而對于履帶行走的產品，由于其底盤構造導致轉向阻力矩大，不容易轉向.在這種結構下，采用雙馬達驅動的并聯系統驅動較笨重的履帶行走產品，就能夠保持其同步性，并且結構簡單、成本低.但在該回路串并聯切換時，會出現液壓沖擊現象，嚴重影響系統，損壞元件，需要進一步探索減緩該現象.

Hippalgaonkar等[2]利用四象限提高了DC架構的效率，通過負載均衡和功率管理使發動機功率降低50%，達到挖掘機節能效果，但沒有設計簡單實用液壓回路的節能考慮.林家祥等[3-4]通過SolidWorks分別對翻拋裝置、清土裝置進行運動學仿真分析和靜載荷受力分析等，但沒有進行翻拋機液壓系統的分析.肖輝等[5]利用Amesim對液壓馬達串、并聯回路進行仿真，得出串聯時候馬達的輸出轉速是并聯時馬達輸出轉速的兩倍，負載越大，馬達輸出轉速的響應變慢，超調量會變大，調整時間也變長，但沒有進行串并聯切換分析.張庚云[6]分析了液壓沖擊的產生機理，建立了數學模型，并針對產生液壓沖擊的回路方面和元件提出了控制方法.王成賓等[7]利用換向控制信號主動預測沖擊峰值出現時間，并據此調整用于緩沖的可變阻尼，達到緩解液壓沖擊的目的.

目前，利用仿真分析翻拋機液壓行駛系統的研究和分析翻拋機串并聯切換時的沖擊研究都較少，因此，有必要深入研究，合理高效利用其串并聯特點，減緩沖擊，達到節能減排的目的.

1 翻拋機液壓行駛系統串并聯回路

1.1 回路設計

本設計為全液壓驅動，可實現無級變速，結構簡單，操作方便，經濟實用.翻拋機液壓行駛系統回路原理圖如圖1所示.啟動柴油機1驅動液壓泵2，液壓泵2從油箱吸油，通過換向閥3給液壓馬達6、7供油旋轉以驅動履帶行走.當進油壓力超過溢流閥8額定值時，進油道將通過溢流閥卸荷，保持系統壓力.三位四通換向閥4、5處于左位時馬達順時針轉動，翻拋機前進；位于右位時，后退等.其中的二位四通控制閥3是C型，也可以使用常用的M型[8]，閥位于下位時，兩個液壓馬達并聯連接；閥位于上位時，兩個液壓馬達串聯連接.

1.2 底盤行走同步性

履帶運動方向和阻力方向相反，如圖2所示.圖2中，F1、F2——履帶兩側前進摩擦力；L1、L2——F1、F2的轉向力臂；Fr1、Fr2——履帶兩側驅動力；M——履帶轉向的阻力矩；B——履帶中心距.左右履帶驅動前，Fr1、Fr2需克服前進摩擦力F1、F2，因笨重的履帶產品和底盤結構，在不能使底盤轉向的前提下，F1+F2的合力保證車輛直線行走.

假如 F1≠F2，不妨設 F1＞F2，當 F1L1-F2L2小于轉向阻力矩M時，底盤不能轉動，最終達到F1=F2，可達到驅動底盤直線行走.當被驅動件具有足夠剛度的結構可達到機械剛性同步，上述條件符合，可用基于等效機械同步的辦法建立液壓驅動與行走裝置的力學模型，如圖3所示.

圖1 行駛系統液壓回路原理圖Fig.1 Hydraulic circuit schematic diagram of the driving system

圖2 履帶底盤行走受力Fig.2 Walking force of tracked chassis

圖3 等效力學模型Fig.3 Equivalent mechanical model

2 翻拋機液壓行駛系統分析

2.1 單泵雙液壓馬達的串聯系統分析

串聯系統是第一個液壓馬達的進油口與液壓泵和末一個液壓馬達的出油口與油箱相連外，其余進出口均順序相連.若不計漏泄，雙液壓馬達的串聯系統的流量為：

把式（3）代入式（2）中，得：

同理，

把式（5）代入式（4）中，得：

把式（7）代入式（6）中，得：

式中：M1、M2——液壓馬達1、2的外負載扭矩；qm1、qm2——液壓馬達1、2的排量；RY1、RY2——閥1、2的液阻；ηm1、ηm2——液壓馬達1、2的機械效率；Qb——液壓泵的流量；p4——最后一臺液壓馬達的背壓.

可以得出，系統壓力為兩臺液壓馬達壓力與管路壓力、閥液阻和背壓之和；第一臺馬達的出口壓力幾乎等于第二臺的進口壓力（有管路、閥液阻損耗）.當系統壓力一定時，閥壓力不變，兩馬達壓力隨負載變化而變化，且兩者會有分壓，當第一臺馬達壓力過大會影響第二臺馬達的壓力[8].

2.2 單泵雙液壓馬達的并聯系統分析

并聯系統是指在液壓系統中液壓泵同時向兩臺或多臺液壓馬達供油，而其回油向同一油箱的系統.若液壓泵到換向閥壓力損失忽略不計.

式中：Q1、Q2——液壓馬達1、2的流量；M——液壓馬達扭矩；Δp——液壓馬達工作壓力；ηm——液壓馬達的機械效率；ην——液壓馬達的容積效率.

可以得出，液壓馬達并聯時，系統壓力由馬達壓力（負載決定）與管路壓力、閥阻力、流量大小決定.當流量一定時，兩者會有分流現象（式（10））.當系統流量一定時，一臺馬達流量減小，另一臺增多.根據式（9），則前者馬達壓力增大，后者馬達壓力減?。患辞罢吡髁啃。ぞ卮?，后者流量大，扭矩??；反之亦然[9].

2.3 串并聯切換沖擊分析

該液壓回路在串并聯切換閥換向時，使得液壓油速度在馬達與管道之間發生變化，這是一個動能向壓力能轉換反復重復的過程，最后由于液阻的作用全部轉換為熱能[6].

根據能量守恒定律：

化簡得：

式中：V——容積；M——負載和馬達總質量；ρ——液壓油密度；Ke——容器的體積彈性模量；v0——液體體積.

馬達和負載由于慣性作用使液壓馬達的右腔產生沖擊壓力Δp，Δt為變化時間；Δv為速度變化.根據動量定理得：

即：

若正常情況下的壓力為p0，則出現液壓沖擊時的最大壓力：

換向時，瞬間時間短，速度驟減，速度差大，導致液壓變化大，液壓沖擊較大.

3 翻拋機液壓行駛回路建模

3.1 液壓行駛回路選型

整機重量6 t，即58.8×103N；滾動阻力系數，取0.06（干土路）[10-11]；爬坡能力20%：地面縱坡度α′=4°，履帶驅動鏈輪的節圓半徑取240 mm；空載行駛速度取3.0 km/h，作業速度取1.5 km/h；履帶機械效率取0.96～0.97；附著重量利用系數取0.60（松散土路，凸棱履帶）[9-10]；額定滑轉率取0.06；作業阻力T取5×103N；馬達工作壓力取16 MPa.由此，根據計算選取馬達型號為QJM21-0.8；扭矩為1 913 N·m；排量為808 mL/r.選取行走泵為A4VSO125，最大工作壓力為40 MPa；最大流量為225 L/min.