基于輪式拖拉機(jī)液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用研究

姚海波

摘要：拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的可靠性關(guān)系到駕駛?cè)藛T的人身安全。依據(jù)液壓流體力學(xué)理論，通過(guò)將拖拉機(jī)液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理和液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合，采用液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，計(jì)算分析某機(jī)型的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)空行程問(wèn)題的主要原因是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實(shí)際所需轉(zhuǎn)向泵和轉(zhuǎn)向器的排量大于設(shè)計(jì)值，排量不足造成的。通過(guò)合理改進(jìn)轉(zhuǎn)向油缸缸徑和活塞桿直徑，減小了油缸容積，有效解決了空行程問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向系統(tǒng);數(shù)學(xué)模型;空行程;油缸容積

0? 引言

拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為整機(jī)重要操縱系統(tǒng)，其關(guān)系到駕駛員的人身安全。我國(guó)針對(duì)拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有一系列嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)要求，特別是對(duì)拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向圈數(shù)多少、轉(zhuǎn)向有無(wú)空行程、轉(zhuǎn)向操縱力等，有明確的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。由于拖拉機(jī)各馬力段系列的整機(jī)重量不同，需要匹配的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故不相同，因此如何計(jì)算選擇合適的前橋、轉(zhuǎn)向泵、轉(zhuǎn)向器和管路成為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。目前對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)研究很多，但大部分是理論性的研究，缺少詳細(xì)的結(jié)合拖拉機(jī)整機(jī)的實(shí)際使用情況進(jìn)行的應(yīng)用型研究。本文依據(jù)液壓流體力學(xué)理論，針對(duì)液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理，將液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范與理論相結(jié)合，采用液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，計(jì)算分析某機(jī)型的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)空行程問(wèn)題的主要原因，提出具體有效的改進(jìn)措施。

1? 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

輪式拖拉機(jī)基本上都采用全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。其原理是由液壓轉(zhuǎn)向泵吸油經(jīng)過(guò)單穩(wěn)閥以穩(wěn)定流量供給全液壓轉(zhuǎn)向器，方向盤帶動(dòng)全液壓轉(zhuǎn)向器的閥芯控制了配油方向，從而驅(qū)動(dòng)前橋轉(zhuǎn)向油缸活塞運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)前橋鉸接機(jī)構(gòu)作相對(duì)偏轉(zhuǎn)而進(jìn)行轉(zhuǎn)向。全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)原理如圖1所示。

拖拉機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，帶動(dòng)液壓恒流泵運(yùn)轉(zhuǎn)，油箱內(nèi)的液壓油通過(guò)粗濾器被吸入到轉(zhuǎn)向泵，經(jīng)過(guò)單穩(wěn)閥以穩(wěn)定流量供給全液壓轉(zhuǎn)向器。若方向盤不轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)向泵吸入的液壓油經(jīng)轉(zhuǎn)向器直接返回油箱，拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)處于空循環(huán)狀態(tài)，整機(jī)前橋不動(dòng)作，保證當(dāng)前行駛狀態(tài)。當(dāng)方向盤向左轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，將帶動(dòng)全液壓轉(zhuǎn)向器的控制閥反時(shí)針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向泵吸入的液壓油經(jīng)轉(zhuǎn)向器進(jìn)入左邊油缸的有桿腔體和右邊油缸的無(wú)桿腔體，從而活塞桿推動(dòng)前橋轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)的向左轉(zhuǎn)向，同時(shí)轉(zhuǎn)向油缸另一腔體的液壓油沿轉(zhuǎn)向器回油口返回油箱。當(dāng)方向盤右轉(zhuǎn)時(shí)，油缸活塞桿工作方式相反，從而實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)向右轉(zhuǎn)向。方向盤旋轉(zhuǎn)多少，拖拉機(jī)就隨之轉(zhuǎn)動(dòng)多少，直到前橋達(dá)到設(shè)計(jì)的最大轉(zhuǎn)向角度，方向盤停止轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)亦停止。

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)涉及以下幾個(gè)數(shù)學(xué)模型。

1.1 轉(zhuǎn)向阻力矩

2? 主機(jī)案例分析

基于以上數(shù)學(xué)模型，針對(duì)某主機(jī)案例進(jìn)行分析。

某主機(jī)在生產(chǎn)調(diào)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向空行程現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，主機(jī)存在輪胎方向從左向右轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)方向盤出現(xiàn)半圈空行程無(wú)反應(yīng)的問(wèn)題，通過(guò)更換同型號(hào)新的檢驗(yàn)合格的轉(zhuǎn)向泵和轉(zhuǎn)向器，問(wèn)題沒(méi)有解決，可排除是液壓部件質(zhì)量問(wèn)題造成的。故需要從原理和設(shè)計(jì)角度分析轉(zhuǎn)向空行程原因。主機(jī)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。依據(jù)數(shù)學(xué)模型分步驟計(jì)算分析空行程問(wèn)題的影響因素。

2.1 主機(jī)的轉(zhuǎn)向阻力矩

2.3 轉(zhuǎn)向液壓泵理論流量

根據(jù)已知的轉(zhuǎn)向液壓泵公稱流量16L/min，可判斷不論是2～4s的工作狀態(tài)下（不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)影響轉(zhuǎn)向時(shí)間），有桿腔和無(wú)桿腔最大流量接近公稱流量值，轉(zhuǎn)向泵經(jīng)過(guò)臺(tái)架測(cè)試實(shí)際能提供的流量能達(dá)到18.4L/mim，可滿足使用需求。而且轉(zhuǎn)向空行程現(xiàn)象，從原理上來(lái)說(shuō)，和流量不足沒(méi)有直接關(guān)系，若轉(zhuǎn)向液壓泵流量不足，會(huì)造成打轉(zhuǎn)向比較緩慢，給人打轉(zhuǎn)向沉的感覺(jué)，不會(huì)出現(xiàn)能打動(dòng)而有空行程的現(xiàn)象。

2.4 轉(zhuǎn)向液壓泵排量

主機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速為2200r/min，按其50%取值，故nB1=1100r/min，同時(shí)轉(zhuǎn)向泵理論流量取范圍6.53～17.6L/min，依據(jù)公式（9）代入?yún)?shù)，可得：

2.5 液壓轉(zhuǎn)向器排量

實(shí)測(cè)主機(jī)轉(zhuǎn)向圈數(shù)，方向盤從最左往右打到極限為2.25圈，方向盤從最右往左打到極限為3.33圈。由于主機(jī)油缸是在右側(cè)布置，有桿腔工作時(shí)，為向右打方向，無(wú)桿腔工作時(shí)，為向左打方向，故依據(jù)公式（10）代入?yún)?shù)，可得：

根據(jù)已知的液壓轉(zhuǎn)向器的公稱排量160ml/r，可判斷在目前左右打方向時(shí)的工作狀態(tài)下，轉(zhuǎn)向器排量已經(jīng)沒(méi)法滿足使用要求。而且轉(zhuǎn)向空行程現(xiàn)象，從原理上來(lái)說(shuō)，若液壓轉(zhuǎn)向器排量不足，分配油不足時(shí)，會(huì)造成打轉(zhuǎn)向時(shí)無(wú)反應(yīng)的問(wèn)題出現(xiàn)，即會(huì)有空行程的現(xiàn)象。

2.6 分析結(jié)論

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，可以確定本次主機(jī)空行程問(wèn)題是轉(zhuǎn)向泵和轉(zhuǎn)向器排量不足造成的，建議選用較大排量的轉(zhuǎn)向泵和轉(zhuǎn)向器，或者考慮更改油缸容積，通過(guò)合理減小油缸容積，來(lái)解決轉(zhuǎn)向泵和轉(zhuǎn)向器排量不足的問(wèn)題。

3? 改進(jìn)方案與試驗(yàn)應(yīng)用

考慮到若采用加大轉(zhuǎn)向泵和轉(zhuǎn)向器排量的方案，除了增加零部件制造成本以外，因?yàn)楸皿w和閥體的體積會(huì)增加，將影響主機(jī)其他部件的空間布置，故采用更改油缸容積的方案進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 前橋油缸改進(jìn)方案

一般活塞桿直徑取0.35～0.55倍的油缸內(nèi)徑，同時(shí)考慮到無(wú)桿腔體和有桿腔體的容積差不能太大，否則左右打轉(zhuǎn)向圈數(shù)區(qū)別過(guò)大，影響主機(jī)操縱性能，以及油缸作用力等性能問(wèn)題，將油缸由D=？覫63mm/d=？覫32mm改為D=？覫60m/d=？覫25mm。

3.2 試驗(yàn)應(yīng)用

根據(jù)前橋油缸改進(jìn)方案（如圖2所示），制造新結(jié)構(gòu)油缸裝在主機(jī)上，通過(guò)打轉(zhuǎn)向測(cè)試，已無(wú)空行程現(xiàn)象。同時(shí)方向盤從最左往右打到極限和從最右往左打到極限的圈數(shù)更加接近，操縱更加舒適，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)照片如圖3所示。

4? 結(jié)論

依據(jù)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，針對(duì)主機(jī)轉(zhuǎn)向空行程問(wèn)題，計(jì)算分析得出了該問(wèn)題是由于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實(shí)際所需轉(zhuǎn)向泵和轉(zhuǎn)向器的排量大于設(shè)計(jì)值，排量不足造成的。考慮到無(wú)桿腔體和有桿腔體的容積差不能太大，以及油缸作用力等性能問(wèn)題，將油缸由D=？覫63mm/d=？覫32mm改為D=？覫60m/d=？覫25mm，合理減小了油缸容積，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證解決了轉(zhuǎn)向泵和轉(zhuǎn)向器排量不足的問(wèn)題。

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