全液壓輪式工程機械行駛回路分析

□ 徐成東

四川建筑職業技術學院 交通與市政工程系 四川德陽 618000

1 分析背景

傳動系采用液壓傳動的工程機械稱為全液壓式工程機械[1]。全液壓式工程機械行駛時,發動機將能量傳遞至液壓泵,液壓泵輸出的壓力能通過油液進入液壓馬達,液壓馬達產生機械能,帶動驅動輪轉動,產生牽引力,實現車輛的行駛。在全液壓式工程機械中,全液壓輪式工程機械在行駛時經常面臨不利的路面條件,因此往往采用前、后輪同時驅動,行駛回路屬于由液壓馬達構成的多執行元件回路。筆者對全液壓輪式工程機械行駛回路進行分析。

2 前、后馬達串聯

對于全液壓輪式工程機械而言,前、后輪都要接受液壓馬達傳遞過來的轉矩和轉速。為了便于分析計算,假設前、后輪都是單輪,由各自的液壓馬達驅動。為了保證行駛時的順暢,前、后輪采用相同的規格。前輪驅動液壓馬達簡稱前馬達,后輪驅動液壓馬達簡稱后馬達,兩者采用相同的類型和規格。兩臺規格相同的液壓馬達可以形成串聯回路或并聯回路。

前、后馬達構成的串聯回路如圖1所示。馬達轉矩TM、進出口壓力差ΔpM、排量VM之間存在如下關系:

TM=ΔpMVM/(2π)

(1)

圖1 前、后馬達串聯回路

全液壓輪式工程機械在狀況較好的路面上行駛時,前、后輪遇到的阻力相同,前、后馬達產生的轉矩也相同。由于兩臺液壓馬達的規格相同、排量相同,因此兩者的進出口壓力差也相同。假設液壓泵的工作壓力為p,不考慮管道的壓力損失和兩臺液壓馬達回油腔的背壓,則每臺液壓馬達的進出口壓力差均為p/2。不難看出,前馬達的出口壓力和后馬達的進口壓力均為p/2。由式(1)可知,前、后馬達的轉矩只能達到最大轉矩的一半。對于全液壓輪式工程機械而言,時常處于上坡或者起步的工況,此時前、后馬達的轉矩略顯不足。

前、后馬達串聯時,前馬達的回油油液即為后馬達的進油油液,因此兩臺液壓馬達的流量相同。兩臺液壓馬達的規格相同,排量也相同,自然具有相同的轉速。不考慮泄漏時,液壓馬達流量均為液壓泵的流量q,轉速可以達到最大值。

當全液壓輪式工程機械在不平坦的路面上行駛時,前、后輪在各自液壓馬達驅動下同速轉動,行駛過程如圖2所示。在t1時刻,全液壓輪式工程機械位于圖2上部所示位置,前方路面呈現出圓弧形的凸起結構,前輪越過該圓弧形路面后,于t2時刻到達圖2下部所示位置。可以看出,在水平方向,前、后輪移動的距離均為l1,全液壓輪式工程機械前進的距離自然也為l1。但是,前輪經過圓弧形凸起路面時行駛的路線長度長于全液壓輪式工程機械在水平方向前進的距離l1,這在前、后輪同速純滾動狀態下是無法實現的,在這一過程中,必然伴隨驅動輪的滑移和滑轉現象。當驅動輪不再做純滾動運動時,行駛阻力會大幅度增大,全液壓輪式工程機械出現大量寄生功率,驅動馬達輸出的轉矩無法有效轉換為機械的牽引力。換言之,發動機輸出的功率不能有效轉換為車輪的驅動功率,造成大量能量損失。因此,前、后輪在同速轉動的情況下經過不平坦路面時,出現的滑轉和滑移現象不僅會加劇車輪的摩擦發熱和磨損,還會造成較大的能量損失,情況嚴重時可能出現無法行駛的現象。

圖2 行駛過程

全液壓輪式工程機械前進時,前車輪經過淤泥或極為松散的路面時,車輪和路面沒有足夠的附著力,無法形成牽引力,會出現原地滑轉的趨勢。前馬達的輸出油液全部進入后馬達,回路的壓力差主要集中在后馬達,因而后馬達能形成足夠的轉矩,驅使后輪形成牽引力,帶動全液壓輪式工程機械盡快擺脫不利的路面條件。反之,在面臨后輪陷入淤泥等不利條件時,前馬達的作用可使全液壓輪式工程機械繼續前進。

3 前、后馬達并聯

由流體力學理論可知,油液在等截面直管中流動時呈現出層流狀態,流量q與壓力損失Δp之間存在如下數學關系[2]:

(2)

整理得:

(3)

式中:μ為液體的動力黏度;l為油管的長度;d為油管的內徑。

Δp=Rq

(4)

前、后馬達并聯回路如圖3所示。液壓泵的輸出油液在A點分為兩路,一路通向前馬達,流量為q1,一路通向后馬達,流量為q2。泵的出口壓力為p,不考慮液壓泵與A點之間的壓力損失,則A點的壓力也為p,前、后馬達的進口壓力分別為p1、p2。假設油液在等截面直管中流動,那么油液的流動狀態為層流。不考慮管接頭、彎頭等因素造成的局部壓力損失,假設前、后馬達的進油管道對稱布置,則由式(4)可得:

p-p1=Rq1

(5)

p-p2=Rq2

(6)

圖3 前、后馬達并聯回路

聯立式(5)、式(6),可得:

p=p1+Rq1=p2+Rq2

(7)

對于式(7)的理解,可以分三種情況討論。

(1) 當p1=p2時,q1=q2。全液壓輪式工程機械在平坦且質量均勻的路面上行駛時,前、后輪遇到的阻力相同,前、后馬達的輸出轉矩也相同,因此前、后馬達的進口壓力也相同。此時,兩臺液壓馬達的流量相同,轉速相同,前、后輪的轉速也相同。

(2) 當p1q2。全液壓輪式工程機械上坡運動如圖4所示。全液壓輪式工程機械行駛時,前輪遇到帶有坡度的路面,此時前、后輪的運動軌跡不在一個水平面上。假設上坡時路面的角度為θ,前、后輪以相同轉速滾動,且滾動距離為s,那么前輪在水平方向移動的距離約為scosθ,后輪在水平方向移動的距離為s。顯然,前、后輪在水平方向移動的距離不同,速度也不同,前輪的速度小于后輪的速度。這一情況下,后輪所形成的牽引力會通過車橋、車架傳遞至前輪,前輪行駛時需要克服的阻力減小,后輪行駛時需要克服的阻力增大。前馬達輸出的轉矩小于后馬達輸出的轉矩,前馬達的進口壓力p1小于后馬達的進口壓力p2,因此前馬達的流量q1大于后馬達的流量q2,前輪的轉速自然大于后輪的轉速。同理,前輪處于水平路段,后輪處于上坡路段時,前馬達的進口壓力p1大于后馬達的進口壓力p2,前馬達的流量q1小于后馬達的流量q2,前輪的轉速小于后輪的轉速。在前、后馬達進口壓力和流量的耦合過程中,前、后輪可以實現差速轉動,前、后輪行駛時的滑移和滑轉會大幅減小,寄生功率會大幅降低,功率損失減小,液壓傳動的效率提高。

圖4 上坡運動

(3) 當p1+Rq1≤p2時,q1達到最大值,q2為0。全液壓輪式工程機械行駛時,如果前輪經過淤泥或者極為松散的路面,那么前輪遇到的阻力極小,前馬達的進口壓力也會變得很小。這一情況下,關系式p1+Rq1≤p2成立。當p1+Rq1=p2時,q2為0。當p1+Rq1

由上述分析可知,全液壓輪式工程機械的前、后馬達并聯時,前、后輪可以根據實際路況形成差速轉動,有利于保證行駛的流暢性,減小功率損失,提高傳動效率。因此,行駛回路經常采用前、后馬達并聯的方案。對于特殊情況造成的車輪原地滑轉現象,需要采取相應的措施。

4 油液循環方式與調速方式

液壓回路的油液循環方式包括開式與閉式。開式回路指油液從執行元件返回油箱,液壓泵再從油箱吸油,通過進油管道將油液送入執行元件。在開式回路中,油箱為油液循環的起點和終點。開式回路有利于油液的散熱,可以防止油液劣化變質。

閉式回路指油液在回路內部循環流動,從執行元件返回的油液直接進入液壓泵的吸油口,液壓泵的輸出油液進入執行元件的進油口[3-4]。在閉式回路中,油液散熱不充分。由于存在泄漏現象,必須采用輔助泵進行補油,補油的同時也實現了部分冷熱油液的交換。

全液壓輪式工程機械行駛系統經常在工作時調節速度,并且改變方向,因此行駛回路具有無級調速和換向功能。全液壓輪式工程機械行駛系統工作時功率消耗大,一般采用容積調速回路,可以避免節流調速帶來的節流損失和溢流損失[5-7]。容積調速回路通過改變變量泵或變量馬達的排量來調速。當全液壓輪式工程機械行駛方向需要改變時,如果通過換向閥實現,那么機械運動時的慣性會帶來巨大的液壓沖擊,不僅可能損壞液壓元件,影響液壓回路的工作可靠性,而且會加大發動機的負荷,影響發動機正常運轉,同時給駕駛員帶來不良的操作體驗。因此,全液壓輪式工程機械的行駛回路不宜采用開式回路。

軸向柱塞泵工作時,依靠柱塞的往復運動形成周期性密閉容積變化,實現吸油和壓油[8]。缸體擺動式軸向柱塞泵結構如圖5所示。假設柱塞的直徑為d2,所在分度圓的直徑為D,傳動軸與缸體軸線的傾角為γ,柱塞數為Z,則柱塞泵的排量V為:

(8)

由式(8)可知,調節傾角γ的大小可以調節排量V。擺動缸體向左下方傾斜時,傳動軸沿圖示方向轉動。擺動缸體向左上方傾斜時,傳動軸的轉向不變,配油盤吸油窗口、排油窗口的布置相反。由上述特性可知,軸向柱塞泵適合作為雙向變量泵使用,構成容積調速回路。

圖5 軸向柱塞泵結構

軸向柱塞泵具有變量機構,可以調節傾角的大小及方向,經常用于全液壓輪式工程機械。假設圖5(a)所示的柱塞泵出油方向代表了全液壓輪式工程機械的前進方向,當需要調速時,可以通過變量機構調節傾角大小,進而調節泵的排量。當需要改變行駛方向時,為了避免出現過大的沖擊,往往先將傾角調小直至為零,泵的排量和流量減小,液壓馬達的轉速降低,全液壓輪式工程機械的行駛速度逐漸降低直至為零。繼續調節傾角,角度從零逐漸增大,方向和原來相反,泵的排量和流量逐漸增大,反向出油,液壓馬達的轉速提高,且轉動方向和原來相反,全液壓輪式工程機械反向行駛并逐漸加速。

通過上述分析可知,軸向柱塞泵適用于全液壓輪式工程機械行駛回路。改變行駛方向的過程伴隨著調速,通過變量機構進行調速和改變方向,保證了行駛系統的運動流暢性和平穩性,避免了較大的沖擊。由于不需要采用換向閥進行換向[9-10],因此不宜采用開式回路。軸向柱塞泵構成的行駛回路通常為閉式容積調速回路。

5 典型全液壓輪式工程機械行駛回路分析

WJ-1.5型全液壓小型輪式裝載機液壓系統的行駛回路如圖6所示。一對前馬達和一對后馬達分別驅動前、后車輪。兩臺同規格的雙向變量泵分別向前、后馬達供油,形成兩個獨立的閉式容積調速回路。兩臺變量泵同步變量,保證了裝載機前、后橋行駛的同步性。液壓馬達為兩級排量內曲線馬達,通過內部的變速閥可以改變參與工作的柱塞數,實現兩種不同的排量[11]。當一半數量的柱塞參與工作時,液壓馬達的排量為最大排量的一半,轉速達到最大值。由式(1)可知,轉矩為最大轉矩的一半,液壓馬達處于高速小轉矩狀態。連通閥在控制油液的作用下處于右工作位,前、后馬達的油路連通,可以消除某些因素造成的前、后輪轉速差對牽引力的影響和輪胎磨損。當全部數量柱塞參與工作時,液壓馬達的排量達到最大值,液壓馬達處于低速大轉矩狀態,裝載機可進行爬坡和作業。連通閥的控制油路泄壓,連通閥在彈簧的作用下處于左工作位。前、后馬達的油路隔絕,當一對車輪處于打滑狀態時,另一對車輪還會產生相應的牽引力。

6 結束語

全液壓輪式工程機械行駛系統采用液壓傳動,回路多采用軸向柱塞泵構成的閉式容積調速回路。前、后馬達并聯時,前、后輪的轉速具有良好的適應性,在復雜路面上行駛時,可減小牽引力的損耗和輪胎磨損,但在特定條件下會出現打滑現象。前、后馬達串聯時,前、后輪對于路面的適應性變差,在一定條件下會加大牽引力的損耗和輪胎磨損,但可以防止出現持續打滑現象。

圖6 WJ-1.5型全液壓小型輪式裝載機液壓系統行駛回路