推土机转向制动阀性能分析与研究

(1.山推工程机械股份有限公司 工程机械研究院， 山东 济宁 272073；2.山东科大机电科技股份有限公司， 山东 济宁 272073； 3.山东理工职业学院， 山东 济宁 272067； 4.济宁恩维智能科技有限公司， 山东 济宁 272073)

引言

转向制动阀主要作用是在履带式推土机进行转向操作时，使转向离合器及时脱开动力传递，并在一定时刻进行有效的制动。该阀是实现推土机转向制动控制的核心部件，其工作性能对推土机的转向制动离合器性能控制及整机的转向制动操作舒适性起着关键作用。分析研究转向制动阀结构参数，可为其改进设计和转向制动系统分析研究提供理论依据[1-3]。

1 转向制动阀结构与工作原理[5-9]

转向制动阀结构图如图1所示。

1.1 转向阀工作原理分析

不操作摇臂1时，转向阀平衡位置如图1所示。

1.摇臂 2.先导阀 3.阀套 4.弹簧座 5.离合器阀 6.柱塞 7.先导阀 8.阀套 9.弹簧座 10.制动器阀 11.柱塞k1，k3.离合器调制弹簧 k2，k4.复位弹簧R1，R2，R3，R4.阻尼孔 s1.离合器压力调制行程s2.制动器压力调制行程 A1, A3.助力作用面积A2, A4.柱塞作用面积 P.进油口 T泄油口 A.离合器腔 B.制动器腔 X.摇臂位移 X0.制动阀空行程 L0.总行程图1 转向制动阀结构图

当推动摇臂1往右移动时，由于离合器调制弹簧k1预压紧力大于复位弹簧k2预压紧力，因此，摇臂1通过推动转向阀先导阀2及弹簧座4推动离合器阀5向右侧移动， 此时， 油口P和油口A之间的通道逐渐打开， 油口A和油口T之间的通道逐渐关闭， 发生此情况时，离合器内的压力pA开始升高，同时pA通过阻尼孔R2进入柱塞腔，作用于离合器阀5压力作用面A2上。此时， 调制弹簧力与离合器阀液压作用力达到动态平衡，同时pA通过阻尼孔R1进入助力腔A1以便降低操作力，继续推动阀2直到与阀5发生接触后(即完成压力调制行程s1时)，弹簧k1完成离合器A腔内压力调制。A腔的压力根据转向杆的位移量变化，从而实现离合器压力pA的控制。当0≤X≤s0时，pA=0。力平衡方程如下：

当s0

(2)

(3)

当s0+s1﹤X≤L0时,为pA调制完成阶段。

Fc+pA·A1-(F2+k2·(s0+x5))-pA·A2=

(4)

式中，s0为离合器阀5遮蔽量;Fc为转向阀操纵力；F1为弹簧k1安装载荷；F2为弹簧k2安装载荷；x2为先导阀2位移；x5为离合器阀5位移；m2为先导阀质量；m4为弹簧座质量；m5为离合器阀质量；pA为离合器压力。

1.2 制动阀工作原理分析

(1) 油口P无压力油时，此时制动器压力pB=0，制动阀平衡位置如图1所示，制动阀10受力平衡方程：

F0+(F3+k3·x10)=F4+k4·x10

(5)

式中，F0为阀套8对阀芯10的反力；F3为弹簧k3安装载荷；F4为弹簧k4安装载荷；x10为制动阀10位移。

(2) 当压力油进入P口时，由于P口与B口连通，因此压力油p进入制动离合器油口B，同时压力油p通过阻尼孔R4进入制动阀柱塞腔，形成液压作用力，压缩制动器弹簧k4向右移动，并达到动态平衡，如图2所示，此时制动器压力为最大工作压力，既pB=p，同时P口的压力油通过阻尼孔R3进入助力腔，以便降低操作力，由于柱塞11作用力大于助力，所以座9与制动阀10之间存在距离s4。

(3) 充油后，推动摇臂1，在摇臂1作用下，弹簧座9向右移动并与制动阀芯10发生接触，继续推动摇臂1，此时，油口P与油口B逐渐关闭，油口B和油口T逐渐打开，制动器内的油压pB在弹簧k3作用下逐步降低，继续推动摇臂1直到阀7与阀10接触，pB调压完成，油口P与油口B完全关闭，油口B和油口T完全打开，制动器内压力pB降低至0，弹簧k3,k4完成制动器内压力调制。油口B处的压力根据转向杆的位移量变化，从而实现制动器压力的控制。力平衡方程如下：

当0≤X≤X0时，为制动摇臂空行程，阀10无动作，此时pB=p。

当X0

(6)

pB·A4=F4+k4·x4

(7)

当X0+s4

F3+k3·(X-X0-s4)+pB·A4=F4+k4·x4+

(8)

(9)

当X0+s3

(10)

式中，F3为弹簧k3安装载荷；F4为弹簧k4安装载荷；x7为先导阀7位移；x10为制动器阀10位移；m7为先导阀7质量；x9为座9质量；x10为阀10质量；x11为柱塞11质量；pB为制动器压力。

2 基于SimulationX的转向制动阀控制特性分析

根据上述建立的转向制动阀模型，利用SimulationX仿真软件对转向制动阀进行建模[4]，如图3所示。

图3 转向制动阀仿真模型及压力曲线

2.1 弹簧刚度对转向制动阀控制特性影响

弹簧参数分别取k1=6.5，7.5， 8.5；k2=0.6，0.99，1.2；k3=6.93、8.43， 9.93；k4=5.82，6.82， 7.82 N/mm时，进行仿真分析，转向制动阀压力调制曲线如图4所示。p1为离合器最小调制压力，p2为离合器最大调制压力，p3为制动器最大调制压力，p4为制动器最小调制压力。可知，弹簧k1，k2影响离合器的最小调制压力p1和最大调制压力p2，k1是主要关键因子，k1越大，p1和p2也越大；弹簧k3，k4影响制动离合器的最大调制压力p3和最小调制压力p4，k4是主要关键因子，k4越大，p3和p4也越大，在转向制动阀与转向制动离合器匹配时，p1和p2(p3和p4)要与转向离合器(制动离合器)的开启压力和最大压力相匹配， 可避

图4 不同弹簧刚度对转向制动阀控制特性影响

免离合器摩擦片和光盘之间出现滑摩及离合器油缸与缸体出现瞬时碰撞。因此，在进行匹配时，必须综合考虑弹簧k1和k2，k3和k4，对最大最小调制压力的影响，找出最优参数组合。

2.2 柱塞大小对转向制动阀控制特性影响

柱塞直径分别取φ8.5，φ9，φ10时，进行仿真分析，转向制动阀压力调制曲线如图5所示。可知，柱塞面积大小对最大最小调制压力和调制曲线斜率均有影响，柱塞面积越小，最小调制压力越大，且调制曲线斜率越大，最大调制压力也越大。对制动阀而言，柱塞面积越大，最小调制压力越小，且调制曲线斜率越小，最大调制压力也越小，且随着柱塞面积的增大，制动阀稳定压力越小。

图5 不同柱塞面积对转向制动阀控制特性影响

2.3 调压行程对转向制动阀控制特性影响

调压行程s1分别取5.5， 7， 8.5 mm，s2为5，6， 7 mm 时，进行仿真分析，转向制动阀压力调制曲线如图6所示。可知，调压行程s1大小只影响转向阀最大调制压力，行程越大，最大调制压力越大，调压行程s2大小只影响制动阀最小调制压力，行程越大，最小调制压力越小。

2.4 阻尼孔对转向制动阀控制特性影响[10-13]

阻尼孔R2分别为φ0.4，φ0.6，φ0.8，φ1时，进行仿真分析，转向制动阀压力调制曲线如图7所示。可知，在转向阀升压阶段，阻尼孔R2越大，最小调制压力超调量越小，调压过程稳定时间越短，响应越快。在转向阀泄压阶段，阻尼孔R2越大，最大调制压力超调量越小，响应快，且出现压力下降震荡情形，节流孔为φ0.4和φ0.6时，压力下降相对平稳。因此，在设计阻尼孔R2时需综合考虑升压和降压阶段调制压力超调量及响应特性，本例φ0.6 为最优参数值。

图6 不同调压行程对转向制动阀控制特性影响

图7 不同阻尼孔对转向阀控制特性曲线的影响

制动阀阻尼孔R4与转向阀相似，不再赘述。

3 结论

本研究通过对比分析关键参数变化，对转向制动阀控制性能的影响，研究了弹簧刚度、柱塞面积、调压行程、阻尼孔关键因子对转向制动阀控制特性的影响规律，得出以下结论：

(1) 弹簧刚度k1，k2，k3，k4影响转向制动阀的最大和最小调制压力，k1和k4是关键因子，起决定作用；

(2) 柱塞面积A2，A4影响转向制动阀的最大和最小调制压力和调压速度，但柱塞面积过大会对稳定值大小有影响；

(3) 调压行程s1决定转向阀调制曲线最大调制压力大小；调压行程s2决定制动阀调制曲线最低调制压力大小；

(4) 阻尼孔R2，R4直径大小对转向制动阀调压曲线有一定影响，阻尼孔越大，转向制动阀压力起调点的压力超调量越小，响应越快，但在转向阀的泄压阶段越易出现压力震荡。