全液压轮式工程机械行驶回路分析

□ 徐成东

四川建筑职业技术学院 交通与市政工程系 四川德阳 618000

1 分析背景

传动系采用液压传动的工程机械称为全液压式工程机械[1]。全液压式工程机械行驶时,发动机将能量传递至液压泵,液压泵输出的压力能通过油液进入液压马达,液压马达产生机械能,带动驱动轮转动,产生牵引力,实现车辆的行驶。在全液压式工程机械中,全液压轮式工程机械在行驶时经常面临不利的路面条件,因此往往采用前、后轮同时驱动,行驶回路属于由液压马达构成的多执行元件回路。笔者对全液压轮式工程机械行驶回路进行分析。

2 前、后马达串联

对于全液压轮式工程机械而言,前、后轮都要接受液压马达传递过来的转矩和转速。为了便于分析计算,假设前、后轮都是单轮,由各自的液压马达驱动。为了保证行驶时的顺畅,前、后轮采用相同的规格。前轮驱动液压马达简称前马达,后轮驱动液压马达简称后马达,两者采用相同的类型和规格。两台规格相同的液压马达可以形成串联回路或并联回路。

前、后马达构成的串联回路如图1所示。马达转矩TM、进出口压力差ΔpM、排量VM之间存在如下关系:

TM=ΔpMVM/(2π)

(1)

图1 前、后马达串联回路

全液压轮式工程机械在状况较好的路面上行驶时,前、后轮遇到的阻力相同,前、后马达产生的转矩也相同。由于两台液压马达的规格相同、排量相同,因此两者的进出口压力差也相同。假设液压泵的工作压力为p,不考虑管道的压力损失和两台液压马达回油腔的背压,则每台液压马达的进出口压力差均为p/2。不难看出,前马达的出口压力和后马达的进口压力均为p/2。由式(1)可知,前、后马达的转矩只能达到最大转矩的一半。对于全液压轮式工程机械而言,时常处于上坡或者起步的工况,此时前、后马达的转矩略显不足。

前、后马达串联时,前马达的回油油液即为后马达的进油油液,因此两台液压马达的流量相同。两台液压马达的规格相同,排量也相同,自然具有相同的转速。不考虑泄漏时,液压马达流量均为液压泵的流量q,转速可以达到最大值。

当全液压轮式工程机械在不平坦的路面上行驶时,前、后轮在各自液压马达驱动下同速转动,行驶过程如图2所示。在t1时刻,全液压轮式工程机械位于图2上部所示位置,前方路面呈现出圆弧形的凸起结构,前轮越过该圆弧形路面后,于t2时刻到达图2下部所示位置。可以看出,在水平方向,前、后轮移动的距离均为l1,全液压轮式工程机械前进的距离自然也为l1。但是,前轮经过圆弧形凸起路面时行驶的路线长度长于全液压轮式工程机械在水平方向前进的距离l1,这在前、后轮同速纯滚动状态下是无法实现的,在这一过程中,必然伴随驱动轮的滑移和滑转现象。当驱动轮不再做纯滚动运动时,行驶阻力会大幅度增大,全液压轮式工程机械出现大量寄生功率,驱动马达输出的转矩无法有效转换为机械的牵引力。换言之,发动机输出的功率不能有效转换为车轮的驱动功率,造成大量能量损失。因此,前、后轮在同速转动的情况下经过不平坦路面时,出现的滑转和滑移现象不仅会加剧车轮的摩擦发热和磨损,还会造成较大的能量损失,情况严重时可能出现无法行驶的现象。

图2 行驶过程

全液压轮式工程机械前进时,前车轮经过淤泥或极为松散的路面时,车轮和路面没有足够的附着力,无法形成牵引力,会出现原地滑转的趋势。前马达的输出油液全部进入后马达,回路的压力差主要集中在后马达,因而后马达能形成足够的转矩,驱使后轮形成牵引力,带动全液压轮式工程机械尽快摆脱不利的路面条件。反之,在面临后轮陷入淤泥等不利条件时,前马达的作用可使全液压轮式工程机械继续前进。

3 前、后马达并联

由流体力学理论可知,油液在等截面直管中流动时呈现出层流状态,流量q与压力损失Δp之间存在如下数学关系[2]:

(2)

整理得:

(3)

式中:μ为液体的动力黏度;l为油管的长度;d为油管的内径。

Δp=Rq

(4)

前、后马达并联回路如图3所示。液压泵的输出油液在A点分为两路,一路通向前马达,流量为q1,一路通向后马达,流量为q2。泵的出口压力为p,不考虑液压泵与A点之间的压力损失,则A点的压力也为p,前、后马达的进口压力分别为p1、p2。假设油液在等截面直管中流动,那么油液的流动状态为层流。不考虑管接头、弯头等因素造成的局部压力损失,假设前、后马达的进油管道对称布置,则由式(4)可得:

p-p1=Rq1

(5)

p-p2=Rq2

(6)

图3 前、后马达并联回路

联立式(5)、式(6),可得:

p=p1+Rq1=p2+Rq2

(7)

对于式(7)的理解,可以分三种情况讨论。

(1) 当p1=p2时,q1=q2。全液压轮式工程机械在平坦且质量均匀的路面上行驶时,前、后轮遇到的阻力相同,前、后马达的输出转矩也相同,因此前、后马达的进口压力也相同。此时,两台液压马达的流量相同,转速相同,前、后轮的转速也相同。

(2) 当p1q2。全液压轮式工程机械上坡运动如图4所示。全液压轮式工程机械行驶时,前轮遇到带有坡度的路面,此时前、后轮的运动轨迹不在一个水平面上。假设上坡时路面的角度为θ,前、后轮以相同转速滚动,且滚动距离为s,那么前轮在水平方向移动的距离约为scosθ,后轮在水平方向移动的距离为s。显然,前、后轮在水平方向移动的距离不同,速度也不同,前轮的速度小于后轮的速度。这一情况下,后轮所形成的牵引力会通过车桥、车架传递至前轮,前轮行驶时需要克服的阻力减小,后轮行驶时需要克服的阻力增大。前马达输出的转矩小于后马达输出的转矩,前马达的进口压力p1小于后马达的进口压力p2,因此前马达的流量q1大于后马达的流量q2,前轮的转速自然大于后轮的转速。同理,前轮处于水平路段,后轮处于上坡路段时,前马达的进口压力p1大于后马达的进口压力p2,前马达的流量q1小于后马达的流量q2,前轮的转速小于后轮的转速。在前、后马达进口压力和流量的耦合过程中,前、后轮可以实现差速转动,前、后轮行驶时的滑移和滑转会大幅减小,寄生功率会大幅降低,功率损失减小,液压传动的效率提高。

图4 上坡运动

(3) 当p1+Rq1≤p2时,q1达到最大值,q2为0。全液压轮式工程机械行驶时,如果前轮经过淤泥或者极为松散的路面,那么前轮遇到的阻力极小,前马达的进口压力也会变得很小。这一情况下,关系式p1+Rq1≤p2成立。当p1+Rq1=p2时,q2为0。当p1+Rq1

由上述分析可知,全液压轮式工程机械的前、后马达并联时,前、后轮可以根据实际路况形成差速转动,有利于保证行驶的流畅性,减小功率损失,提高传动效率。因此,行驶回路经常采用前、后马达并联的方案。对于特殊情况造成的车轮原地滑转现象,需要采取相应的措施。

4 油液循环方式与调速方式

液压回路的油液循环方式包括开式与闭式。开式回路指油液从执行元件返回油箱,液压泵再从油箱吸油,通过进油管道将油液送入执行元件。在开式回路中,油箱为油液循环的起点和终点。开式回路有利于油液的散热,可以防止油液劣化变质。

闭式回路指油液在回路内部循环流动,从执行元件返回的油液直接进入液压泵的吸油口,液压泵的输出油液进入执行元件的进油口[3-4]。在闭式回路中,油液散热不充分。由于存在泄漏现象,必须采用辅助泵进行补油,补油的同时也实现了部分冷热油液的交换。

全液压轮式工程机械行驶系统经常在工作时调节速度,并且改变方向,因此行驶回路具有无级调速和换向功能。全液压轮式工程机械行驶系统工作时功率消耗大,一般采用容积调速回路,可以避免节流调速带来的节流损失和溢流损失[5-7]。容积调速回路通过改变变量泵或变量马达的排量来调速。当全液压轮式工程机械行驶方向需要改变时,如果通过换向阀实现,那么机械运动时的惯性会带来巨大的液压冲击,不仅可能损坏液压元件,影响液压回路的工作可靠性,而且会加大发动机的负荷,影响发动机正常运转,同时给驾驶员带来不良的操作体验。因此,全液压轮式工程机械的行驶回路不宜采用开式回路。

轴向柱塞泵工作时,依靠柱塞的往复运动形成周期性密闭容积变化,实现吸油和压油[8]。缸体摆动式轴向柱塞泵结构如图5所示。假设柱塞的直径为d2,所在分度圆的直径为D,传动轴与缸体轴线的倾角为γ,柱塞数为Z,则柱塞泵的排量V为:

(8)

由式(8)可知,调节倾角γ的大小可以调节排量V。摆动缸体向左下方倾斜时,传动轴沿图示方向转动。摆动缸体向左上方倾斜时,传动轴的转向不变,配油盘吸油窗口、排油窗口的布置相反。由上述特性可知,轴向柱塞泵适合作为双向变量泵使用,构成容积调速回路。

图5 轴向柱塞泵结构

轴向柱塞泵具有变量机构,可以调节倾角的大小及方向,经常用于全液压轮式工程机械。假设图5(a)所示的柱塞泵出油方向代表了全液压轮式工程机械的前进方向,当需要调速时,可以通过变量机构调节倾角大小,进而调节泵的排量。当需要改变行驶方向时,为了避免出现过大的冲击,往往先将倾角调小直至为零,泵的排量和流量减小,液压马达的转速降低,全液压轮式工程机械的行驶速度逐渐降低直至为零。继续调节倾角,角度从零逐渐增大,方向和原来相反,泵的排量和流量逐渐增大,反向出油,液压马达的转速提高,且转动方向和原来相反,全液压轮式工程机械反向行驶并逐渐加速。

通过上述分析可知,轴向柱塞泵适用于全液压轮式工程机械行驶回路。改变行驶方向的过程伴随着调速,通过变量机构进行调速和改变方向,保证了行驶系统的运动流畅性和平稳性,避免了较大的冲击。由于不需要采用换向阀进行换向[9-10],因此不宜采用开式回路。轴向柱塞泵构成的行驶回路通常为闭式容积调速回路。

5 典型全液压轮式工程机械行驶回路分析

WJ-1.5型全液压小型轮式装载机液压系统的行驶回路如图6所示。一对前马达和一对后马达分别驱动前、后车轮。两台同规格的双向变量泵分别向前、后马达供油,形成两个独立的闭式容积调速回路。两台变量泵同步变量,保证了装载机前、后桥行驶的同步性。液压马达为两级排量内曲线马达,通过内部的变速阀可以改变参与工作的柱塞数,实现两种不同的排量[11]。当一半数量的柱塞参与工作时,液压马达的排量为最大排量的一半,转速达到最大值。由式(1)可知,转矩为最大转矩的一半,液压马达处于高速小转矩状态。连通阀在控制油液的作用下处于右工作位,前、后马达的油路连通,可以消除某些因素造成的前、后轮转速差对牵引力的影响和轮胎磨损。当全部数量柱塞参与工作时,液压马达的排量达到最大值,液压马达处于低速大转矩状态,装载机可进行爬坡和作业。连通阀的控制油路泄压,连通阀在弹簧的作用下处于左工作位。前、后马达的油路隔绝,当一对车轮处于打滑状态时,另一对车轮还会产生相应的牵引力。

6 结束语

全液压轮式工程机械行驶系统采用液压传动,回路多采用轴向柱塞泵构成的闭式容积调速回路。前、后马达并联时,前、后轮的转速具有良好的适应性,在复杂路面上行驶时,可减小牵引力的损耗和轮胎磨损,但在特定条件下会出现打滑现象。前、后马达串联时,前、后轮对于路面的适应性变差,在一定条件下会加大牵引力的损耗和轮胎磨损,但可以防止出现持续打滑现象。

图6 WJ-1.5型全液压小型轮式装载机液压系统行驶回路