液压无级变速传动系统在轮式挖掘机上的仿真及应用-.pdf

第 9卷第 1期 2 0 1 1年 3月 中国工程机械学报 CHI NES E J OURNALOFCONS TR UC TI ONMACHI NER Y VO1 ． 9 No． 1 Ma r ．2 01 1 液压 无级变速传 动 系统在 轮式 挖掘机上 的仿真及应用 栾文博 ， 栾新立 1 ． 同济 大学 汽车学院 ， 上海 2 0 1 8 0 4 2 ． 洛阳拖拉机研究所有 限公 司，河南 洛阳 4 7 1 0 3 9 摘要 介绍了液压传动的类型， 重点对液压无级变速传动系统的工作原理做了详细的分析 ， 对匹配设计过程做 了详细 的推导 ． 利用 MA T L A B ／ S i mu l i n k 软件建立 了液压无 级变 速系统 的仿真模 型 ． 在此模 型 中对 变量泵 、 变 量 马达的排量匹配进行了优化， 使行走速度和驱动力的发挥达到最佳状态， 并将仿真结果应用在轮式挖掘机行走 系统的设计中． 经样机测试完全满足设计要求， 取得了较好的结果． 关键词 液压无级变速 系统 ； 仿真及应用 ；轮式挖掘机 中图分类号 T H 1 3 7 ． 1 文献标识码 A 文章 编号 1 6 7 25 5 8 1 2 0 1 1 0 1 0 0 8 70 5 Si mul a t i on and ap pl i c a t i o n o f hy dr a ul i c c 0 nt i nu0us l y v a r i a bl e t r a ns m i s s i o n s ys t e m f or whe e l t yp e e xc av a t o r s L We n b o 。L X／ n一 2 1 ． C o l l e g e o f A u t o mo t i v e S t u d y ， T o n Ni Un i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 1 8 0 4 ， C h in a 2． Lu o y a n g Tr a c t o r Re s e a r c h I ns t i t u t e Co ．Lt d． ， L u o y a n g 4 7 1 0 3 9， Ch i n a Abs t r ac t Ba s e d on a n i n t r o d u c t i o n t o h y dr a ul i c t r a n s mi s s i o n t y p e s，t he wor k i ng p r i n c i p l es o f hy d r a ul i c c o n t i n u o u s l y v a r i a b l e t r a n s mi s s i o n C VT s y s t e m i s d e t a i l e d l y a n a l y z e d ．M t e r d e d u c i n g t h e ma t c h i n g d e s i g n p r o c e s s ， r e l e v a n t s i mu l a t i o n mo d e l a r e e s t a b l i s h e d u s i n g Ma t l a b ／ S i mu l i n k TM．B y o p t i mi z i n g t h e ma t c h i n g o f v a r i a b l e p u mp a n d v a r i a b l e mo t o r d i s p l a c e me n t s ，t h e wa l k i n g s p e e d a n d d r i v i n g f o r c e a r e l e d t o a n o p t i ma l s ta t e．Pe r ta i ni n g t o t h e s i mul at i o n r e s ul t s a p p l i e d f o r wa l ki ng s y s t e m d e s i gn，t h e pr o t ot y p e t e s t i n g c a n me e t d e s i g n r e q u i r e me n t s ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c c o n t i n u o u s l y v a r i a b l e t r a n s mi s s i o n s y s t e m； s i mu l a t i o n a n d a p p l i c a t i o n ； wh e e l - t y p e e xc a v a t o r 液压变速系统是指通过改变泵和马达排量或采取节流控制流量的方式来调节马达转速的系统． 液压 传动变速系统中泵与马达有四种匹配方式 第一是定量泵和定量马达组合 ， 马达转速随泵输入转速线性变 化 ， 泵转速恒定时， 可用节流调速 ； 第二是变量泵和定量马达组合 ， 马达的转速与泵的流量成正 比， 马达输 出转矩与转速成反 比， 马达输 出功率与转速成正比， 变量机构可通过零点实现换向， 多用于闭式回路 ； 第三 是定量泵和变量马达组合 ， 马达转速与马达排量成反比， 由于泵流量不变 ， 马达输出转矩与其转速成反 比， 而且马达排量过小时不能正常工作 ， 多用于开式回路 ； 第 四是变量泵和变量 马达组合 ， 马达排量设置可实 现无级调速 ， 马达输 出转速与输人流量成正比， 而与马达 的排量成反 比， 马达输 出转矩随马达进 、 出 口压差 增大及马达排量变大而增加 ， 这种匹配方式调节范围宽 ， 可满足高转速和大转矩的要求． 轮式挖掘机行走 系统必须满足高速度和大驱动力的使用要求 ， 变量泵和变量马达匹配是轮式挖掘机 的行走液压 系统的最佳方案． 工地间转移用高速挡 ， 缩短转移时间； 在工地用低挡 ， 发挥大的驱 动力 ． 设计 作者简介 栾 文博 1 9 8 5 一 ， 博 士研究生 ． E ． ma i l fi a s h l wb _ 1 6 8 1 6 3 ． t o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中国工程机械学报 第 9卷 轮式挖掘机行走系统液压元件必须经多次匹配计算 ， 才能确定较好 的方案 ， 工作量大而繁琐 ． 需建立仿真 模型对其变量泵、 变量马达的排量匹配进行优化 ， 以达到设计最优且缩短设计周期的目的． 液压 无级变速 系统工作原理 液压无级变速系统用于轮式车辆行走系统 ， 主要 由变量泵、 变量马达和阀组成 ， 根据行走阻力大小 的 变 化 ， 自动变 化速 度 ． 其中变量泵的恒功率曲线如图 l所示． 横坐标为压力 P， 纵坐标 为流量 Q． 在直线 p 。 之 间压力升 高， 流量不变； P o p 一曲线为变量泵恒功率段． P o 点是恒功率压力起调点， 即压力升到 P o 点时， 随着压力 的再升高， 泵 的流量减少； p 一点为压力终点， 即为系统的额定压力点 ， 系统的额定输 出功率在 a p o p 曲 线下方变化 ， 绝不超过 a p o 一 曲线以外 ． 点为控制变量马达的压力点． 变量马达压力控制排量变化 曲线如 图 2所示 ， P 为压力控制 起点 ， 不同的马达控制起点 P 值不同． A p是压力增量 ， 即随着 A p 的增大 ， 马达排量从 O增大到最大． g 是马达工作排量起始点 ； P 。 是马达排量开始变化时的控制压力 ， P 。的确定与压力控制起点 P 、 压力增量 A p和排量 比B有关． 如 A 6 V M8 0马达的最大排量为 8 0 mL r 一， 最小工作排量为 4 0 mL r 。 。 ， 则排量比 B为 0 ． 5 ． 压力控 制起点 P 为 2 3 MP a ， 压力增量 Ap为 5 MP a ， 在马达压力控制曲线 上排量 比 0 ． 5对应 的纵坐标压力 P s为 2 5 ． 5 MP a ． 即当压力小于等 于 P 。时， 马达 以 q 排量工作 ， 当压力大于 s时， 马达随压力的升 高排量变大 ， 直到最大排量 8 0 mL r ～． 图 1 变量 泵恒 功率时流 量一压 力曲线 Fi g ． 1 Cu r v e o f flo w a n d p r e s s u r e o f v a r i a b l e p u m p i n i n v a r i a b l e n e s s p o we r 系统工作过程如下 变量泵具有恒功率特性 ， 当变量泵压力大 。 于 P 。 值时， 泵随着压力升高， 流量减小 ， 此时变量马达 的排量逐渐 增大至最大排量 ， 马达转速降低 ， 适用于低转速 、 高转矩工况 ； 当变 量泵的工作压力小于等于 P 。 值 时， 变量马达在设定 的最小排量下 工作 ， 随着变量泵的压力降低 ， 变量泵 的流量加 大， 马达转速升高 ， 适用于高转速、 低转矩工况． 。 ． 2 匹配设计计算与仿真分析 首先提出匹配目标 ①最高车速不低于 2 8 k m． h ～； ②要求在 图2 变量马达压力控制曲线 Fi g． 2 Cu r v e o f Pr e s s ur e C o n t r o l o f Va r i a b l e Mo t o r 城市路面以 2 8 k m ． h I 1 的速度行驶时 ， 最大爬坡能力不低于 2 ％； ③要求在公路上以高挡位行驶时， 最大 爬坡能力不低于 1 2 ％； ④要求在工作路面行驶时 ， 最大爬坡能力不低于 5 0 ％． 下面根据设计进行液压系统匹配． 根据发动机功率 、 转速 ， 确定液压泵 的起调压力 P o 和排量 ， 压力终 点的压力 p 一和对应的排量 ， 确认恒功率 曲线图Ⅲ． 选定变量马达型号， 查压力控制曲线图 见图 2 ， 确定 行走马达起调变量点排量和起调压力 ． 这里所匹配的轮式挖掘机行走 系统采用 2挡变速箱 ， 四轮驱动 ， 即 1 挡时的总传动比为驱动桥传动比与变速箱 1 挡传动比的乘积， 2 挡时的总传动比为驱动桥传动比与变速 箱 2挡传动比的乘积． ， M P p q p 1 7 ／ 2 7 c 1 式中 M 为马达输 出转矩 ； P 为泵进出 口压力之差 ； q 为马达排量 ； 为液压系统效率 ， 取 0 ． 8 4 ； 为 马达机械效率 ， 取 0 ． 9 5 ． F M I ∑ , 7 ／ RD 2 式中 F为行走驱动力； M 为马达输出转矩； RD为车轮动力半径； 为变速箱和驱动桥的总效率， 取 0 ． 8 8 ； I ￡ 为某 1 挡位下变速箱和驱动桥的总传动 比． m q p np p V m v ／ ／ g 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 栾文博， 等 液压无级变速传动系统在轮式挖掘机上的仿真及应用 式中 佗 为马达输出转速； g 为泵的排量； n 为泵的额定转速； 为泵的容积效率， 取 0 ． 9 6 ； 7／ m 为马达 的容积效率 ， 取 O ． 9 6 ． F G f C O S as i n a 4 式中 F 为道路滚动阻力和爬坡 阻力 ； G为整车载荷 ； a为坡度角 ； f为滚动阻力系数 ， 公路、 城市路面取 O ． 0 2 ， 工作路面取 0 ． 1 ． 2 丁 c 6 0n嘶R ， 、 式中 V 为以某 1挡位工作下的最高或最低行走速度 ； n I T li 为在某 1挡位下马达的最高或最低工作转速 ； R 为车轮滚动半径． 根据上面对液压无级变速系统的匹配计算分析 ， 利用 MA T L A B ／ S i mu l i n k建立仿真模型， 通过改变变 量泵或变量马达的相关参数， 分析其匹配的效果， 优化匹配结果． 由于仿真模型的前提条件是在发动机全 负荷 、 工作转速为 2 2 0 0 r mi n 的驱动变量泵的工况下建立的， 将 2 2 0 0 r mi n I 1 转速下变量泵的压力 与流量关系曲线和变量马达改变排量比与压力关系曲线制成插值表 ， 建立如图 3所示的仿真模型[ 2 ] ， 其中 整车质量为 1 0 t ， 1挡总传动比为 9 3 ． 5 9 ， 2挡总传动比为 2 7 ． 0 7 ． 图 3 液压 无级变速系统仿真模型 Fi g ． 3 S i mul a t i o n mo d e l o f h y d r a u l i c c o n t i n u o u s l y v a r i a b l e t r a ns mi s s i o n s y s t e m 由工程实际经验 ， 现将变 量马达的设计最小工作排量 调整为 3种情况 即 3 5 mLr - 1 对应排量 比 0 ． 4 3 7 5 ， 排量改变时压力为 2 5 ． 1 8 7 5 MP a ； 4 0 mLr I 1 对应排量 比 O ． 5 ， 排 量改变时压力为 2 5 ． 5 MP a ； 4 5 mL r - 1 对应排量 比0 ． 5 6 2 5 ， 排量改变时压力为 2 5 ． 8 1 2 5 MP a ． 根据这 3种情况 ， 通过仿真， 绘出 2个 挡位下的驱动力与速度曲线 ， 如图 4 ～6所示 ． 6 0 堇 3 0 0 5 l 0 1 5 2 O 2 5 3 0 3 5 车速 ／ 1 h 图 4 马达最小 排量 3 5 mL r _ 1 时 2个挡位 下驱 动力与速 度关系 曲线 Fi g． 4 Cu r v e o f d r i v i n g f o r c e a n d v e h i c l e s p e e d i n t wo g e a r s whe n t he mi ni mu m d i s p l a c e me n t o f mo t o r i s 3 5 mL r 6 0 Z 5 O 40 R 3 0 0 图 5 马达最小排量 4 0 mL r - 1 时 2个挡位 下驱动力与速度关系曲线 Fi g ． 5 Cu r v e o f d r i v i n g f o r c e a n d v e hi c l e s p e e d i n t wo g e a r s wh e n t h e mi n i mum d i s p l ac e me n t o f mo t o r i s 4 0 mL r 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中国工程机械学报 第 9卷 从 图6中可以看出， 当马达最小排量设计为 4 5 m L r 时 ， 平直公路上的最高车速为 2 6 k m h ～， 不 符合匹配设计要求 ； 图 4中， 当马达最小排量设计为 3 5 mL r I 1 时， 2挡下最高车速为 3 3 k m h ～， 此时 对应的马达转速为5 3 7 0 r rai n ～， 转速偏高 ， 影响马达寿命 ； 图 5中当马达最小排量设计为 4 0 mL r 时， 1 ， 2档速度区间有重叠 ， 最高车速 2 9 k m h 时对应的马达转速为 4 7 0 8 r rai n ～， 满足最高车速设 计要求 ． 此外根据剩下的 3个匹配 目标 ， 在马达最小排量 4 0 mLr 的驱动力与速度关 系图上分别做出 2 ％坡度 的城市路面道路阻力 、 1 2 ％坡度的公路道路阻力和 5 0 ％坡度的工作路面道路阻力 ， 如图 7所示 ． 图 6 马达最小排量 4 5 mL r - 1 时 2个挡位 下驱 动力与速 度关 系曲线 Fi g ． 6 Cu r v e o f d r i v i n g f o r c e a n d v e h i c l e s p e e d i n t wo g e a r s wh e n t h e mi n i mu m d i s p l a c e me nt o f mo t o r i s 4 5 mL ．r 一 1 6 o 5 0 Z 4 0 3 0 擦 群 2 0 l 0 0 ， 5 O 9 6 ⋯一 l 挡 2 挡 ， 、 1 2 ％ ． ＼ ～ 2 ％ 5 1 O 1 5 2 0 25 3 0 3 5 车速 ／ k - h 。 图 7 马达最小排量为 4 0 mL r I 1 时带有坡度 的道路阻力与驱动力、 速度关 系曲线 Fi g． 7 Cu r v e o f d r i v i ng f o r c e a n d v e hi c l e s p e e d i n t wo g e a r s wi t h t h e r o a d g r a di e n t r e s i s t a n c e wh e n t h e mi n i mu m d i s p l a c e me nt o f mo t o r i s 4 0 m L r 一 由图 7可以看出， 当以 2挡行驶在 2 ％坡度的城市路面上时最高车速为 2 8 ． 5 k m h ～， 2挡的最大驱 动力大于 1 2 ％坡度的公路道路阻力 ， 1挡最大驱动力也大于 5 0 ％坡度的工作路面道路阻力 ， 满足了匹配 设计 目标． 此外， 从仿真模型中可以看出， 整个行走系统从变量泵到变量马达的功率输出的效率仅为 6 7 ％ 左右 ， 究其原因 ， 主要是 由于负载传感液压系统的压力补偿节流损失E 3 ] 、 液压系统的管路压力损失 、 阀的节 流损失 ， 以及受泵与马达的容积、 机械效率及驱动桥与变速箱的机械传动效率影 响_ 4 ] ． 要提高整个行走 系统的工作效率， 必须对上述几个方面进行深入研究． 3 在轮式挖掘机上的应用 变 量 马达工作 原理 如 图 8所示 ， 当压力 油 由 A 口进 入 时， 推开三位三通滑阀 F下移 ， 同时推动马达旋转 ， 压力油 通过三位三通滑阀 F， 再经过下部单 向阀从 B 口流 回． 随 着阻力的增加 ， 系统压力升高， 当压力超过设定值 时， 推开 梭阀 E， 液压力克服二位三通滑阀 G的弹簧力推动其右移 如压力没有达到弹簧力时 ， 二位三通滑阀 G不移动， 马达 的变量活塞缸小腔的压力与大腔的节流压力平衡 ， 活塞不 动， 马达 的排量不变 ， 液压油进人马达的活塞变量缸大 I ．_马达 泄漏 口； 气 口； 强制推动大排量 口 一 二位三通滑 阀； Gl 1 A 俄 B 检测压力 口 图 8 变量马达原理 图 Fi g． 8 Pr i n c i p l e o f v a r i a b l e mo t o r 腔 ， 克服小腔的压力， 向左移动， 将马达排量变大 ， 随着压力升高排量变为最大 ． 马达设置有压力过载阀 D， 当停止 向马达供油时 ， 由于车辆惯性带动马达继续旋转 ， 此时马达高压侧的液压油推开过载阀向低压侧流 动， 构成液压油的循环． 当需要低速大转矩时， 通过 x口供液压油， 推动二位三通阀G右移， 使马达的排量 处在最大状态下工作． 液压无级变速系统在轮式挖掘机应用， 其原理如图9 所示． 变量泵 1 的液压油通过多路阀2 进入变量马 达 3的进油口， 变量马达 3与变速器联结并驱动其旋转将动力传给前、 后桥 ； 先导阀 5为单通道 ， 脚踏板踏下 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 l 期 栾文博， 等 液压无级变速传动系统在轮式挖掘机上的仿真及应用 9 1 即可接通先导油， 推动多路阀换 向； 换向电磁 阀 4是为了车辆换 向所设， 通过电磁阀换向使车辆前进挡变后 退挡 ； 控制马达排量电磁阀 6与变量马达的 X口接通 ， 强制推动马达大排量工作， 发挥最大牵引力． 该系统应 用在 1 0 t 轮式挖掘 机上， 其选 用 D A N A公 司 的 2挡 变 速 箱 和 前 后 桥、 东 芝 P 、 2 R C O 3变量泵 、 力士乐 A 6 V M8 0的变量马达． 在发动机额定转速条件下， 通过城市路面， 测得 l 挡的速度范围为 2 ． 4 ～8 ． 5 k m h 一， 其最大驱动 力为 5 3 ． 6 4 k N； 2挡 的速 度 范 围为 8 ． 3 ～2 8 ． 3 k m h ～， 其最大驱动力为 1 5 ． 5 2 k N． 分别在工作 路面、 公路、 城市路面上使用效果 良好 ． 4 结语 液压无级变速传 动系统在轮式挖掘 机上的 仿真分析对设计轮式挖掘机行走系统非常方便 ． 在同一机型上改变马达工作排量起 始点进行优 化匹配分析 ， 使其设计达到最优 ； 对 系列 机型设 计时 ， 输入不 同的技术参数可进行 匹配分析 ， 省 略了大量设计计算 ， 提高 了设计效率． 但设计应 用无级变速液压系统时应注意如下事项 1 一 变量泵； 2 一 多路阀； 3 一变量马达； 4 一换 向电磁 阀 5 先导阀 6 一控制马达排量 电磁阀 图 9 轮式挖掘机液压原理图 H g ． 9 Hy d r a u l i c p r i n c i p l e o fwh e e l wx c a v a t e 1 液压泵 、 马达规格大小 的选配 ， 主要与发动机的功率大小有关． 在发动机功率许可范 围内， 泵的压 力起调点尽量高 ， 以便充分发挥发动机功率． 对马达的旋转节流损失要尽量小． 2 马达最低转速不受限制 ， 然而要使转速平稳 ， 最小转速不能低于 1 0 0 rrai n 一， 最高转速不应超 过马达参数规定值． 马达最小排量 比是根据马达输出压力和转矩来确定的 ， 但一般不能低于 0 ． 2 ． 3 运行前和运行期间马达壳体必须充满油． 壳体内压力与马达起点控制压力有关 ， 壳体 回油管直接 通油箱内液面下， 回油压力不超过规格书要求 ． 对马达的最高转速 、 最高压力要限定． 4 液压油的选择 ， 为了正确选择液压油， 必须知道与环境温度有关的工作温度． 闭式回路 中指 回路 油温度 ； 开式回路 中指油箱 中油 的温度． 液压油的选择 在工作温度范围内粘度处于最佳范围， 按油液温度 曲线图选择 ． 液压油清洁度等级越高， 轴 向柱塞元件的寿命越长 ， 为了保证轴向柱塞元件的正常工作 ， 最低 清洁度等级是 N A S 9级． 参考文献 E 1 ] 张玉川． 进 口液 压挖掘机 国产化改造 [ M] ． 成都 西南交通 大学出版社 ， 1 9 9 9 ． Z HA N G Y u c h u a n ． T h e d o me s t i c r e f o r m o f i mp o r t e d h y d r a u l i c e x c a v a t o r s [ M] ． C h e n g d u S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y P r e s s ， 1 9 9 9 ． [ 2 ] 薛定宇 ， 陈阳泉 ． 基于 MA TL A B ／ S i mu l i n k的系统仿真技术 与应用 [ M] ． 北京 清华大学出版社 ， 2 0 0 2 ． X UE Di n g y u ， C H E N Y a n g q u a n ． Th e s y s t e m s imu l a t i o n t e c h n o l o g y a n d a p p l i c a t i o n b a s e d o n Ma t l a b ／ S i mu l i n k E M] ． B e i j i n g T s i n g h u a Uni v e r s i t y Pr e s s ， 2 0 0 2． [ 3 ] 栾新立， 栾文博． 负荷传感液压系统在液压传动车辆上的研究应用[ J ] ． 拖拉机与农用运输车， 2 0 0 9 1 1 9 2 1 ． L U A N Xin l i ， L UA N We n b o ． R e s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n o f l o a d s e n s i n g h y d r a u l i c s y s t e m o n h y d r a u l i c d r i v e v e h i c le [ J ] ． T r a c t o r a nd F a r m Tr a n s po r t e r， 2 0 0 9 1 1 921 ． [ 4 ] 宋学义． 袖珍液压气动手册[ M] ． 北京 机械工业出版社， 1 9 9 4 ． S O N G X u e y i ． P o c k e t h y d r a u l ic p n e u ma t ic ma n u a l [ M] ． B e i j i n g C h i n a Ma c h i n e P r e s s ， 1 9 9 4 ． 【 5 ] 李寿刚． 液压传动[ M] ． 北京 北京理工大学出版社， 1 9 9 4 ． L I S h o u g a n g ． Hy d r a u l i c t r a n s mi s s i o n [ M] ． B e i j i n g B e i j i n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y P r e ss， 1 9 9 4 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m