推土机变速调压阀的控制特性

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(山推工程机械股份有限公司研究总院, 山东 济宁　272073)

引言

液力式推土机其变速调压阀(以下简称调压阀)在整机中的作用为：当进行换向或换挡时会引起变速箱离合器贴合，调压阀能够控制变速箱离合器腔压力，使其趋于比例控制，从而使得变速箱离合器中的摩擦片贴合更平滑，避免换挡冲击，使得驾驶人员操作更舒适。

1　调压阀结构介绍

图1为某机型推土机调压阀结构示意图，当执行变速操纵，由泵至离合器油腔的通道被打开，油流入离合器腔，快回阀芯1借助腔内压力左移，此时油口A与油口B相连，其目的为释放阀套4右端背压。

当离合器腔油液注满之后，压力开始升高，此时离合器腔油液会通过快回阀1的节流口a流向右腔，由于压力面积差使得快回阀阀芯1向右移动直至A口和B口关闭。油液同时会流经调压阀芯3的节流口b，流入油腔C并推动活塞2。发生此情况时，反作用力会引起阀芯3压缩弹簧5、6向左移动。同时， 流经快回阀1的油液会流经节流口c，流入油腔A， 并成为阀套4的背压。背压会使阀套4向左移并压缩弹簧7和推动阀芯3。调压过程是通过调压阀阀芯和调压阀阀套间的环形节流口所完成。

1.快回阀阀芯　2.活塞弹簧　3.调压阀阀芯　4.调压阀阀套 5～7.调压阀弹簧　8.止动块图1　某推土机调压阀结构示意图

2　数学模型建立

过程一：设阀套4左移x，阀芯3相对阀套4左移y(mm)；去A腔流量Qa、C腔流量Qc、T口泄漏流量Q泄漏(m3/s)；P口压力pd，A腔压力pa，C腔压力pc(MPa)。

已知P口流量Q(m3/s)；弹簧5～7刚度分别为：k5、k6、k7(N/mm)；安装载荷分别为：a、0、b(N)。

由流量连续性方程得：

Qc+Qa+Q泄漏=Q

(1)

由薄壁孔节流方程得：

(2)

对阀芯受力分析得：(因弹簧2载荷很小以下计算不予考虑)

(3)

对阀套受力分析得：(过程一弹簧6未参与)阀套受弹簧7、阀芯的作用力，其中阀芯对阀套的力等于弹簧5的力，所以：

(4)

当阀芯与阀套抬肩打开后有：

(5)

式中：Cd为节流系数，薄壁孔取0.62；A为节流口过流面积(a、b、c过流面积相等)；ρ为油液密度；Aa为阀套横截面积；Ac为活塞腔横截面积；A泄漏=πd(y-c)10-3(m2)；其中，d为阀芯直径(m)；c为阀芯与阀套抬肩(mm)；Cd泄=0.85(阀口出为锐边)。

设阀芯相对阀套移动最大距离为y1(mm)，此时进C腔流量为0(下一时刻相对阀套右移)。

即：

Qc=0

(6)

因此阀套移动距离x非常小，为计算y1可将x≈0进行近似计算将式(1)、(3)、(4)、(6)代入式(2)、(5)得：

联立以上等式，代入实际参数算得：

Qa=1.48×10-5m3/s，y1=3.44 mm

过程二：阀芯、阀套同时左移(阀芯相对阀套右移)，阀套移动e(mm)后碰触止动块8调压结束。

此时流经A腔流量：

由C腔流至P口流量：

(8)

由流量连续性方程得：

Qa-Qc+Q泄漏=Q

(9)

阀套移动体积：(阀套半径r1，响应时间t)

(10)

阀芯移动体积：(阀芯半径r2)

(11)

已知：x=e

(12)

联立式：(5)、(7)～(12)，代入实际参数计算得：t=0.31

3　基于SimlationX调压阀特性仿真

利用SimulationX仿真软件进行模型搭建，模型如图2所示，各项参数与数学模型一致。

图2　基于SimulationX的调压阀模型

调压阀压力动态响应曲线仿真结果如图3所示，得到响应时间约为0.35 s(第一次波谷至波峰的时间)，该结果与数学仿真结果相近，验证了数学模型的准确性。同时对该机型进行了实车测试，其测试结果如图4所示，响应时间为0.3 s。

图3　调压阀压力动态响应曲线

图4　调压阀压力响应实测曲线

该机型推土机存在换挡振动大的问题与测试结果吻合。如图5所示：保持原系统其他参数不变，节流口a、b、c直径由d=1.2 mm变为d=0.8 mm，观察压力响应曲线变化，仿真结果增大阻尼能够延长响应时间。如图6所示，保持原系统其他参数不变，将弹簧6的刚度由10.5 N/mm变为17 N/mm后，仿真结果响应时间减短。因为该机型推土机存在操作舒适性差的问题，所以对响应时间做延长处理，增大阻尼(减小节流口过流面积)后得到图7响应曲线，振动消失，操作舒适性得到很大提高。

图5　不同阻尼的影响

图6　不同刚度的影响

图7　改变阻尼后响应时间实测曲线

4　结论

对某推土机变速调压阀动态响应时间进行数学分析并通过SimulationX进行仿真研究。同时对仿真结果进行整机实测，测试结果验证了仿真的正确性与准确性，并且解决了该机型换挡冲击大的问题。通过控制不同系统阻尼和弹簧刚度，研究其对压力响应特性的影响结果，为改善调压阀参数提供了手段。

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