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发表于 2008-11-16 22:12:14
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图文解释
全液压平地机的动力匹配及牵引性能分析 | | | 隧道网 www.stec.net(2007-2-12) 来源：长安大学工程机械学院 | | [/td][tr] | 摘要：分析了全液压平地机行走系统中泵与发动机功率匹配原理，研究了泵、马达排量和工作压力的变化对液压系统效率的影响，计算了牵引性能参数，得出了牵引力一行驶速度、液压系统效率一行驶速度之间的关系。
4 V! H4 K. y: s" I& h F 关键词：全液压平地机；功率匹配；效率；牵引性能9 Z8 g7 Y; s' F; x
+ D( z5 h( H) V6 Y* ?5 W 平地机的行走系统已实现全液压传动，整机性能的优劣主要由发动机与液压系统匹配的合理性、液压系统效率以及牵引性能来衡量。
% D0 O+ t6 l2 R; M 发动机的输出功率为：
/ M( c4 @- h# C" U Y( g Ne=Mene/9549 (1)$ |3 [. I s- n2 W" J
式中Me为发动机输出转矩，Nm；ne为发动机转速，r/min。
5 R9 u) c! `3 q7 K- o# u1 E/ i! m$ ] 泵的输入功率为：
! ]; Z$ ?6 C. {, I2 A3 y5 S. S Pe=Δpnpqp/(60000ηpt) (2)
) a7 X2 G' p. d( V 式中Δp为液压泵进出口压力差，MPa；qp为泵理论排量，mL/r；np为泵驱动转速，r/min； ηpt为泵机械效率；Pe为发动机驱动泵的功率，kW。
& @! W9 n. v: T7 w% ^ 发动机在某一最佳工作点工作时，其输出功率为一常数，所以泵与发动机匹配关系可写成：& v! E! q* |& {. |: y2 `
Δpqp=60000 Peηpt/np (3)0 N# d! a) L# n* f/ d3 [2 L
通过测量油泵出口压力Δp，当负载变化时，按公式(3)调节泵的排量qp，使发动机输出转矩基本不变，从而实现闭式系统与发动机之间的功率匹配。当发动机转速为最佳工作点转速时，要求泵的输入转矩具有恒转矩性质，qp和△p之间关系近似双曲线(取油泵机械效率ηpt=0.95)，见图1。
; c% _' p2 R: y; K' R, ?1 c图1 功率匹配曲线 2 液压系统效率的理论计算与分析
( `7 p W! m1 G# P, g- v s5 n 某平地机的液压行走系统是由变量柱塞泵和变量柱塞马达组成的闭式回路系统，即通过调节泵的 斜盘角度和左右液压马达排量的大小来控制平地机的行驶方向和车速的大小，见图2。其主要参数为：Ne =145kW，ne=2300r/min，qpmax=125mL/r，qpmax =160mL/r，rd=0.628m，i=33.7。
) X( s# ~6 [" w$ v! b/ U2 z" c图2 某全液压平地机行走液压系统原理图 2.1 变量泵的效率计算与分析# B5 @6 }) } w m6 W
变量泵的容积效率ηpv、机械效率ηpt和泵的总效率ηp如式(4)—(6)所示：
0 _% N' B& c& A( T) E% Z http://www.stec.net/webmanager/SD_PowerWebManager/manager/moduleasp/htmledit/UploadFile/20079239232537.JPG, r9 E% t- v2 L; _7 e/ t' }, k
http://www.stec.net/webmanager/SD_PowerWebManager/manager/moduleasp/htmledit/UploadFile/200792392514590.JPG |7 M& T+ A( ]& b
式中Cs为层流泄漏系数，Cs=0.8×10-9;μ为油液动力粘度，Pa·s；β为泵排量比，β=qp/ qpmax；qpmax为变量泵全排量，m3/r；qp为变量泵排量，m3/r；Cv为层流阻力系数，Cv=0.2×106；Cf为机械阻力系数，Cf=0.01；L为与进出口压差和转速无关的一定的转矩损失，Nm。, b8 B6 O R0 L
http://www.stec.net/webmanager/SD_PowerWebManager/manager/moduleasp/htmledit/UploadFile/200792392440848.JPG" H( M2 v* o/ E% c2 q2 R! R
式中v为平地机行走速度，km/h；rd为动力半径，m；qm为变量马达排量，m3/r；i为终传动比。
' J& u( X- i Y" O& O1 W( I$ d 根据(4)—(7)式，假设发动机转速不变，即泵的转速不变，现理论计算该样机在不同速度下的变量泵总效率曲线如图3所示。+ a: T; f) P% H8 ~; F! @
图3是变量马达在最大排量保持不变(同时假设马达的传动效率不变)的情况下作出的，从图中可看出，泵的传动效率随着平地机行驶速度的增大(即泵排量的增大)而增大，在系统工作压力20MPa和30MPa时的传动效率要略高于10MPa和40MPa时的效率。另外从图中还可以看出当车辆行驶速度大于1.5km/h(泵的排量比约等于0.24)，泵始终在效率大于75%工况下工作。$ _8 u. k' [: {- X( c; `
图3 变量泵的效率曲线图 2.2 马达的理论效率分析
" E o/ u k+ H3 m 液压马达的容积效率ηmv、机械效率ηmt和总效率ηm。如式(8)—(10)所示：
$ g# z& g. E; t+ {: r. y http://www.stec.net/webmanager/SD_PowerWebManager/manager/moduleasp/htmledit/UploadFile/200792392625610.JPG
T, e/ n4 q, X! V4 X; p/ f 式中nm为马达转速，其它符号同上。 / T: z) c+ @% h" q! t' L1 }
根据(7)一(10)式，假设发动机转速不变，即泵的转速不变，按理论计算该样机在不同速度下变量马达的总效率曲线如图4所示。* h" c$ g/ c5 G# C
图4是使泵在最大排量工作(假设泵的传动效率不变)的情况下作出的变量马达的效率与速度和压力 的变化曲线。从图中可看出，马达的传动效率随着平地机行驶速度的增大(即马达排量的减小)而减小，随着系统工作压力的增大而增大。减小排量，则马达效率降低。因此对马达进行排量控制时应该使其工况为：负荷增大时马达为大排量低转速，负荷减小时为小排量高转速。
3 ~) h1 R! n0 h$ x图4 变量马达效率曲线图 2.3 系统总效率, i7 B5 S7 W0 s# d2 h2 P/ D5 U
液压闭式系统的总效率η等于系统各部分效率之积，即：) G* v; q/ M& r0 o* o! C
η=ηpηmηc (11)
' u, ]7 m' P, ` 式中琅为管路效率，ηc=88%。/ R# h2 t g1 n- y5 Y; C/ l9 m
综合泵、马达效率公式，绘制泵一马达系统的理论总效率如图5所示。
4 J6 d% S+ v4 w* Z+ Y8 `- D2 K 图5是变量泵和变量马达在整个调速过程中，泵和马达的总效率随平地机行驶速度的变化情况，它是根据图3泵排量变化过程中马达对泵的影响以及图4马达排量变化过程中泵对马达的影响下作出的。在整个速度的变化过程中，可以看出泵马达系统在3～7km/h左右的速度区工作时，液压系统效率最高。
. {; R/ a0 |9 ]# b图5 泵一马达液压系统理论效率曲线 3 全液压平地机牵引性能分析
" \. C* E9 P# V 在平地机工作时，马达的输出转矩Mm为：9 d( C3 u# k5 B; [: v9 M
Mm=qmηmtΔpm/2∏ (12)
. ~9 V0 g/ H v5 H" A 式中qm为马达排量；Δpm为马达进出口压力差。
& w$ B1 F7 e( h1 L7 I/ V& `2 d 驱动轮输出力矩：Mk= Mmiηt (13)2 `0 |4 r& y# T5 ~
式中ηt为行走传动的机械效率，取ηt=0.9。% |# m! d' I4 x+ @! y+ `( m
平地机驱动轮的切线牵引力：Fk= Mk/rd (14)
. |" h; T% b, {) k 所以平地机提供的总牵引力：F=2 Fk (15)
! u$ x* u4 W# M8 x- j 根据(13)一(15)式得：! _ R. ]( Y# t7 z+ r
F= qmiηtnmtΔpm/ rd 2∏ (16)6 t* Q# w# s% L% E* J0 y2 Z+ b
根据流量的连续性方程Qp=Qm,得1 b$ I3 ^* C, J1 c. U; \
http://www.stec.net/webmanager/SD_PowerWebManager/manager/moduleasp/htmledit/UploadFile/200792392754433.JPG7 {; E4 Y/ U, }- x- B0 ]% n
平地机的行走速度为：
7 Z) R L$ Q' [% l8 R$ d http://www.stec.net/webmanager/SD_PowerWebManager/manager/moduleasp/htmledit/UploadFile/200792392820989.JPG/ P( n+ d, T& }6 l
整理合并(2)、(16)—(18)式，得：, G4 x5 O8 J/ e! _
http://www.stec.net/webmanager/SD_PowerWebManager/manager/moduleasp/htmledit/UploadFile/200792392847710.JPG
# o* \7 x, `4 s. U 假设不考虑压力损失，即Δpp=Δpm，将式(16)与(19)整理合并，得：
$ Q: S9 x9 N5 T" Z) _" P1 M/ G/ q http://www.stec.net/webmanager/SD_PowerWebManager/manager/moduleasp/htmledit/UploadFile/20079239298705.JPG G6 ~" X2 g# _) e( G8 `
式中ηF为牵引效率。! u2 Y% F7 b }* y
根据(20)、(21)式以及液压系统效率绘制该样机的牵引特性曲线，如图6所示。
9 g, ~0 H3 V* g) @3 S" s 图6中牵引力曲线的前半段发动机处于恒转矩，后半段发动机处于恒功率。' n6 s6 ?( \7 ?) f
图6 行驶速度与牵引力及效率曲线 4 结语
( U( N% U% C& N* W (1)本文通过定性地比较功率匹配曲线△p-qp，说明了泵与发动机合理匹配的重要性。" h! Q) ?; I6 c; w) i: h
(2)液压泵总效率ηp随车辆行驶速度v增大而增大，即随排量比β增大而增大；马达的总效率ηm正好相反，减小排量，ηm降低，特别是小排量高转速时效率较低。
0 @" t+ ^* _) K (3)对液压系统效率而言，效率曲线是依据随着速度的增大先调泵再调马达绘制的，在泵调到最大排量、开始下调马达排量的拐点处附近，理论效率曲线是一个上凸的波峰，即泵和马达同时处在最大排量的工作点就是液压系统的最大效率点。. ~0 f: @/ }* ^# p4 r- L
(4)压力对系统的效率影响比较明显，在中高压区具有较高效率，因此应尽量使泵一马达系统在中高压区工作。5 M, B& ]# f1 T x
(5)通过建立某平地机牵引性能方程，得出了F-v以及η-v曲线，可知该平地机行驶速度为4～7km/h左右时，液压系统效率最高(>60%)，牵引效率也最高(>70%)，同时能保证牵引力在70kN左右；当行驶速度大于30km/h时，液压系统效率低于30%，牵引效率低于30%，不适合于作业。
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