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文|砚钧秋
编辑|砚钧秋
前言
液力推土机将动力换挡变速箱作为重要的 变速换挡 传动方式，需要变速阀与变速箱的匹配来完成推土机的前进、后退以及一、二、三挡位的变换。
理想的换挡过程既要求换挡时间短，以便减少摩擦件产生的滑摩功率和因输入功率降低或中断造成的车速降低。
又希望换挡过程尽可能缓慢平稳地实现，以避免机械传动引起过高的瞬时加速度或减速度，使得传动部件受到过大冲击造成整机平稳性失衡。
因此，通过分析变速控制系统换挡特性，可为改进其性能提供理论依据。
结构分析与工作原理
液力推土机变速控制系统结构主要包含变速阀、变速箱，其中变速阀由调压阀、方向阀和速度阀组成，方向阀控制前进、后退离合器油路的通断。
速度阀控制1、2、3挡离合器油路的通断，调压阀调节换挡时各离合器调压时间，使换挡时离合器平稳结合，防止换挡冲击，提高操作舒适性。
1.1变速阀结构分析与工作原理
调压阀由调节溢流阀和快回阀组成，起到调节离合器压力的作用。
当操作变速杆进行换挡时，由泵至离合器油缸的油路被打开，油液开始流入离合器油缸，快回阀芯10借助油液流动所产生的力移向左方止动块9处。
这时阀套背压腔A和泄油口B连接起来，并释放调压阀套5的背压，发生此情况时，调压阀芯6和调压阀套5在弹簧k1、k2、k3所产生的反作用力下被推回至右侧。
当油液充满离合器油路后，离合器油缸内压力开始升高，流经快回阀芯10的节流孔a的油液使得快回阀芯10向右移动，并将阀套背压腔A和泄油口B之间的油路关闭。
同时，油液流过调压阀芯6的阻尼孔b，流入柱塞腔D并推动柱塞8。
此时，柱塞腔D的反作用力将推动调压阀芯6压缩调压弹簧k2、k3向左移动，同时，油液流入快回阀芯10内部油道经阻尼孔c流入阀套背压腔A，并成为阀套5的背压。
背压腔A产生的背压又会使阀套5向左移动并压缩调压弹簧k1。
当油路中的压力升高时，阀套5的背压也会升高，并且阀套5继续向左移动，当推动柱塞8的压力升高时，调压阀芯6会在反作用力的作用下向左移动。
以上过程会重复多次来增加弹簧k1、k2、k3上的载荷， 离合器压力 便会逐步升高，最后，当阀套5接触到止动块1时便不再移动，离合器压力也不再升高，从而实现对离合器压力的控制。
在充油阶段忽略阀内泄漏，因此进入变速阀的流量q1等于流经快回阀的流量q2，则有：
式中：Cd为流量系数;A1为变速阀进口节流孔Ｒ1断流面积，p1为节流孔Ｒ1前压力，p2为节流孔Ｒ1后压力，ρ为液压油液密度。
Aa为快回阀节流孔a断流面积，Ax为快回阀阀口断流面积，p3为充油时离合器缸内压力。
当离合器油缸充满油液后，快回阀向右侧移动并关闭阀套泄油口，此时离合器进入压力上升阶段，离合器内压力起调点由调节溢流阀初始位置决定。
此时阀套位于最右侧，力平衡方程为：
式中：p0为离合器起调压力，F2为弹簧k2安装载荷，F3为弹簧k3安装载荷，A8为柱塞8压力作用面积，随着离合器内压力上升，阀套开始运动。
此处忽略阀套运动时的压力损失，按照 斜坡曲线 进行压力调整，直至达到溢流阀设定压力，进入压力上升阶段的力平衡方程：
式中：F1为弹簧k1安装载荷，p为压力上升阶段离合器内压力，m5为阀套5质量，x5为阀套5位移，m6为调压阀芯6质量，x6为调压阀芯6位移，A5为阀套背压腔压力作用面积。
挡位阀由速度阀和方向阀组成，起到改变挡位的作用，操作速度阀芯10或者方向阀芯4，以接通调压阀与不同离合器之间的油路，从而实现挡位的改变。
1.2离合器机构分析与工作原理
动力换挡变速箱由行星齿轮机构和片式离合器组成，有3个前进挡和3个后退挡，5个片式离合器分别控制后退、前进、3挡、2挡和1挡。
通过对变速阀的控制操作固定5个片式离合器中的2个，从而可以选择转动方向和变速箱输出轴的转速。
在进行换挡操作时，换出的离合器泄压，换入的离合器建压，忽略离合器内泄漏，则充油时离合器所需流量q3与流经快回阀的流量q2相等，则有：
离合器调压时间t为：
式中:A为离合器油缸活塞环面积，s为离合器油缸行程，t1为离合器运动时间。
仿真模型建立
为分析变速控制系统动态控制特性，基于多学科联合仿真软件SimulationX中的Hydraulics库、Mechanics库以及Signal－Blocks库。
结合上述结构及工作原理，建立某SD-5液力推土机变速控制系统联合仿真模型如下图。
仿真分析
利用建立的液力推土机变速控制系统联合仿真模型，对整机变速控制系统的动态特性进行仿真分析，研究关键影响因子对变速系统动态特性的影响。
3.1换挡特性仿真分析
液力推土机变速控制系统3种典型工况下的调压曲线，可知：换挡调压曲线满足换挡时压力快速下降充油、建压时压力平稳上升的过程，换挡时间约为0.65s、升压时间约0.5s。
但当离合器充油完毕、离合器压力开始上升时，在进行前进和后退操作时，离合器均出现瞬时压力冲击现象，尤其是在进行后退挡位操作时，离合器压力瞬时冲击严重。
3.2弹簧刚度对动态特性的影响
从压力上升时压力流量特性曲线可知：产生瞬时压力冲击的根本原因是离合器完成注油后，离合器流量产生突变导致瞬时压力冲击，不同弹簧刚度的压力响应曲线如下图。
可以确定进一步加剧瞬时压力冲击的原因，是后退离合器弹簧刚度系数设计不合理，增大离合器弹簧刚度可以有效降低 瞬时压力冲击的峰值 ，且几乎不影响换挡特性。
3.3节流孔Ｒ1对动态特性的影响
当节流孔Ｒ1孔径分别为4、3、2mm时，进行仿真分析，从换挡特性曲线可知：节流孔Ｒ1的大小对换挡特性影响较大，随着节流孔直径的减小，离合器充油时间和升压时间明显加长，从而增加了离合器的调压时间。
节流孔减小，瞬时压力冲击峰值有一定程度的降低，但调压时间超出0.4～1.0s最佳换挡时间后，会牺牲换挡过程整机的平稳性。
节流孔小会导致换挡延迟，随着节流孔的减小，在压力上升阶段会出现流量脉动，导致压力上升阶段出现压力脉动，因此节流孔Ｒ1影响变速控制系统的最大流量需求。
3.4快回阀结构参数对动态特性的影响
改变快回阀遮蔽量x和节流孔a结构参数，进行仿真分析，从换挡特性曲线可知：遮蔽量为0时，能够改善瞬时压力冲击，但会增加调压时间。
为保持换挡特性，需同时加大快回阀节流孔a尺寸，当遮蔽量x=0、快回阀节流孔a的孔径为5mm时，换挡性能最优。
3.5节流孔Ｒ2对动态特性的影响
在方向阀和前进后退离合器之间增加节流孔Ｒ2后进行仿真分析，从换挡特性曲线可知:起调压力冲击进一步降低，尤其是后退挡加节流孔后，压力冲击降低效果明显。
增加节流孔后，由于节流孔的特性，调压时间增加到0.7s左右，在整机最佳换挡时间要求范围内，因此，可以通过在前进后退离合器与方向阀之间设置节流孔的方式，有效改善换挡时的压力冲击。
(1)在SimulationX中搭建变速控制系统的联合仿真模型并进行仿真，结果表明：SD-5液力推土机变速控制系统在进行后退相关挡位操作时存在较严重的压力冲击现象。
(2)造成压力冲击的根本原因是离合器充满油后刚刚进入调压阶段时，流量产生突变导致压力冲击，但进一步加剧压力冲击的是Ｒ挡离合器弹簧刚度过小引起的。
(3)节流孔Ｒ1是影响调压时间的主要因素，对换挡冲击改善不明显;增加节流孔Ｒ2可有效改善换挡时瞬时压力冲击。
(4)改变快回阀的结构参数组合，可有效改善换挡时瞬时压力冲击。
(5)确定了变速控制系统最大流量需求与节流孔Ｒ1的关系，为进一步节能研究提供了参考。
结论
通过研究，我们对液力推土机变速控制系统的特性和性能进行了深入分析和研究，仿真分析的结果为我们提供了关于系统工作特性的详尽信息，同时也为我们提供了改进系统性能的方向和思路。
这对于液力推土机的工作效率提升、能源消耗降低以及工程施工质量的提升具有重要意义，在今后的工程机械设计中，该研究结果可为液力推土机变速控制系统的优化与改进提供参考依据。
参考文献
［1］朱经昌，魏宸官，郑慕侨，等．车辆液力传动(下册)［M］．北京:国防工业出版社，1983．
［2］李壮云．液压元件与系统［M］．3版．北京:机械工业出版社，2011
［3］李春芾，席军强，刘春颖．多片湿式离合器快充油过程影响因素分析与控制［J］．中国机械工程，2019，30(5):513－518．
［4］李会妨，权龙，郝云晓，等．电比例斜盘式恒压柱塞泵的联合仿真与特性研究［J］．液压与气动，2019(9):1－7．