0 引 言
沥青混凝土摊铺机作业速度的恒定性及行驶的直线性在很大程度上决定了作业质量的好坏[1]。目前摊铺机作业速度为3~5 m/min[2],而摊铺机设计的最大作业速度一般在12~20 m/min,这样实际上
摊铺机在工程条件下使用速度为设计最大作业速度的1/4~1/6;同样的机型或技术性能参数大致相同
的机型,国外使用的作业速度大都在10 m/min以上。中国相关试验结果表明:压实度随摊铺速度的提
高而降低,摊铺速度在2~6 m/min时,压实度变化比较大,大于6 m/min时,压实度变化很小。摊铺速度对路面平整度的影响:一是在相同的作业条件和路况条件下,速度高,路面平整度好;二是当低速作
业时,变量泵在极小排量下工作,泵的容积效率随工作压力变化特别大,造成作业速度不稳定,导致平整度降低。低速控制仍是目前液压系统研究的主要问题之一。笔者根据中国目前摊铺机的实际情况,对摊铺机的作业速度及液压系统容积效率、机械效率进行了深入的研究,提出了摊铺机合理的作业速度范围以及摊铺机设计改进的途径和方法。
1 变量泵效率计算与分析
变量泵的容积效率ηpv、机械效率ηpt、总效率ηp及摊铺机作业速度v为[3]
式中:Cs为层流泄漏系数,Cs=0.8×10-9;Δp为进出口压差(N/m2);μ为油液动力粘度(N·s/m2);Tc
为与进出口压差和转速无关的扭矩损失(N·m);n为泵转速(r/min);Cf为机械阻力系数,Cf=0.01;β
为排量比(qp/qpmax);Cv为层流阻力系数,Cv=0.2×106;qpmax为变量泵全排量(m3/r);qP为变量泵的排量(m3/r);rk为驱动轮半径(m);i为轮边减速机构的传动比;δH为滑转率;np为变量泵输入转速(r/
min);Cem为马达的外部泄漏系数(m5/N·s);Cep为泵的外部泄漏系数(m5·N-1·s-1);Ct为泵和马达
总泄漏系数之和(m5·N-1·s-1),Ct=Cip+Cim+Cep+Cem,Cip为泵的内部泄漏系数(m5·N-1·s-1),
Cim为马达的内部泄漏系数(m5·N-1·s-1);Pr为低压管道补油压力(常数)(N/m2);qm为马达的排量(m3/r);TL为作用于马达轴上的外负载扭矩(N·m);Bm为马达粘性阻尼系数(N·m·s)。
根据式(1)~(4),且暂时认为马达的效率为百分之百(认为马达在最大排量下工作),假设发动机
转速不变,即泵的转速不变,理论计算现有的二种样机在不同作业速度下变量泵的容积效率,总效率关
系曲线如图1~4所示[1]。
根据多次试验研究得知,随着排量qp的减小,泵容积效率和机械效率一般都降低得很快,其乘积
总效率也显著降低。关于这方面的理论分析虽然很多,但由于泵的效率问题很复杂,结构问题和流体力学等问题交织在一起,影响因素很多,至今还没有一个圆满的效率表达式,一般都是由试验的方法对具体的泵在不同使用条件下实测取得。同样,前述的变量泵效率理论表达式,只适用于估算和分析在各种使用条件下效率的变化趋势及影响因素,准确的效率值必须通过试验取得。尽管如此,这些理论分析式同样有着重要意义,可以通过对效率影响因素的分析,寻找最佳的使用条件,并将这种分析结果用于泵的参数匹配和使用过程的控制中。以上各典型样机的理论曲线图1~4总的趋势与下面给出的有关试验曲线是一致的。图5~7给出了SAUER90系列斜盘式高压柱塞泵提供的特性曲线,结合图1~4进行
分析,可以得出以下结论:
(1)由图5可知在低转速时(小于25%nH),柱塞工作循环周期长,泄漏量大,且补油泵吸油能力差,因而泵的容积效率较低,且随转速增加而增加的梯度很大;当转速增加到中高速范围内(50%nH~100%nH),由于补油充分且泄漏减小,泵的容积效率几乎不变并保持最高值;在中低速转速范围内(25%nH~50%nH)容积效率随转速增加而平缓增加。
(2)如图6所示,在中高速范围(0.5nH~nH)和很宽的压力范围(1/6pH~5/6pH,相当于15%pm~75%pm)内,具有90%以上的总效率值;在0.25nH~nH转速范围及10%pm以上的全部压力范围内具有85%以上的总效率(pm为泵的最高压力,pH为泵的额定压力)。
图5 全排量时泵的效率图6 全排量时泵的效率
(3)如图7所示,在小排量范围内(β<0.25),总效率不高于0.6~0.7,随着排量比增大总效率提高,β达0.5时总效率达0.75以上,β达0.75时,总效率达0.85以上,在全排量时总效率达最大值。
2 马达效率分析
液压马达的容积效率ηmv、机械效率ηmt和总效率ηm表达式如下[3]
ηmv=11+CsΔp/(μn)(5)
ηmt=1-Cf-Cvμn/Δp(6)
ηm=1-Cf-Cvμn/Δp1+CsΔp/(μn)(7)
SAUER公司的90系列斜盘式轴向柱塞马达和51V系列斜轴式轴向柱塞马达的效率曲线见图8~10[3]。图8说明了在低转速时,由于流量小、泄漏比例大、容积效率低,又由于接近静摩擦、阻力大、总效率降低,在中速(50%nH)和中压(50%pm)区域效率最高,在转速比n/nH为0.15~1的范围内几乎在全部压力区域保持0.85以上的高效率。
图9、10说明了在中速中压区效率最高,几乎在所有的压力和转速范围内都有较高效率,与斜盘马
达显著的差别为在启动工况时有较高的效率。
3 结 语
(1)压力对泵效率的影响不明显,在很宽的压力范围内均具有较高效率。因此进行泵工作压力配置时主要从工作寿命(可靠性)和功率利用率角度考虑,并尽量使泵在高效率的压力范围内工作。工程机械的负荷额定压力取0.6pm左右,负荷最高压力为0.8pm左右,负荷最低压力为0.2pm以上。
(2)0.5nH~nH的中高转速区是泵的高效转速区,0.25nH时的总效率比0.5nH时的总效率低2~5个百分点,当转速低于0.25nH以后,随转速降低效率急剧下降。因此泵的正常工作转速应取0.5nH~nH的中高转速区,泵的排量启动转速应不低于0.25nH。在讨论与发动机自动控制的参数匹配时取泵的排量启动转速n0=(1~1.3)nmin,工程机械柴油机的怠转速nmin约为(0.25~0.35)nH,参数配置后一n0>0.3nH,假定泵的额定转速nH与发动机额定转速neH相匹配,这就使泵的排量启动转速也处于较高效率区,从而保证液压传动装置有较大的启动扭矩,车辆有较大的起步牵引力。
(3)液压泵总效率随排量比β增大而增大,因此泵的变化范围最好控制在β=0.5~1.0范围内,以使泵的总效率高于75%;排量比β为0.25~0.50的范围(总效率为0.60~0.75)仅用于车辆要求的特殊的低速工作,而β在0.25以下的区域仅作为起步、加速的过渡过程而不用于正常作业。由此可以说明变量泵的排量在低于其额定排量的1/4时,不但容积效率降低,而且随载荷压力的变化比较大,从而引起速度的波动量增大,进而影响作业质量。
(4)减小排量,马达效率降低,特别是小排量低转速区效率偏低,工作能力变弱。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。对于此,目前摊铺机上几乎都采用双速马达,即摊铺作业时为最大排量,非作业工况时为最小排量。但最大排量时马达也要求有一个最低稳定转速,而这一转速实际使用时受泵的流量和作业速度所限定,研究结果表明:液压马达在这一转速领域工作,其压力脉动量超过40%,抗外载荷干扰能力下降,使速度极不稳定。
(5)对中国典型沥青混凝土摊铺机和稳定土摊铺机做了相关参数的校验,大都在3 m/min左右速度下作业,有个别机型液压马达工作在邻近低速非稳定状态,而变量泵排量绝大部分都工作在最大排量的1/4左右,甚至更低,在这种情况下,液压系统的工作效率极差,同时液压系统也不稳定。因此,要么增大液压马达减速比或改变液压系统配置从设计上降低摊铺机最高作业速度;要么改变作业环境和条件,提高摊铺作业速度,以使机器工作在液压系统比较稳定和效率比较高的区域。恰恰这一不合理的
实际作业速度成为影响目前施工作业质量的一个根本原因,而试图从控制上完全解决这一不稳定问题
显然是十分困难的,系统匹配也是不合理的。
