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缓冲阀的工作原理及其在推耙机中的应用

日期:2019-07-29 

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推耙机与推土机相比,除了具有短距离铲运、填充、平整等功能外,还具有利用其工作装置向后耙运货物的作用,尤其是在清理船舱散货、电厂清理整修等场合优势更加明显,因此广泛应用于大中型货运码头[1]。


推耙机的工况比较恶劣,具有作业空间狭小、换挡频繁、负载大、冲击强等特点,特别是在船舱内清理矿石、化肥、水泥、粮食等散装物品时空间狭小,需要的车速比较缓慢。如果使用传统的推土机动力换挡变速箱的变速阀,缓冲性差,冲击力大,不仅会造成发动机经常熄火,影响作业效率,同时影响传动部件的使用寿命。


为解决这一问题,对传统的变速阀的结构进行优化设计,在变速阀和换向阀之间,增加起缓冲作用的控制阀。该阀通过连杆机构与缓冲脚踏板相连,便于驾驶员操作。在缓冲阀的控制作用下,推耙机能实现在特殊工况下缓慢移动,减少振动和冲击。


1问题描述


1.1变速箱换挡形式


工程机械变速箱按照换挡方式分为机械换挡、动力换挡、电控换挡、复合式换挡等四种形式[2]。机械换挡变速箱优点是传动效率高、生产成本低,缺点是操作劳动强度大,冲击性大,驾驶员容易疲劳;电控换挡变速箱的优点是操作简便,自动化程度高,缺点是稳定性和可靠性相对较差,维修和维护专业性强。动力换挡变速箱兼具两者的优点,因此在工程机械传动系统中应用广泛[3]。


1.2主要问题点


动力换挡变速箱在实际使用中并不是适应所有的场合,其使用场合具有一定的局限性。大马力工程机械传动系统中主要包括发动机、变矩器、变速箱、中央传动、终传动等部分,变矩器主要起到缓冲的作用,减少换挡时的冲击,避免传动部件内部零件的损伤。


小马力工程机械的传动系统主要包括发动机、减震器、变速箱、中央传动、终传动等部分,减震器主要起到减缓发动机振动的作用,与变矩器相比较,与发动机的匹配性、适应性差。特别是在空间狭小、路面起伏大等条件下,容易造成发动机熄火,换挡冲击大,在一定程度上影响传动部件的使用寿命。


2推耙机传动系统


2.1传动系统方案


小马力推耙机的传动系统如图1所示,主要包括发动机1、减震器2、万向节3、变速箱4、中央传动5、转向制动部分6、终传动7、行走装置8等部分组成。动力换挡变速箱的输入端与万向节相连,输出端通过锥盆齿与终传动相连,主要作用是变速、换向作用。

1-发动机2-减震器3-万向节4-变速箱5-中央传动6-转向制动部分7-终传动8-行走装置

图1小马力推耙机的传动系统图


2.2缓冲阀的作用


缓冲阀为三位三通液压阀,安装在换挡阀和换向阀油路之间,实现对进入换向阀油路的压力控制。


(1)当缓冲阀完全开启时,液压油不能流入换向阀,液压油进入变速箱方向离合器油路切断,方向离合器排分离,变速箱输入与输出端动力传递被切断,机器停止行驶;


(2)当缓冲阀半开位置时,液压油间断流入换向阀内,使方向离合器处于半结合状态,机器可缓慢移动;


(3)当缓冲阀闭合时,进入方向阀的压力为正常工作时的系统压力,方向离合器排处于结合状态。机器正常行驶。


3方案实施与应用


3.1安装位置


缓冲阀1安装在变速阀3和换向阀2之间,共同组成组合阀,如图2所示。缓冲阀阀杆与变速、换向的阀杆方向正好相反,它通过连杆机构与驾驶室内的缓进踏板相连接,便于驾驶员操纵。

1-缓冲阀2-换向阀3-变速阀

图2组合阀的结构组成


3.2液压原理图


缓冲阀与变速阀、换挡阀共同组成组合阀,通过螺栓安装在动力换挡变速箱的箱体上。组合阀的液压原理图如图3所示。

图3组合阀液压原理图


来自变速泵的液压油经粗滤器、精滤器后,进入调节阀调定压力至1.9~2.1MPa范围内,然后通过组合阀分两支路,一路进入变速阀,变速阀为三位六通阀,控制不同档位离合器的结合与分离。另一路液压油进入缓冲阀,缓冲阀为三位三通阀,经缓冲阀的进入换向阀。在不同的工况下,驾驶员通过踩缓进踏板,控制缓冲阀的阀杆伸出长度。当缓冲阀完全开启时,液压油不能进入换向阀,换向离合器中没有压力油,摩擦片和垫板处于分离状态,变速箱的输出端无动力输出;当缓冲阀处于中间位置时,液压油间歇性的流入换向阀内,进入换向离合器的压力油低于正常的压力,此时方向离合器处于半结合联动状态,推土机可低速缓慢的移动。


3.3结构组成


缓冲阀的结构组成如图4所示,主要包括图中件1~13部分组成。来自变速阀的液压油经进油口A进入缓冲阀,油道孔B为缓冲阀的出油口,液压油经缓冲阀调节作用后进入换向阀。油道孔C和油道孔D为泄油孔,与变速箱箱体相通,主要起到泄油的作用。

1-阀杆2-油封3-阀套4-阀体5-弹簧座6-弹簧7-定位杆8-弹簧9-阀芯10-小阀芯11-小弹簧12-阀芯13-调整螺塞

图4缓冲阀的结构组成


由图4可知,阀芯9在阀杆1的操纵作用下,在阀体4的安装孔中处于不同的位置,从而控制油道孔A、B的通断及油道孔C、D的泄油。阀杆1为操纵杆,与缓进踏板的连杆机构相连接,用以操纵缓冲阀。阀套3安装在阀体4的内孔中,其外径与内孔之间安装O形圈密封,内孔与阀杆之间安装骨架油封2,阀套3的右端内孔中安装弹簧座5。弹簧定位杆7的左端安装弹簧6,右端安装弹簧8。弹簧6安装在弹簧座5的内孔中,弹簧8安装在阀芯9的内孔中。小阀芯10和小阀芯12由小弹簧11连接,安装在阀芯9右端的内孔中,小阀芯12的右端与13调整螺塞连接,螺塞13起到密封作用和微调弹簧压力的作用。


3.4工作原理


以“前进一档”为例,说明缓冲阀的工作过程:


1)闭合状态,前进离合器完全接合


阀杆1初始位置为伸出最短时,进油口A和出油口B之间的油路打开。液压油有经调节阀调定压力后进入换挡阀和缓冲阀的进油口A,此时缓冲阀处于闭合状态,液压油由进油口A流入,从出油口B流出进入换向阀,泄油口C和D在阀芯9的作用下,处于闭合状态。液压油经换向阀前进档工作位进入前进离合器排。在这种状态下,液压有的压力为系统压力1.9~2.1MPa[5],前进排离合器处于结合状态,推耙机前进一档正常工作状态。


2)节流状态,前进离合器半结合


当向外拉缓冲阀的阀杆1时,阀套5和阀芯9的间距变大,弹簧6和弹簧8的压缩量变小,所受的压力相应的变小,阀芯9受到的向右的弹力变小。阀芯9受到的压力失去平衡,在弹簧11和油口B通过节流口小阀芯10产生的压力的作用下,阀芯9向左边移动。当阀芯9移动一定行程后,从油口A到油口B的油路关闭,压力下降,缓冲阀芯9在左侧弹簧的作用下向右移动,油口A和油口B的油路打开,重新进油,这个过程反复进行,直到阀芯受到的压力平衡,压力稳定。此时,前进离合器处于半结合状态。阀杆1继续向外伸出时,压力值继续降低,阀芯9在弹簧及节流口进入的压力作用下,对应位置有一个平衡点,前进离合器处于半结合状态。


3)缓冲阀完全开启,前进离合器分离


驾驶员继续踩缓冲踏板,阀杆1继续向外伸出,阀芯9继续向左移动,弹簧6和弹簧8压缩量继续减少,收到的压力负荷继续变小,直到与弹簧11平衡。此时阀芯9不再向左移动,油口A和油口B之间的油路关闭。油口B的液压油逐渐由泄油孔排出,前进离合器的作用油压下降为0。当缓冲阀杆1完全拉出后,阀芯9到向左的最大行程,弹簧6和弹簧8没有压缩量,阀芯9不承受向右的弹力,在弹簧11、小阀芯10和阀芯12的作用下阀芯9向左移动直到平衡。此时,油道孔A、油道孔B的液压油经泄油孔C、D排出至变速箱箱体。前进离合器处于完全分离状态


4离合器结构组成及工作原理


4.1结构组成


动力换挡变速箱的离合器结构组成如图5所示,主要包括油缸体1、活塞3、密封环2、摩擦片4、垫板5等几部分组成。方向离合器为常开式离合器,在复位弹簧的作用下,摩擦片和垫板处于分离状态,不传递转速和动力[4-7]。

1-油缸体2-密封环3-活塞4-摩擦片5-垫板

图5离合器结构局部视图


4.2工作原理


为了适应不同的工况,驾驶员通过脚踩缓进踏板,来控制缓冲阀的阀杆伸出长度,从而控制通过换向阀进入方向离合器排的液压油压力,实现离合器排的分离和结合。


以前进离合器排为例,对应缓冲阀的不同工作状态,前进离合器相应的存在三种不同的工作状态:


1)离合器结合状态


缓冲阀的初始位置即阀杆伸出最短时,缓冲阀处于闭合状态,进入油缸体的液压油压力为系统压力,液压油推动活塞向右移动一定行程,将摩擦片和垫板压紧,在摩擦力的作用下,摩擦片和垫板结合在一块,离合器处于结合状态。


2)离合器半结合状态


当机器需要缓慢行进时,驾驶员轻轻踏下缓进踏板,缓冲阀处于半开启状态,进入前进离合器的液压油压力低于系统压力,在离合器内液压油的压力推动活塞向右运动一定行程[6]。液压油的压力一部分克服活塞复位弹簧的弹力,另一部分将摩擦片和垫板压紧,由于半开启时液压油压力低于系统压力,摩擦片和垫板因承受的轴向压力低,在摩擦系数一定的条件下,摩擦片和垫板承受的摩擦力小而发生相对滑动,此时,离合器处于半结合状态,机器缓慢移动。


3)离合器分离状态


阀杆伸出最长时,缓冲阀处于开启状态,前进离合器内的液压油通过泄油孔泄入变速箱箱体,活塞在复位弹簧的作用下向左运动,摩擦片和垫板因不承受轴向压力而失去摩擦力。此时,前进离合器处于分离状态,变速箱输入和输出动力切断,机器停止移动。


5结论


缓冲阀应用到动力换挡变速箱上,实现了小马力的推耙机在特殊工况下缓慢行进的需求,满足了客户的不同需求,具有广阔的市场前景,具有十分重要的应用价值和经济意义。动力换挡变速箱安装缓冲阀,主要优点:


(1)缓冲阀的安装使小型推耙机更能适应在船舱、煤场等狭小空间作业,适应有缓进需求的工况;


(2)缓冲阀半开启状态时,方向离合器处于半结合状态,在工作或行走突然受到冲击载荷时,能有效地减少冲击和振动,防止发动机熄火;


(3)缓冲阀的阀杆通过连杆机构与驾驶室内的缓进踏板相连接,便于驾驶员操作;


(4)缓冲阀与变速阀、换挡阀设计在一块,结构合理,加工简单,易于安装,生产成本低。


参考文献


[1]郭嘉,吴飞.何朝辉.高压多级离心泵口环密封动力学性能研究[J].机电工程,2015,(2).


[2]李若国.动力换档液力变速器:中国,ZL201220735817.X[P].2013-07-10.


[3]张红亮.湿式双离合器自动变速器液压控制系统分析与优化[D].长春:吉林大学,2014:36-37.


[4]明仁雄,等.动力换档控制阀故障分析及排除[J].液压气动与密封,2001,(3):42-43.


[5]刘向东.正确选用压力表的方法[J].液压气动与密封,2006,(3):25-25.


[6]赵虹辉.浅析液压缸活塞杆密封泄漏的原因及改进方法[J].液压气动与密封,2006,(4):22-24.


[7]徐荣滨.多盘摩擦式液压制动器的设计计算[J].液压气动与密封,2009,(3):20-31.


[8]夏远志,明廷锋,苏永生,等.离心泵空化现象的模拟试验研究[J].机电工程,2015,(11).


[9]金丹,季有昌,金山.推耙机的设计研究[J].工程机械,2013,(11):9-10.


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