基于FLUENT軟件的農用拖拉機液壓系統布局設計

劉繼英

(包頭鐵道職業技術學院,內蒙古 包頭 014030)

0 引言

隨著農業經濟的發展,農業機械使用工況也更加復雜,而拖拉機形式多樣,不僅需要完成多種復雜工況下的使用,且外界負載也不斷變化,要求其能夠適應多種不同工況和負載的使用要求,因此其變速箱的使用條件也發生較大的變化[1-3]。在不同的使用工況條件下,農用拖拉機變速箱潤滑系統的使用性能,成為制約農用拖拉機適應復雜使用工況的關鍵因素[4]。因此,對農用拖拉機液壓系統進行分析的關鍵是對液壓系統工作過程中的驅動負載參數和動力參數進行分析,由此確定系統內各執行元件的關鍵技術參數,為液壓系統設計方案的原則和液壓元器件的選型設計提供依據[5-6]。

1 農用拖拉機液壓系統分析

農用拖拉機液壓系統設計過程中的關鍵步驟是根據使用工況分析結果確定系統所需的流量和壓力[7],所研究的拖拉機液壓系統為變速箱用潤滑冷卻液壓系統,因此需要確定的關鍵技術參數為變速箱濕式離合器的工作壓力和所需的液壓系統流量[8]。

所研究的農用拖拉機變速箱濕式離合器工作壓力為1.4MPa,在使用過程中要求液壓系統能為濕式離合器提供足夠流量,推動活塞進行快速運動;在濕式離合器即將接合時,要求液壓系統能夠產生足夠大的工作流量,以滿足活塞的運動速度要求[9]。

農用拖拉機變速箱內部結構復雜,潤滑難度較大,飛濺潤滑難以滿足農用拖拉機的潤滑需求[10]。為此,在變速箱內部設計潤滑系統流道,對變速箱內部的零組件進行充分潤滑,避免潤滑不良造成零件失效[11]。液壓系統工作過程中,潤滑油分為PTO左半軸、PTO右半軸及制動器3支進入變速箱內部,對潤滑點群按照潤滑系統就近的原則進行設置。PTO左半軸從主油路開始分為9個潤滑點群,形成9條潤滑支路,分別對齒輪、離合器及軸承等部件進行潤滑;PTO右側半軸從主油路開始分為3個潤滑點群,形成3條潤滑支路,分別對齒輪、離合器及軸承等部件進行潤滑。

液壓系統壓力波動程度可通過壓力波動幅度和標準差兩個指標值進行衡量,則有

農用拖拉機液壓系統運行過程中,油路內存在沿程壓力損失和局部壓力損失,油路總壓力損失可表示為油泵工作壓力與濕式離合器工作壓力差,故農用拖拉機液壓系統壓力效率為

其中,η表示系統壓力效率;Pc表示濕式離合器工作壓力;Pp表示油泵工作壓力。

2 農用拖拉機液壓系統總體設計

對農用拖拉機液壓系統進行設計時,主要包含液壓元器件的選型設計、液壓系統結構設計、系統油路設計及系統工作邏輯原理設計[12]。設計過程步驟按照液壓系統類型選擇、液壓系統基本回路設計和液壓系統組成的順序進行[13]。

液壓系統類型的選擇是進行液壓原理設計的第一步,根據分析所得的液壓系統工作方式和液壓系統散熱方式等基本需求進行系統選擇。在此,結合農用拖拉機液壓系統工作需求,選擇開放式液壓系統。

液壓系統基本回路的設計要充分考慮變速箱濕式離合器的工作性能、運行負載、工作速度及運動形式[14]。液壓基本回路需要能將潤滑油輸送至變速箱工作過程中的各需求點,同時要求滿足一定的質量和經濟性能[15-16]。液壓基本回路首先需確定系統內控制油路和潤滑油路,再進行其他回路的設計選擇。

首先,進行液壓系統主回路設計,再進行其他輔助回路的設計,最后將液壓基本回路、液壓元器件及液壓裝置組成液壓回路;在組合過程中,可根據實際功能需求將部分液壓元器件和液壓裝置進行合并,形成具有較高可靠性的液壓系統,同時要保證系統運行維護簡單[17]。

所設計的農用拖拉機液壓系統在運行過程中要能夠實時進行系統運行狀態監測,故需要在關鍵位置安裝檢測傳感器。根據以上綜合分析,所設計的農用拖拉機液壓系統原理如圖1所示。

圖1 農用拖拉機液壓系統原理圖Fig.1 Schematic diagram of hydraulic system of agricultural tractor

由液壓系統原理圖可以看出:油箱1與油泵2直接連接,并通過第一油路17與蓄能器4相連,同時油泵2與溢流閥22和蓄能器4經過第二油路17連接至濾清器;油箱1能夠為液壓系統提供動力介質,油泵2將液壓油泵出,蓄能器為液壓系統的輔助介質源和緊急動力源,在故障狀態時能夠保證系統處于恒壓狀態;經相應的壓力傳感器與溫度傳感器監測實時傳送至電比例閥進行流量控制。以左側一組液壓系統油路為例,箭頭指示方向表明潤滑油流動,其中電比例閥5輸入端與油路18連接,具有換段功能,通過比例電磁鐵進行控制;同時,濕式離合器與電比例閥之間設有阻尼孔和檢測孔,可用于安裝壓力傳感器,對工作狀態時的流量和壓力進行實時監測。

在冷卻回路中,單向閥16安裝于油路19和油路20之間,當油路19壓力大于單向閥16的背壓值時,油路19中的油液將通過單向閥16流入油路20中,此油路有壓力傳感器用于進行工作狀態時的壓力監測,其他5組潤滑油路與上述工作原理相同。

整個液壓系統,潤滑油路L1用于對農用拖拉機濕式離合器之外的離合器提供油液供給,潤滑油路L2能夠為PTO左半軸離合器、軸承、齒輪及其他旋轉類零部件提供足夠的潤滑油液,潤滑油路L3能夠為PTO右半軸離合器、軸承、齒輪及其他旋轉類零部件提供足夠的潤滑油液,潤滑油路L4能夠為制動器提供足夠的潤滑油液。農業拖拉機液壓系統中的所有油道泄出油液均可通過油路21回流至油箱當中。

3 液壓系統內部流場FLUENT仿真

對農用拖拉機液壓系統流道內流體主要受到質量守恒定律和動量守恒定律的支配,在進行農用拖拉機液壓系統流道內流體仿真時,流體為湍流流動,因此滿足κ-ε控制。

農用拖拉機液壓系統流道內流體質量守恒方程可表示為

其中,ρ表示流體密度;u、v、ω表示速度矢量分量。

κ-ε方程可表示為

其中,Cμ為經驗系數;κ為湍流動能;ε為湍流耗散率。

利用三維結構設計軟件建立農用拖拉機液壓系統流道模型,并導入ANSYS內進行網格劃分,使用FLUENT進行流場仿真分析。設置流道入口流速為5m/s,并按照表1內液壓油技術參數進行流體參數設置,仿真過程中選用K-epsilon模型,采用SIMPLE算法進行仿真求解。圖2所示為農用拖拉機液壓系統流道內壓力云圖,圖3所示為農用拖拉機液壓系統流道平面壓力云圖,圖4所示為農用拖拉機液壓系統流道流線圖。

表1 液壓油關鍵技術參數Table 1 Key technical parameters of hydraulic oil

圖2 流道內壓力云圖Fig.2 Pressure nephogram in flow channel

圖3 流道平面壓力云圖Fig.3 Plane pressure nephogram of runner

圖4 流道流線圖Fig.4 Runner streamline diagram

壓力云圖數據表明:在液壓系統管路內的壓力分布不均勻,入口位置與出口位置有較大的壓力偏差,尤其在流道直角轉彎位置出現較大的壓力損失。由此可以說明,造成拖拉機液壓系統內部壓力損失的主要原因是存在較多的直角彎道。

由液壓系統流道流線仿真結果可以看出:在流道每一個直角轉彎位置均會產生渦流選項,流道直角轉彎位置出現壓力波動,該位置的流體流線稀疏,甚至在渦流中心位置出現空白,表明空白位置的流體流速趨于0。液壓系統內潤滑油流動過程中,在低流速時需要克服較大的粘性阻力,消耗一定的系統能量,造成液壓系統內部壓力損失。

仿真分析結果表明:農用拖拉機液壓系統在設計布局過程中,應盡量減少直角彎道,避免在系統內部產生渦流區域,以有效減少系統流道內的壓力損失,降低液壓系統能耗。

4 結論

農用拖拉機是重型農業機械的主要動力源,隨著農業經濟的發展,提高農用拖拉機的操作舒適性和動力能源經濟性,成為農業機械發展的趨勢。所設計的農用拖拉機液壓潤滑系統能為拖拉機變速箱提供充分的潤滑,改善農用拖拉機變速箱內部的潤滑性能,提高農用拖拉機的經濟性能和動力性能。