大型矿用自卸车静液压传动系统

第3章 静液压驱动系统的设计第1章 绪论11 大型矿用电动轮自卸车的现状及发展自1963年由美国Unit-Rig公司G.E公司合作研制出世界上第一台装载质量问77t矿用电动轮自卸车以来，经过多年的不断完善和大量新技术、新材料、新工艺的采用，重型矿用电动轮自卸车作为汽车中的新品种已发展成熟，已经有108t、154t、170t、280t等多个系列。它是目前过内外大型露天矿普通采用的高效运输设备，已占有大份额市场。国内矿用电动轮自卸车在我国大型露天矿山的使用始于70年代中期，使用单位主要分布在煤炭、冶金等行业，其装载质量主要为108t和154t两种。国外生产重型矿用自卸车的主要厂家有：小松矿用设备公司、尤克里德-日产公司、卡特彼勒、利勃海尔公司等，其共同特点是：车型全系列、部件专业化、有完整的配套体系。我国重型矿用电动轮自卸车的生产厂商主要有三家：湘潭电机厂、本溪重型汽车厂和常州冶金机械厂。湘潭电机厂生产的自卸车经过不断改进和完善，吸收国外技术的基础上已经形成了几个系列，辽宁本溪重型汽车厂由于多种原因现已停产，江苏常州冶金机械厂主要与美国Unit-Rig公司合作生产Mark-36型154t矿用电动轮自卸车。目前重型矿用电动轮自卸车驱动的传动方式都是采用交-直流传动，由柴油机带动发电机发出三相中频交流电，经外部整流装置整流变成直流电后输往汽车后桥两侧的直流牵引电机，以驱动汽车行驶。举升和转向采用液压系统，有两种形式：常流式和常压式，转向系统均采用动力转向，举升系统才采用侧置式双缸三级双作用油缸外置于车架两侧。电传动系统是由发电机、牵引电机、和电控制三大部分组成，其主要满足恒功控制的要求。驱动形式通常都采用42后轴驱动。重型矿用电动轮自卸车的发展趋势主要是三点： 1. 大型化。促使矿用电动轮自卸车朝大型化方向发展的动因主要有两个：一是大型露天矿山开采的需要，二是大型机械传动自卸车的发展。随着大型矿山的发展和开采运输量的增大，为了提高运输效率、降低成本，许多大型矿山都倾向于采用大吨位矿用自卸车，这促使许多制造厂家相继研制开发出大吨位矿用电动轮自卸车一满足矿山用户的需要。高速发展的电子技术、控制技术和新型电子元器件的出现、大功率车用柴油机的问世、高负荷大型轮胎材料的研制成功及相关技术的解决和发展又为矿用电动轮自卸车的大型化铺平了道路。因此，矿用电动轮自卸车的大型化已经成为许多制造厂家为开拓市场吸引更多客户而普遍采用的一种竞争策略。2计算机控制和大量新的电控元器件的使用。80年代中后期开始，计算机控制技术已经逐步用于矿用电动轮自卸车的车速自动调节、柴油机燃油喷射及整车的故障分析诊断等领域。随着计算机技术、通信技术、传感器技术等的进一步发展，计算机控制技术将在矿用电动轮自卸车的许多方面得到应用，从而减轻驾驶员和矿山维护人员的劳动强度，提高电动轮自卸车的自动化程度和劳动生产率，使其性能和工作可靠性将得到进一步的提高。随着交流变频调速技术的发展和大功率逆变器的问世，重型矿用电动轮自卸车已开始采用交-交传动。3整车性能和工作可靠性进一步提高。目前国内外许多厂家已将大量先进的设计方法和成熟的分析软件应用在矿用电动轮自卸车的前后桥悬架系统、车架、后桥壳等关键零部件的结构设计及应力分析中，以提高整车的工作可靠性、操纵稳定性及整车使用寿命。4采用双能源作动力。重型电动轮自卸车采用辅助架线供电和本身柴油发动机作为双能源运行也是一个值得关注的新趋向。双能源矿用自卸车的出现既解决了矿用电动轮自卸车重载上坡时柴油发动机动力不足、车速慢等问题，又节约了能源，降低了柴油机废气的排放，利于环境保护。但是电动轮自卸车有体积庞大、重量大、故障率高、维修次数多等缺点，因此，结合现代传动技术的发展，探索一种矿用自卸车新的传动方法是必要的。12 现代液压技术的发展液压技术是实现现代化传动与控制的关键技术之一，世界各国对液压工业的发展都给予很大重视。世界液压元件的总销售额为350亿美元。据统计，世界各主要国家液压工业销售额占机械工业产值的2%3.5%，而我国只占1%左右，这充分说明我国液压技术使用率较低，努力扩大其应用领域，将有广阔的发展前景。液压技术具有独特的优点，如:液压技术具有功率重量比大，体积小，频响高，压力、流量可控性好，可柔性传送动力，易实现直线运动，并易与微电子、电气技术相结合，形成自动控制系统等优点。因此，液压技术广泛用于国民经济各部门。但是近年来，液压技术面临与机械传动和电气传动的竞争，如：数控机床、中小型塑机已采用电控伺服系统取代或部分取代液压传动。其主要原因是液压技术存在渗漏、维护性差等缺点。为此，努力发挥液压技术的优点，克服缺点，注意和电子技术相结合，不断扩大应用领域，同时降低能耗，提高效率，适应环保需求，提高可靠性，这些都是液压技术继续努力的永恒目标，也是液压产品参与市场竞争取胜的关键。为了和最新技术的发展保持同步，液压技术必须不断发展，不断提高和改进元件和系统的性能，以满足日益变化的市场需求。这是液压技术的创新特征，液压技术的不断发展体现在如下一些比较重要的特征上：一、提高元件性能，创制新元件，体积不断缩小。为了能在尽可能小的空间里传递尽可能大功率，液压元件的结构不断地在向小型化发展。市场上出现了一种新型的被称为“肌腱”的执行元件。它的形状像一根两端有接头的软管，把它接入系统使用时，它的径向和轴向都会发生伸缩，轴向的伸缩量可达其总长的15%-30%。在相同条件下，它的作用力是普通汽缸的10倍。这种元件抗污染，运动时不会生抖动，在有些场合还可用它的径向膨胀去夹持工件等，是一种极有应用前景的元件，而微型元件也得到发展，如活塞直径小到2.5mm的汽缸，10mm宽的气阀以及相关的辅助元件已成为系列化产品。由于这些元件能在0.2-0.7Mpa压力下工作，所以可被方便地集成到标准的系统中。新小型阀，在流量相同时，它的体积仅是过去的7%。这些小，微型的元件已被应用于精密机械加工，电子工业，制药工业，食品加工和包装技术等场合。二、高度的组合化，集成化和模块化。液压系统由管式配置经板式配置，箱式配置，集成块式配置发展到叠加式配置，插装式配置，使连接的通道越来越短。也出现了一些组合集成件，如把液压泵和压力阀作成一体，把压力阀插装在液压泵的壳体内，把液压缸和换向阀作成一体，只需接一条高压管与液压泵相连，一条回油管与油箱相连，就可以构成一个液压系统。这种组合件不但结构紧凑，工作可靠，而且简便，也容易维护保养。三、与微电子结合，走向智能化。液压技术从本世纪70年代中期起就开始和微电子工业接触，并相互结合。在迄今30多年时间内，结合层次不断提高，由简单拼装，分散混合到总体组合，出现了多种形式的独立产品如数字液压泵，数字阀，数字液压缸等，其中的高级形式已发展到把编了程的芯片和液压控制元件，液压执行元件或能源装置，检测反馈装置，数模转换装置，集成电路等汇成一体，这种汇在一起的联结体只要一收到微处理机或微型计算机处送来的信息，就能实现预先规定的任务。液压技术的智能化阶段虽然开始不久，但是从它的星星点点实践成功的事例来看，成果已非常诱人。液压技术在与微电子技术紧密结合后，在微型计算机或微处理机的控制下，可以进一步拓宽它的应用领域，形形式式机器人和智能元件的使用不过是它最常见的例子而已。现在国外已在着手开发多种行业能通用的智能组合硬件，它们只需配上适当的软件就可以在不同的行业中完成不同任务。这样一来，用户的主要技术工作将只是挑选，改编或自编计算程序了。综上所述可以看到，液压元件将向高性能、高质量、高可靠性、系统成套方向发展；向低能耗、低噪声、低振动、无泄漏以及污染控制、应用水基介质等适应环保要求方向发展；开发高集成化高功率密度、智能化、机电一体化以及轻小型微型液压元件；积极采用新工艺、新材料和电子、传感等高新技术。液压工业在国民经济中的作用实在很大，它常常可以用来作为衡量一个国家工业水平的重要标志之一。与世界上主要的工业国家相比，我国的液压工业还是比较落后的，标准化的工作有待于继续做好，优质化的工作须形成声势，智能化的工作则刚刚在准备起步，为此必须急起直追，才能迎头赶上。可以预见，为满足国民经济发展需要，液压技术也将继续获得飞速的发展，它在各个工业部门中的应用越来越广泛。13 大型矿用自卸车用静液压驱动的可行性与优越性与车辆的其它系统相比，行走驱动系统不仅需要传输更大的功率，要求器件具有更高的效率和更长的寿命，还希望在变速调速、差速、改变输出轴旋转方向及反向传输动力等方面具有良好的能力。于是，采用何种传动方式，如何更好地满足各种车辆行走驱动的需要，一直是车辆研究和使用所要面对的课题。尤其是近年来，随着我国交通、能源等基础设施建设进程的快速发展，矿山开发规模将不断扩大，大型矿用自卸车在市场需求大大增强的同时，更面临着作业环境更为苛刻、工况条件更为复杂等所带来的挑战，也进一步推动着对其行走驱动系统的深入研究。静液压传动技术在国内应用始于上世纪80年代，主要应用于联合收割机、叉车、市政工程机械等。它是伴随着液压传动技术与元件制造技术的快速发展而成长起来的先进传动方式，由于具有传递效率高，可进行恒功率输出控制，功率利用充分，系统结构简单，输出转速无级调速，可正、反向运转，速度刚性大，动作实现容易等突出优点，其在各种车辆的系统中已经得到了广泛的应用，其优异的微动性能，使驾驶员能够更加准确定位。 静液压传动装置以液压泵和液压马达为主组成，附加各种变量控制单元和传动元件（减速器或变速箱），成为一种无级变速的传动装置。静液压传动与现在重型矿用自卸车上采用的交-直流传动和交-交传动相比，具有以下优点：1.实现无级变速更加方便，且调速平稳、均匀、准确、加速性能好，调速性能更可靠，换向方便。2.发动机在任一调定转速下工作，传动系统都能发挥出较大的牵引力。在静态启动时对应与大的阻力矩，能迅速建立起相应大的工作压力，从而获得大的启动力矩。通过液压泵和液压马达的变排量可以保证很好的低速运行工况。3.传动系统能在很宽的输出转速范围内保持较高的效率。4.行走功率和作业装置功率可以合理匹配，使发动机功率充分利用。5.液压泵和液压马达的位置布置比较灵活。6.能够较大地减轻矿用自卸车的自重，提高矿山运输能力和运输效率。7.液压泵和液压马达都容易采用电比例变量控制，微机技术的飞速发展，使二者很好的结合，实现智能化控制。8.在矿山开发和运输作业环境苛刻、工况条件复杂的情况下，静液压传动比交-直流传动和交-交传动有更高的可靠性。车辆合理运用静液压驱动装置，能改善机构性能，提高生产效率，节省能量消耗，使机器的品质上升到一个新的阶段。借助电子技术与静液压传动技术的结合，可以很方便地实现对液压系统的各种调节和控制。而计算机控制的引入和各类传感元件的应用，更极大地扩展了液压元件的工作范围。通过传感器监测工程车辆各种状态参数，经过计算机运算输出控制目标指令，使车辆在整个工作范围内实现自动化控制，机器的燃料经济性、动力性、作业生产率均达到最佳值。因此，采用静液压传动可使车辆易于实现智能化、节能化和环保化，而这已成为当前和未来重型车辆的发展趋势。随着静液压传动技术的发展和所用元件的完善，在重型矿用自卸车上采用静液压传动装置很有可能成为一种新的发展和趋势，有很广泛的市场潜力。14 本设计的任务和目标 通过对湘潭电机厂生产的108t大型自卸车相关参数的分析，结合实际将其驱动型式改为静液压驱动，设计出较为合理的静液压驱动系统，并对液压系统的牵引特性进行分析、计算和对各个参数的校核，同时设计其转向系统和举升系统，对其原来的系统一定程度上进行改进。所做的设计和改进力求做到更好，但由于水平有限，肯定存在不少问题和漏洞，希望在以后的求知过程中能进一步完善。第2章 主要技术参数及对液压系统的要求21 主要技术参数主要技术参数是车辆已知参数设计所必须满足的车辆技术性能，大型矿用自卸车各参数如下：最大载重量：108t 车辆自重：85t车厢重量：19t 最高行驶速度：50km/h最大爬坡度：17% 卸料举升时间： 20 s轮边减速器传动比：2735液压系统压力： 行走驱动系统： 33MPa 举升系统： 25MPa 转向系统： 20MPa22 主机对液压系统的要求重型矿用自卸车在矿山条件下工作，工作条件比较恶劣，而且主机经常处于经常处于起制动状态，外负载和冲击很大，同时，希望自卸车的生产率尽可能大，因而液压系统应满足以下几方面要求：1要保证液压系统有足够的可靠性。由于自卸车载重量大而且运行速度又比较高，所以对液压系统可靠性要求要高。选择元件时要选择可靠、耐冲击、抗污染能力强的液压元件，要尽量减少系统的发热，主机连续工作油温一般不能超过80，自卸车属于行走机械，故油箱不能太大，因此要设置冷却器。2因举升卸料时车辆不转向，转向时不卸料，所以举升和转向系统无需保证同时工作，因此为简化系统、充分利用泵和发动机的功率，可设置合流措施。3系统要能同时满足低速大扭矩牵引和高速行驶要求。4各装置的液压缸和液压马达要有良好的过载保护措施，工作装置液压缸和行走驱动液压马达回路为防止重力超速，需要限速措施。5为保证液压系统工作的可靠性和元件的寿命，必须保证液压油的清洁度，因此要设置可靠、高效滤油装置。第3章 静液压驱动系统的设计31 车辆行走机构对液压传动系统的要求大型自卸车作业时牵引力和车速的变化范围大，并且变化急剧、频繁、工作条件苛刻，因而对液压传动装置的要求是：1应采用精心设计的“背靠背”传动装置，以及泵和马达之间采用尽量短的管路连接，在素的和转矩较宽的范围内能够获得总效率的85%以上，把发动机的功率充分利用与速度和牵引力的宽范围内。2能利用传动系统本身精心可靠地制动。3对两侧驱动车轮采用独立的传动系统，以滑移方式转向。4结构简单，液压元件要耐久、可靠。32 液压驱动系统的型式3.2.1 容积调速系统依据工程机械，其液压驱动系统的变速装置是利用改变液压泵或液压马达的排量来实现调速的，称为容积调速回路。由于这种调速系统具有较高的效率，所以是广泛使用的液压调速系统。图一所示是由双向变量泵和变量马达组成的容积调速系统。当调节变量泵1和变量马达的斜盘倾角，可改变其输出流量，从而获得不同的马达转速；改变斜盘方向可改变油流方向，使马达的旋转方向相应地得到改变。辅助泵3用以向系统补油，并起冷却作用，其压力由溢流阀7调定。回路中有两个补油阀4，梭阀6在主油路高压控制下与常开式的溢流阀8接通，因此，工作中总有一部分油通过溢流阀8流回油箱，以便冷却油液。主回路中两个安全阀5保护系统不致破坏。图3.1 变量泵-变量马达调速系统3.2.2 功率分流液压调速系统功率分流液压调速系统又称双功率流传动装置。由液压泵和液压马达组成的单纯的液压调速系统随着传递动力的增加使其容量过大，这样其传动效率有所降低，因此出现了把行星差动轮系与液压调速装置组合起来的功率分流液压调速系统。它将动力分成两路平行传递，一路通过行星齿轮传递，另一路为液压传动。在功率分流传动中，液压系统主要起调速作用，机械系统主要用来传递动力。虽然该调速系统有效地利用了液压传动的优点，又保持了齿轮传动的优越性，但其结构复杂、制造成本高，只适用于大功率的车辆上。33 行走驱动系统性能的主要参数决定驱动行走系统性能的主要技术参数有：行驶驱动功率、牵引力、车速、最大爬坡度等。1牵引力F对于运输车辆来说，牵引力大意味着载重量大，爬坡和加速性能好，因而可以降低劳动强度，提高生产率。牵引力受附着条件限制，牵引力的值应与机械的附着条件相适应，并且使之与行走机构的额定滑转率一致，以获得较好的经济效果。将全滑转情况下的牵引力的最大值定义为最大牵引力或附着力，公式如下： （3-1）式中：F最大牵引力 附着系数 附着重量不同的车辆的取值范围也不同。车辆的牵引力正常工况下要小于其附着力，否则轮胎发生滑转，将使发动机功率严重损失，加剧轮胎的磨损。2行驶速度对于运输机械来说，车速对生产率有很大影响，它既要适应在工地作业的要求，又要保证一定的运输效率。采用液压驱动能满足变化范围要求，也能使发动机功率很好地利用，操纵简单方便，有利于生产率的提高。对于大型矿用自卸车，最高车速一般不超过58km/h。3爬坡能力载重运输车辆在爬坡时的外部阻力取决于爬破度，外部阻力包括滚动阻力和坡道阻力。滚动阻力： （3-2） 式中：G 车辆载重总重量 车辆滚动阻力系数 爬坡角坡道阻力： （3-3）则运输工况的爬坡能力,即驱动力： （3-4）4驱动行驶驱动功率运输车辆的行驶驱动功率可按下式计算 kW (3-5)式中：牵引力，N 车辆的运行速度，km/h 传动效率，一般取0.834 静液压驱动系统方案的确定明确了主机对液压系统的性能要求，对大型矿用自卸车和液压系统资料进行分析和研究，并根据实际情况，进行方案分析比较，按照可靠性、经济性，并尽量采用先进技术，最终选择最优方案。3.4.1 液压驱动系统的型式根据不同的分类方法，液压系统型式主要有：开式系统和闭式系统，定量系统和变量系统，容积调速系统、节流调速系统和容积节流调速系统等。l 开式、闭式系统开式系统是指液压泵从液压油箱吸油，通过换向阀给液压马达或液压缸供油以驱动工作机构运动，液压马达或液压缸的回油再经换向阀流回液压油箱，为保证系统安全，设置安全阀。这种系统结构形式较简单，系统自备油箱，油箱可同时起到散热、沉淀杂质的作用。但由于油液与空气接触，容易使空气溶于液压油而进入系统，导致工作机构工作不平稳及其他不良后果。开式系统可采用定量泵，也可以采用变量泵，对自吸能力较差的液压泵，其工作转速限制在额定转速的75%以内，或增加一个辅助泵，以提高液压泵的自吸能力和避免出现吸空现象。闭式系统中，液压泵的吸油管直接与执行元件的回油管相连，液压油在系统的管路中封闭循环（如图3.1）。闭式系统结构紧凑，泵的自吸能力好，系统与空气不接触，而避免了出现吸空现象，工作机构运动平稳。采用变量泵来避免出现液压冲击和能量损失。闭式系统结构复杂，自身不备油箱，油液的散热和过滤条件较开十系统差。为补偿系统中的泄露，通常要辅设一个小容量的补油泵，向系统补油并冷却油液，多余的流量通过主泵和马达壳体流回油箱。闭式系统有如下优点：（1）主泵排量发生变化时补油系统能保证容积式传动的响应，提高系统的动作频率，同时还能增加主泵进油口的压力，防止大流量时产生气蚀，提高泵的工作转速和传动装置的功率密度，另外，油液经过滤后进入系统且与外界接触少，从而提高了液压系统的可靠性和使用寿命。补油泵还能方便地为系统中某些低压工作的辅助机构和制动器提供动力。（2）闭式系统仅有少量的补油流量从油箱吸取，油箱小，便于行走车辆布置，吸油、回油流动损失小，系统效率较开式系统高。（3）系统存在背压且对称工作，柱塞泵 、马达具有很高的容积效率，其内部泄露随压力变化很小，因而闭式系统能平稳地从正转通过零点向反转过渡并能在任意方向实行全液压自动操作，并能保证输出轴具有足够的刚性，在负荷大小和方向变化时平稳工作。闭式系统的上述特点使它特别适应负荷变化剧烈、前进、倒退、制动频繁的行走机械，以及速度要求严格控制的作业机械，因此，对行走机械有着特别的意义。大型矿用自卸车在矿山环境下工作条件苛刻，要求经常正反向行走，制动频繁，负载经常变化，因此确定大型矿用自卸车行走驱动液压传动装置的泵和马达采用闭式回路方式。l 定量、变量系统定量系统采用的液压泵为定量齿轮泵、叶片泵或者固定斜盘的柱塞泵，当发动机转速一定时，流量也一定，而压力是根据工作循环中需要克服的最大阻力确定的液压系统的压力取决于外负载，因此，其泵的特性硬，负荷小时不能提高作业速度，功率得不到充分利用。为满足作业要求，定量系统的发动机功率要根据最大外负载和作业速度来确定。定量系统中泵的成本低，速度平稳，简单可靠，价格低廉，耐冲击性能好，油液冷却充分但效率较低。采用变量泵或变量马达的液压系统为变量系统，系统效率高，调速范围大，能输出恒定的转矩或功率，且不需要很大的油箱。变量系统具有以下特点：（1）作业速度与作业力之间可以自动调节，变量泵在变量范围内功率基本保持恒定，随着外负载的变化，液压泵的输出流量相应地变化，外负载小时，可以减小作业力，增大流量，以增大作业速度，提高生产率，外负载大时，可以增大作业力，降低作业速度，克服大负载。（2）液压泵经常在满负荷状态工作，发动机功率利用比较充分。（3）变量系统元件较复杂，成本也高，油液发热较大。基于变量系统的以上特点，现代大型工程车辆的液压驱动系统都采用变量系统，从而实现恒功率或恒转矩控制，提高作业效率。大型矿用自卸车功率大，要求运输效率要高，发动机功率应得到充分发挥，因此选用变量系统。l 容积调速系统、节流调速系统和容积节流调速系统节流调速是在系统中安装节流阀，通过节流阀对进入执行元件的流量连续调节而实现无级调速，按节流阀安装位置的不同有进油节流调速、回油节流调速和旁路节流调速以及以上三种任意组合的复合调速。容积调速是用变量泵供油，通过改变回路中变量泵或变量马达的排量来调节执行元件的运动速度的。这种回路中，液压泵输出的油液直接进入执行元件，没有溢流损失和节流损失，而且工作压力随负载变化，因此效率较高，发热少，能量利用合理。容积节流调速是利用压力补偿使变量泵供油、用流量控制元件确定进入执行元件的流量来调节其速度，并使变量泵的输出油量自动与执行元件所需流量相适应。这种调速回路没有溢流损失，效率较高，速度稳定性好。大型矿用自卸车运行速度高，对速度的稳定性要求较低，外负载变化大，要求的调速范围大，运行功率大，故选用容积调速系统。行走机械的容积调速系统有变量泵-定量马达调速系统、定量泵-变量马达调速系统和变量泵-变量马达调速系统，下面分别作以介绍。1变量泵-定量马达调速系统这种系统中，液压泵转速和液压马达排量都是恒量，改变液压泵排量可使马达转速和输出功率随之成比例地变化。马达输出转矩和回路的工作压力都由负载转矩决定，不因调速而发生变化，因而常被叫做恒转矩调速系统，另外，由于泵和马达的泄露不容忽视，这种系统的速度刚性要受负载变化影响。当回路中泵和马达都能双向作用时，马达可以实现平稳反向。变量泵-定量马达调速系统的工作特性如图3.2所示。图3.2 变量泵-定量马达调速系统工作特性2定量泵-变量马达调速系统该系统液压泵转速和排量都是恒量，通过改变液压马达排量变化实现输出转速和转矩变化的，转速与排量成正比，转矩与排量成反比。马达的输出功率和回路工作压力都由负载功率决定，不因调速而发生变化，常被叫做恒功率调速系统。这种系统调速范围较变量泵-定量马达调速系统小，适用于具有恒功率负载特性的行走机构上，可使原动机保持在恒功率高效率点下工作，从而最大限度地利用原动机的功率。定量泵-变量马达调速系统的工作特性如图3.3所示。图3.3 定量泵-变量马达调速系统工作特性3变量泵-变量马达调速系统这种系统的工作特性是上述两种系统工作特性的综合，回路的调速范围很大，是泵调速范围和马达调速范围的乘积。该调速系统中变量泵和变量马达可单独并先后进行调节，一般分两步进行，先是改变泵的调节参数，再改变马达的调节参数，具体过程为：一般情况是启动前先将变量马达的调节参数斜盘倾角固定到最大值，然后将变量泵的调节参数斜盘倾角调到零位，启动后将泵的斜盘倾角由最小值逐渐调到最大值，完成变量泵-定量马达调速过程，把它固定下来，然后再将马达的斜盘倾角由最大值往小调，达到进一步扩大调速范围的目的，其工作特性与定量泵-变量马达调速相同。变量泵-变量马达调速系统的工作特性如图3.4所示。图3.3 变量泵-变量马达调速系统工作特性这种调速系统的工作特性对一般机械负载要求很适应，因为大部分机械在低速时要求有较大的扭矩，而再高速时扭矩可以相应地减小，变量泵-变量马达调速系统适用于系统中大功率的液压装置，特别适用于系统中有两个或多个液压马达要求共用一个液压泵又能独立进行调速的场合。3.4.2 液压驱动系统传动方案图3.4所示是行走机构液压传动的几种方案。a）方案中采用定量液压马达驱动，其前后轮轮边减速器有三种不同形式： 前后桥分别装具有相同传动比的一级轮边减速器。 前后桥分别装有不同传动比的一级轮边减速器。一桥为一级轮边减速器，另一桥为二级轮边减速器。形式虽然扩大了机器的行走调速范围，但尚未找到一种切实可行的工艺方案，以便使结构复杂的轮边减速器装置制造成本降到最低，这种方案并不是最理想的；形式可通过接通一根驱动轴来变速，以得到两个档，但需加摩擦离合器，因而结构较为复杂。b）方案中采用一组变量液压马达，调速范围扩大，考虑到前桥或后桥能从高速档脱开，这种方案具有较高的牵引动力特性，但却没有消除a）方案中形式的弊病。c）方案中全部采用变量泵和变量马达驱动，消除了上述弊病，同时由于柴油机转速可调，因而大大提高了轮式车辆的牵引动力特性。b）方案和c）方案均适用于大多数轮式工程车辆。 b） a） c）图3.4 行走机构液压传动方案35 液压传动系统的设计计算重型运输机械行走机构功率大，前进、后退交替换向频繁，负载变化剧烈。要求液压系统及元件要适应这种复杂工况，系统压力相应也很高，一般都在20MPa以上。通过一系列计算确定液压传动和车辆数据，绘制出相应的曲线，从而确定车辆在其整个运转范围内的特性。3.5.1 确定液压系统的工作压力液压系统的工作压力是指液压系统正常运行时所能克服的外载荷的最高限定压力。在实际工作过程中，系统压力是随着载荷大小的不同而变化的。液压系统的工作压力是根据车辆机械的技术要求，经济效果和目前液压技术所能达到的水平来确定。在外负荷已定的情况下，系统压力选得越高，各液压元件的几何尺寸就越小，使结构紧凑，重量轻。特别是对大型运输机械来说，选取较高的工作压力更为重要，压力的选择还要考虑制造密封等因素，压力太高，密封要求也该，制造维修困难。现在工程车辆机械所用的工作压力大致有：1中压：压力为1020MPa，常用于农用机械、小型工程机械、建筑机械、液压凿岩机等的压力等级。2高压：压力为2032MPa，常用于液压机、大中型挖掘机、重型机械和起重运输机械等。3超高压：压力超过32MPa。根据国家系列标准值，结合该大型矿用自卸车行走驱动系统的工作压力小于 33MPa的要求，选用驱动液压系统的工作压力为=32MPa。3.5.2 液压传动参数及性能的计算为设计车辆用液压传动系，必须根据车辆要求的最大驱动力与最大行驶速度进行液压传动参数的确定。1需要牵引力（运行工况）对于行走运输车辆，其载荷力矩主要是来自驱动轮的阻力矩。大型矿用自卸车最大载重量为108t，车辆自重为85t，最高速度为=50km/h，高速运行时要求爬坡度为12(即0.012)，低速运行时最大爬坡度为17%（即0.17），由公式（3-4）可得，依照最大爬坡度要求，低速运行时的牵引力，即最大牵引力：=（108+85）10009.8（sin9.65+0.02cos9.65）= 354346 N式中：车辆滚动阻力系数，取0.02 爬坡角，=arc tan0.17 = 9.65高速运行时的要求的最大牵引力：=（108+85）10009.8（sin0.6875+0.02cos0.6875）= 60520 N式中：=arc tan0.012 = 0.68752驱动功率车辆低速运行爬坡度为17%时要求的牵引力是最大的，此时，对车辆速度无特别要求，只要能爬上坡即可。108t自卸车在额定爬坡（8%坡度）时要求的运行速度为8 km/h，现在取最大爬坡时的车辆速度为3.6 km/h，此速度为车辆的最小速度，即=3.6 km/h。因此低速运行时的车辆牵引功率为 = = = 443 kW 式中为传动效率，取0.8最高速度运行时要求能爬上12的坡度，此时的车辆牵引功率为： = = 1053 kW 由以上计算知，要满足车辆在高速运行时的要求，须取 = 1053 kW。3变换范围变换范围是根据车辆要求的最大参数决定的，其计算公式为： （3-6）式中： 单位为m/s，单位为W液压系统效率 机械传动效率当3时，由变量泵单独变换；当3时，由变量泵-变量马达变换。总的变换范围分为变量泵的变换范围和变量马达的变换范围， （3-7）由式（3-6）可以算得变换范围= 6.49式中：取0.8，取0.9可见，总的变换范围 3，需要用变量泵-变量马达系统变换，最终选定为图3.4 c)方案。变量泵和变量马达的变换范围分别为：=2.554液压泵和液压马达的参数计算108t矿用自卸车载重大，要求马达扭矩很大，而且速度高，由低速到高速的变换范围大，所选液压泵和液压马达必须能同时满足低速牵引和高速运行的要求，用四个马达驱动，设置两个档位，其传动比分别为 和 。在设定档位时要求车辆换档要尽量使冲击力小，换档平稳，两个档位之间传动比的比值一般在3左右，为此，设置低速档传动比为=3.2，高速档为=1。液压马达的基本参数主要是排量和转速，所选择的液压马达必须满足机械的动力及行驶速度的要求。马达扭矩： （3-8）式中：牵引力，N 驱动轮半径，=1.5m 马达数量，=4 轮边减速器传动比，取=27.3 齿轮传动比，分别为 和 传动系效率，取0.98马达转速： （3-9）式中：车辆运行速度，m/s 单位为r/min其他各参数与上面相同。马达排量： （3-10）式中：系统压差，=32Pa 马达机械效率，选用柱塞马达，取=0.95。根据已经计算出的马达的排量和马达在大排量时的最高转速以及系统的工作压力，选择标准系列的马达。在选择了马达以后，液压油泵的选择应满足液压马达对流量和压力的要求。油泵的流量应满足马达在作业时的最大速度要求，由下式确定： （3-11）式中：泵的容积效率，选用柱塞泵，取=0.95行走油泵的排量可按下式确定： （3-12）式中：泵的转速，由发动机转速和分动箱确定（1）低速方案低速运行时车辆牵引力大，低速档即档传动比=3.2，由以上计算，最大牵引力为 = 354346 N，在最大牵引力时的速度为=3.6 km/h，将各个参数代入式（3-8）得马达最大扭矩：= = = 1552 Nm代入式（3-9）得马达转速：= = = 556 r/min由式（3-10）可以求得马达排量：= = = 321 ml/r则所需泵的流量由式（3-11）得：= = = 188 L/min用一个泵带两个马达，则泵的流量：=2=2188=376 L/min式（3-12）算得泵的排量：= = = 179 ml/r（2）高速方案高速运行时车辆牵引力较小，高速档即档传动比=1，由以上计算，高速行驶时的最大牵引力为 = 60520 N，最高时速为=50 km/h，将各个参数代入式（3-8）得马达扭矩：= = = 848 Nm由式（3-10）可以求得马达排量：= = = 175 ml/r由式（3-9）得马达最高转速：= = = 2415 r/min则所需泵的流量由式（3-11）得：= = = 445 L/min用一个泵带两个马达，则泵的流量：=2=2445=890 L/min式（3-12）算得泵的排量：= = = 424 ml/r由求得的泵的排量=421 ml/r和泵的转速=2100 r/min选取泵，无符合要求的泵，现在取泵的转速=1800 r/min，则由此算得的泵的排量为： = =494 ml/r选取液压泵的排量稍大于计算值，=500 ml/r（3）验证两种方案的可行性低速方案验证高速方案若选用低速方案计算得的泵和马达，则在高速状况下只需验证车辆速度。 = = 969 r/min可见，低速方案不能满足高速行驶要求，达不到车辆的技术要求高速方案验证低速方案若选用高速方案计算得的泵和马达，则在低速状况下只需验证马达扭矩。 = = 3681 Nm可见，选用高速方案计算得的泵和马达远能满足低速牵引的要求，此时的低速比556 r/min大很多，在满足最大牵引力状况下马达转速：=1319 r/min由以上计算可知，寻用高速方案可同时满足车辆高速行驶和低速牵引的要求，故选此方案。由此可以计算出马达的最大排量：=321 ml/r选马达的排量稍大一点为：=350 ml/r综合以上计算，可以选定108t大型矿用自卸车液压驱动系统所用泵和马达的技术要求：马达：=350 ml/r =2415 r/min泵：=500 ml/r =1800 r/min5验证速度及牵引力特性大多数情况下液压传动的计算是确定功率特性曲线的上下极限点A和B的技术参数，即车辆特性用牵引力车速曲线图表示，上极限点A为最大牵引力时的车速，下极限点B为最大车速的牵引力。通过前面的计算，已知以下参数：驱动功率：=1053 kW 液压泵最高转速：=1800 r/min液压泵最大排量：=500 ml/r 点A的最大压力：=32MPa 马达最大排量：=350 ml/r 马达最高转速 =2415 r/min（1）最大牵引力点A液压泵流量：=895 L/min液压泵排量：=495 ml/r马达输出扭矩：=1694 Nm驱动轴输出力矩：=580112 Nm牵引力：=386471 N由车辆所需的最大牵引力=354346，知，可见满足要求。液压马达转速：=1209 r/min车辆行驶速度：=2.17 m/s = 7.8 km/h（2）最大速度点B液压泵流量：= 900 L/min压力：= 31.7 MPa液压马达排量：= 177 ml/r液压马达输出扭矩：= 849 Nm驱动轴力矩：=90857 Nm牵引力：= 60571 N车辆以最高速度=50 km/h行驶时要求能爬上12的坡度，所需的牵引力为 = 60520 N，可见，能满足高速行驶的牵引要求。车辆行驶速度：= 50 km/h根据以上的计算可以绘出车辆的牵引特性曲线如图3.5所示（km/h）10009.8图3.5 车辆速度及牵引特性图通过以上计算可知，此液压传动装置可以提供车辆所需的牵引力和车速，液压泵和液压马达规格参数的选择是正确的。3.5.3 辅助装置1确定油管尺寸油管的内径是根据管内允许流速和所通过的流量来确定: m (3-13)式中：油管内径，m通过油管的流量，油管中允许的流速，m/s 对于吸油管路 1.5 m/s 对于压油管路 = 2.55 m/s 对于回油管路 = 1.52 m/s油管壁厚按强度条件计算，计算公式为： （3-14）式中：油管内最高工作压力油管内径油管材料许用应力，为油管材料的抗拉强度，为安全系数，对油管来说，7MPa时，取=8；17.5MPa时，取=6；17.5MPa时，取=4。由以上计算知通过油管流量为=900 L/min，取吸油管路流速 = 1.5 m/s，压油管路流速 = 5 m/s，回油管路流速 = 2 m/s，代入式(3-13)可得：吸油管内径： = 113 mm压油管内径： = 62 mm回油管内径： = 68 mm对于管道壁厚，这里只计算吸油管，查机械设计手册（第1卷）输送流体用无缝钢管，选油管材料的抗拉强度=520MPa，对于吸油管17.5MPa，因此取=4，则 = 130 MPa将数据代入式（3-14）算得其壁厚为： = 14 mm查机械设计手册，根据吸油管内径= 113 mm，壁厚= 14 mm，选用14014无缝钢管，其内径112mm，壁厚14mm 。2油箱容量计算油箱容量是指油面高度为油箱高度80%时油箱所贮油液的容积，如果油箱有效容积过大，虽然散热好，但外形尺寸大，重量增加，特别不利于行走机械，如果油箱有效容积过小，则可能会使液压系统油温过高，容积效率大大降低。对行走机械，一般都要在系统中加冷却器来满足车辆液压系统散热要求，因此所用油箱的一般都比较小，以便减小行走机械的重量和尺寸。行走驱动系统油箱容量大约为辅助补油泵流量的0.50.8倍，最少必须加上10%的储备容积，包括在温度升高时油液体积的增加。辅助补油泵的流量一般为主泵流量的20%左右，前面已确定行走驱动共用两个液压泵带四个液压马达，每个液压泵流量分别为900 L/min，补油泵同时向两个驱动用液压泵补油，故补油泵流量为： L/min由此，确定驱动用油箱容量大约为：V = 0.50.8） = 180288 L取驱动用油箱容量V = 250 L。36 拟定驱动液压系统工作原理图在明确了主机对液压系统的要求，确定了液压系统方案，并经过初步计算之后，可以拟定液压系统工作原理图。液压系统原理图是用液压元件职能符号表示的系统工作原理图，它能清楚地表示出各元件之间的关系、动作原理、操纵和控制方式等。拟定的液压系统，能实现主机的运动要求，应使结构简单，性能可靠，操纵方便，并尽量具有先进性。能满足同一台机器需要的液压系统原理图不是唯一的，可以拟定出好几种方案，必须进行不同的方案比较，从各方面进行分析，选择一种最优的液压系统。在拟定液压系统工作原理图时，应注意以下几个问题：1在组合各基本回路时，要防止回路中有相互干扰的现象，以便保证实现主机的工作。2在满足工作要求和生产率的条件下，液压系统力求结构简单，应避免系统中存在多余油路。3要注意液压系统的安全可靠性。一定要设置过载保护油路，一般都装有安全阀或溢流阀，防止过载，并根据具体情况，增设某些安全装置。4在考虑主油路的同时，必须充分注意必要的辅助油路，如卸荷油路、缓冲油路、补油油路、背压油路、冷却油路等。5要经济合理，提高经济效益，尽量提高三化水平（即标准化、系列化、通用化）。根据前面的分析计算，已经确定液压系统的型式为闭式容积调速系统，确定的传动方案为图3.4 c）的方案，即用两个变量液压泵驱动四个变量液压马达，实现车辆四轮驱动。图3.6为大型矿用自卸车液压驱动系统原理图。第 29 页 共 59 页图3.6 大型矿用自卸车液压驱动系统原理图第1章 绪论37 液压元件的选择和设计拟定了液压系统工作原理图之后，就可以根据液压系统压力和流量选择或设计系统中所应用的各种元件和管路，使图中的液压符号具体化，确定各种液压元件的结构形式、规格和数量。1液压泵和液压马达的选择液压泵的额定压力和流量应满足系统工作压力和流量的要求，其外形尺寸、安装方式、转动方向、工作条件等也要适合机器的需要。根据工作压力、排量和转速以及工作要求，选择液压马达的结构形式、规格和数量。大型矿用自卸车行走驱动液压系统中，由两个变量液压泵1供油，四个变量马达8输出扭矩驱动车辆，用一个补油泵2向系统补油，同时冷却系统油液。根据前面的计算设计，驱动用变量液压泵最高转速=1800 r/min，最大排量=500 ml/r，系统工作压力=32Pa，据此选力士乐公司闭式系统用变量柱塞泵A4VSG500EO2D/22W-VZH10K34，其最高转速=1800 r/min，最大排量=500 ml/r，在最高转速情况下其最大功率=525kW，在转速为=1500r/min时其最大功率为438 kW，可以满足设计要求。辅助补油泵2的流量=360L/min，转速设为=1500r/min，则辅助补油泵排量： ml/r因此选用力士乐公司定量泵A2FO250/60R-VZB05，其最大排量为250 ml/r，最高转速为=1500r/min，最大功率为219 kW。液压马达8最大排量=350 ml/r，最高转速=2415 r/min，因此选用力士乐公司闭式系统用变量柱塞马达A6VM355HA1/63W-VZH0207B，其最大排量=355 ml/r，最大排量时能达到的最高转速=2240r/min，在排量为270ml/r时可以达到的最高转速为2950 r/min，可见满足性能要求。由以上可得所需最大的发动机功率为： kW式中：分动箱传动效率，取=0.962阀的选择各种阀类根据系统工作压力和通过该阀的最大流量进行选择，阀的额定流量必须与实际通过的流量相适应，实际通过的流量不应大于其额定流量的1.2倍，否则将造成压力损失过大，系统发热严重并产生噪声，但阀的实际通过流量也不能太小，否则使阀的体积过大，不经济也不紧凑。溢流阀一般都是根据工作压力和流量进行选择。回路冲洗阀6用于防止闭式系统过热，来自回路低压侧的液压油经节流孔形成一稳定流量，流回油箱，不同的冲洗阀节流孔可以设定不同的冲洗流量，根据力士乐公司的资料，这里选用436 622/502.20.01.10力士乐冲洗阀。调压阀3用来调定补油压力，其调定压力一般为2.5MPa，通过的最大流量为补油泵的流量360L/min，选用BG-1032先导式溢流阀，通过的最大流量为400L/min，调定压力设为2.5MPa。单向阀4起保护作用，通过的最大流量与调压阀3相同，选用C5G-825，其最大流量为380L/min，最高压力为35MPa。电液换向阀5的作用是车辆为高速档位运行时连同前后轮油路，以消除由于某些因素造成前后轮的转速差对牵引力的影响和轮胎磨损，通过它的流量很大，选用电液换向阀DSHG-10-3C-DC120-41，通过的最大流量为1100L/min，最大工作压力为31.5MPa。3滤油器和冷却器的选择滤油器根据过滤精度和通过流量来选择，同时要注意其在系统中的安装位置来选择其形式和规格。滤油器7应能承受油路上的工作压力和冲击压力，过滤阻力不应超过0.35MPa，以减小因过滤引起的压力损失和滤芯所受的压力，滤油精度要高，以为闭式系统提供清洁的液压油，必须要通过液压泵的全部流量，通过它的流量与调压阀3的相同，最大为360L/min，选用XU-A40030FS过滤器，其滤油精度为30，公称流量为400 L/min。滤油器10为回油过滤器，可以滤掉液压元件磨损后生成的金属屑和橡胶颗粒，保护液压系统，允许采用滤心强的和刚度较低的滤油器，允许有较大的压降，要求必须通过马达泄露的全部流量，选取CHL-400-3-LC，其公称流量为400L/min，过滤精度为3，公称压力为1.6MPa，要求旁通阀开启压力大于0.37 MPa。单向阀9起旁通作用，防止油液低温启动时，高黏度油通过滤心或滤心堵塞等引起的系统压力升高，其通过的最大流量应与滤油器8的相同，由此可以选取单向阀9的型号为C5G-825-S8，其公称流量为380L/min，开启压力为0.53MPa。冷却器一般安装在回油管或者低压管路上，系统中的冷却器11和冷却器12均装与低压油路上，对于车辆行走机械，采用自然风冷型式，故选用FL-4型空气冷却器。第4章 液压转向系统的设计41 转向系统的基本要求车辆机械在行驶和作业中，需要利用转向系统来改变其行驶方向或保持直线行驶，应能保持底盘直线行驶的稳定性并能根据要求灵活地改变行驶方向。因此对液压转向系统的基本要求是：1保证工作稳定可靠，确保行车安全。转向机构传动链各环节的间隙、方向盘的自由行程应尽量减小，以保证直线行驶的稳定性和转向的稳定性和灵敏度，设计时必须考虑零件承受路面对其作用的交变冲击载荷，以保证机构和零件有足够的强度和寿命。在发动机怠速时，应能正常转向，而且要考虑在发动机或油路发生故障时有应急转向措施。2矿用车辆运输机械在作业中要频繁转向，转向系操作要求轻便灵活，以减轻驾驶员的劳动强度，提高生产率。3液压转向系统的组合和元件的选择对能量的利用、系统成本以及机构的寿命影响很大，要求转向系统要使用经济耐久。对于大型矿用自卸车，采用动力转向，对动力转向系统的要求是：1要有随动作用，系统中执行机构的运动是跟随控制呀的运动而工作，即转向轮或前、后车架始终追随对转向控制阀的操纵并保持一定的比例关系。2操纵方向盘时，动力转向系统产生加力的