【文章內(nèi)容簡介】 要適應在工地作業(yè)的要求，又要保證一定的運輸效率。采用液壓驅動能滿足變化范圍要求，也能使發(fā)動機功率很好地利用，操縱簡單方便，有利于生產(chǎn)率的提高。對于大型礦用自卸車，最高車速一般不超過 58km/h。 3．爬坡能力 載重運輸車輛在爬坡時的外部阻力取決于爬破度 ? ，外部阻力包括滾動阻力和坡道阻力。滾動阻力： cosfF Gf ?? （ 32） 式中： G — 車輛載重總重量 f — 車輛滾動阻力系數(shù) ?— 爬坡角 坡道阻力： siniFG?? （ 33） 則運輸工況的爬坡能力 ,即驅動力： si n c osk f iF F F G G f??? ? ? ? （ 34） 4．驅動行駛驅動功率 運輸車輛的行駛驅動功率可按下式計算 k3600FP ???驅 kW (35) 式中： kF — 牽引力， N ? — 車輛的運行速度， km/h ? — 傳動效率，一般取 3． 4 靜液壓驅動系統(tǒng)方案的確定 明確了主機對液壓系統(tǒng)的性能要求，對大型礦用自卸車和液壓系統(tǒng)資料進行分析和研究，并根據(jù)實際情況，進行方案分析比較，按照可靠性、經(jīng)濟性，并盡量采用先進技術，最終選擇最優(yōu)方案。 10 液壓驅動系統(tǒng)的型式 根據(jù)不同的分類方法，液壓系統(tǒng)型式主要有：開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)，定量系統(tǒng)和變量系統(tǒng)，容積調(diào)速系統(tǒng)、節(jié)流調(diào)速系 統(tǒng)和容積節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)等。 ? 開式、閉式系統(tǒng) 開式系統(tǒng)是指液壓泵從液壓油箱吸油，通過換向閥給液壓馬達或液壓缸供油以驅動工作機構運動，液壓馬達或液壓缸的回油再經(jīng)換向閥流回液壓油箱，為保證系統(tǒng)安全，設置安全閥。這種系統(tǒng)結構形式較簡單，系統(tǒng)自備油箱，油箱可同時起到散熱、沉淀雜質(zhì)的作用。但由于油液與空氣接觸，容易使空氣溶于液壓油而進入系統(tǒng)，導致工作機構工作不平穩(wěn)及其他不良后果。開式系統(tǒng)可采用定量泵，也可以采用變量泵，對自吸能力較差的液壓泵，其工作轉速限制在額定轉速的 75%以內(nèi)，或增加一個輔助泵，以提高液壓泵的自吸能力和 避免出現(xiàn)吸空現(xiàn)象。 閉式系統(tǒng)中，液壓泵的吸油管直接與執(zhí)行元件的回油管相連，液壓油在系統(tǒng)的管路中封閉循環(huán)（如圖 ）。閉式系統(tǒng)結構緊湊，泵的自吸能力好，系統(tǒng)與空氣不接觸，而避免了出現(xiàn)吸空現(xiàn)象，工作機構運動平穩(wěn)。采用變量泵來避免出現(xiàn)液壓沖擊和能量損失。閉式系統(tǒng)結構復雜，自身不備油箱，油液的散熱和過濾條件較開十系統(tǒng)差。為補償系統(tǒng)中的泄露，通常要輔設一個小容量的補油泵，向系統(tǒng)補油并冷卻油液，多余的流量通過主泵和馬達殼體流回油箱。 閉式系統(tǒng)有如下優(yōu)點： （ 1）主泵排量發(fā)生變化時補油系統(tǒng)能保證容積式傳動的響應，提高系 統(tǒng)的動作頻率，同時還能增加主泵進油口的壓力，防止大流量時產(chǎn)生氣蝕，提高泵的工作轉速和傳動裝置的功率密度，另外，油液經(jīng)過濾后進入系統(tǒng)且與外界接觸少，從而提高了液壓系統(tǒng)的可靠性和使用壽命。補油泵還能方便地為系統(tǒng)中某些低壓工作的輔助機構和制動器提供動力。 （ 2）閉式系統(tǒng)僅有少量的補油流量從油箱吸取，油箱小，便于行走車輛布置，吸油、回油流動損失小，系統(tǒng)效率較開式系統(tǒng)高。 （ 3）系統(tǒng)存在背壓且對稱工作，柱塞泵 、馬達具有很高的容積效率，其內(nèi)部泄露隨壓力變化很小，因而閉式系統(tǒng)能平穩(wěn)地從正轉通過零點向反轉過渡并能在任意方 向實行全液壓自動操作，并能保證輸出軸具有足夠的剛性，在負荷大小和方向變化時平穩(wěn)工作。 閉式系統(tǒng)的上述特點使它特別適應負荷變化劇烈、前進、倒退、制動頻繁的行走機械，以及速度要求嚴格控制的作業(yè)機械，因此，對行走機械有著特別的意義。 大型礦用自卸車在礦山環(huán)境下工作條件苛刻，要求經(jīng)常正反向行走，制動頻繁，負載經(jīng)常變化，因此確定大型礦用自卸車行走驅動液壓傳動裝置的泵和馬達采用閉式回路方式。 ? 定量、變量系統(tǒng) 定量系統(tǒng)采用的液壓泵為定量齒輪泵、葉片泵或者固定斜盤的柱塞泵，當發(fā) 11 動機轉速一定時，流量也一定，而壓力是根據(jù)工作循 環(huán)中需要克服的最大阻力確定的液壓系統(tǒng)的壓力取決于外負載，因此，其泵的特性硬，負荷小時不能提高作業(yè)速度，功率得不到充分利用。為滿足作業(yè)要求，定量系統(tǒng)的發(fā)動機功率要根據(jù)最大外負載和作業(yè)速度來確定。定量系統(tǒng)中泵的成本低，速度平穩(wěn)，簡單可靠，價格低廉，耐沖擊性能好，油液冷卻充分但效率較低。 采用變量泵或變量馬達的液壓系統(tǒng)為變量系統(tǒng)，系統(tǒng)效率高，調(diào)速范圍大，能輸出恒定的轉矩或功率，且不需要很大的油箱。變量系統(tǒng)具有以下特點： （ 1）作業(yè)速度與作業(yè)力之間可以自動調(diào)節(jié)，變量泵在變量范圍內(nèi)功率基本保持恒定，隨著外負載的變化， 液壓泵的輸出流量相應地變化，外負載小時，可以減小作業(yè)力，增大流量，以增大作業(yè)速度，提高生產(chǎn)率，外負載大時，可以增大作業(yè)力，降低作業(yè)速度，克服大負載。 （ 2）液壓泵經(jīng)常在滿負荷狀態(tài)工作，發(fā)動機功率利用比較充分。 （ 3）變量系統(tǒng)元件較復雜，成本也高，油液發(fā)熱較大。 基于變量系統(tǒng)的以上特點，現(xiàn)代大型工程車輛的液壓驅動系統(tǒng)都采用變量系統(tǒng)，從而實現(xiàn)恒功率或恒轉矩控制，提高作業(yè)效率。大型礦用自卸車功率大，要求運輸效率要高，發(fā)動機功率應得到充分發(fā)揮，因此選用變量系統(tǒng)。 ? 容積調(diào)速系統(tǒng)、節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)和容積節(jié)流調(diào)速系統(tǒng) 節(jié)流調(diào) 速是在系統(tǒng)中安裝節(jié)流閥，通過節(jié)流閥對進入執(zhí)行元件的流量連續(xù)調(diào)節(jié)而實現(xiàn)無級調(diào)速，按節(jié)流閥安裝位置的不同有進油節(jié)流調(diào)速、回油節(jié)流調(diào)速和旁路節(jié)流調(diào)速以及以上三種任意組合的復合調(diào)速。 容積調(diào)速是用變量泵供油，通過改變回路中變量泵或變量馬達的排量來調(diào)節(jié)執(zhí)行元件的運動速度的。這種回路中，液壓泵輸出的油液直接進入執(zhí)行元件，沒有溢流損失和節(jié)流損失，而且工作壓力隨負載變化，因此效率較高，發(fā)熱少，能量利用合理。 容積節(jié)流調(diào)速是利用壓力補償使變量泵供油、用流量控制元件確定進入執(zhí)行元件的流量來調(diào)節(jié)其速度，并使變量泵的輸出油量自動與 執(zhí)行元件所需流量相適應。這種調(diào)速回路沒有溢流損失，效率較高，速度穩(wěn)定性好。 大型礦用自卸車運行速度高，對速度的穩(wěn)定性要求較低，外負載變化大，要求的調(diào)速范圍大，運行功率大，故選用容積調(diào)速系統(tǒng)。 行走機械的容積調(diào)速系統(tǒng)有變量泵 定量馬達調(diào)速系統(tǒng)、定量泵 變量馬達調(diào)速系統(tǒng)和變量泵 變量馬達調(diào)速系統(tǒng)，下面分別作以介紹。 1．變量泵 定量馬達調(diào)速系統(tǒng) 這種系統(tǒng)中，液壓泵轉速和液壓馬達排量都是恒量，改變液壓泵排量可使馬達轉速和輸出功率隨之成比例地變化。馬達輸出轉矩和回路的工作壓力都由負載轉矩決定，不因調(diào)速而發(fā)生變化，因 而常被叫做恒轉矩調(diào)速系統(tǒng)，另外，由于泵和馬達的泄露不容忽視，這種系統(tǒng)的速度剛性要受負載變化影響。當回路中泵和馬達都能雙向作用時，馬達可以實現(xiàn)平穩(wěn)反向。變量泵 定量馬達調(diào)速系統(tǒng)的工作特性如圖 。 12 圖 變量泵 定量馬達調(diào)速系統(tǒng)工作特性 2．定量泵 變量馬達調(diào)速系統(tǒng) 該系統(tǒng)液壓泵轉速和排量都是恒量，通過改變液壓馬達排量變化實現(xiàn)輸出轉速和轉矩變化的，轉速與排量成正比，轉矩與排量成反比。馬達的輸出功率和回路工作壓力都由負載功率決定，不因調(diào)速而發(fā)生變化，常被叫做恒功率調(diào)速系統(tǒng)。這種系統(tǒng)調(diào)速范圍較變量泵 定量馬達調(diào)速系統(tǒng)小，適用于具有恒功率負載特性的行走機構上，可使原動機保持在恒功率高效率點下工作，從而最大限度地利用原動機的功率。定量泵 變量馬達調(diào)速系統(tǒng)的工作特性如圖 所示。 圖 定量泵 變量馬達調(diào)速系統(tǒng)工作特性 3．變量泵 變量馬達調(diào)速系統(tǒng) 這種系統(tǒng)的工作特性是上述兩種系統(tǒng)工作特性的綜合，回路的調(diào)速范圍很大，是泵調(diào)速范圍和馬達調(diào)速范圍的乘積。 該調(diào)速系統(tǒng)中變量泵和變量馬達可單獨并先后進行調(diào)節(jié)，一般分兩步進行，先是改變泵的調(diào)節(jié)參數(shù)，再改變馬達的調(diào)節(jié)參數(shù)，具體過程為：一般情況是啟動前先將變量馬 達的調(diào)節(jié)參數(shù)斜盤傾角固定到最大值，然后將變量泵的調(diào)節(jié)參數(shù)斜盤傾角調(diào)到零位，啟動后將泵的斜盤傾角由最小值逐漸調(diào)到最大值，完成變量泵 定量馬達調(diào)速過程，把它固定下來，然后再將馬達的斜盤傾角由最大值 13 往小調(diào)，達到進一步擴大調(diào)速范圍的目的，其工作特性與定量泵 變量馬達調(diào)速相同。變量泵 變量馬達調(diào)速系統(tǒng)的工作特性如圖 所示。 圖 變量泵 變量馬達調(diào)速系統(tǒng)工作特性 這種調(diào)速系統(tǒng)的工作特性對一般機械負載要求很適應，因為大部分機械在低速時要求有較大的扭矩，而再高速時扭矩可以相應地減小，變量泵 變量馬達調(diào)速系統(tǒng)適 用于系統(tǒng)中大功率的液壓裝置，特別適用于系統(tǒng)中有兩個或多個液壓馬達要求共用一個液壓泵又能獨立進行調(diào)速的場合。 液壓驅動系統(tǒng)傳動方案 圖 所示是行走機構液壓傳動的幾種方案。 a）方案中采用定量液壓馬達驅動，其前后輪輪邊減速器有三種不同形式：① 前后橋分別裝具有相同傳動比的一級輪邊減速器。② 前后橋分別裝有不同傳動比的一級輪邊減速器。③一橋為一級輪邊減速器，另一橋為二級輪邊減速器。形式③雖然擴大了機器的行走調(diào)速范圍，但尚未找到一種切實可行的工藝方案，以便使結構復雜的輪邊減速器裝置制造成本降到最低，這 種方案并不是最理想的；形式②可通過接通一根驅動軸來變速，以得到兩個檔，但需加摩擦離合器，因而結構較為復雜。 b）方案中采用一組變量液壓馬達，調(diào)速范圍擴大，考慮到前橋或后橋能從高速檔脫開，這種方案具有較高的牽引動力特性，但卻沒有消除 a）方案中形式②的弊病。c）方案中全部采用變量泵和變量馬達驅動，消除了上述弊病，同時由于柴油機轉速可調(diào)，因而大大提高了輪式車輛的牽引動力特性。 b）方案和 c）方案均適用于大多數(shù)輪式工程車輛。 14 a） c） 圖 行走機構液壓傳動方案 3． 5 液壓傳動系統(tǒng)的設計計算 重型運輸機械行走機構功率大，前進、后退交替換向頻繁，負載變化劇烈。要求液壓系統(tǒng)及元件要適應這種復雜工況，系統(tǒng)壓力相應也很高，一般都在20MPa 以上。通過一系列計算確定液壓傳動和車輛數(shù)據(jù)，繪制出相應的曲線，從而確定車輛在其整個運轉范圍內(nèi)的特性。 確定液壓系統(tǒng)的工作壓力 液壓系統(tǒng)的工作壓力是指液壓系統(tǒng)正常運行時所能克服的外載荷的最高限定壓力。在實際工作過程中，系統(tǒng)壓力是 隨著載荷大小的不同而變化的。液壓系統(tǒng)的工作壓力是根據(jù)車輛機械的技術要求，經(jīng)濟效果和目前液壓技術所能達到的水平來確定。 在外負荷已定的情況下，系統(tǒng)壓力選得越高，各液壓元件的幾何尺寸就越小，使結構緊湊，重量輕。特別是對大型運輸機械來說，選取較高的工作壓力更為重要，壓力的選擇還要考慮制造密封等因素，壓力太高，密封要求也該，制造維修困難?，F(xiàn)在工程車輛機械所用的工作壓力大致有： 1．中壓：壓力為 10～ 20MPa，常用于農(nóng)用機械、小型工程機械、建筑機械、液壓鑿巖機等的壓力等級。 2．高壓：壓力為 20～ 32MPa，常用于 液壓機、大中型挖掘機、重型機械和起重運輸機械等。 b） 15 3．超高壓：壓力超過 32MPa。 根據(jù)國家系列標準值，結合該大型礦用自卸車行走驅動系統(tǒng)的工作壓力小于 33MPa 的要求，選用驅動液壓系統(tǒng)的工作壓力為 p? =32MPa。 液壓傳動參數(shù)及性能的計算 為設計車輛用液壓傳動系，必須根據(jù)車輛要求的最大驅動力 maxF 與最大行駛速度 maxv 進行液壓傳動參數(shù)的確定。 1．需 要牽引力（運行工況） 對于行走運輸車輛，其載荷力矩主要是來自驅動輪的阻力矩。大型礦用自卸車最大載重量為 108t，車輛自重為 85t，最高速度為 max? =50km/h，高速運行時要求爬坡度為 12‰ (即 )，低速運行時最大爬坡度為 17%（即 ），由公式（ 34）可得， 依照最大爬坡度要求，低速運行時的牽引力，即最大牽引力： maxF = si n c osk f iF F F G G f??? ? ? ? =（ 108+85） 1000 （ 176。 +176。） = 354346 N 式中： f — 車輛滾動阻力系數(shù)，取 ?— 爬坡角， ? =arc = 176。 高速運行時的要求的最大牽引力： maxVF = si n c osk f iF F F G G f??? ? ? ? =（ 108+85） 1000 （ 176。 +176。） = 60520 N 式中： ? =arc = 176。 2．驅動功率 P驅 車輛低速運行爬坡度為 17%時要求的牽引力是最大的，此時，對車輛速度無特別要求，只要能爬上坡即可。 108t 自卸車在額定爬坡（ 8%坡度）時要求的運行速度為 8 km/h，現(xiàn)在取最大爬坡時的車輛速度為 km/h，此速度為車輛的最小速度，即 maxF? = km/h。因此低速運行時的車輛牽引功率為 k3600FP ???驅 = max max3600FF ?? = 354346 ?? = 443 kW 式中 ? 為傳動效率，取 最高速度運行時要求能爬上 12‰的坡度，此時的車輛牽引功率為： 16 k3600FP ???驅 = max max3600VF ?? = 605