行走液压系统原理与设计计算

　　摘要：推土机的传动系统按传动方式可分为机械传动、液力机械传动、全液压传动及电传动等, 全液压传动由于具有无级调速, 结构简单, 机动性好, 操纵舒适等优点, 近几年在国内得到一定发展。行走液压系统设计是推土机整机设计的关键, 以新品GTQ170型全液压推土机行走液压系统为例, 对其行走液压系统的组成、原理、设计计算以及元件选型进行分析和介绍, 探讨全液压推土机行走驱动系统的设计思路, 为同类产品设计提供参考。

　　关键词：全液压推土机; 行走液压系统; 设计计算;

　　Abstract：Transmission systems of the bulldozer can be classified according to types of power drive as mechanical drive, hydro?mechanical drive, fully hydraulic drive, and electrified drive. The all-hydraulic drive has got certain development at home for the recent years because of its advantages including step-less gear shift, simple construction, good maneuverabil?ity, and comfortable operation. However, it is critical to design the dozer's hy?draulic travel system so far as the whole machine design is concerned. Take a new model of fully hydraulic dozer GTQ170 for instance, emphasizing the hydraulic travel system, with analyses and intro?duction of the composition, principles, design and computation, as well as units selection, further investigating into the design concept, so as to provide a refer?ence for similar products design to come.

　　Keyword：Fully hydraulic bulldozer; Travel hydraulic system; Design and calculation;

　　推土机主要用于土石方施工时的推运作业, 其作业成本低, 效率高, 广泛应用于公路、铁路、建筑、港口、水电及矿山等工程建设, 是铲土运输机械主要机种之一。推土机的传动系统按传动方式可分为机械传动、液力机械传动、全液压传动及电传动等, 全液压传动由于具有效率高, 机动性好, 结构简单, 操纵舒适等优点, 近几年在国内得到一定发展。图1所示为我公司全新开发的GTQ170型履带式全液压推土机, 该机传动系统采用电控双回路静液压驱动和单手柄电控操纵方式, 无级变速, 可带载原地转向, 操纵简单、灵活, 能适应外载荷剧烈变化的复杂工况。对于全液压推土机而言, 行走液压系统设计是整机设计的关键。本文以GTQ170型全液压推土机行走液压系统为例, 探讨全液压推土机行走液压系统的产品设计思路, 为同类设计提供参考。

图1 GTQ170型全液压推土机

　　1、主要技术参数

　　2、行走液压系统组成及原理

　　GTQ 170型全液压推土机的行走液压系统由两个彼此独立的静液压闭式回路组成, 柴油发动机通过弹性联轴器带动串联的双液压泵, 分别驱动左右行走马达, 再经过行走减速器减速增扭, 最终驱动履带实现行走, 传动路线如图2所示。左右回路可联动实现车辆的前进、后退以及速度改变, 又可分别动作, 实现不同半径的转向或原地转向。

图2 行走系统传动路线

　　行走液压系统原理图如图3所示 (仅显示左行走) , 行走泵P1和行走马达M1组成独立的闭式左回路。控制器按照一定算法对泵和马达的变量机构实施排量控制, 进而控制输出速度和转矩。其中补油液压泵P3用于向系统补油, 其作用:1) 因闭式系统不可避免存在泄漏, 通过补油液压泵来补充泄漏量, 并可在低压管道中建立起一定的压力, 改善泵的吸入性能, 防止空气渗入系统, 防止气蚀;2) 通过补油回路中油液的循环, 利用油散热器和油箱散热, 使系统温度下降;3) 给变量控制机构及制动回路提供压力, 保证控制系统正常工作。

　　GTQ 170型全液压推土机采用了林德HPV135T型串联双液压泵, 单泵排量135 m L/r;补油液压泵补油压力2.4 MPa, 排量63 m L/r。左右行走马达选用HMV210, 排量210 m L/r。

　　3、行走液压系统的设计计算

　　行走液压系统的设计涉及行走马达与行走泵的选型, 本文的思路是:根据推土机对行驶速度和牵引力的需求, 由牵引平衡求出切线牵引力, 从后往前, 计算马达和泵的排量, 从而对行走马达和泵进行选型。

　　3.1、推土机行驶速度的确定

　　推土机行驶速度分为切土速度、运土速度和倒车返回速度等, 推土机的行走速度直接影响生产率。推土机合适的速度如下:

　　切土速度, 2~3 km/h。切土速度过低, 作业效率较低, 行走液压系统压力过大, 易出现爆管等现象;切土速度过高会加大驾驶员的操作难度, 因为切土工况是负荷变化最大、最快的工况, 切土速度过高时驾驶员难以正确地操纵工作装置。

图3 行走液压系统原理图

　　运土速度, 4~6 km/h。较快的运土速度可以有效提高生产率。

　　返回速度, 从提高生产率来说, 返回速度越快越好, 但较快的返回速度易使驾驶员的操作舒适性变差。对于半刚性悬架履带式推土机, 返回速度控制在7~11 km/h较为合适。

　　3.2、切线牵引力的计算

　　推土机应在保证上述行驶速度的情况下, 使所能发挥出的切线牵引力与牵引阻力相平衡。考虑到在切土工况下所受的阻力最大, 因此计算此工况下的牵引阻力。

　　牵引阻力由以下阻力组成:

　　(1) 滚动阻力。

　　式中:f———滚动阻力系数, f取0.1;

　　Gs———推土机的使用质量, Gs=17 600 kg;

　　α———坡道角度, 取α=5°。

　　(2) 坡道阻力。

　　(3) 作业阻力。

　　式中:F1———切土阻力;

　　F2———推土板前土堆运移的阻力;

　　F3———铲刀切削刃与地面的摩擦力;

　　F4———土沿推土板面的上升阻力;

　　F5———土屑沿推土板面的侧移阻力。

　　切土阻力:

　　式中:Kb———单位面积的切削阻力, 与土的性质有关, 此处取0.06 MPa;

　　h———切削深度, 0.50 m;

　　Bg———推土板宽, 3.44 m;

　　Φ———推土板回转角, 90°。

　　一般来说, 切削阻力中切土阻力最大, 除了切土阻力外的切削阻力计算:

　　式中:Gg———推土板前土堆重量;

　　V———推土板前土堆的容积;

　　Ke———土的松散系数, 取1.3;

　　γ———土的重度, 取19.6 k N/m3。

　　切线牵引力等于各阻力之和, 即:

　　3.3、行走马达转矩

　　根据切线牵引力可以计算行走马达的输出转矩, 即:

　　式中:rd———驱动轮节圆半径, 取0.44 m;

　　n———马达数量, n=2;

　　iM———末端传动减速比, 取50;

　　ηM———机械传动效率, 取0.94;

　　ηx———行走机构效率, 取0.87。

　　3.4、行走马达的选型

　　行走马达的主要参数是排量和转速, 所选择的马达必须满足输出转矩和行驶速度的要求。

　　(1) 行走马达的排量:

　　式中:ηMm———马达的机械效率, 取0.95;

　　△p———马达出口压差, 32.5 MPa。

　　(2) 行走马达的转速:

　　行走马达的最大转速应按推土机最高行驶速度来确定, 此时马达处于最小排量:

　　式中:vmax———推土机最高行驶速度, 取10 km/h。

　　推土机在作业工况时, 马达转速:

　　式中:v′max———推土机作业工况时的最高速度, 取3km/h;

　　δ———滑转率, 取0.1。

　　HMV210型马达最小排量下的最高连续转速为3 200 r/min, 最大排量的下最高连续转速为2 700 r/min, 对照以上计算可知, 选用HMV210型马达是合适的。

　　此时, 由外负载决定的系统压差:

　　3.5、行走泵的选型

　　行走泵应满足行走马达对流量和压力的需求。

　　行走泵的流量应满足作业工况马达最大速度需求:

　　式中:ηvm———马达容积效率, 取0.95。

　　因此, 行走泵的排量:

　　式中:np———泵的转速, 取1 900 r/min;

　　ηvp———泵的容积效率, 取0.95。

　　经分析, 选择泵HPV135T是合适的。

　　4、液压装置功率和转矩校核

　　考虑到工作液压泵和一些辅助装置的功率消耗, 行走泵在切削工况下的输入总功率为:

　　式中:Ne———发动机的额定功率, 140 k W;

　　Nf1———辅助装置消耗的发动机功率, 取7 k W;

　　Nf2———工作液压泵消耗的功率;

　　Nf3———补油液压泵消耗的功率;

　　Nf4———先导泵消耗的功率。

　　工作液压泵消耗的功率:

　　式中:pg———工作液压泵的压力, 21 MPa;

　　qg———工作液压泵的排量, 80 m L/r;

　　ηg———工作液压泵的效率, 取0.85。

　　由于推土机在切削时一般不要求工作泵动作, 所以实际消耗功率按其正常工作的10%来选取, 即6.3 k W。

　　补油液压泵消耗的功率:

　　式中:pb———补油液压泵的压力, 2.4 MPa;

　　qb———补油液压泵的排量, 63 m L/r;

　　ηb———补油液压泵的效率, 取0.95。

　　先导泵消耗的功率:

　　式中:pt———先导泵的压力, 3.5 MPa;

　　qt———先导泵的排量, 10 m L/r;

　　ηt———先导泵的效率, 取0.95。

　　故行走泵在切削工况下的输入总功率为:

　　Nip=140-7-6.3-5-1.2=120 k W

　　输入转矩为:

　　泵在推土机切土时所需的功率和转矩分别为:

　　式中:Qp———泵在推土机切削工况下的流量, 经计算为95L/min;

　　ηp———泵的总效率, 取0.9。

　　由此可见, 所选泵在切削工况下的功率和转矩能够保证推土机正常工作。同理, 经计算, 满铲运输工况下的功率和转矩也满足要求。

　　5、结束语

　　全液压推土机具有结构简单, 机动性好, 负荷自适应能力强, 操纵舒适灵活, 工作效率高等优点, 近几年在国内得到一定的发展, 但与世界先进水平相比, 国内对于智能化全液压推土机的研究还有较大差距, 尤其是行走液压系统及其控制技术为国外企业所垄断。国际着名的液压元件制造商多以系统集成的形式推荐给国内主机厂使用, 价格较高且技术保密。本文对GTQ170型履带式全液压推土机行走液压系统的组成、原理及设计计算做了分析和介绍, 探讨了推土机行走泵、马达等关键元件的设计选型思路, 可为同类产品的设计提供参考。

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