平地機(jī)輔助轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄧經(jīng)緯，曹楚君

(1. 湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院鐵道機(jī)電系，湖南衡陽421002;2. 湖南三一路面機(jī)械研究院，湖南長沙410100)

平地機(jī)一般配有鉸接轉(zhuǎn)向和前輪轉(zhuǎn)向兩種轉(zhuǎn)向功能［1］。鉸接轉(zhuǎn)向主要是在工作場地受限制的情況下使用，可以減小平地機(jī)的轉(zhuǎn)彎半徑。前輪轉(zhuǎn)向普遍由方向盤帶液壓轉(zhuǎn)向器控制，是平地機(jī)主要的轉(zhuǎn)向方式。

文中所涉及的轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)與作業(yè)液壓系統(tǒng)實(shí)際上是同一個(gè)液壓系統(tǒng)，它由一個(gè)變量柱塞泵供油，通過優(yōu)先閥、梭閥與多路閥等元件控制，形成優(yōu)先轉(zhuǎn)向負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)［2］。該系統(tǒng)最大的優(yōu)勢是節(jié)能，系統(tǒng)動(dòng)作響應(yīng)快;同時(shí)也存在不足，在轉(zhuǎn)向時(shí)，作業(yè)裝置油缸不能執(zhí)行動(dòng)作。為彌補(bǔ)該系統(tǒng)的不足，也提升作業(yè)時(shí)轉(zhuǎn)向的操控性，增加一種輔助轉(zhuǎn)向功能，確保在轉(zhuǎn)向時(shí)，能執(zhí)行作業(yè)裝置油缸。這樣，在平地機(jī)不作業(yè)或轉(zhuǎn)場跑車時(shí)，采用方向盤轉(zhuǎn)向;在平地機(jī)作業(yè)時(shí)，采用輔助轉(zhuǎn)向，勢必會(huì)提高平地機(jī)工作效率。

1 轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)原理圖

在控制作業(yè)液壓系統(tǒng)的多路閥中增加一片閥片用于輔助轉(zhuǎn)向。新轉(zhuǎn)向作業(yè)液壓系統(tǒng)為方向盤優(yōu)先轉(zhuǎn)向，作業(yè)與輔助轉(zhuǎn)向可同步進(jìn)行的負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)［3－4］。

1.1 系統(tǒng)組成

轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)原理見圖1。該系統(tǒng)主要由負(fù)載敏感柱塞泵、過濾器、動(dòng)態(tài)負(fù)載信號(hào)優(yōu)先閥、壓力開關(guān)、梭閥、負(fù)載敏感多路閥、平衡閥、轉(zhuǎn)向油缸、負(fù)載敏感轉(zhuǎn)向器等液壓元件組成。其中，多路閥包括了作業(yè)系統(tǒng)部分閥片，如圖1 中虛線框中部分。

1.2 工作原理

柱塞泵的壓力油經(jīng)過濾器到優(yōu)先閥CF 口，優(yōu)先提供給轉(zhuǎn)向器。當(dāng)轉(zhuǎn)向器無流量需求時(shí)，壓力油經(jīng)優(yōu)先閥EF 口供給多路閥。當(dāng)操作電控手柄時(shí)，多路閥電磁鐵Y1 或Y2 得電，前輪開始轉(zhuǎn)向;松開手柄時(shí)，電磁鐵Y1 和Y2 失電，停止轉(zhuǎn)向。

圖1 中，梭閥選擇轉(zhuǎn)向器與多路閥中負(fù)載大的壓力反饋給柱塞泵，泵根據(jù)反饋壓力建立相應(yīng)的系統(tǒng)壓力滿足負(fù)載要求。平衡閥起車輪方向保持、防止車輪竄動(dòng)作用。在松開轉(zhuǎn)向手柄時(shí)，車輪能按當(dāng)前方向行駛。壓力開關(guān)SK1 保證方向盤轉(zhuǎn)向與手柄轉(zhuǎn)向只能同時(shí)一種有效。當(dāng)方向盤轉(zhuǎn)向時(shí)，SK1 得電，同時(shí)切斷控制器到多路閥電磁鐵Y1 和Y2 之間的通道。即使在方向盤轉(zhuǎn)向，誤操作了轉(zhuǎn)向手柄，也不會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)作。

圖1 中多路閥為負(fù)載敏感多路閥，它與負(fù)載敏感柱塞泵組成負(fù)載敏感系統(tǒng)。多路閥換向部分是電比例控制，它根據(jù)手柄提供電流的大小控制流量的大小，從而控制轉(zhuǎn)向速度。

圖1 轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)原理圖

2 輔助轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算

輔助轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是系統(tǒng)壓力要滿足最大轉(zhuǎn)向力要求;系統(tǒng)流量則按照最快操作方向盤轉(zhuǎn)向、前輪從一端轉(zhuǎn)到另一端所用時(shí)間來設(shè)計(jì)。

2.1 輔助轉(zhuǎn)向系統(tǒng)壓力計(jì)算

轉(zhuǎn)向壓力與前輪實(shí)際負(fù)重、輪胎寬度、轉(zhuǎn)向油缸與前橋結(jié)構(gòu)有關(guān)。需要先計(jì)算總轉(zhuǎn)向扭矩ML與轉(zhuǎn)向力F，才能得出轉(zhuǎn)向壓力。

(1)總轉(zhuǎn)向扭矩ML

計(jì)算公式［5］:

式中:Gs為前輪負(fù)重(N);

e 為輪胎中心到轉(zhuǎn)向節(jié)銷軸之間的偏心距(mm);

B 為輪胎寬度(mm);

μ 為輪胎與地面摩擦因數(shù)。

根據(jù)已知數(shù)據(jù)，前輪負(fù)重Gs=63 000 N;偏心距e=170 mm;輪胎寬度B =375 mm;摩擦因數(shù)μ =0.8。由式(1)得出總轉(zhuǎn)向扭矩為3 649 N·m。

(2)轉(zhuǎn)向力F 計(jì)算

計(jì)算公式［5］:

式中:ML為總轉(zhuǎn)向扭矩(N·m);

r 為轉(zhuǎn)向油缸的最小有效半徑(mm)。

根據(jù)已知數(shù)據(jù)，最小有效半徑r =138 mm。由式(2)得出轉(zhuǎn)向力F=26 439 N。

(3)轉(zhuǎn)向壓力p 計(jì)算

轉(zhuǎn)向油缸采用兩支雙作用油缸差動(dòng)聯(lián)接方式。轉(zhuǎn)向壓力的計(jì)算方式［5］:

式中:F 為轉(zhuǎn)向力(N);

D 為轉(zhuǎn)向油缸缸徑(mm);

d 為轉(zhuǎn)向油缸桿徑(mm);

根據(jù)已知數(shù)據(jù):轉(zhuǎn)向油缸缸徑D = φ63 mm;桿徑D=φ40 mm。由式(3)得出轉(zhuǎn)向壓力p=5.31 MPa。

實(shí)際設(shè)置的輔助轉(zhuǎn)向系統(tǒng)壓力為21 MPa，系統(tǒng)壓力滿足轉(zhuǎn)向要求。

2.2 輔助轉(zhuǎn)向系統(tǒng)流量計(jì)算

利用方向盤轉(zhuǎn)向時(shí)，從前輪一端轉(zhuǎn)到另一端所需圈數(shù)為3 ～5 圈。而人操作方向盤，最高轉(zhuǎn)速在100 r/min以內(nèi)。據(jù)此得出前輪一端轉(zhuǎn)到另一端最快的時(shí)間為1.8 s。

(1)轉(zhuǎn)向油缸在兩極限位置之間轉(zhuǎn)動(dòng)所需的油液量計(jì)算公式［5］:

式中:D 為轉(zhuǎn)向油缸缸徑(mm);

d 為轉(zhuǎn)向油缸桿徑(mm);

s 為轉(zhuǎn)向油缸行程(mm)。

根據(jù)已知數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)向油缸缸徑D = φ63 mm;桿徑D=φ40 mm。轉(zhuǎn)向油缸行程s=273 mm。由式(4)得出油液量V=1 359 mL。

(2)實(shí)際流量q 的計(jì)算

計(jì)算公式［5］:

根據(jù)前文中所得出的數(shù)據(jù)，由式(5)得出最大實(shí)際流量q=45.3 L/min。多路閥中輔助轉(zhuǎn)向控制閥片的設(shè)計(jì)流量為55 L/min，流量滿足需求。

3 輔助轉(zhuǎn)向時(shí)限速保護(hù)

3.1 限速保護(hù)目的

采用輔助轉(zhuǎn)向需要進(jìn)行限速保護(hù)，主要目的是:

(1)平地機(jī)在作業(yè)時(shí)速度通常比較低，推土作業(yè)時(shí)速度在10 km/h 以內(nèi);平地作業(yè)時(shí)速度在5 km/h以內(nèi)。在滿足作業(yè)時(shí)速度的前提下，可以限制平地機(jī)在輔助轉(zhuǎn)向時(shí)的行駛速度。

(2)方向盤操作轉(zhuǎn)向中，帶有人力轉(zhuǎn)向功能，遇到緊急情況，如在高速行車過程中發(fā)動(dòng)機(jī)突然失去動(dòng)力，可以進(jìn)入人力緊急轉(zhuǎn)向。而手柄操作轉(zhuǎn)向不帶應(yīng)急轉(zhuǎn)向功能，限速保護(hù)可以保證行駛的安全。

3.2 限速保護(hù)措施

平地機(jī)由8 個(gè)電磁換向閥來分別控制8 對變速箱離合器的接合與脫離。8 對離合器的動(dòng)作可以產(chǎn)生14個(gè)擋位。每個(gè)擋位、速度與離合器接合狀態(tài)的關(guān)系如表1。

表1 擋位、速度與離合器關(guān)系

從表1 可以看出:當(dāng)K8 不接合時(shí)，平地機(jī)行駛速度均在10 km/h 以內(nèi)。因此，在采用輔助轉(zhuǎn)向時(shí)，只需要限制控制K8 離合器接合的電磁閥得電就可以進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)不采用輔助轉(zhuǎn)向時(shí)，解除限制。

4 結(jié)論

提出一種平地機(jī)輔助轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)，采用電控手柄操作轉(zhuǎn)向，相對操作方向盤，操作手柄的操縱力較小，更加舒適。增強(qiáng)了平地機(jī)的操控性能與平地機(jī)工作適應(yīng)性。并對在采用輔助轉(zhuǎn)向時(shí)，提出了限速保護(hù)措施。該輔助轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

［1］楊學(xué)峰，蔡志剛，方明，等．工程機(jī)械車輛的轉(zhuǎn)向形式及其特點(diǎn)［J］．建筑機(jī)械，2013(7):67－72．

［2］景軍清，徐新躍．雙泵合/分流負(fù)荷傳感型全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的應(yīng)用［J］．建筑機(jī)械，2005(1):91－92．

［3］尹國會(huì)，趙向陽，景軍清，等．負(fù)荷傳感轉(zhuǎn)向系統(tǒng)［J］．流體傳動(dòng)與控制，2005(1):44－45．

［4］鄧斌，王國志，劉桓龍，等．裝載機(jī)負(fù)荷傳感轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)［J］．筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2006(3):47－49．

［5］Rexroth Bosch Group．行走機(jī)械液壓:第三冊［M］．博士力士樂(中國)有限公司，2004，RC11868/07．03．