礦用機(jī)械行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

劉 毅

江蘇省第一工業(yè)設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，江蘇徐州 221006

0 引言

一般礦用機(jī)械的核心組成部分即是行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其大概分為四種類(lèi)型，即純機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、液力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)以及電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。相較于工作系統(tǒng)，礦用機(jī)械行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要保證具有很大的傳輸功率，而且組成整套系統(tǒng)所需要的組件具有耐用、高效特性，從而能夠確保系統(tǒng)在變速、調(diào)速、轉(zhuǎn)變輸出軸旋轉(zhuǎn)方向以及逆向傳輸動(dòng)力等方面具有較高特性。

1 礦用機(jī)械行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)類(lèi)型的確定

目前，最常用于礦用機(jī)械行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的類(lèi)型主要是液壓驅(qū)動(dòng)和液力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)兩種，為此，本文針對(duì)這兩種類(lèi)型的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行如下比較：

1）反應(yīng)性能

利用我國(guó)液力機(jī)械驅(qū)動(dòng)型ZLD-40裝載機(jī)進(jìn)行測(cè)試顯示，機(jī)械啟動(dòng)加速時(shí)間為2s，制動(dòng)時(shí)間為2.8s，額定功率下?lián)Q向時(shí)間為2s，待采用液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)后，由于其變速箱具有較大慣量，因此這些時(shí)間都會(huì)大大地縮短。

2）低速性能和驅(qū)動(dòng)效率

液力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定了轉(zhuǎn)速的二次方是與變矩器泵輪扭矩成正比的，電機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)低則扭矩過(guò)小，因此造成了啟動(dòng)時(shí)不能充分加速?gòu)亩鵁o(wú)法發(fā)揮變矩器輸出扭矩的作用，假使用于裝載機(jī)械上，由于裝載機(jī)械是工作在低速區(qū)的，因此液力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是具有一定的局限性的，而液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速與扭矩是無(wú)關(guān)的，因而可以避免這種情況的發(fā)生。在驅(qū)動(dòng)效率方面，在同一設(shè)計(jì)工作點(diǎn)上，雖然液力驅(qū)動(dòng)相較于液壓驅(qū)動(dòng)而言有著較高的驅(qū)動(dòng)效率，但是液壓驅(qū)動(dòng)會(huì)在較寬的速度范圍內(nèi)保持高效率運(yùn)行，由此可知液壓驅(qū)動(dòng)在驅(qū)動(dòng)效率上顯然要優(yōu)于液力驅(qū)動(dòng)。

3）調(diào)速、變速性能

在進(jìn)行礦用機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)，無(wú)論是采用液力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還是采用液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，都需要進(jìn)行相應(yīng)的換擋設(shè)計(jì)，液力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)往往會(huì)被設(shè)計(jì)為三檔或四檔，但液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是利用恒功率進(jìn)行調(diào)速變速的，基本上可以不換擋就可以調(diào)速在較寬范圍內(nèi)，通常設(shè)計(jì)為兩檔即可。

4）其他

此外，相較于液力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)液壓驅(qū)動(dòng)還具有根據(jù)外載荷自動(dòng)改變性能，改善了發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行情況，避免了在礦井下由于發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)低速運(yùn)轉(zhuǎn)而成大量的有毒氣體現(xiàn)象。另外，液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)體積較小，提高了礦用機(jī)械的越野性能。

綜上所述，本文主要是針對(duì)基于液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的礦用機(jī)械行走驅(qū)動(dòng)的研究與設(shè)計(jì)。

2 礦用機(jī)械行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)

礦用車(chē)輛液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本構(gòu)成形式為泵和發(fā)動(dòng)機(jī)，其組成方式有三種類(lèi)型，如圖1所示，這套系統(tǒng)的整體性能不單受系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)組件的性能影響，還受各個(gè)組件之間參數(shù)是否良好匹配的影響，因此在進(jìn)行礦用機(jī)械液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，基本從以下幾個(gè)方面進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)。

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)與液壓泵的參數(shù)匹配

全程式調(diào)速發(fā)動(dòng)機(jī)被廣泛地用于礦用機(jī)械之中，機(jī)械性能主要由燃油效率、機(jī)械效率表示。礦用機(jī)械正常工作時(shí)，其負(fù)荷變化無(wú)規(guī)律可循，因此就要使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在最優(yōu)情況之下，要滿足使得燃料消耗最低，機(jī)械效率最大以及提高功率利用率，通常情況下，按12h標(biāo)定功率計(jì)算，如公式（1）。

其中式（1）中Δp 為液壓泵的進(jìn)出口壓差，qb為泵理論排量，n 為泵驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速，ηpm為泵機(jī)械效率，Pe為發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)泵的凈功率。上式?jīng)]有將補(bǔ)油泵功率消耗計(jì)算在內(nèi)。液壓電機(jī)的外部負(fù)荷扭矩與液壓泵的進(jìn)出口壓差呈正比例關(guān)系，在轉(zhuǎn)速輸出確定的前提下，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)泵凈功率極易泵機(jī)械效率也是能確定的，因此泵理論排量表現(xiàn)在作用于發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷，其最大值會(huì)受到發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的約束。

此外泵理論排量也會(huì)影響液壓泵性能，其表現(xiàn)在于qb越大，機(jī)械效率和總效率越高。綜上若想獲得高效率的液壓驅(qū)動(dòng)，就要將各個(gè)轉(zhuǎn)速下的最大輸出功率作為液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制對(duì)象，如式（2）所示，液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的最佳工作狀態(tài)就是要滿足式（2）。發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩與液壓泵的匹配公式如式（3）所示，其中Mb為泵吸收轉(zhuǎn)矩。

2.2 液壓泵與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的參數(shù)匹配

針對(duì)這一環(huán)節(jié)主要通過(guò)以下四個(gè)方面：液壓元件壓力匹配、液壓元件轉(zhuǎn)速的匹配、液壓元件效率分析、驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的選擇與控制。

1）液壓元件壓力的匹配：對(duì)于液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，壓力是一個(gè)重要的參數(shù)，合理的壓力選取與參數(shù)匹配可以確保系統(tǒng)的可靠性以及耐用性。其匹配原則是以液壓元件最高壓力為基準(zhǔn)，選取其0.5～0.6的倍數(shù)作為礦用機(jī)械行走液壓元件額定壓力；2）液壓元件轉(zhuǎn)速的匹配：實(shí)踐表明合理地減小壓力和轉(zhuǎn)速可以提高液壓元件使用壽命、增加其可靠性和傳動(dòng)效率。其參數(shù)匹配原則是忽略液壓泵低速時(shí)的工作性能，將驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)用轉(zhuǎn)速向低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變?？墒堑退龠\(yùn)行不穩(wěn)定，所以不能使斜盤(pán)式軸向柱塞電動(dòng)機(jī)持續(xù)工作在100rpm～450rpm和斜軸式軸向柱塞電機(jī)持續(xù)工作在50rpm；3）液壓元件效率分析：液壓元件的效率要通過(guò)實(shí)際試機(jī)對(duì)現(xiàn)實(shí)中的泵和電機(jī)工作在不同條件下測(cè)試記錄，進(jìn)行效率分析可以高度發(fā)揮和充分利用傳動(dòng)裝置的性能；4）驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的選擇與控制：驅(qū)動(dòng)電機(jī)一般為高壓自動(dòng)變量驅(qū)動(dòng)電機(jī)?？刂品绞揭缶唧w為：在大部分工作時(shí)間內(nèi)，保持驅(qū)動(dòng)電機(jī)和液壓系統(tǒng)在中高壓范圍內(nèi)工作；對(duì)車(chē)輛外部負(fù)荷變化，驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)具有相應(yīng)的自適應(yīng)能力；任意工況下，都要確保驅(qū)動(dòng)電機(jī)高效率、穩(wěn)定可靠的工作。

2.3 行走機(jī)構(gòu)與滑轉(zhuǎn)曲線的匹配

滑轉(zhuǎn)率是車(chē)輛行走時(shí)與地面的相對(duì)滑轉(zhuǎn)程度，在一定程度上影響著車(chē)輛牽引性能。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐方法可繪制出滑轉(zhuǎn)率隨牽引力變化的關(guān)系，具體可解釋為滑轉(zhuǎn)率一定時(shí)，牽引力高的附著性能強(qiáng)，也可解釋為若地面相等牽引力時(shí)，滑轉(zhuǎn)率低的附著性能強(qiáng)，其關(guān)系可用式（4）表示。

其中Fkp味機(jī)車(chē)有效牽引力，Gφ為單位附著重力，它們的比值即為額定牽引力，然后通過(guò)繪制的滑轉(zhuǎn)率隨牽引力變化的關(guān)系求得相對(duì)應(yīng)的滑轉(zhuǎn)率，完成行走機(jī)構(gòu)與滑轉(zhuǎn)曲線的匹配工作。

[1]沈曉剛.礦用機(jī)械行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能匹配研究與應(yīng)用[D].沈陽(yáng)：東北大學(xué)，2008.

[2]盧義茂.礦山機(jī)器行走機(jī)構(gòu)液壓與液力傳動(dòng)的分析比較[J].礦山機(jī)械，1982：57-62.