全液壓履帶式挖掘機(jī)行走回路分析

四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通與市政工程系 四川德陽 618000

1 液壓傳動概述

自行式工程機(jī)械因機(jī)種和類型不同,總體構(gòu)造也各有特點(diǎn)[1]。作為底盤的重要組成部分,傳動系的作用是將動力裝置發(fā)動機(jī)的動力適當(dāng)改變后傳至驅(qū)動輪或驅(qū)動鏈輪。傳統(tǒng)的傳動方式是通過機(jī)械傳動將動力傳至行走裝置,機(jī)械傳動效率雖然很高,但是存在沖擊大、噪聲大、磨損嚴(yán)重等一系列問題。液壓傳動具有功率密度大、布置靈活、結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)響應(yīng)快、易過載保護(hù)、操作方便等優(yōu)點(diǎn),在工程機(jī)械中應(yīng)用普遍[2-4]。近年來,越來越多的工程機(jī)械行走裝置也采用了液壓傳動。工作裝置、轉(zhuǎn)向裝置、行走裝置均采用液壓傳動的工程機(jī)械被稱為全液壓工程機(jī)械。全液壓履帶式挖掘機(jī)是一種典型的全液壓工程機(jī)械,除工作裝置、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用液壓傳動外,行走裝置也采用液壓傳動。筆者對全液壓履帶式挖掘機(jī)行走回路進(jìn)行分析。

2 行走裝置傳動方案

全液壓履帶式挖掘機(jī)采用液壓馬達(dá)作為行走裝置的驅(qū)動元件。液壓馬達(dá)類型不同,轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩也各有不同,作為行走裝置驅(qū)動元件使用時(shí),存在兩種不同的傳動方案:高速傳動方案和低速傳動方案。采用高速小轉(zhuǎn)矩液壓馬達(dá)時(shí),需要經(jīng)過減速器的增矩作用后再將動力傳至驅(qū)動鏈輪,此為高速傳動方案。采用低速大轉(zhuǎn)矩液壓馬達(dá)時(shí),直接將動力傳至驅(qū)動鏈輪,此為低速傳動方案。行走裝置高速傳動方案如圖1所示。發(fā)動機(jī)工作時(shí),將產(chǎn)生的機(jī)械能傳至液壓泵。液壓泵將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為壓力能[5],輸出壓力油。壓力油經(jīng)換向閥油道、管道和中央回轉(zhuǎn)接頭后,到達(dá)液壓馬達(dá)[6]。液壓馬達(dá)的動力經(jīng)過減速器放大后,傳至驅(qū)動鏈輪。

圖1 行走裝置高速傳動方案

3 行走回路功能性分析

3.1 雙速行走

含有兩臺同規(guī)格液壓馬達(dá)的兩級調(diào)速回路如圖2所示。作為液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件,液壓馬達(dá)的功能是將壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能,輸入的參數(shù)為壓力和流量,輸出的參數(shù)為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。

圖2 兩級調(diào)速回路

設(shè)液壓馬達(dá)的進(jìn)、回油腔壓力差為ΔpM,輸入的流量為qM,則液壓馬達(dá)的輸入功率PMi為:

PMi=ΔpMqM

(1)

液壓馬達(dá)的理論流量qMt為排量VM與轉(zhuǎn)速nM的乘積,不考慮泄漏損失,液壓馬達(dá)的實(shí)際流量qM等于理論流量qMt,則有:

qM=qMt=VMnM

(2)

于是輸入功率PMi為:

PMi=ΔpMVMnM

(3)

液壓馬達(dá)的輸出功率PMo為角速度ωM與輸出轉(zhuǎn)矩TM的乘積,則有:

PMo=ωMTM=2πnMTM

(4)

不考慮泄漏損失和轉(zhuǎn)矩?fù)p失,液壓馬達(dá)的輸入功率PMi等于輸出功率PMo,則有:

ΔpMVMnM=2πnMTM

(5)

整理得:

TM=ΔpMVM/(2π)

(6)

兩臺同規(guī)格液壓馬達(dá)通過二位四通換向閥連接,形成可共同驅(qū)動機(jī)械的行走裝置。由圖2可知,二位四通換向閥1處于上位時(shí),兩臺液壓馬達(dá)為并聯(lián),每臺液壓馬達(dá)的進(jìn)油腔最大壓力均取決于輸入油液的調(diào)定壓力。溢流閥一般在回路中用于調(diào)定供油壓力,設(shè)該壓力為py,不考慮液壓馬達(dá)回油腔的背壓,則液壓馬達(dá)的進(jìn)、回油腔壓力差ΔpM與py相等。由式(6)可知,液壓馬達(dá)的最大輸出轉(zhuǎn)矩為pyVM/(2π)。二位四通換向閥1處于下位時(shí),兩臺液壓馬達(dá)為串聯(lián),此時(shí)每臺液壓馬達(dá)的進(jìn)、回油腔最大壓差為并聯(lián)時(shí)的一半,即此時(shí)ΔpM與py/2相等。由式(6)可知,最大輸出轉(zhuǎn)矩為pyVM/(4π)。另一方面,液壓馬達(dá)并聯(lián)時(shí)輸入流量為供油量的一半,串聯(lián)時(shí)為全部供油量,定量馬達(dá)的排量VM不可調(diào)節(jié),由式(2)可得液壓馬達(dá)并聯(lián)時(shí)的轉(zhuǎn)速為串聯(lián)時(shí)的一半。

綜上所述,當(dāng)兩臺液壓馬達(dá)并聯(lián)時(shí),輸出大轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)速,這一工況稱為低速大轉(zhuǎn)矩工況,適用于道路阻力大或上坡時(shí)。當(dāng)兩臺液壓馬達(dá)串聯(lián)時(shí),輸出小轉(zhuǎn)矩、大轉(zhuǎn)速,這一工況稱為高速小轉(zhuǎn)矩工況,適用于道路阻力小時(shí)快速行走[7]。高速小轉(zhuǎn)矩工況回路可應(yīng)用于全液壓工程機(jī)械,用作行走回路。WY100型全液壓履帶式挖掘機(jī)行走液壓系統(tǒng)如圖3所示,左液壓馬達(dá)和右液壓馬達(dá)分別并排布置在左、右履帶驅(qū)動鏈輪的動力輸入處,構(gòu)成兩個(gè)獨(dú)立的行走回路。兩個(gè)變速閥決定了挖掘機(jī)的行走擋位。值得注意的是,并不是每種機(jī)型的行走回路都具有這一雙速行走設(shè)計(jì),某些機(jī)型采用的是左、右驅(qū)動鏈輪各由單個(gè)液壓馬達(dá)驅(qū)動。

3.2 直線行走與轉(zhuǎn)向

因作業(yè)及施工需要,全液壓履帶式挖掘機(jī)需要實(shí)現(xiàn)直線行走與轉(zhuǎn)向的切換。如圖1所示,兩臺雙聯(lián)的液壓泵排量相等,因此流量也相同。直線行走時(shí),每臺液壓泵的壓力油分別全部供至對應(yīng)的液壓馬達(dá),因此流經(jīng)兩臺液壓馬達(dá)的流量相等,兩臺液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速相同,全液壓履帶式挖掘機(jī)實(shí)現(xiàn)直線行走[8]。全液壓履帶式挖掘機(jī)需要轉(zhuǎn)向時(shí),操縱換向閥,借助換向閥的節(jié)流調(diào)速作用,形成兩臺液壓馬達(dá)的差速轉(zhuǎn)動,使兩個(gè)驅(qū)動鏈輪實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。同理,在切換前進(jìn)或倒退模式時(shí),也是通過換向閥操縱兩臺液壓馬達(dá)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)的?？梢?在多泵多回路系統(tǒng)中,兩臺液壓馬達(dá)應(yīng)分別布置在不同的回路中,由各自的換向閥控制行走速度,這樣不僅可以方便地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向[9-10],而且可以在最大程度上利用發(fā)動機(jī)功率。

圖3 WY100型全液壓履帶式挖掘機(jī)行走液壓系統(tǒng)

3.3 限速行走

全液壓履帶式挖掘機(jī)在下坡路段行走時(shí),需要采取限速措施,以保證行車安全。在WY100型全液壓履帶式挖掘機(jī)行走液壓系統(tǒng)中,采用節(jié)流閥作為限速方式,節(jié)流閥的工作受到梭閥提供的兩個(gè)液壓泵中壓力較大者的控制。在全液壓履帶式挖掘機(jī)直線行走時(shí),因?yàn)榇嬖诘缆纷枇?兩個(gè)液壓泵均能夠輸出較大的壓力,所以節(jié)流閥在梭閥引出的壓力油作用下處于上位,左、右液壓馬達(dá)的回油腔中無背壓,全液壓履帶式挖掘機(jī)以正常速度行走。當(dāng)全液壓履帶式挖掘機(jī)下坡行走時(shí),由于重力的作用,左、右液壓馬達(dá)有超速下滑的趨勢,此時(shí)左、右液壓馬達(dá)的進(jìn)油腔壓力因?yàn)樨?fù)載消失或急劇減小而隨之減小,節(jié)流閥在彈簧的作用下處于下位。實(shí)際左、右液壓馬達(dá)的回油腔因?yàn)楣?jié)流閥的限速作用,不會出現(xiàn)超速下行。

WY40型全液壓履帶式挖掘機(jī)行走液壓回路如圖4所示,其中,單向閥、溢流閥、液控順序閥構(gòu)成行走限速閥組。當(dāng)該挖掘機(jī)下坡行走時(shí),因?yàn)橹亓Φ挠绊?左、右液壓馬達(dá)進(jìn)油腔壓力減小,此時(shí)液控順序閥的控制油壓減小,閥芯在彈簧的作用下產(chǎn)生復(fù)位的趨勢,開度迅速減小,直至達(dá)到新的平衡。在這一行走液壓回路中,液控順序閥作為限速鎖使用[11],起到限速作用。

圖4 WY40型全液壓履帶式挖掘機(jī)行走液壓回路

4 結(jié)束語

全液壓履帶式挖掘機(jī)在工程建設(shè)中有廣泛的用途,其行走裝置采用液壓傳動。筆者對全液壓履帶式挖掘機(jī)的行走回路進(jìn)行了分析。在分析之前,應(yīng)當(dāng)先了解工作條件、整機(jī)性能及行走裝置的要求。正確分析整機(jī)液壓系統(tǒng)及各個(gè)回路,對后續(xù)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)、正確使用與維護(hù)、故障診斷與排除等,均具有重要意義。