《液壓系統(tǒng)設(shè)計》研究生試題2

1、同濟大學(xué)研究生專業(yè)課程考試考查試卷 A卷20112012 學(xué)年第 1 學(xué)期專業(yè) 學(xué)號 姓名 成績 課程名稱 液壓系統(tǒng)設(shè)計 課程編號 2030215 考試（ ）、考查（ ）主考教師（簽名） 教研室主任（簽名） 題目：全液壓平地機傳動系統(tǒng)設(shè)計計算與評價（100分）已知條件：全液壓平地機發(fā)動機為康明斯柴油機，型號：6CTA8.3-C215,額定功率為160Kw/2300 rpm ；最大扭矩轉(zhuǎn)速：880Nm/1500rpm。平地機使用重量為15500Kg；采用后橋、平衡箱、輪胎驅(qū)動，后橋至輪胎間的總傳動比為20.99，允許最大輸入扭矩7488Nm，最大橋荷12000Kg；輪胎型號：14.00-24；平

2、地機作業(yè)速度（前進(jìn)或后退）為3.5-4.5km/h，二檔6km/h左右，最大自行運輸速度為40km/h左右。要求實現(xiàn)8個前進(jìn)擋、8個后退擋。其他條件可以根據(jù)同類型液力機械式平地機的要求自主確定。要求：根據(jù)已知的條件，相關(guān)的液壓或液力傳動平地機方面的參考文獻(xiàn)資料和本課程的基本知識，進(jìn)行全液壓平地機傳動系統(tǒng)參數(shù)計算、匹配和必要的系統(tǒng)原理設(shè)計，并作出性能評價。1全液壓平地機傳動系統(tǒng)方案設(shè)計平地機是一種裝有以鏟土刮刀為主，配有其它多種可換輔助作業(yè)裝置，進(jìn)行土地平整和整形的連續(xù)作業(yè)的筑路機械，被廣泛用于公路、鐵路、機場、停車場等大面積場地的整平作業(yè)，也被用于進(jìn)行農(nóng)田整地、路堤整形及林區(qū)道路的整修等作業(yè)。

3、此外，平地機還可配置多種作業(yè)機具（例如除雪犁、壓路滾子等），以完成特殊要求的作業(yè)項目。目前，市場上使用的平地機傳動系統(tǒng)主要有3種：純機械式、液力機械傳動和液壓傳動。純機械式平地機由于作業(yè)時急劇變化的負(fù)荷會直接作用于發(fā)動機，因此容易出現(xiàn)發(fā)動機突然熄火，運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定等不正常情況，嚴(yán)重地影響到發(fā)動機的使用壽命。液力變矩器自調(diào)節(jié)可以在一段區(qū)域內(nèi)緩解發(fā)動機這一不穩(wěn)定狀態(tài)，使發(fā)動機在某一功率內(nèi)仍能滿足施工需要。但液力變矩器的高效速度范圍較窄，而平地機不可能一直工作在其高效范圍內(nèi)，這樣液力變矩器的存在使得平地機油耗和效率在某一速度區(qū)段必然降低。同時，平地機要求工作速度平穩(wěn)，施工精密，液力變矩器速度特性的非線性

4、不能很好得滿足其施工要求。液壓傳動主要是由發(fā)動機驅(qū)動的液壓泵、液壓馬達(dá)和液壓自動控制裝置等組成，可以使機器的操縱性能更進(jìn)一步提高，可以在很大的速度范圍內(nèi)實現(xiàn)無級變速。但是由于我國的精密制造技術(shù)相對國外落后，使得某些液壓元器件的制造精度低，密封性差，這樣很多液壓元器件和控制軟件都依賴進(jìn)口，使得全液壓機械成本相對提高，從而使得全液壓平地機的市場小，不能很好的滿足生產(chǎn)需要。本文平地機采用的傳動方案為機械-液壓復(fù)合傳動，這種傳動方式不僅發(fā)揮了液壓傳動的優(yōu)點，還兼顧了機械傳動的特點及其相對的低成本優(yōu)勢，車輛零部件通用性強，實現(xiàn)了平地機分段無級變速控制和傳動系統(tǒng)的高效率（相對于液力機械傳動），在一定程度上

5、有效地提高了工程車輛的行駛性能，操作簡單舒適。圖1為該方案的傳動原理框圖。該方案采用單變量泵+單變量馬達(dá)+2檔變速箱+后橋驅(qū)動的變速驅(qū)動方案，其中變量泵和變量馬達(dá)通過管路管件連成的閉式變量液壓系統(tǒng)。動力傳動路線為發(fā)動機通過聯(lián)軸器帶動變量泵，經(jīng)過變量馬達(dá)后，傳遞至動力換擋變速箱，再經(jīng)后橋減速后驅(qū)動左、右平衡箱，最后由平衡箱內(nèi)的串聯(lián)傳動裝置將動力傳遞給驅(qū)動輪，使機器行走。2檔變速箱可以使馬達(dá)輸出的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速范圍進(jìn)一步擴大，這樣車輛能夠發(fā)揮的牽引力和牽引速度的范圍也可進(jìn)一步擴大。本傳動方案采用的車速換擋方案為變速箱換擋+液壓系統(tǒng)換擋。變速箱換擋選擇2檔變速箱，液壓系統(tǒng)換擋通過馬達(dá)排量的改變實現(xiàn)，對應(yīng)

6、于不同的車速檔位設(shè)計馬達(dá)相應(yīng)的排量位置。在平地機行駛過程中，通過改變變量泵斜盤傾斜的方向來實現(xiàn)平地機行駛方向（前進(jìn)或倒退）的改變；通過改變變量馬達(dá)斜盤（或斜軸）傾斜角度的大小和2檔變速箱的檔位來實現(xiàn)平地機車速檔位的變換；通過改變液壓泵斜盤傾斜角度的大小來實現(xiàn)各個車速檔位下的無級調(diào)速。圖1 傳動方案原理框圖2. 全液壓平地機傳動系統(tǒng)參數(shù)計算匹配發(fā)動機、液壓泵、液壓馬達(dá)、行走機構(gòu)組成一個負(fù)荷驅(qū)動系統(tǒng)時，它們之間既相互聯(lián)系又相互制約。整個系統(tǒng)的最佳的動力輸出不僅取決于各元件本身，而且取決于各元件性能參數(shù)之間的合理配置，這一配置要同時兼顧元件的工作壽命與制造成本。在這一負(fù)荷驅(qū)動系統(tǒng)中，已知平地機整機使

7、用重量、發(fā)動機參數(shù)、后橋傳動比參數(shù)、車輛驅(qū)動輪參數(shù)和工作速度范圍及行駛速度范圍。根據(jù)這些已知參數(shù)合理選擇復(fù)合傳動系統(tǒng)中變量泵和變量馬達(dá)的工作壓力、型號、轉(zhuǎn)速和變速箱的各檔傳動比，以及在此基礎(chǔ)上，匹配車輛整機各檔位的行駛速度和牽引力，以達(dá)到整機牽引性能的合理匹配。已知條件：（1）發(fā)動機型號為：康明斯6CTA8.3-C215，主要性能參數(shù)如下表。表1 所選發(fā)動機的性能參數(shù)額定功率（kw）額定轉(zhuǎn)速（rpm）額定扭矩（Nm）最大扭矩（Nm）最大扭矩轉(zhuǎn)速（rpm）扭矩適應(yīng)性系數(shù)160230066488015001.33表中發(fā)動機額定扭矩計算式為：.（2）平地機使用重量為15500Kg；最大橋荷為1200

8、0Kg。（3）后橋至輪胎間的總傳動比為20.99，允許最大輸入扭矩7488Nm。（4）輪胎型號：14.00-24，故取輪胎動力半徑。（5）平地機作業(yè)速度（前進(jìn)或后退）為3.5-4.5km/h，二檔6km/h左右，最大自行運輸速度為40km/h左右。要求實現(xiàn)8個前進(jìn)擋、8個后退擋。2.1 確定整機參數(shù)1） 確定由地面附著條件決定的各牽引力和阻力：由地面附著條件決定的最大牽引力（附著力）和最大切線牽引力：式中：車輛的切線牽引力最終由發(fā)動機經(jīng)傳動系統(tǒng)傳至輪胎上的最大驅(qū)動力和由地面條件決定的極限附著力決定，取兩者中的較小值，即車輛切線牽引力為。對于連續(xù)作業(yè)的輪式平地機：額定滑轉(zhuǎn)率工況與最大牽引效率工況

9、一致。平地機額定滑轉(zhuǎn)率取。額定牽引力：；額定切線牽引力：滾動阻力：式中：表2 平地機由地面條件決定的各牽引力值和滾動阻力值使用質(zhì)量附著質(zhì)量附著力最大切線牽引力滾動阻力額定牽引力額定切線牽引力155001200082.3294.0815.1957.6260.0969.3871.85注：表中質(zhì)量單位為kg，各牽引力單位為KN.2） 根據(jù)牽引比確定最大切線牽引力： 由車輛理論知，最大切線牽引力與車輛重量的比值是相對固定的，該比值稱為牽引比。查書行走機械液壓傳動與控制第76頁的表6.2車輛最小牽引比要求，如表3所示。表3 車輛最小牽引比要求車輛類型工作條件最小牽引比功能及地面條件工作坡度（%）重載空載

10、平地機平整濕地150.65平地機最大切線牽引力為：驅(qū)動輪輪最大扭矩：3） 根據(jù)速度等比原則確定各檔車速：1檔車速在車速-牽引力等功率曲線上對應(yīng)的切線牽引力應(yīng)大于等于最大切線牽引力，則1檔工作速度可按下式初步確定，盡量取等號：式中理論切線牽引效率：牽引元件的理論牽引功率在發(fā)動機有效輸出功率中所占的百分比。理論牽引效率的可根據(jù)經(jīng)驗初步確定：發(fā)動機驅(qū)動輔助裝置的功率消耗：風(fēng)扇、水泵、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、工作裝置控制系統(tǒng)等占0.050.10，考慮到還有工作泵、補油泵等的消耗，所以取0.10，。傳動系統(tǒng)中泵、馬達(dá)效率、?。?.860.88；分動箱、后橋傳動效率取：0.950.97；機械變速箱傳動效率?。?.97。

11、則傳動系統(tǒng)總傳動效率約為： 則：最高檔行駛速度由已知條件給出，2檔車速初取為6 km/h，最后根據(jù)速度等比原則確定各檔車速，見下表。表4 平地機的各檔車速工作速度(km)/h行駛速度(km/h)1檔2檔3檔4檔5檔6檔7檔8檔3.668.211.215.321.028.840.02.2 行駛液壓驅(qū)動系統(tǒng)壓力的確定對于液壓傳動型機械來說，系統(tǒng)的工作壓力是設(shè)計計算中重要的參數(shù)之一，壓力的合理選用與匹配不但能保證液壓組件具有期望的工作壽命與可靠性，以及組件的工作能力能被充分利用而有低的成本，而且能保證液壓系統(tǒng)有較高的傳動效率從而有效地發(fā)揮機器的動力性與經(jīng)濟性。因此對液壓系統(tǒng)工作壓力的確定是十分必要和

12、關(guān)鍵的。在液壓傳動中，工作壓力取決于外負(fù)荷。為保證液壓組件的工作壽命與可靠性，一般的系統(tǒng)壓力設(shè)定方法是確定機器的最大負(fù)荷壓力和平均持續(xù)負(fù)荷壓力，并使這兩個壓力均不超過組件的最高標(biāo)定壓力和額定壓力。元件的最高標(biāo)定壓力為元件的可靠壽命和泄露所允許的最高間斷壓力，最高壓力通常不超過全部工作時間的1%2%。工程機械的載荷循環(huán)中頻頻出現(xiàn)高壓，為避免元件在最高壓力下工作時間過長而影響壽命，有必要降低最高壓力使用值。載荷平均壓力由載荷狀態(tài)、元件的最高壓力和額定壓力之間的關(guān)系（兩者比值，類似于發(fā)動機扭矩適應(yīng)性系數(shù)）、要求的工作壽命等確定。為了提高元件的工作壽命并降低噪聲，通常取載荷平均壓力小于元件的額定壓力，

13、即。但是在實際當(dāng)中，工程機械的載荷波動過大并且高壓頻繁出現(xiàn)，盡管已按進(jìn)行了參數(shù)匹配，但仍可能使最高壓力作用時間超過整個工作時間的1%2%，或使載荷峰值壓力超過，從而使元件中的旋轉(zhuǎn)組件壽命降低。這種情況下，應(yīng)進(jìn)一步降額配置或采用其他對動態(tài)高峰載荷有抑制作用的濾波措施。1） 液壓系統(tǒng)額定匹配壓力的確定對工程機械行走液壓元件額定壓力以最高壓力為基準(zhǔn)，取為：2） 液壓系統(tǒng)最高匹配壓力的確定由于液壓元件與柴油機共同組成一個動力驅(qū)動裝置，兩者有相同的載荷形式和壽命要求，將反映發(fā)動機載荷波動程度的扭矩適應(yīng)性系數(shù)模擬成反映液壓元件壓力波動程度的壓力適應(yīng)性系數(shù)（為液壓元件最高壓力與額定壓力的比值）。由于發(fā)動機參

14、數(shù)已經(jīng)確定，即發(fā)動機的扭矩適應(yīng)系數(shù)已知，取，則工程機械行走液壓元件最高壓力，以額定壓力為基準(zhǔn)，取為：本文平地機行駛液壓系統(tǒng)中的液壓元件選擇力士樂公司A6VM系列馬達(dá)和A4VG系列泵。查找該型號液壓元件的樣本，可得液壓元件的額定壓力和最高壓力，見下表：表5 液壓元件壓力表背壓454024338由上述匹配原則可得：初步確定額定匹配壓力和最高匹配壓力如下：則初步確定的液壓系統(tǒng)壓力值如下表所示：表6 液壓系統(tǒng)壓力表背壓3525233232.3 馬達(dá)的選型根據(jù)馬達(dá)角功率與車輛角功率相吻合的原則來選定馬達(dá)的排量規(guī)格。2.3.1 車輛角功率的計算角功率是一種極限狀態(tài)的描述指標(biāo)，它不是通常能夠獲得的功率，但是

15、它有效地綜合性地反映了對傳動裝置規(guī)格和速比的要求，即反應(yīng)了傳動裝置的功率容量和變換能力。因此是設(shè)計過程中極為重要的參數(shù)。角功率是最大驅(qū)動扭矩與最高轉(zhuǎn)速的乘積。一個實際機器的動力裝置是由有限功率的動力源（發(fā)動機）與傳動裝置（液壓傳動裝置等）組成的，傳動裝置的任務(wù)就是根據(jù)外負(fù)荷變化來調(diào)節(jié)動力源的有限功率中扭矩與轉(zhuǎn)速兩者之比例，使驅(qū)動扭矩與負(fù)荷扭矩相平衡，使驅(qū)動扭矩與負(fù)荷扭矩相平衡。顯然，對一個有限功率值而言，扭矩大時則轉(zhuǎn)速小，兩者不可能同時達(dá)到其極值，因此角功率是不可能實際實現(xiàn)的。但是，一個傳動裝置如果具備了機器要求的角功率能力，則在其扭矩和轉(zhuǎn)速兩參數(shù)的調(diào)節(jié)變換過程中，總能找到一個滿足機器要求的最

16、大扭矩點和另一個滿足機器要求的最高轉(zhuǎn)速點，并且這兩個點均在傳動裝置所允許的工作范圍內(nèi)。角功率的意義正在于此：將扭矩和轉(zhuǎn)速兩參數(shù)匹配轉(zhuǎn)化為角功率單參數(shù)匹配，問題簡化。角功率計算公式如下：式中： 對于具有多檔位的變速箱的傳動系統(tǒng)，必須根據(jù)每變速箱一檔位的工作范圍（輸出參數(shù)）來計算車輛角功率，且將其中最大的角功率作為馬達(dá)選型的根據(jù)。下圖為8檔平地機不同檔位行駛速度在等功率曲線上的分布以及變速箱各檔位對應(yīng)的角功率。圖2 不同檔位行駛速度在等功率曲線上的分布各檔車速已初步確定，如表4所示。變速箱檔的最大切線牽引力等于變速箱檔的最高車速（即車輛4檔車速）對應(yīng)的切線牽引力，該切線牽引力可由下式計算：檔角功率

17、：檔角功率：車輛角功率取兩者中的較大值，。2.3.2 馬達(dá)型號確定由機器角功率計算要求的馬達(dá)的角功率： 式中：馬達(dá)與驅(qū)動輪間傳動效率，取0.94。馬達(dá)角功率計算出后，確定了能夠滿足機器工作要求的最小規(guī)格的馬達(dá)，則所選的馬達(dá)排量應(yīng)大于等于這個最小值，即根據(jù)下列公式來選擇馬達(dá)排量：式中：馬達(dá)最高匹配轉(zhuǎn)速，對變量馬達(dá)為最小排量時的最高匹配轉(zhuǎn)速，取小排量下的額定轉(zhuǎn)速作為其的目標(biāo)值。查找A6VM系列馬達(dá)的樣本，如表7所示?？蛇x滿足要求的規(guī)格最小的馬達(dá)為160馬達(dá)。也可選擇200、250馬達(dá)。但通常較小排量規(guī)格的元件有較低的成本，為降低成本，選用160馬達(dá)。表7 A6VM 160馬達(dá)的技術(shù)參數(shù)表全排量(m

18、l/r)全排量下最高轉(zhuǎn)速(rpm)小排量下最高轉(zhuǎn)速(rpm)160310049002.4 變速箱各檔傳動比的確定變速箱應(yīng)同時滿足最大輸出扭矩、速比和最大輸入轉(zhuǎn)速的要求。1）變速箱檔傳動比應(yīng)滿足變速箱最大輸出扭矩的要求：式中：取。2）變速箱檔傳動比的確定： 應(yīng)滿足減速裝置最大輸入轉(zhuǎn)速的要求，使車輛達(dá)到最高行駛速度：式中：取。3） 減速裝置的最高輸入轉(zhuǎn)速、最大輸出扭矩和持續(xù)輸出扭矩均不得超過許可值。減速裝置允許的持續(xù)扭矩約為最大扭矩的1/31/2，最高不超過75%。最大負(fù)荷扭矩發(fā)生在液壓系統(tǒng)最高匹配壓力與馬達(dá)為最大排量時對應(yīng)的工況下，由于額定匹配壓力為工作機械“滿鏟平均壓力”，機器整個工作循環(huán)中的

19、平均負(fù)荷要低于“滿鏟平均負(fù)荷”，因而減速裝置的負(fù)荷持續(xù)扭矩小于額定匹配扭矩，不會超過負(fù)荷最大扭矩的70%，因此，按最大扭矩條件校核之后，持續(xù)扭矩可以不必校核。減速裝置的最高允許輸入轉(zhuǎn)速可以作為最高持續(xù)輸入轉(zhuǎn)速使用。后橋最大輸入扭矩為：2.5 泵的選型泵參數(shù)計算滿足馬達(dá)流量的要求，根據(jù)下列式子泵的排量規(guī)格： 式中：馬達(dá)、泵的容積效率，均取0.95；泵的匹配轉(zhuǎn)速，馬達(dá)最大排量對應(yīng)的最高匹配轉(zhuǎn)速。查找A4VG系列泵的樣本，選擇滿足要求的規(guī)格最小的泵為125泵，技術(shù)參數(shù)如下表。表8 A6VM 125泵的技術(shù)參數(shù)表全排量(ml/r)最高轉(zhuǎn)速(rpm)12528502.6 校核（1） 泵匹配轉(zhuǎn)速液壓泵的校

20、核工況選擇車輛液壓系統(tǒng)制動工況進(jìn)行校核：校核式中：制動工況時泵的轉(zhuǎn)速；泵最大排量下的最高標(biāo)定轉(zhuǎn)速。，滿足。（2） 馬達(dá)匹配轉(zhuǎn)速的校核變量馬達(dá)應(yīng)對下列兩種工況下的工作速度分別考核：1）馬達(dá)全排量的制動工況，校核式為：2）馬達(dá)最小使用排量的制動工況，校核式為：校核式中：、制動工況下馬達(dá)最大和最小使用排量時轉(zhuǎn)速；、馬達(dá)最大和最小使用排量時的最高標(biāo)定轉(zhuǎn)速；馬達(dá)最小使用排量。的計算式為：式中：馬達(dá)最小排量時要求的最高匹配轉(zhuǎn)速，。最小排量比應(yīng)滿足以下條件：，滿足。，滿足。，滿足。2.7 確定各檔車速與牽引力閉式液壓系統(tǒng)流量： 式中：可得馬達(dá)轉(zhuǎn)速：車輛的理論行駛速度為： 式中：馬達(dá)的輸出扭矩：驅(qū)動輪上的切線

21、牽引力： 式中：（1）首先確定車輛1檔和5檔的車速和切線牽引力：1檔和5檔時，設(shè)置馬達(dá)排量為全排量（）。代入數(shù)值計算1檔（傳動比）和5檔（傳動比）的車速和切線牽引力，結(jié)果如下：1檔：5檔：可計算得此時車輛理論牽引效率為。（2）確定車輛8檔的車速和切線牽引力：平地機處于最高檔位8檔工作時，馬達(dá)排量比為。8檔：（3）確定車輛4檔的車速和切線牽引力：根據(jù)變速箱檔輸出的最大切線牽引力大于等于變速箱檔最高車速時車輛能夠發(fā)揮的最大切線牽引力這一條件確定4檔車速。對應(yīng)于液壓系統(tǒng)最高匹配壓力和馬達(dá)最大排量時的工況，對應(yīng)于平地機4檔車速時的切線牽引力。即：確定此時馬達(dá)排量為，可計算得4檔的車速和切線牽引力為：4

22、檔：（4）根據(jù)1檔和4檔的車速，由速度等比原則確定2、3檔車速；同理，根據(jù)5檔和8檔的車速，由速度等比原則確定6、7檔車速。通過計算可得：2檔（）：3檔（）：6檔（）：7檔（）：2.8 匹配結(jié)果表9 匹配結(jié)果參數(shù)泵全排量馬達(dá)全排量馬達(dá)最小使用排量125ml160ml74.13ml液壓系統(tǒng)額定匹配壓力差液壓系統(tǒng)最高匹配壓力差23Mpa33Mpa變速箱1檔傳動比變速箱2檔傳動比4.730.99表10 平地機的牽引性能參數(shù)表變速箱檔位車輛檔位馬達(dá)排量比額定匹配壓力下的工況最高匹配壓力下的工況車速切線牽引力車速切線牽引力檔1檔13.8882.422.70118.322檔0.6505.9753.584.

23、1676.913檔0.4638.3938.165.8454.784檔0.312.9324.739.0135.50檔5檔118.5317.2512.9124.766檔0.77523.9213.3716.6619.197檔0.65029.5211.2119.8616.108檔0.463407.9927.8811.473. 性能分析目前市場上國外平地機供應(yīng)商主要包括卡特彼勒、小松、沃爾沃等公司。與國內(nèi)品牌平地機同類產(chǎn)品相比，其產(chǎn)品可靠性較高。因此，對比研究這些公司的平地機產(chǎn)品的性能，找出國內(nèi)平地機產(chǎn)品存在的性能不足，可以進(jìn)一步改進(jìn)產(chǎn)品，進(jìn)行合理的傳動系統(tǒng)性能匹配提出指導(dǎo)性原則。由于本文研究的平地機功

24、率為160kw，所以選擇與這一功率相近機型進(jìn)行計算比較。以下為各品牌機型的選擇情況。表11 所選對比平地機型號廠家平地機型號平地機發(fā)動機功率卡特彼勒160K154kw沃爾沃G940160kw三一PQ190CA149kw卡特彼勒和沃爾沃平地機為純機械式傳動，即發(fā)動機直接與動力換擋變速箱聯(lián)接；三一平地機為全液壓傳動，取消了變速器和驅(qū)動橋，由液壓馬達(dá)直接帶動平衡箱驅(qū)動。表11、表12、表13為根據(jù)平地機樣本中提供的主要參數(shù)進(jìn)行牽引特性的反算得到的性能參數(shù)。 表11 卡特160K平地機前進(jìn)檔牽引性能計算參數(shù)表額定功率點最大扭矩點檔位車速切線牽引力車速切線牽引力1檔4.197.642.05158.222檔5.572.792.75117.953檔852.92481.094檔1140.325.558.975檔1726.098.538.166