毕业设计（论文）-矿用防爆车液压传动系统设计.docVIP

第3章 静液压驱动系统的设计摘要矿用防爆车是现代矿山企业重要的运输工具之一，目前普遍使用前后铰接式、机械式传动，经防爆发动机、离合器、变速箱、传动轴、驱动桥实现驱动。暴露换挡时间长、零件冲击载荷大布局复杂等缺点。由于静液压传动具有工作平稳、冲击小、重量轻、无级调速及调速范围大、易于实现自动化、在恶劣工作条件下相对电传动性能更可靠等优点，近年来发展迅速，已受到车辆传动领域的广泛重视。在分析了国内防暴车的传动型式、工作条件及负载变化后，参考已有防爆车的设计，结合静液压传动的优点，设计了矿用防爆车的静液压传动系统，驱动是由两个液压马达输出扭矩驱动车辆的两轮驱动型式，采用双泵供油的闭式变量系统；鉴于转向和举倾不同时发生，在设计中采用举倾时双泵合流的供油方式，从而充分利用了发动机功率，减少了能量损耗；同时还对矿用防爆车的制动性能进行了分析，能够满足其制动要求。关键词：矿用防爆车；马达驱动；静液压传动目录摘要abstract第1章 绪论111 矿用防爆车的现状及发展112 本设计的任务和目标2第2章 主要技术参数及对传动方案的分析确定221 主要技术参数222 总体方案及传动方案确定223 现代液压技术的发展3 24 矿用防爆车用静液压驱动的可行性与优越性.第3章 静液压驱动系统的设计631 车辆行走机构对液压传动系统的要求632 液压驱动系统的型式63.2.1 容积调速系统63.2.2 功率分流液压调速系统733 行走驱动系统性能的主要参数734 静液压驱动系统方案的确定83.4.1 液压驱动系统的型式83.4.2 液压驱动系统传动方案1235 液压传动系统的设计计算123.5.1 确定液压系统的工作压力133.5.2 液压传动参数及性能的计算133.5.3 辅助装置2136 拟定驱动液压系统工作原理图2337 液压元件的选择和设计25第4章 液压转向系统的设计2741 转向系统的基本要求2742 转向方式及转向随动系统方框图274.2.1 轮式车辆转向方式274.2.2 转向随动系统方框图2843 液压转向系统方案的选择2844 液压转向系统设计计算294.4.1 转向阻力矩的计算294.4.2 转向油缸参数的确定304.4.3 转向器参数的确定324.4.4 油泵参数的确定3345 拟定液压转向系统工作原理图33第5章 液压举倾系统的设计3551 概述3552 举倾系统的限速措施3553 液压举倾系统的设计计算365.3.1 倾卸油缸行程及内径的计算375.3.2 倾卸油缸容积及油泵的计算3954 拟定液压举倾系统工作原理图39第6章 制动性能分析4161 制动力矩和制动力416.1.1 前轮制动力矩和制动力416.1.2 后轮制动力矩和制动力4262 前后轮附着力及滚动阻力4263 制动加速度和制动距离43第7章 系统总成4571 液压转向系统和举升系统的组合457.1.1 系统的组合457.1.2 举升转向组合系统元件的选择4772 大型矿用自卸车静液压传动系统的总成4773 静液压传动系统动力来源传动装置的选择50第8章 液压系统性能验算5181 液压系统压力损失5182 液压系统的发热温升528.2.1 液压系统的发热功率528.2.2 液压系统的散热功率5383 液压系统冲击压力54结论57致谢58参考文献59附录60 第1章 绪论11 矿用防爆无轨胶轮车的现状及发展我国虽然已从上世纪80年代中期开始研制柴油机无轨胶轮车，但进展不大。在现代采矿技术发展的过程中，地下无轨运输设备以其快捷、机动灵活、用人少和效率高的特点，应用越来越广泛，无轨胶轮车辅助运输在我国已逐渐显示出其优势。从其性能特点上来看，防爆无轨胶轮车具有防爆可靠，运输效率高、适用范围广、机动灵活、牵引力大、适应性强、安全性好以及可完成直达运输等特点，于传统轨道运输系统相比，辅助人员可减少70%，效率可提高5倍以上，再加上近年来煤矿对生产安全的要求越来越高 ，地下防爆无轨运输设备将会成为未来的发展趋势，也必将成为各大煤矿青睐和必不可少的地下运输设备。随着我国煤矿采掘发展的需要，从国外引进了一些无轨胶轮车，使用后取得了显著的经济效益。但长期使用国外的引进设备，存在着设备购置费用昂贵，使用成本高，且常因国外配件供货周期较长而造成停运等一系列问题，严重影响着生产的正常进行。这就促使我国加速自行研制无轨胶轮车的进程，从而尽快改变我国煤矿辅助运输的被动，落后局面。无轨胶轮车已在很多矿区得到了成功的应用，这充分证明了无轨胶轮车是一种高效快速安全的辅助运输设备，在我国具有广阔的应用前景。它不仅适于水平煤层与近水平煤层矿井中使用，而且只要设计合理，配置得当，完全可以用无轨胶轮车在大型立井中实现从井底至采区工作面的人员，材料和设备的直达运输，在综采工作面内利用支架搬运车进行设备的搬家，安装调整和拆卸。这必将大幅提高高产高效矿井辅助运输效率。从事无轨胶轮车的研制生产，也必将给研制单位带来良好的收益。 国外无轨胶轮车（以下简称胶轮车）的研制和使用已有40余年的历史，由于它无轨道限制，并具有适应性强、机动灵活性好、安全高效的特点，因而在美国、英国、澳大利亚、南非等产煤大国已普遍使用。我国绝大多数矿井的辅助运输仍使用传统轨道矿车、无极绳绞车接力运输的方式，存在着运行环节多、速度慢、用人用机多、效率低、机动性和适应性差等问题，制约了矿井尤其是特大型矿井生产的发展。1994年以来，神东矿区先后引进了多种类型的胶轮车，在生产上取得了很好的成效。但设备购置费用昂贵，每年的外汇支出约千万元之多，且常因配件供应不及时而影响生产。这种情况促使我国自行研制胶轮车，逐步改变我国煤矿辅助运输的被动、落后局面。近年来，煤科总院太原分院先后研制成功了三种胶轮车，还在继续研发ty2fb型及ty12fb型两种车型。其中，ty3061fb型为平头后翻自卸式，采用4x2后驱柴油机驱动；ty6/20fb为前后铰接式，采用4x2前驱柴油机驱动；ty7fb为前后铰接自卸式，采用4x2前驱柴油机驱动；ty2fb为平头平板式，采用4x4双驱或4x2后驱柴油机驱动；ty12fb为平用厢式，采用4x4双驱柴油机驱动。随着国内煤矿广泛采用防爆无轨胶轮车辆, 提高了运输生产率。但同时煤矿还需要一种轻型防爆车辆, 能够运输小型机电设备和人员, 具有价格低、载重量小、轻便灵活的特点, 能够替代非防爆车辆下井, 降低运行成本, 消灭不安全隐患。针对这一问题, 煤炭科学研究总院太原分院研制开发了wqc2j型防爆胶轮车, 用于煤矿井下人员、辅助材料和机电设备的运输。该车是结合国内外防爆车辆的防爆及安全保护成熟技术, 采用国内汽车底盘, 创新开发的一种用于煤矿井下的新型防爆胶轮车。目前广泛用于国内各大煤矿, 已成为煤矿辅助运输的主要车型。wc5e型防爆胶轮车是煤科总院太原研究院自主研发的产品。作为煤矿井下运输的主力车型，主要担负运送井下的煤渣、煤泥、铺路用的石子和水泥，搬家倒面时担负中部槽和小型设备的运输任务，使用十分频繁。整车结构采用了双桥驱动4x4，前后机架铰接式，双缸折腰转向。后翻自卸式车厢和双向驾驶等结构。根据该车的工作条件和使用环境，制动系统采用了双回路全液压制动系统，保证了车辆在使用中的高可靠性。最近，应兖州矿业集团东滩矿及山西西山晋兴能源有限责任公司等煤矿的要求，南昌矿山机械研究所与常州科研试制中心有限公司联合研制开发了一款用于煤矿井下的完全新颖的 wcq-3a 双向驾驶防爆无轨胶轮车。w c q - 3 a 双向驾驶防爆无轨胶轮车是以气启动的四缸防爆柴油机为动力，da 控制的静液压机械传动，四轮驱动，前后机架中央铰接，全液压动力转向，平板型车厢或可侧卸型车厢、驾驶室双向布置可双向驾驶的煤矿井下无轨胶轮运输设备。该车除具有结构紧凑、无级变速、调速性能好、重载爬坡能力强等特点外，最大的特点是在前、后机架上各布置有一个驾驶室，在前、后驾驶室均可驾驶 (即前、后双向驾驶) ，操作方便，非常适用于煤矿井下巷道断面较小、车辆无法调头的顺槽或胶带巷的井下运输作业，解决顺槽人员和物料的运输。12本设计的任务和目标 分析矿用防爆无轨胶轮车的使用要求，确定整体方案，然后查阅资料确定传动部分的方案并计算相关参数，完成传动系统的结构设计。对本次所做的设计求做到更好，但由于水平有限，肯定存在不少问题和漏洞，希望在以后的求知过程中能进一步完善。第2章 主要技术参数及对传动方案的分析确定21 主要技术参数主要技术参数是车辆已知参数设计所必须满足的车辆技术性能，矿用防爆无轨胶轮车各参数要求如下：最大载重量：5t 车辆自重：8t最高行驶速度：32km/h 最小离地间隙：250mm 最大爬坡度：不小于14 最小转弯半径：14由公式（3-4）可得，依照最大爬坡度要求，低速运行时的牵引力，即最大牵引力：=（5+8）10009.8（sin14+0.02cos14）= 33293 n式中：车辆滚动阻力系数，取0.02 爬坡角，=14高速运行时的要求的最大牵引力：=（5+8）10009.8（sin0+0.02cos0）= 2548n式中：=02驱动功率车辆低速运行爬坡度为14时要求的牵引力是最大的，此时，对车辆速度无特别要求，只要能爬上坡即可。现在取最大爬坡时的车辆速度为3.6 km/h，此速度为车辆的最小速度，即=3.6km/h。因此低速运行时的车辆牵引功率为 = = = 41.6kw 式中为传动效率，取0.8最高速度运行时,车辆牵引功率为： = = 28.3 kw 由以上计算知，要满足车辆在高速运行时的要求，须取 = 42 kw。3变换范围变换范围是根据车辆要求的最大参数决定的，其计算公式为： （3-6）式中： 单位为m/s，单位为w液压系统效率 机械传动效率当3时，由变量泵单独变换；当3时，由变量泵-变量马达变换。总的变换范围分为变量泵的变换范围和变量马达的变换范围， （3-7）由式（3-6）可以算得变换范围= 9.78式中：取0.8，取0.9可见，总的变换范围 3，需要用变量泵-变量马达系统变换，故所选方案合理。变量泵和变量马达的变换范围分别为：=3.124液压泵和液压马达的参数计算矿用防爆无轨胶轮车用轮边马达直接驱动，要求马达输出大转矩，同时实现无级变速。液压马达的基本参数主要是排量和转速，所选择的液压马达必须满足机械的动力及行驶速度的要求。马达扭矩： （3-8）式中：牵引力，n 驱动轮半径，=0.5m 马达数量，=2 轮边减速器传动比，取=9 传动系效率，取0.98马达转速： （3-9）式中：车辆运行速度，m/s 单位为r/min其他各参数与上面相同。马达排量： （3-10）式中：系统压差，=20pa 马达机械效率，选用柱塞马达，取=0.95。根据已经计算出的马达的排量和马达在大排量时的最高转速以及系统的工作压力，选择标准系列的马达。在选择了马达以后，液压油泵的选择应满足液压马达对流量和压力的要求。油泵的流量应满足马达在作业时的最大速度要求，由下式确定： （3-11）式中：泵的容积效率，选用柱塞泵，取=0.95行走油泵的排量可按下式确定： （3-12）式中：泵的转速，由发动机转速和分动箱确定低速运行时车辆牵引力大由以上计算，最大牵引力为 = 33293 n，在最大牵引力时的速度为=3.6 km/h，将各个参数代入式（3-8）得马达最大扭矩： = = 944nm代入式（3-9）得马达转速： = =172r/min由式（3-10）可以求得马达排量：= = = 312ml/r则所需泵的流量由式（3-11）得：= = = 56.5l/min式（3-12）算得泵的排量：= = = 25.7ml/r高速运行时车辆牵引力较小，由以上计算，高速行驶时的最大牵引力为 = 2548 n，最高时速为=32 km/h，将各个参数代入式（3-8）得马达扭矩： = 73 nm由式（3-10）可以求得马达排量： = = 24ml/r由式（3-9）得马达最高转速： = = 1528 r/min则所需泵的流量由式（3-11）得：= = = 38.6 l/min式（3-12）算得泵的排量：= = = 17.5ml/r 结合以上数据，马达转速 排量 泵的转速 排量 5验证速度及牵引力特性大多数情况下液压传动的计算是确定功率特性曲线的上下极限点a和b的技术参数，即车辆特性用牵引力车速曲线图表示，上极限点a为最大牵引力时的车速，下极限点b为最大车速的牵引力。通过前面的计算，已知以下参数：驱动功率：=42kw 液压泵最高转速：=2200r/min液压泵最大排量：=26ml/r 点a的最大压力：=20mpa 马达最大排量：=312 ml/r 马达最高转速 =172r/min（1）最大牵引力点a液压泵流量：=56.8 l/min液压泵排量：=25.8ml/r马达输出扭矩：=944 nm驱动轴输出力矩：=16652.16nm牵引力：=33304.32 n由车辆所需的最大牵引力=33293，知，可见满足要求。液压马达转速：=86.5r/min车辆行驶速度：=0.5m/s = 1.8 km/h（2）最大速度点b液压泵流量：=57.2 l/min压力：= 39mpa液压马达排量：= 17.8ml/r液压马达输出扭矩：= 104.85 nm驱动轴力矩：=1849.554 nm牵引力：=3699.108 n车辆以最高速度=32km/h行驶时，所需的牵引力为 = 2548n，可见，能满足高速行驶的牵引要求。车辆行驶速度：= 32 km/h根据以上的计算可以绘出车辆的牵引特性曲线如图3.5所示（km/h）图3.5 车辆速度及牵引特性图通过以上计算可知，此液压传动装置可以提供车辆所需的牵引力和车速，液压泵和液压马达规格参数的选择是正确的。3.5.3 辅助装置1确定油管尺寸油管的内径是根据管内允许流速和所通过的流量来确定: m (3-13)式中：油管内径，m通过油管的流量，油管中允许的流速，m/s 对于吸油管路 1.5 m/s 对于压油管路 = 2.55 m/s 对于回油管路 = 1.52 m/s油管壁厚按强度条件计算，计算公式为： （3-14）式中：油管内最高工作压力油管内径油管材料许用应力，为油管材料的抗拉强度，为安全系数，对油管来说，7mpa时，取=8；17.5mpa时，取=6；17.5mpa时，取=4。由以上计算知通过油管流量为=56.8 l/min，取吸油管路流速 = 1.5 m/s，压油管路流速 = 5 m/s，回油管路流速 = 2 m/s，代入式(3-13)可得：吸油管内径： = 28mm压油管内径： = 16 mm回油管内径： = 24 mm对于管道壁厚，这里只计算吸油管，查机械设计手册（第1卷）输送流体用无缝钢管，选油管材料的抗拉强度=520mpa，对于吸油管17.5mpa，因此取=4，则 = 130 mpa将数据代入式（3-14）算得其壁厚为： = 2mm查机械设计手册，根据吸油管内径= 33 mm，壁厚= 2 mm，选用332无缝钢管，其内径27mm，壁厚6mm 。2油箱容量计算油箱容量是指油面高度为油箱高度80%时油箱所贮油液的容积，如果油箱有效容积过大，虽然散热好，但外形尺寸大，重量增加，特别不利于行走机械，如果油箱有效容积过小，则可能会使液压系统油温过高，容积效率大大降低。对行走机械，一般都要在系统中加冷却器来满足车辆液压系统散热要求，因此所用油箱的一般都比较小，以便减小行走机械的重量和尺寸。行走驱动系统油箱容量大约为辅助补油泵流量的0.50.8倍，最少必须加上10%的储备容积，包括在温度升高时油液体积的增加。辅助补油泵的流量一般为主泵流量的20%左右，前面已确定行走驱动共用两个液压泵带两个液压马达，每个液压泵流量分别为56.8 l/min，补油泵单独向驱动用液压泵补油，故补油泵流量为：=22.8l/min由此，确定驱动用油箱容量大约为：v = 0.50.8） = 11.4 18l取驱动用油箱容量v = 15 l。36 拟定驱动液压系统工作原理图在明确了主机对液压系统的要求，确定了液压系统方案，并经过初步计算之后，可以拟定液压系统工作原理图。液压系统原理图是用液压元件职能符号表示的系统工作原理图，它能清楚地表示出各元件之间的关系、动作原理、操纵和控制方式等。拟定的液压系统，能实现主机的运动要求，应使结构简单，性能可靠，操纵方便，并尽量具有先进性。能满足同一台机器需要的液压系统原理图不是唯一的，可以拟定出好几种方案，必须进行不同的方案比较，从各方面进行分析，选择一种最优的液压系统。在拟定液压系统工作原理图时，应注意以下几个问题：1在组合各基本回路时，要防止回路中有相互干扰的现象，以便保证实现主机的工作。2在满足工作要求和生产率的条件下，液压系统力求结构简单，应避免系统中存在多余油路。3要注意液压系统的安全可靠性。一定要设置过载保护油路，一般都装有安全阀或溢流阀，防止过载，并根据具体情况，增设某些安全装置。4在考虑主油路的同时，必须充分注意必要的辅助油路，如卸荷油路、缓冲油路、补油油路、背压油路、冷却油路等。5要经济合理，提高经济效益，尽量提高三化水平（即标准化、系列化、通用化）。根据前面的分析计算，已经确定液压系统的型式为闭式容积调速系统，确定了两个变量液压泵驱动两个变量液压马达的方案，实现车辆两轮驱动。图3.6为防爆车的液压驱动系统原理图。图3.6 大型矿用自卸车液压驱动系统原理图1、 油箱 2、补油泵 3、滤油器 4、补油溢流阀 5、安全阀及单向阀6、变量泵 7、驱动马达37 液压元件的选择和设计拟定了液压系统工作原理图之后，就可以根据液压系统压力和流量选择或设计系统中所应用的各种元件和管路，使图中的液压符号具体化，确定各种液压元件的结构形式、规格和数量。1液压泵和液压马达的选择液压泵的额定压力和流量应满足系统工作压力和流量的要求，其外形尺寸、安装方式、转动方向、工作条件等也要适合机器的需要。根据工作压力、排量和转速以及工作要求，选择液压马达的结构形式、规格和数量。矿用防