（机械电子工程专业论文）sf33900型电传动矿用自卸车液压系统设计与动态分析.pdf

中南大学硕士学位论文摘要 摘要 矿用自卸车以其生产效率高、运营成本低而成为大型矿山的理想运输工具， 其大型化是一个重要的发展趋势。目前，国外主要生产厂家的产品规格都已达到 3 6 0 吨，而国内还没有自主开发出吨位超过2 0 0 吨的自卸车。由于重量大、行驶 速度高，加之矿山地区的弯道、坡路较多，矿用自卸车必须具有可靠、灵活的举 升、转向和制动性能。液压系统作为矿用自卸车的转向、举升、制动控制系统， 它的性能优劣将严重影响整车的安全性能和生产效率。国外自卸车多采用专用元 件，而国内相关研究较少。 本文在分析国内外相关产品液压系统特点的基础上，从元件选型、阀块制作 以及系统节能的角度出发，设计了国内首台2 2 0 吨矿用自卸车的液压系统。所设 计的系统具有以下特点：1 ) 转向系统采用蓄能器供油、恒压变量泵补油、流量 放大式的全液压动力转向系统，取消了故障率较高的卸荷溢流阀，具有紧急转向， 转向泵排量较小以及自吸能力和冷起动能力较强等优点；2 ) 举升系统采用插装 式的控制阀组，油源为齿轮泵+ 转向泵合流、通轴驱动的方案，解决了带通轴驱 动功能的双联齿轮泵和专用举升控制阀选型困难的问题，并具有转向泵故障时举 升泵可单独完成举升动作、系统节能可靠等优点。3 ) 制动系统采用带液控功能 的踏板阀为先导阀、继动阀为主阀的双路制动系统，解决了前后制动器流量、压 力差别较大的问题，并具有次级制动、自动紧急制动、制动锁定等功能。 针对大型矿用自卸车普遍存在的举升机构惯性很大和举升多级液压缸有效 面积突变，举升系统较容易产生液压冲击的问题，采用液压系统仿真软件a m e s i m 对所设计的举升系统进行建模，仿真研究举升、压力迫降、浮动等过程。结果表 明，满载举升动作时，活塞面积突变引起的冲击小于开始或停止时的冲击，冲击 压力不超过1 6 m p a ，初始过程的较大压力冲击主要来自转向泵，且持续时间较短， 空车斗举升、压力迫降或浮动时系统的冲击压力都不超过5 m p a ，本系统具有较 好的动态特性，满足设计要求。 关键字：矿用自卸车，动态分析，举升液压系统，动力转向，全液压制动 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t m i n i n gt r u c ki sa ni d e a lc o n v e y a n c ei nl a r g em i n e sf o ri t sh i g h e f f i c i e n c ya n dg o o de c o n o m y ，a n dt e n d st ob el a r g e r n o w ，t h ep a y l o a do f m a i nt r u c k sa b r o a dh a sb e e nu pt o36 0t o n s ，b u ti n t e r n a lm a n u f a c t u r e r s h a v en o tp r o d u c e dm i n i n gt r u c k so v e r2 0 0t o n s o w i n gt ol a r g ew e i g h t a n dh i g hs p e e do ft r u c k sa n dm o r ec u w ea n ds l o p ei nm i n e s ，t h es y s t e m o fs t e e r i n g ，b r a k ea n dh o i s t i n gm u s tb er e l i a b l e h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ， h y d r a u l i ch o i s t i n ga n df u l lh y d r a u l i cb r a k eh a v eb e e na p p l i e di nm i n i n g t r u c k s s ot h es a f e t yo ft r u c k sa n dp r o d u c t i o nh a sb e e na f f e c t e d b y h y d r a u l i cs y s t e ms e r i o u s l y i nt h i sp a p e r ，h y d r a u l i cs y s t e m so fm i n i n gt r u c k sh a v eb e e na n a l y z e d c o n s i d e r i n gh y d r a u l i cc o m p o n e n t ，t h em a n u f a c t u r eo fv a l v eb o d ya n d s a v i n ge n e r g y ，ah y d r a u l i cs y s t e mh a sb e e nd e s i g n e df o rf i r s ti n t e r n a l2 2 0 t o n sm i n i n gt r u c k i tf e a t u r e st h a t ：1 ) s t e e r i n gs y s t e mi sf u l lh y d r a u l i c p o w e rs t e e r i n gs y s t e m w i t hf l o w a m p l i f i e r ，w h i c h i s s u p p l i e db y a c c u m u l a t o r sc h a r g e db yap r e s s u r ec o m p a s s i o n a t e dp i s t o np u m p t h e r e i sn ou n l o a d i n gv a l v ew h i c ho f t e nf a i l s e m e r g e n c ys t e e r i n gc a nb ed o n e w h e ns t e e r i n gp u m pf a i l s t h ep u m pi se a s yt ob es t o c k e df o ri t sl i t t l e d i s p l a c e m e n t ，s u c k so i lw e l la n dh a sg o o dc o l d s t a r tp e r f o r m a n c e 2 ) h o i s t i n gs y s t e mi sc o n t r o l l e db yc a r t r i d g ev a l v e sa n ds u p p l i e db yg e a r p u m pa n ds t e e r i n gp u m p o fp i g g y - b a c kd e s i g n t h e r ei sn ot a n d e mp u m p o f p i g g y b a c kd e s i g na n ds p e c i a lv a l v e sh a r dt ob es t o c k e d w i t hh o i s t i n g p u m p ，a l lh o i s t i n gm o v e m e n t sc a nb ec o m p l e t e dw h e ns t e e r i n gp u m p b r e a kd o w n a n dt h es y s t e mi se n e r g y - s a v i n ga n dr e l i a b l e 3 ) b r a k e s y s t e mi sd u a ls e r v i c eb r a k e sw i t hr e l a yv a l v e sc o n t r o l l e db yam i c o p e d a l p i l o ta c t u a t e dt a n d e mv a l v e t h ep r o b l e mo fl a r g e rd i f f e r e n c eo f p r e s s u r ea n df l o wb e t w e e nr e a rb r a k e sa n df r o n tb r a k e sh a sb e e ns o l v e d i tf e a t u r e ss e c o n ds e r v i c eb r a k e ，a u t o m a t i ca p p l y ，l o a d i n gb r a k ea n ds o o n d u et ol a r g ei n e r t i ao fd u m pb o d ya n dt h em u t a t i o no fv a l i dp i s t o n a r e ao fh o i s t i n gc y l i n d e r ，h y d r a u l i ci m p a c tc o m e si n t ob e i n gi nh o i s t i n g e a s i l y t os o l v et h i sp r o b l e m ，h o i s t i n gs y s t e md e s i g n e dh a sb e e nm o d e l e d i i i na m e s i m a n dt h em o v e m e n t so fh o i s t i n g ，p o w e r i n gd o w na n df l o a t i n g h a v e b e e ns i m u l a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a t ，w h e nd u m pb o d yf u l l y l o a d e di sb e i n gh o i s t e d ，p r e s s u r ei m p a c td u et om u t a t i o no fv a l i dp i s t o n a r e ai sl o w e rt h a nt h a td u et os t a r t i n go rs t o p p i n gm o v e m e n t s i m p a c t p r e s s u r ei sl e s st h a n16 m p aa n di m p a c tt i m ei ss h o r t t h ei m p a c tp r e s s u r e i sl e s st h a n5 m p aw h e ne m p t yd u m pb o d yh a sb e e nh o i s t e d ，p o w e r e d d o w na n df l o a t e d w i t hd y n a m i cp e r f o r m a n c e ，t h es y s t e md e s i g n e di su p t or e q u e s t t h es y s t e mi nt h i sp a p e rc a nb ea p p l i e di nd e s i g no fo t h e r d u m p t r u c k sa n dt h em e t h o df o rm o d e l i n ga n ds i m u l a t i n gh o i s t i n gs y s t e m c a nb ea p p l i e di ns i m i l a rs y s t e m k e yw o r d s m i n i n gt r u c k s ，d y n a m i ca n a l y s i s ，h y d r a u l i ch o i s t i n g s y s t e m ，p o w e rs t e e r i n g ，f u l lh y d r a u l i cb r a k e i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者貔缉喊避年半月娅日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：兰滥导师签名 作者签名：兰苎型孝导师签名期：埘耸月丑日 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 矿用自卸车( m i n i n gt r u c k ) ，也称之为非公路运输车( o f f h i g h w a yt r u c k ) ， 是露天矿山运输的重要设备，随着露天矿开采规模的扩大，开采深度的增加，运 输道路坡度的变陡，铁路运输效率降低，曲率半径受到限制，爬坡能力低，很难 适应深部开采的要求，从而为大型矿用自卸车的发展提供了机遇。目前，在年开 采量千万吨以上的大型露天矿山的运输设备中，矿用自卸车已占8 0 9 0 。 矿用自卸车安驱动型式分为电传动和液力机械传动，电传动的矿用自卸车又 称电动轮自卸车。 1 1 国内外矿用自卸车的发展概况 自1 9 6 3 年由美国u n i t r i g 公司和g e 公司合作开发出世界上第一台载重量 为7 7 t 矿用电动轮自卸车以来，经过4 0 多年的不断完善和大量新技术、新材料、 新工艺的采用，形成了以美国小松德莱赛公司、日立建机、t e r e xu n i t - r i g 、利 渤海尔、卡特彼勒、别拉斯( 白俄罗斯) 为代表的矿用自卸车生产企业，它们占 国际的市场份额占到9 0 以上，装载质量也从第一台车的7 7 t 上升到3 6 0 t ，并具 有1 0 8 t 、1 5 4 t 、1 9 0 t 、2 2 0 t 、2 9 0 t 、3 2 0 t 等多个系列。 1 1 1 国外发展概况 随着各种新技术、新工艺的应用，矿用自卸的传动系统不断创新完善。大功 率发动机的问世以及大型矿山对大型矿用自卸车偏爱，促使矿用自卸车向大型化 发展。 1 ) 大型化发展 大型矿用自卸车与中小型矿用自卸车相比，其生产效率更高，运营成本更低， 因而得到大型矿山偏爱，近年来随着矿山开采的规模的增加，大吨位矿用车的需 求比例不断增加，超大吨位的矿用车不断出现。小松德莱赛率先推出了2 9 0 t 的 9 3 0 e ，之后其他厂家跟入，利渤海尔推出了3 2 7 t 级t 2 8 2 型，之后又推出了载重 量为3 6 0 t 的t 2 8 2 b 型：t e r e xu n i tr i g 推出了3 2 6 t 级的m t 5 5 0 0 型，之后又推 出了3 6 0 t 的级m t 6 3 0 0 a c ；卡特彼勒推出3 2 6 t 级机械传动的7 9 7 型，之后又推 出有效载重为3 4 5 t 级机械传动的7 9 7 b 型；日立建机推出了有效载重为2 9 0 t 的 e h 5 0 0 0 ，之后升级到3 1 5 吨n 2 1 4 1 5 1 6 1 。 2 ) 传动方式不断创新 电传动式和机械传动式的矿用自卸车不断改造各自产品，提高技术性能，发 挥各自特长，在竞争中发展。电传动由直流传动向交流传动发展，机械传动逐渐 应用到大吨位的自卸车上。 l 中南大学硕十学位论文 第一章绪论 目前1l o t - - - 2 1 8 t 的电动轮自卸车多采用直流电动机驱动系统，它具有低速 度高扭矩特性，对长距离的稳定坡度运输比较有利，传动效率高，但是直流电动 机结构复杂，有许多运行部件在满载荷运转时，必须降低运行速度，以防止电动 机过热。因而最近开发的2 8 0 t 以上的电动轮自卸车都该用交流驱动系统，交流 电动机体积小、重量轻、结构简单和便于维修，解决直流电动机热负荷的困扰。 利渤海尔、日立建机采用西门子的a c 传动系统，小松德莱赛采用g e 的a c 传动 系统，t e r e xu n i tr i g 采用g e n e r a la t o m i c s 的a c 传动系统。随着g e 公司为 2 1 6 t 矿用车开发成功了a c 传动，a c 传动在向小级别矿用车转移。 伴随着大功率液力变矩器的问世，机械传动的矿用车的有效载荷也不断增 大，其中卡特彼勒的7 9 7 b 型矿用车有效载重达到3 4 5 t ，以接近电动轮自卸车的 最大有效载重h 1 。 1 1 2 国内发展概况 经过多年的技术合作、引进和吸收，国内矿用自卸车有了很大发展，主要生 产l o o t 以下的机械传动的矿用自卸车和1 0 8 t 、1 5 4 t 电动轮矿用自卸车，主要厂 商有北方股份、湘潭电机、北京重型汽车厂、首钢重型车厂、本溪重型车辆厂， 其中北方股份生产t e r e x 系列产品2 0 - - 一1 2 0 吨级矿用自卸车，主要型号有3 3 0 3 型2 5 t 、3 3 0 5 型3 2 t 、3 3 0 7 型4 5 t 、3 3 1 0 b 型9 1 t ，最近推出了目前国内吨位最 大( 1 9 0 t ) 的m t 3 6 0 0 型电动轮自卸车；湘潭电机主要生产1 0 8 t 、1 5 4 t 电动轮自 卸车，并正在研制2 2 0 t 电动轮自卸车；北京重型汽车厂主要生产4 0 t 以下的矿 用自卸车，并与别拉斯合作组装5 5 吨自卸车和1 3 0 电动轮自卸车；北京重型汽 车厂主要以3 0 吨以下为主，最近开始试制5 5 吨；本溪重型车辆厂主要型号有 b z q 3 3 7 1 型2 2 t 、b z q 3 9 5 0 型5 5 t 、b z q 3 1 4 7 0 型8 5 t 。 尽管国内矿用自卸车有了很大发展，基本上满足国内需求，但是整体行业水 平跟国际仍有很大差距。随着国内矿山的资金逐渐好转，现有设备的更新换代以 及新设备的需求给国内矿用自卸车行业一个新的发展机遇，但是用户需求向大型 化的发展，国外厂家不断进入国内市场，使国内自卸车行业竞争加剧。 1 2 国内外矿用自卸车液压系统概述 液压系统是矿用自卸车至关重要的一部分，它的性能直接影响整车的工作性 能及安全性能，矿用自卸车液压系统包括举升系统、转向系统和制动系统三部分。 由于某些型号矿用自卸车举升动作时，举升泵和转向n 动合流后，同时给举升 系统供油。因此，为方便介绍双泵合流的方式，本文首先介绍转向系统，再介绍 举升系统。 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 1 转向系统 矿用自卸车为提高转向操作的灵活性与可靠性，一般采用全液压闭式中位、 负荷传感的转向器控制两个双作用转向油缸来实现转向，系统采用蓄能器供油， 液压泵补油。液压泵补油的方式主要有三种：定量泵+ 卸荷阀、恒压变量泵、恒 压变量泵+ 压差溢流阀。 1 ) 定量泵+ 卸荷阀补油 其原理如图卜1 所示，卸荷阀保持蓄能器的压力在一定范围内波动，其最高 压力比最低压力高1 7 左右口1 。 图1 l 定量泵+ 卸荷阀的转向系统 这种特殊功能主要靠先导阀的特殊结构来实现，先导阀为压差溢流阀，如图 卜2 所示，控制阀芯的面积比阀座上锥阀的有效面积大1 7 ，当阀芯未开启时， 腔( 3 ) 的压力油对控制阀芯的作用力比对锥阀的作用力大，从而导致腔( 1 ) 压力 油的作用面积小于控制阀芯的面积，而当阀芯开启以后，腔( 3 ) 接通油箱( 2 ) ， 腔( 1 ) 压力油的作用面积等于控制阀芯的面积。因此，先导阀芯的开启压力比关 闭压力大1 7 ，从而实现蓄能器有较大的压力波动范围阳1 。 p r 鹊嗣n 1 3 )位l t a n k 嘲 1 ) 图1 2 压差溢流阀 这种补油一般采用叶片泵，价格较低，但是系统卸荷时能量损失较大，而且 3 中南人学硕士学位论文第一章绪论 卸荷溢流阀故障率较高，应用较少，主要是中小吨位的自卸车，如小松德莱塞的 6 3 0 e 、7 3 0 e 。 2 ) 恒压变量泵补油 大部分厂家的自卸车采用这种补油方式，主要型号有日立建机的e h 3 0 0 0 、 e h 3 5 0 0 例，利渤海尔的t 2 5 2 、t 2 6 2 m 1 ，t e r e xu n i t r i g 的m t 3 3 0 0 、m t 3 3 0 0 a c 、 m t 3 6 0 0 b 、m t 3 7 0 0 a c 、m t 3 7 0 0 b 、m t 4 4 0 0 、m t 4 4 0 0 a c 、m t 5 5 0 0 、m t 6 3 0 0 a c n ，别拉 斯的7 5 3 0 6n 引。 这种补油方式，蓄能器的压力波动范围小，有利于延长蓄能器的使用寿命， 但是柱塞泵价格较高，且对油液的清洁度要求较高。 3 ) 恒压变量泵+ 压差溢流阀补油两m m 这种补油方式是在恒压变量泵补油的基础上，增加压力卸荷阀2 ，其原理图 如图卜3 所示。该卸荷阀2 的结构与图卜2 所示的结构相同，只是图1 - 2 所示的 阀为螺纹插装式，而本系统需采用板式安装方式。卸荷阀2 来调节蓄能器的压力， 当达到设定最高压力时，液压泵1 的排量减到最小，输出压力也降低到最低要求 压力。 图l - 3 恒压变量泵+ 压力卸荷阀 当蓄能器不需要补油时，液压泵压力、流量都卸荷，将系统的能量损失减到 最小，系统节能效果最好，而且减少对配油盘的磨损，延长了泵的使用寿命。因 此，这种方式多应用于最近推出的大吨位矿用自卸车，如日立建机的e h 4 5 0 0 、 e h 5 0 0 0 ，利渤海尔的t 2 8 2 b ，小松德莱塞的8 3 0 e 、9 3 0 e 。 1 2 2 举升系统 矿用自卸车的举升系统由多级液压缸、举升四功能控制阀和油源组成，由于 系统负载较大，而工作压力又不能超过2 0 m p a ，再加上举升时间的限制( 不超过 2 5 s ) ，因而举升系统的流量很大，一般超过6 0 0 l m in 。 1 ) 举升多级液压缸 多级液压缸的级数越多，液压缸制造成本就越高，故障率也会增加，因此矿 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 用自卸车的举升液压缸一般不超过三级n4 1 。利渤海尔、t e r e xu n i tr i g 的矿用 自卸车采用两级双作用伸缩缸n n ，日立建机、小松德菜赛的矿用自卸车采用三 级双作用液压缸盯儿町3 1 ，别拉斯的矿用自卸车也采用三级伸缩缸，但是只有后两 级为双作用n2 | 。举升液压缸一般倒置安装，如图卜4 所示。 图1 - 4 矿用自卸车的举升液压缸 为避免车斗下落时对车架产生剧烈碰撞，举升液压缸内一般设置末端缓冲， 如图卜5 所示，其缓冲长度远大于普通液压缸的缓冲，这正是因为矿用自卸车举 升系统具有更大的惯性。 2 ) 举升控制阀组 矿用自卸车的举升系统具有举升、中间停止、迫降和浮动四种功能。由于系 统流量很大，普通的四位控制阀最大流量只有4 5 0 l m in ，更本无法满足要求。因 此，举升控制阀一般采用特制四位控制阀或者组合阀，四位控制阀如图卜6 所示， 中南大学硕士学位论文第一章绪论 t e r e xu n i tr i g 的矿用自卸车手动先导式四位换向刚1 ，利渤海尔的矿用自卸 车采用电子手柄控制四位换向阀n0 。，日立建机的矿用自卸车采用电磁先导式四位 换向阀阳1 ，别拉斯的7 5 3 0 6 自卸车采用电磁阀先导控制2 个3 位换向阀n 刳，小松 德莱赛的7 3 0 e 、8 3 0 e 、9 3 0 e 自卸车采用四位手动阀先导控制2 个3 位3 通换向 阀m 引。 举中间浮压力 升停止 动 迫降 图1 - 6四位举升控制阀 浮动时，即图示状态，阀8 在无杆腔压力油的作用下换到上位，阀6 在系统 回油的作用下换到上位。该系统设置多处节流，实现了平稳换向，减小压力冲击。 阀7 和液控单向阀实现举升限制，阀1 和流量阀3 来实现系统卸荷，阀2 和阀3 实现迫降压力设定h 1 。 厂牵il 一：l ： l、l li 广、j了 审审、(三o l r li 血 ；6 姓8 桶 l 夕 l j ) ) ：【 l 扭 钮 卜一 一 珂 i【 下：， 一 ii u o 、白 u3 4 、乏旷10 阿 ， 7 忙q 唱2 了八 一u 蚂 一u vl _ 可 l 1 rr ： i 上 j - ：| vu i* 祀l t 1 - 爪i t 一 l 山 图1 7小松德菜赛7 3 0 e 的举升控制原理图 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 为防止车斗举升最后阶段，由于矿石在车斗底部堆积，造成举升液压缸突然 加速伸出而损坏液压缸，也就是拔缸，一般在举升缸的有杆腔回路上设置单 向平衡阀，如图卜7 所示，由于举升缸液压有杆腔的流量举升时小，迫降时大， 因此设置多个单向阀。 3 ) 油源 由于举升系统流量很大( 大于6 0 0 l m i n ) ，t e r e xu n i tr i g 、利渤海尔、 日立建机的所有型号以及小松德莱赛的8 3 0 e 、9 3 0 e 都采用双联齿轮泵供油，举 升系统与转向制动系统分开，而小松的6 3 0 e 、7 3 0 e 和别拉斯的7 5 3 0 6 、7 5 2 1 5 采用双泵合流的方式，6 3 0 e 采用卸荷溢流阀实现双联叶片泵合流，7 3 0 e 采用卸 荷溢流阀实现转向制动叶片泵与举升齿轮泵合流，7 5 3 0 6 、7 5 2 1 5 采用液控换向 阀实现转向制动变量柱塞泵与举升叶片泵合流。 1 2 3 制动系统 矿用自卸车，由于其惯性很大( 3 6 0 吨的自卸车满载后的总重量达到5 9 0 吨) 、 行驶速度较高( 达到6 4 k i n h ) ，对制动系统有更高的要求，以保证行驶的安全 性和制动的可靠性。电传动矿用自卸车的制动分为电制动和机械制动，而机械制 动一般采用全液压制动系统，这正是本章节所要概述的。 1 ) 制动功能 矿用自卸车的制动分为工作制动、停车制动、紧急制动和制动锁定。工作制 动为车辆行驶时的制动，一般采用脚踏控制或者手控；停车制动用于车辆停止后 固定住车辆，一般采用弹簧制动，液压解除；制动锁定用于车辆装载或卸载时锁 住车辆，一般只锁定后轮；紧急制动为系统故障时所采取的制动。为提高系统的 可靠性，小松德莱赛、日立建机、利渤海尔、t e r e xu n i t - - r i g 等厂家生产的矿 用自卸车一般都具有次级工作制动，保证系统在某部分故障时，仍可以安全停车 【7 】【9 _ 1 3 】 o 2 ) 制动器 电传动矿用自卸车普遍采用全液压钳盘式制动器或者湿式制动器，前轮为轮 速制动，后轮为枢速双盘制动( 制动器装在电动机的轴上) ，日立建机的e h 4 5 0 0 、 e h 5 0 0 0 后制动采用湿式制动器，小松德莱赛的8 3 0 e 、9 3 0 e 前后制动全部为湿式 制动器，而t e r e xu n i t r i g 、利渤海尔的所有型号以及日立建机、小松德莱赛的 其他型号前后制动器全部为钳盘式制动器n 胁m 羽。湿式制动器需要专门的冷却 油路，而钳盘式制动器可以风冷，后制动器由于安装在后桥内，不利于散热，而 且有更多的摩擦生热，因而需要强制冷却，以防止制动器因温度过高而失效。而 机械传动的矿用自卸车全部为轮速制动，因而制动器一般相同。 随着自卸车吨位的不断增大，所需要的制动力矩越来越大，一般通过增大制 7 中南火学硕士学位论文第一章绪论 动盘的直径和增加制动钳的数量来增大制动力矩，表1 - 1 为t e r e xu n i tr i g 主 要型号矿用自卸车的制动器。 表1 1t e r e xu n i tr i g 主要型号自卸车制动器 3 ) 制动油源 矿用自卸车的全液压制动系统一般由转向蓄能器供油，并设置2 个或者3 个制动蓄能器，而且每个制动油路通过单向阀相互隔离，并各自带有制动压力调 节阀，来保证在转向蓄能器等元件故障时可以安装的停车。 由于后制动扭矩经过减速器放大，制动器的输出扭矩较小，因而后制动压力 较低、流量小，而前制动流量大、压力高。 1 3 液压动力转向系统的发展概述 液压动力转向系统具有操纵力小、结构紧凑、便于安装等诸多优点，因而在 工程机械中获得了日益广泛的应用，主要有以下几类： 1 ) 开式无反应型转向系统： 该系统采用开式无反应型转向器，一般由定量泵或者定量泵+ 优先流量分配 阀供油，具体情况如下n 5 。1 ： 定量泵供油的转向系统：该系统由定量泵、开中位液压转向器组成，如图 1 - 8 所示。液压转向器自动优先向转向供油，将多余的油供给辅助功能。当不转 向时，所有的流量供给辅助油路。转向速度可通过操纵油门和转向阀杆来控制。 该系统消除了分流阀或一个单独的转向回路，因此系统结构简单，性能稳定，成 8 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 本低，故障率也相对低，但是发动机转速较高时转向发飘。 图l - 8 定量泵供油转向系统原理图 图1 - 9 定量泵僦先阀的转向系统图l - 1 0 闭式无反应型转向系统 大流量定量泵+ 优先流量分配阀的转向系统：该系统原理图如图卜9 所示， 它有定量泵、优先流量分配阀和开中位液压转向器组成，优先流量分配阀的作用 是给转向系统提供恒定或者指定的流量，从而保证最大转向速度不受发动机转速 的影响，而将剩余的压力油供给辅助回路。该回路结构简单、成本低、工作可靠， 基本上可以克服发动机转速较高时的转向发飘，但在发动机高速运转时系统存在 较大的节流损失。 2 ) 闭式无反应型转向系统 该系统一般由闭式无反应型转向器、变量泵、蓄能器等组成，如图1 - 1 0 所 示。转向时蓄能器和转向液压泵一起向转向器供油，不转向时转向器处于中位， 迸回油口封闭。该系统由于采用蓄能器供油，转向泵的排量可适当减小，而且当 转向泵故障时，系统具有应急转向能力。但是变量泵对液压油的清洁度要求较高， 成本也较高n 引。 9 中南大学硕士学位论文第一章绪论 3 ) 阀控负荷传感转向系统n 6 m 8 1 阀控负荷传感转向系统由负荷传感优先阀和负荷传感型转向器组成，根据所 取信号的不同，分为静态负载传感转向系统和动态传感转向系统。静态负载传感 转向系统采用静态负荷传感优先阀，如图1 - 1 1 所示，动态负荷传感转向系统采 用动态负荷传感优先阀，如图1 - 1 2 所示。 戆砬 莪警 1 - 1 1 静态阀控负荷传感转向系统图1 1 2 动态阀控负荷传感转向系统 优先阀的作用是保证转向系统有稳定的流量，无论负载压力和油泵供油量如 何变化，优先阀均能维持转向器内变节流口两端的压差基本不变，保证供给转向 器的流量始终等于方向盘转速和转向器排量的乘积。 该系统特点：对负荷变化有良好的压力补偿；转向回路与其他回路互不影响， 主流量优先供给转向回路，中位时只有微小流量通过转向器；中位压力特性不受 排量的影响；转向回路压力、流量保持优先，转向可靠。动态传感负荷转向系统 还具有下列特点：转向灵敏度高，响应快；寒冷条件下的启动性能有了极大的改 善；有利于解决系统性能和稳定的问题。 4 ) 泵控负载传感转向系统n 钔 系统原理图如图卜1 3 所示，转向器的l s 口不但与流量放大器的l s 口连接， 而且与负载敏感变量泵l s 口连接，当系统不需要给其他系统供油时，可以取消 负载敏感优先阀。变量泵的负载敏感阀实现了泵的压力、流量与负载相适应，减 少了系统的能耗，使系统的效率达到最高。 转向器处于中位( 方向盘不动) ，转向泵的油经过转向器中位节流口产生压 降，变量泵的负载敏感阀阀芯在压差的作用下，压力油进入泵的控制柱塞腔，控 制柱塞推动斜盘运动直至泵的排量达到最小。这时转向液压泵只有很小的流量维 持泄露，压力为负载敏感阀设定压力，一般为1 8 m p a 。 i o 中南大学硕士学位论文第一章绪论 图1 - 1 3 泵控负载敏感转向系统 1 负载敏感变量泵2 优先阀3 转向器4 转向油缸 以上几类转向回路都属于无反应型转向回路，其中的转向器在计量装置中位 时，转向缸的两油口与计量装置间是封闭的，路面阻力不会反应到转向盘上，转 向过程中随时松开转向盘，转向盘都会自动地回到对中位置。另外还有反应型转 向回路，其中转向器的计量装置中位时，路面阻力会反应到转向盘上，当驾驶员 完成一个转向动作后松开转向盘，转轴上的反作用力可使转向盘回到近似原始位 置。对于工程机械，由于路面比较复杂，为减轻司机的驾驶强度，一般都采用负 荷无反应型转向回路。 1 4 矿用自卸车液压系统研究现状 1 4 1 举升液压系统 文献 2 0 给出了后推连杆组合式举升机构静态及动态时的油缸举升力数学 表达式，以初始位置时油缸静态举升力与动态惯性力之和最小作为举升机构优化 设计的目标函数，利用惩罚函数法进行了优化设计，优化目标减小了5 4 6 。 文献 2 1 以举升油缸最大油压、举升过程中油压变化及初始油压的加权和为优化 目标，对连杆放大式举升机构进行了优化设计，并开发了自卸汽车举升机构c a d 系统。文献 2 2 以举升油缸行程及举升力系数作为优化设计的目标函数，进行优 化设计，对举升力系数和油缸行程较原方案有所改善。文献 2 3 以举升缸油压波 1 l 中南大学硕士学位论文第一章绪论 动值为目标函数进行优化设计，使油压最大值较优化前下降了2 4 。文献 2 4 以 初始举升力系数为优化目标，对油缸后推杠杆平衡式举升机构的优化设计进行了 研究和讨论。文献 2 5 利用a d a m s 软件，以s t 3 1 4 0 型自卸车为例，对前推连杆 放大式举升机构进行了参数化建模，并进行了优化设计，将最大举升力降低了 2 8 4 。文献 2 6 利用a d a m s 软件，对某型号矿用自卸汽车( 3 2 吨) 后置直顶式 液压举升系统进行了机械一液压耦合的建模仿真，并对举升机构进行了优化。 由于小吨位自卸车举升系统流量较小，而且主控制阀只有举升、停止、迫降 三种功能，液压系统简单。因此，国内主要研究都集中举升机构的优化。在国外， 液压举升系统的研究主要集中在各自卸汽车生产厂商，公开的研究成果很少。 1 4 2 转向液压系统 为了减轻驾驶人员的劳动强度，在重型矿用自卸汽车上，几乎全部都采用全 液压动力转向，对这种全液压动力转向系统的研究显得非常重要。 文献 2 7 建立起负荷传感的全液压转向系统的静动态数学摸型，据此进行静 动态特性分析和数字仿真，着重讨论了液压转向系统由于内部结构及内摩擦引起 的转向死区。文献 2 8 在分析液压转向系统工作原理的基础上建立两轮及四轮转 向系统的数学模型，并利用m a t l a b 进行仿真，仿真结果得到了试验验证，最后 分析了液压转向系统的静态与动态特性。文献 2 9 建立了同轴流量放大全液压转 向系统的数学模型，利用m a t l a b 进行了仿真，并通过试验验证了仿真结果。文 献 3 0 建立装载机流量放大转向系统的数学模型，利用m a t l a b 仿真分析了控制 流量、速度放大系数、液压固有频率、阻尼比、刚度等对系统特性的影响，并进 行实验分析。 国外也有许多文献对液压转向系统进行了研究。文献 3 1 推导了外反馈的全 液压转向系统的数学模型，利用m a t r i x x 对其进行了仿真研究。文献 3 2 分析了 液压动力转向系统迅速转向时响应滞后的现象，建立了相应的数学模型，该模型 考虑了管路中压力波的传播及管路的粘弹性特征，通过该模型的分析，揭示了响 应滞后的机理，优化了流量阀和管路的尺寸。文献 3 3 通过对外反馈的全液压转 向系统进行分析建模，开发了液压集成动力转向计算机辅助设计系统，利用该系 统，可以使设计费用减少7 0 ，试验费用减少5 0 。 1 5 本课题的背景意义和主要研究内容 1 5 1 本课题的背景意义 矿用自卸车在向大型化发展，2 0 0 t 以上的自卸车已成为国外大型矿山的主 要运输设备，中小型的市场占有率越来越低。而发展千万吨级大型露天煤矿是未 1 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 来煤炭能源基地建设的重点方向之一，神东、晋北、蒙东、云贵、黄陇、陕西等 基地都建有大型露天煤矿，仅蒙东就将建设7 个5 0 0 0 万吨级煤炭基地，这给矿 用自卸车的发展提供了一个新的机遇。而且g e 公司已经成功开发2 2 0 吨级a c 传动系统，这为国内企业研制2 2 0 t 矿用自卸车提供了一个重要基础。为了更好 的满足用户要求，响应国家政策，湘潭电机厂依靠在矿山自卸车方面的独特技术 优势，自主研制2 2 0 t 矿用自卸车。 2 2 0 t 矿用自卸车作为目前国内自主研制中的最大吨位的自卸车，液压系统 是其重要的一部分，其好坏将严重影响行车的安全性和整车的生产效率。国外矿 用自卸车大多采用专用液压元件，特别是举升系统采用特制双联齿轮泵和专用组 合阀，而目前国内矿用自卸车的研究较少，而且主要是中小吨位。 本文分析了国外各相关产品的系统，吸收其优势，并查阅b o s c hr e x r o t h 等主要液压件厂的样本，设计一套可靠的、元件易于采购的液压系统，并对其中 复杂部分进行建模仿真，优化系统的元件选型，为其他大吨位自卸车的液压系统 开发奠定基础。 1 5 2 本文的主要研究内容 液压系统设计：对转向进行负载分析，比较各种转向器和液压油源，确定 系统方案：对举升系统进行负载分析，确定举升缸的主要参数，确定系统方案； 对制动系统进行负载分析，确定系统方案。 建立举升液压系统各元件的数学模型，以此为基础，建立各元件的a m e s i m 仿真模型，并有机组合为整个举升系统的仿真； 对车斗的举升、压力迫降、浮动等过程进行仿真分析，来验证系统的可行 性，并调节各元件参数，优化举升液压系统，使其动态特性达到最优。 中南大学硕士学位论文第二章自卸车液压系统设计 第2 章自卸车液压系统设计 2 2 0 t 矿用自卸车自重达1 7 0 t ，满载后的总重量达到3 9 0 t ，行驶速度达到6 4 k m h ，而且矿山地区的弯道、坡路较多，这要求自卸车必须具有可靠、灵活的举 升、转向和制动性能。国外自卸车多采用专用液压元件，国内厂家在这方面研究 较少，且主要集中于中小吨位的自卸车。鉴于此，本文通过负载分析，确定系统 主要执行元件的参数，比较各种方案，为s f 3 3 9 0 0 型自卸车设计研究一套新型液 压系统。 2 1 液压动力转向系统设计 矿用自卸车转向系统是整个控制系统的主要系统之一。由于全液压转向系统 具有操纵力小、结构紧凑、便于安装等诸多优点，因而在工程机械中获得了日益 广泛的应用。本系统采用全液压转向系统，该系统包括转向液压缸、转向器和液 压油源等。 2 1 1 转向系统负载分析 1 ) 转动转向轮所需的总力矩n 铂 z ：0 0 5 g 上旦。丝( 2 1 ) 。 l + 旦2 0 00 7 b 式中，风轮胎与地面的磨擦系数，可取0 8 ；g 转向桥负荷， g = 1 2 6 1 2 6 0 n ；j 5 f 转向轮宽度，查阅相关轮胎手册，可知b = 11 0 8 m m ；p 转向轮摆动半径，p = 7 3 5 m m ；z 转向阻力矩( n m ) 。 将相关数据代入式( 2 1 ) ，可得转向阻力矩l = 2 4 x 1 0 5n m 。 2 ) 转向液压缸的最大推力 b 一= 瓦 ( 2 2 ) 式中，最小转向阻力臂，由结构可知= 0 5 2 4 m 。 由式( 2 2 ) 可知，尽一= 4 5 8 x 1 0 5 n 3 ) 转向液压缸的面积 a s c = b 一( p s c 7 7 删) ( 2 3 ) 式中，彳跖转向液压缸的工作面积( m m ) ；7 7 删转向液压缸的机械效 率，一般7 7 删= 0 9 0 9 7 ，取刁删= 0 9 5 ；转向液压缸的工作压力，取 1 4 中南大学硕士学位论文第二章自卸车液压系统设计 决于转向器的最高工作压力，而常用大排量转向器的工作压力都可达到2 0m p a ， 因而初定= 1 3 5 m p a 。 转向液压缸的内径 肚厚萼 ( 2 4 ) 式中，d 转向液压缸的杆径，初步定位d = 8 0 r a m 。 联立式( 2 - 2 ) ( 2 4 ) ，可知d = 1 6 1 m m ，参考国标g b t2 3 4 8 - - 1 9 9 3 液 压缸内径及活塞杆外径，确定d = 1 6 0 咖。 故可知转向缸的作用面积 缸= 署( 2 d 2 - d 2 ) = 0 0 3 5 1 6 m 2 ( 2 5 ) 4 ) 转向系统的安全压力 在很少超载的车辆中，转向液压缸的工作压力为转向系统安全压力的8 0 ； 可能严重超载的车辆，转向液压缸的工作压力为转向系统安全压力的3 0 n 劓。 由于矿用自卸车超载较少，因此转向系统的安全压力 只尘堕l 一 ( 2 6 ) 。8 0 x a s ：r s c u 由式( 2 5 ) 和( 2 6 ) 可知，只1 7 1 3 m p a 。 5 ) 转向液压缸的工作容积 = 三渺一d 2 ) 乓 ( 2 7 ) 式中，厶转向液压缸的行程，三s = 4 8 4 衄。 6 ) 转向器的排量 ：堡 m ( 2 8 ) 式中，m 转向轮从一个极限位置转到另一个极限位置时方向盘转过的圈 数，设计时根据需要选择，一般朋= 2 5 5 5 。 由式( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) 可知： 聊= 4 时，= 4 2 5 0 m l r 聊= 5 时，= 3