（机械电子工程专业论文）全液压推土机关键技术参数研究.pdf

摘要 本文综合分析了国内外推土机行驶静压驱动系统研究现状、前沿技术和发展 趋势。研究了全液压推土机液压行驶驱动系统的关键技术参数滑转率、效率、 牵引比和比功率；给出了泵、马达效率的拟合计算公式，研究了效率对全液压推 土机控制目标的影响，具有一定的实用性；确定了全液压推土机的牵引比均值为 1 4 8 ，比功率均值为1 7 2 ( k w 厂r ) ，额定滑转率为1 2 1 5 ；对液控、电控和电 液复合控制等控制方式的原理特点等进行了比较和分析，制定了全液压推土机行 走系统的控制方案。分析处理了全液压推土机工作过程中由负载变化引起的液压 系统压力的波动，提出了延长液压系统工作寿命的两种措施。研究了全液压推土 机的牵引试验，得出样机的滑转率偏大，牵引比和比功率偏小。结合试验对全液 压推土机的牵引特性的分析，开发了有利于液压系统设计的全液压推土机计算机 辅助设计软件，该软件除了可以进行关键技术参数的重复试算和益线分析外，为 便于分析对比，还可以输出不同型号的泵、马达的效率曲线，对全液压推土机液 压系统的设计具有一定的实用价值。 关键字：全液压推土机行驶液压驱动系统 滑转率 牵引比比功率牵引性能动态载荷 效率 控制方案 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h eh i s t o r y , t h ec u r r e n ts i t u a t i o na n dt h ed e v e l o p i n gt r e n do ft h e t r a v e l i n gh y d r a u l i cs y s t e mo ft h eh y d r o s t a t i cb u l l d o z e r s a r er e s e a r c h e db o t hi n s i d e a n do u t s i d eo u rc o u n t r y t h ek e yp a r a m e t e r so fb u l l d o z e r s t r a v e l i n gh y d r a u l i cs y s t e m ， t h es l i pr a t i o ，t h ee f f i c i e n c yo ft h eh y d r a u l i cs y s t e m ，p o w e r - t o w e i g h tr a t i 0a n d f o r c e - t ow e i g h tr a t i o ，a r es t u d i e d t h em a t c h e df o r m u l af o rc o m p u t i n gt h ee f f i c i e n c y o ft h ep u m pa n dt h em o t o ra n dt h ee f f e c to ft h ee f f i c i e n c yo nt h ec o n t r o l l i n go b j e c t i v e a r eo fm u c hv a l u ei nt h ep r a c t i c e t h em e a n so ft h ef o r c e t o w e i g h tr a t i oi s1 4 8 t h e p o w e r - t o - w e i g h t1 7 2k w t , a n dt h er a t e ds l i pr a t i o1 2 1 5 t h r o u g ht h ec o m p a r e a n da n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o n t r o l l i n gp a t t e r n s ，h y d r a u l i cc o n t r o l l i n g ， e l e c t r o n i cc o n t r o l l i n ga n dh y d r a u l i c e l e c t r o n i cc o m p o u n dc o n t r o l l i n g ，ac o n t r o l l i n g p r o g r a ms u i t f o rt h ew h o l eh y d r a u l i cb u l l d o z e r sh a sb e e ng o tf r o mt h ed i s c u s s i o n t w om e a s n r e st op r o l o n gt h ew o r k i n gl i f eo ft h eh y & a u l i cs y s t e ma r ep u tf o r w a r d f o l l o w e dt h er e s e a r c ho nt h ep r e s s u r ef l u c t u a t i o no ft h em a c h i n ec a u s e db yt h e v a r y i n gl o a d o ni t a st ot h e s a m p l em a c h i n e ，t h e r a t e ds l i pr a t i oa n dt h e p o w e r - t o w e i 曲tr a t i oa r eb i g g e rt h a nt h es t a n d a r da n dt h ef o r c e t o w e i g h tr a t i oi sa l i t t l eb i tl o w e rt h a nt h es t a n d a r d t h ec a do ft h ew h o l eh y d r a u l i cb u l l d o z e r , h e l p f u l f o rt h ed e s i g no ft h eh y d r a u l i cs y s t e m ，h a sb e e nd e v e l o p e d ，c o m b i n e dw i t ht h e r e s e a r c ho nt h ed r i v i n gc a p a b i l i t y t h ed e v e l o p e ds o f t w a r ec a no u t p u tn e e d e dc u r v e s o ft h ee f f i c i e n c yf o ras e r i e so fp u m p sa n dm o t o r s ，b e s i d e st h ef u n c t i o nt oc a l c u l a t e t h ek e yp a r a m e t e r sa n dd r a wt h ec u r v co ft h ed r i v i n gc h a r a c t e r i s t i c ，w h i c hi so fg r e a t p r a c t i c a lv a l u a t i o n k e y w o r d s ：t h ew h o l eh y d r a u l i cb u l l d o z e r , t r a v e l i n gh y d r a u l i cd r i v i n gs y s t e m ，s l i p ， e f f i c i e n c y , f o r c e - t o - w e i g h tr a t i o ，p o w e r - t o w e i g h tr a t i o ，t e c h n i c a lp a r a m e t e r s ， d y n a m i cl o a d ，c o n t r o ls c h e m e 长安大掌硕士学位论文 第一章绪论 1 1 全液压推土机研究背景及意义 推土机是以工业拖拉机或专用牵引车为主机，前端装有推土装置，依靠主机 的顶推力，对土石方或散状物料进行切削或搬运的铲土运输机械。推土机在建筑、 筑路、采矿、油田、水电、港口、农林及国防等各类工程中，均获得十分广泛的 应用。它负担着切削、推运、开挖、堆积、回填、平整、疏松、压实等多种繁重 的土石方作业，是各类工程施工中必不可少的设备。 自改革开放以来，国内市场对工程机械的需求量迅速增加，尤其是随着西部 大开发及国家基础设施建设步伐的加快，为我国工程机械行业的发展提供了难得 机遇。从销售情况看，1 9 9 6 到2 0 0 0 年合计销售推土机1 5 8 6 0 台，2 0 0 1 年销售推 土机3 5 0 0 台，2 0 0 2 年共销售推土机3 7 6 8 台，达到近年的最好水平。“十六大” 以后，国家将继续实施扩大内需的宏观经济政策，基础设施建设还将是国民经济 的热点，各省区也将加快发展奔小康，预计在近几年内推土机需求将会继续增长。 面对这种推土机需求迅速增长的形势，国内各工程机械生产企业都在各自所属的 领域内扩展产品种类，采用一些先进的技术来开发自己的产品或通过引进国外先 进技术来提高产品质量。并取得了一些令人满意的成就。但是我们也应该看到， 自身和国外先进水平存在的差距，主要表现在产品耐用性差，自动化程度低，对 环境污染严重，技术创新力度严重不足，即使我们现在的一小部分产品水平达到 了国际先进水平，但这些产品的一些关键技术仍掌握在国外企业手中。 在我国加入w t o 以后，国外的先进技术和产品大量涌入我国，对我国的工 程机械产品市场也造成了严重的冲击。为此国家已经提出了“工程机械十五 发展规划”。虽然白二十世纪八十年代以来，我国通过引进、消化、吸收传统 的机械式、液力机械式推土机从制造能力、生产规模、技术水平上基本接近或达 到国外同类产品的水平。但是近年来随着机电液一体化技术的长足发展，传统的 机械式、液力机械式推土机的操作繁琐，劳动强度大、生产效率低、系统故障多 等缺点以使其不能很好的满足生产作业的要求，发展智能型推土机已是大势所 趋。随着科学技术的不断发展，液压传动愈来愈显现出强大的生命力，国外的液 压传动技术日趋成熟，在推土机的应用愈来愈多，大有取代传统传动形式的趋势。 国外的推土机液压传动理论和技术处于保密状态。而我国在作为推土机智能化基 础的液压传动方面的研究刚刚起步，理论研究基本处于空白状态。国内个别厂家 长安大掌硕士掌位论文 生产的全液压推土机基本上模仿国外产品，但由于缺乏理论支持，液压系统的参 数匹配和整机牵引性能远远不能满足推土机作业的要求，其动力性和经济性与国 外差距甚远。为此，开展全液压推土机牵引动力学研究，解决目前国内在全液压 推土机行驶驱动方面的理论问题；进行静压推土机液压系统关键技术参数、控制 方案的研究；建立全液压推土机匹配性能评价体系。这些有关全液压推土机行驶 驱动液压系统的研究具有积极的意义。 1 1 1 全液压推土机国内外发展现状 1 f 2 1 3 f 4 5 6 1 j 嘲阳 二十世纪八十年代液压传动作为大功率的牵引传动还很不完善，随着时间的 推移，在世界范围内新技术革命对传统机械工业的改造与渗透日益加强，使得液 压技术得到了迅速发展。在工程机械行业内，大量不以牵引功能而以恒速调节为 主要功能的路面与压实机械几乎全面采用了液压传动和液压控制技术，同时对于 以牵引功能为主的铲土运输机械，传统的液力机械传动出现了被液压传动取代的 某种趋势，特别在功率在2 0 0 k w 以下中小型铲土运输机械，电液控制技术应用 及智能控制研究已取得了一些成就。 1 、国内研究现状 国内非全液压履带式推土机已初步形成一定生产研制水平，且有了长足的进 步，但在静液压推土机研究上，国内还处于研发起步阶段，与世界先进水平相比 还有较大差距。国内有鞍山第一工程机械股份有限公司技术中心正在从事静液压 推土机电液控制系统和静液压推土机大流量、高压力变量泵、变量马达研制工作： 宣化工程机械厂在研究静液传动技术在履带推土机上的应用；黄河工程机械集团 技术中心也正在从事静液传动技术研究与应用。在这三家中又以鞍山第一工程机 械股份有限公司技术中心取得的技术最完善。其在1 9 9 6 年与德国l i e b h e r r 公司 合作开发全液压推土机，并引进了三个系列多种规格l i e b h e r r 推土机制造技术。 1 9 9 7 年7 月出p r 7 5 1 样机，1 2 月出p r 7 4 2 样机，1 9 9 8 年5 月出p r 7 3 2 样机， 且p r 7 5 1 推土机在1 9 9 7 年实现国产率达6 0 ，9 8 年实现国产化率8 0 ，2 0 0 0 年实现国产化率9 0 ，鞍山第一工程机械股份有限公司是国内最早生产、研发全 液压推土机的工程机械厂家。另外，三一重工最新研制开发的1 0 1 6 0 、t q 2 3 0 、 t q 2 3 0 h 全液压推土机，填补了国产推土机在这一领域的空白，代表了国内推土 机的发展方向，具有当代国际先进水平。 2 、国外研究现状 随着液压技术和计算机控制技术的不断发展进步，为液压传动赋予了完美的 长安大学硕士学位论文 特性与巨大的生命力。特别是近十年来，在装载机、沥青摊铺机、混凝土摊铺机、 混凝土搅拌运送车、振动压路机与建筑机械特别是小型工程机械的静液化得到了 迅速发展，如日本小型装载机几乎完全实现了静液化。对于静液压推土机，国外 主要研发商有l i e b h e r r 、j o h nd e e r e 、n e wh o l l a n d 、c a t e r p i l l a r 、日本小松等公司。 德国l i e b h e r r 是世界上静液压推土机的重要生产商和研究商，其p r 系列推 土机传动每侧履带分别由一个双向斜盘变量泵和一个变量马达闭式回路驱动，液 压泵与发动机的飞轮分动箱相连接，液压马达直接与履带终传动减速器相连接， 采用转速感应功率控制系统使推土机的行走速度与牵引力可实现无级调节，其底 盘设计采用柔性可摆动的底盘形式，提高了推土机对工作场地的适应能力和通过 性能，其操作方式采用单手柄控制前进、后退、转向和制动，可实现无级变速。 发动机转速由电子油门和转速感应装置联合控制，l i t r o n i c 电子智能装置则对整 个系统和液压装置进行自动控制。 j o h nd e e r e 公司开发了建设、林业、园艺工程用h 系列静液压推土机，取代 了1 3 4 k w 以下的g 系列履带推土机，h 系列标准型为4 5 0 ，它装备加长履带， 接地比压较低；动力采用非增压或增压型4 缸柴油机；采用液压变速装置，用单 手柄完成操纵和转向控制，可实现无级变速。电子智能装置对整个系统和液压装 置进行自动控制。 n e wh o l l a n d 公司也是世界上静液压推土机的重要生产商和研究商。它的产 品装备长履带，低重心。带有减速器的静液传动使得动力能适应推土机转向，能 改善推土机直线和斜坡推土能力。 9 0 年代末，日本小松首次在小松d 1 5 5 a x 3 推土机使用h m t ( h y d r o m e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ) 液压机械传动，它由机械传动、液压传动、 动力合成三部分组成，发动机输出动力由分动箱分成两路，一路作为机械力，通 过离合器直接传给行星架；另一路作液压动力，通过液压传动传给太阳轮，然后 动力经差动轮合成后由齿圈输出，可实现在1 挡工作时采用液压传动，使推土机 原地启动平稳，发动机性能好，在其它挡工作时，由于机械和液压传动相结合， 可实现在很大转速范围内无级变速，电子控制系统由信号输入传感器、电子控制 器执行元件三部分组成，结合元件换挡控制，可实现发动机恒速控制。h m t 适 宜大功率推土机。 3 、国外用于推土机的一些新技术 ( 1 ) 计算机辅助铲土运输技术 长安大掌硕士掌位论文 c a t e r p i l l a r 将其雄伟计划命名为采矿铲土运输技术系统( m e t s ) 。m e t s 包 括多种多样的技术产品，如无线电数据通信、机器监测、诊断、工作与业务管理 软件和机器控制等装置。由以下三部分组成：( 1 ) 计算机辅助铲土运输系统 ( c a e s ) ，包括机载计算、c m 级g p s 微波定位和高速无线电通信三项技术。在 运行中，机载系统通过无线电接收整个无线网络中的铲土运输数据、工程数据或 现场规划数据。这些数据都显示在驾驶室内的一个屏幕上，司机在驾驶室内能直 观地了解机器的作业位置，并准确地判断需要挖掘、回填或装载的土方量。( 2 ) 关键信息管理系统( v i m s ) 。v i m s 监测机器中极其关键的性能与作业参数，并 且通过无线电将数据从该机器传送到业主办公室，可立即分析数据以便估量机器 的当前状态，或加以收集和整理，以便显示机器的作业趋势。( 3 ) c a e so f f i c e 软件。这种软件与来自装有c a e s 的机器的数据相结合，产生一个集成的现时作 业模型，使业主能在接近实时条件下在现场或远处监控各种作业。 ( 2 ) g p s 定位( 全球定位系统) 目前，c a t e r p i l l a r 公司、模块采矿系统公司、l e i c a 和t r i m b l e 导航设备有限 公司均可独立提供基g p s 的推土机定位系统，大大提高推土机的作业生产率。 c a t e r p i l l a r 的d o z s i m l 5 是一种极易使用的计算机程序，可计算推土机的作业 生产率。该软件包与w i n d o w s 兼容，采用3 d 模拟技术分析推土机距离、坡度、 工场设计参数，并可输出总土方量( 压实或松散) 、每趟移走的土方量、每小时 移走的土方量、每趟总耗时、每趟总成本、总系统生产率等大量信息。计算机精 度高于c a d 系统。 l e i c a 采用g p s 技术的d o z e r2 0 0 0 导航系统，在无需勘察标桩的情况下，允 许司机精确地控制推土机的铲刀板和机器的位置，实现虚拟推土作业。 模块采矿系统公司的推土机定位系统有助于司机完成诸如坡度与推土任务。 驾驶室内安装有图像控制台，向司机显示机器在作业区内的位置，并实时显示关 键作业参数，如铲刀角度或被移动的土方体积。 特林布尔的产品是s i t ev i s i o ng p s ，可实现坡度的精确控制，驾驶室内可视 化显示系统指导司机精确作业，精度可达c m 级。 ( 3 ) 静液传动系统 静液驱动推土机每侧履带分别由一个双向斜盘变量泵和一个双向变量马达 组成闭式回路驱动，传动系统大大减化。液压泵与发动机飞轮分动箱直接相连接， 液压马达直接与履带终传动减速器相连接。发动机转速感应功率控制系统使推土 长安大学司【士掌位论文 机的行走速度与牵引力可实现无级调节。另外，由于工作装置和行走系统均为液 压驱动，使发动机输出功率可在工作装置和行走系统之间进行合理高效的分配， 且发动机不会有过热和过载的情况发生。 ( 4 ) 动力电子控制管理系统 根据传动装置及液压系统的工作状态，自动调节发动机输出功率，以满足不 同作业工况的需要，提高燃料的经济性。 ( 5 ) 负载自动稳定器 采用一对钢膜氮气蓄能器，安装在前车架中，与工作装置液压系统联通。当 作业或低速行驶时，系统自动断开i 当车速超过4 8 k m h 时，由电子速度开关控 制的电磁阀自动开启，蓄能器吸收工作装置液压系统的振动与冲击载荷，提高了 操作的稳定性、安全性和舒适性。 ( 6 ) 计算机故障诊断系统 通过控制面板上的指示灯、听觉与视觉相结合的报警信号，提醒司机可能潜 在的故障隐患。这样，司机只管全神贯注地工作而无需不断查看仪表读数。 1 1 2 行驶静压驱动的特点旧【8 1 1 2 9 工程机械的行走传动系统目前主要有四种方式，即机械传动，液力传动，静 液压传动( h y d r o s t a t i ct r a n s m i s s i o n ，即h s t ) 和电力传动。其中静液压传动与 其他传动方式相比有着其独特的优点，因而在过去的几年里越来越受到重视丽被 广泛采用。静液压传动的特点： ( 1 ) 传动系统主要有液压泵和液压马达组成，因此传动装置重量轻，体积 小，便于车辆总体布局。而且根据泵和马达的不同组合，可以使机械获得不同的 牵引特性；可以方便的实现车辆的无级调速及微动行驶，使车辆柔和的起步，并 能迅速的变速和无冲击的变换行驶方向：发动机在低转速下有良好的负荷特性， 即就是车辆在发动机低转速时也能发挥出最大牵引力，这对于像推土机这样的牵 引型机械尤为重要：易于将机械，液压，电子集于一体，实现自动控制，这一点 是机器实现智能化的基础：操作简便省力，用一个操纵杆就可完成车辆的前进后 退和转向。液压传动易实现车辆左右履带独立驱动，可以进行动力转向和原地转 向，这能使车辆能适应各种作业的需要。 ( 2 ) 采用闭式油路系统是传统h s t 装置静液压的核心技术之一。以闭式回 路系统构成的h s t 装置在保留了液压传动所共有的功率密度高，布局方便，过 载保护能力强和控制方式灵活的优点的同时，有具备了在由马达输出转速矢量级 扭矩矢量为坐标的轴组成的所有四个象限中无级调速和连续运转的能力，在许多 长安大学硕士掌位论文 方面比纯机械传动( 发动机平均负荷系数低，。般只能有缴变速，布局方式受到 限制) ，液力传动( 特性匹配级布局方式受到限制，变矩范围较小，动力制动能 力差) 和电力传动( 功率密度低，目前消费比较差) 更适合对调速性能要求高， 传动路线布局较特殊的中低速行走机械。 ( 3 ) 当然h s t 本身也存在着一些缺点如工作可靠性不高，控制较难，成本 高等问题。但是随着科技的进步，设计和制造过程的进步逐渐消除或减弱了这些 原始缺陷，使得h s t 传动以其精确方便的速度和扭矩控制的优越性打开了在行 走传动上的广阔前景。 2 0 世纪9 0 年代以来，液压传动在工程机械行走系统中的应用取得了长足进 展，挖掘机械、路面机械等非牵引机械几乎全为液压传动，即使典型的牵引机械 如装载机、平地机、推土机等也在大量采用液压传动，并以迅猛之势快速拓展。 其中，使用液压控制技术的发展与完善为其提供了动力。一些著名液压元件生产 厂家不仅提供元件，而且提供具有各种控制功能的控制装置，这些控制装置几乎 可以满足工程机械的各种功能要求。液压传动元件本身的优化设计与精密制造， 以及新材料，新工艺的应用，使元件在功率容量质量传动效率工作寿命等方面都 达到了近乎完美的程度，特别是随着制造技术的完善，应用的普及使元件的价格 大大下降。这些进步彻底改变了那种认为液压传动效率低，可靠性差，价格高的 传统观念，促进了液压传动在工程机械中的应用。 1 2 课题的提出 尽管如前所述，液压传动在一些工程机械行走系统中的应用得到了长足的发 展，但是液压传动在像推土机这样的牵引型机械行走系统中的应用仍为薄弱环 节。主要表现在： ( 1 ) 在全液压推土机的液压系统中，压力、滑转率、效率、牵引比和比功 率等关键技术参数的选取对发挥整机的性能有着重要的影响。平均压力和溢流压 力配置点的选择，额定滑转率的选择，泵一马达系统效率的分析，牵引比和比功 率的确定，这些参数的选取需要一个定量的分析。 ( 2 ) 对于全液压推土机，其牵引性能的研究是个全新的课题。机械式和液 力传动式推土机的牵引性能的研究已经比较成熟，以及它们之间的区别在哪里， 这方面的理论较少。 ( 3 ) 全液压推士机的工作工况较为复杂，负载变化剧烈，液压系统的压力 波动较大。这种冲击载荷对液压元件的寿命影响较大，所以压力波动的研究对全 液压推土机的设计有着重要的影响。 长安大掌硕士掌位论文 ( 4 ) 工程机械的控制方式包括电控、液控和电液复合控制，对于全液压推 土机而言，确定系统合适的控制方案也是一个重要的课题。 另外，在推土机行驶静压驱动系统的设计中，参数的计算量太大，急需一种 准确快速的辅助方法去实现推土机关键技术参数的反复试算工作，并可以实现牵 引性能和系统效率的曲线的绘制，这样我们就可以直观地看出我们参数选取的合 理性。 1 3 本文的主要研究内容 1 、对国内外推土机行驶驱动控制系统的技术水平、现状、发展前景以及相 关专利技术进行调研与检索； 2 、全液压推土机行驶驱动液压系统关键技术参数滑转率、效率、牵引 比和比功率研究： 3 、全液压推土机控制方案研究； 4 、全液压推土机工作过程中压力波动研究； 5 、全液压推土机野外牵引和载荷试验分析研究； 6 、全液压推土机驱动系统计算机辅助设计软件的开发。 长安大掌硕士掌位论文 第二章全液压推土机关键技术参数研究 2 1 全液压推土机滑转率研究 滑转率是履带式牵引车辆的重要参数之一，它表示了车辆在行走过程中相对 于地面的滑转程度，滑转率的存在在一定程度上可以改善车辆的牵引性能。它的 大小与路面土质、履带结构、作用在履带上的垂直载荷以及驱动轮转矩的大小等 有关。对于铲土运输机械来说，对作业质量的要求不是很高，所以额定滑转率的 确定不是从满足车辆行驶速度出发，而是为了使机器获得最大的生产率。为此应 将工作循环中的平均最大工作组力( 通常出现在铲土过程的末尾) 配置在最大生 产率工况附近，并根据行走机构的最大生产率工况来确定其额定滑转率。 2 1 1 滑转率的定义及计算瑚i 】【1 1 】 当车辆在水平地面上作等速直线运动时，若车轮在土壤上无滑动时，其运动 速度称为理论速度，用v ，表示。当车辆在实际工作中，即使牵引力没有超过轮 胎或履带与地面的附着能力，轮胎或履带与地面之间还是存在着少量滑转的。这 是因为车轮挤压土壤并使它在水平方向有滑转的趋向。在车轮存在滑转的情况 下，车辆的行驶速度称为实际行驶速度v 。则车辆的滑转率d 为 6 ：生二! ：1 一三( 2 1 ) hv r 式中，v ，一车辆的理论行驶速度，k m h ；v 一车辆的实际行驶速度，k m h 。 有时为了方便计算，用t 时间内的行驶距离代替速度进行计算，可得下式 6 ：型：1 一土 l rk ( 2 2 ) 式中，z 、z ，一在时问t 内车辆的实际行驶距离和理论行驶距离，m 。 可以通过z ，；v r t 进行计算滑转率6 通常用来表示履带相对地面的滑转程 度，以及车辆行程或速度的损失。 2 1 2 履带式车辆滑转率分析 i l l 嘲 1 、推土机切线牵引力在工作循环中的变化 推土机的作业循环是从切削和采集土壤开始的，当铲刀前方集满土后，铲刀 稍微抬起，停止切入，随即将堆积起来的土推移一定距离至卸土地点，然后卸土， 用倒挡回驶到工作面，接着重新丌始新的工作循环。图2 1 表示了推土机工作循 环中切线牵引力的变化情况。 长安大学硕士掌位论文 ，o ，、，n l ( 1 1 空萜f1 ，切p 1 匡土空程吲跳 r f j ” ， k 01 0z 03 04 05 06 07 08 0s ( 口】 图2 - 1 推十机切线牵引力在工作循环中的变化情况 在切土和采集土壤时，推土机的工作阻力迅速上升到它的最大值，载荷出现 峰值。在随后的运土工序内，推土机的工作阻力一直保持较高的数值且呈现出剧 烈的波动性。只是在运土工序末尾，由于在推土过程中集土的损失，阻力才稍有 下降。在整个切土和运土过程中，推土机通常用最低挡工作，在此期间，发动机 的负荷程度是比较高的，并常常发生短时问的超载，使发动机转速急剧下降甚至 引起行走机构的完全打滑或使发动机发生强制性熄火。 2 、滑转率与切线牵引力的关系 对于铲土运输机械来说，对作业速度的要求不是很高，所以额定滑转率的确 定不是从满足车辆行驶速度出发，而是为了使机器获得最大的生产率，为此应将 工作循环中的最大平均阻力( 通常出现在铲土过程的末尾) 配置在最大生产率工 况附近。对液力机械传动的铲土运输机械来说，变矩器经常处在效率很低的工况 下，一方面会大大降低发动机和变矩器的最大输出功率，另一方面将导致变矩器 过热。因此，滑转起到防止变矩器进入低效区工作的作用。而对液压传动的铲土 运输机械，滑转可以保护发动机不严重超载，且减轻司机操作。 驱动轮在地面上滚动时，在驱 动力距的作用下，车轮与地的接触 面上各微小单元都产生微观滑转， 亦即地面各微小单元面上都产生抗 滑转反力，这些抗滑转反力的水平 合力就是切线牵引力足。对某一特 定的土质或机种工程机械，其滑转 率可以用实验方法测定，并绘成随 图2 - 2滑转牢随牵引力变化的关系 = j ，( ) 牵引力变化的关系曲线，变化趋势如图2 2 所示。 切线牵引力r 与滑转率的关系曲线称为滑转曲线，它表示行走机构与地面 之间的附着性能。对于两条滑转曲线，当滑转率相同时，切线牵引力较大者附着 性能好；或者在地面能够提供相等的切线牵引力时，滑转率较小者附着性能好。 长安大学硕士学位论文 车辆牵引试验时得到牵引力，而与滑转率的关系称为试验滑转曲线，其 中一6 曲线与一6 曲线相比如图2 - 3 所示。 l j- 0 。 一凡呻 凡 为了使不同重量的机械具有可比性，这罩引出无因次滑转曲线的概念，p , i j , 用i 有效牵引力除以机器的附着重力g ，来表示单位附着重力的有效牵引力( 或 相对牵引力) ，即： 妒。：生 ( 2 3 ) 吼2 亏 皑 我们将6 一致的关系曲线称为无因次滑转曲线。 推土机的容许滑转率可达1 0 0 ( 因为推土机在推土时要求短时间能够提供 最大牵引力，而且可以以l o o 的滑转来防止发动机熄火) ，它的附着系数妒可用 下式表示： 妒舌呗一百f k p r x a ， 式中：巴一附着力，n ，即最大有效牵引力。 相对牵引力等称为额定相对牵引力，以表示，其对应的滑转率就为推 土机的额定滑转率。试验资料表示， 系： 妒月z ( o 8 6 0 9 2 ) q 对履带推土机，驴。与妒之间存在以下关 ( 2 - 5 ) 即：，= ( 0 8 6 0 9 2 ) f r a , 一 ( 2 6 ) 在一些参考文献中，给出了滑转率与单位附着力的有效牵引力的关系式： 6 = 0 0 5 + 3 9 2 ，。1 4 1 ( 2 7 ) 长安大掌硕士掌位论文 试验证明，此公式可以作为计算履带式推土机滑转率的一个参考依据。 3 、通过总体参数匹配确定额定滑转率 ( 1 ) 牵引效率在滑转曲线上的配置 行走机构的牵引效率仉可由滚动效率q ，与滑转效率玑的乘积来表示。即： f 叩，2 叩，7 62 南= _ ( 1 6 ) 2 8 式中：f f 一行走机构的滚动阻力，n ；f 一牵引元件输出的牵引力，n 。 牵引效率叩，表示机器进行正 常工作的有效功率，它是牵引性 能的一个基本参数。为了提高发 动机的动力性和经济性，需要正 确的配置发动机的最大输出功率 在行走机构滑转曲线上的位置。 从式( 2 - 8 ) 可以看出，当牵 引力f 从零开始逐渐增大时，滚 动效率，7 ，亦将从零逐步变大，然 而滑转效率r ，却由于滑转率的 上升而逐渐减小。由滑转曲线如 图2 - 4 行走机构的牵引效率曲线 图2 4 可知，在牵引力逐步增长的开始阶段，滑转率上升十分缓慢。此时r ，增 长速度大大超过仉的下降速度。因而行走机构的牵引效率仉将随牵引力的增大 而增大。当牵引力继续增大时，滑转效率r 。的下降速率将随滑转率6 的迅速增 长而变快，而滚动效率r ，的增长速率逐步减慢，于是在某一牵引力下，行走机 构的牵引效率可出现最大值。但牵引力超过这一值而继续增大时，t 7 。将随牵引 力的增长而下降，当滑转率达1 0 0 时，r ，等于0 。 又由于牵引力f 可用相对牵引力与附着重力g 。乘积来表示，滚动阻力f ， 可用，瓯表示，即：f ，g g ，f s = ，瓯，则式( 2 8 ) 可改为： r 。；墨( 1 6 ) ( 29 ) 辱t 1 ， 式中：吼一相对牵引力( 攸= 专) ； ，一滚动阻力系数。 长安大学硕士掌位论文 若滑转曲线采用下式表示： 6 = a g + 丑妒： ( 2 1 0 ) 式中：a 、b 、n 一与地面条件行走机构型式和参数有关的常数，它们可通过对试 验测定的滑转曲线进行统汁归纳而求得。 那么将式( 2 - 1 0 ) 代入式( 2 - 9 ) 可得： 掣- 4 - 舻， ( 2 - 1 1 ) 对吼求仉之微分，得： 盟：二丝! 二生蛭二竺塑型( 2 1 2 ) d g ( 吼+ ，) 2 当仉= 叼一时，应满足下列条件： ，一2 a f q o 一a 吼2 一( n + 1 ) b 磷“= o ( 2 1 3 ) 由此可求出与仇一对应的相对牵引力。，和滑转率6 ，一。这一特征工况 称为行走机构的最大牵引效率工况，并可用垂线在滑转曲线上标出，如图2 - 4 所 示。此时滑转率对应1 2 1 5 左右。 ( 2 ) 生产率在滑转曲线上的配置 铲土运输机械的生产率是用单位时间所完成的土方作业量来表示的。作业量 的多少与牵引力有直接关系，而作业时间又与速度有关。因此机器的生产率将是 有效牵引力和实际行驶速度的函数，亦即：q ；，( ，v ) 。 对于连续作业机械或循环作业机械的某一工作阶段来说，机器的生产率可用 以下关系式表示： q = 1 0 0 0 q v ( 2 1 4 ) 式中，q 一生产率，m 3 h ；口一单位行驶距离的切土量，i n 3 ；v 一机器工作速 度，k m 1 1 。 由于口和牵引力r 成正比，因此当履带式推土机进行作业时，机器的生产率 是和乘积n ，亦即牵引功率成正比的。在这种情况下，希望机器具有最大的牵 引功率的要求和具有最大生产率的要求是相一致的。因此在参数匹配时，使行走 机构的最大牵引效率工况和发动机的额定功率工况相应，就能保证机器获得最大 的牵引功率，从而也就保证了机器的最大生产率。 对于主要按循环方式工作的工业履带拖拉机来说，生产率不仅取决于牵引功 率，而且和牵引力的大小直接有关。实际上，如略去停车、换挡所花费的时间， 长安大掌硕士掌位论文 则推土机的生产率可以表示为 a ：3 6 0 0 q t f - i - t r ( 2 1 5 ) 式中，q 一推土机生产率，m 弧；f ，一推土机工作行程所需时间，s ： 口一推土机一次工作行程完成的土方量，m 3 ； f 。一推土机倒退空行程所需时间，s 。 由于q 与牵引力t 成正比，而f f 和t 。则取决于机器的行驶速度，亦即： q ；a 丁；0 ；旦；k ：旦， r fv 月 所以 q = 半。t 了1 = k 丁1 t ( 2 - 1 6 ) 一v r t + 面瓦+ 万 式中，丁一推土机铲掘土壤时的牵引力，n ；口、k 一比例常数 s 一工作行程和空行程时推土机的行驶距离，m ： 、一工作行程和空行程时推土机的行驶速度，k l n f h ： ，一推土机铲掘土壤时的牵引功率，k w 。 从以上关系式中可以看到，牵引力不仅通过牵引功率影响着机器的生产率， 而且还通过乘积v 。t 的大小对生产率产生影响。因此，与工作行程速度相比， 牵引力对机器生产率的影响因素将更大。这就是说，如果将发动机的最大功率工 况匹配在行走机构的最大牵引效率工况上，则尽管机器可以获得最大的牵引功 率，但是机器的生产率却并非晟高。 此点还可以在数学上给以更为严格的证明，如求微商万a a ，则 一a a ：塑+ 里盟 ( 2 - 1 7 ) 锻 以a n td t 由于 所以 望：k d 丁 v r n ； ( v 月r + r ) 2 ( 2 1 8 ) 一r ! 州v 一 一和 k i 堕峨 长安大学硕士学位沧文 坐d t 足t 孝t 鲁n + 苦t 备n 驾d t 沼 。帆+ r ) 2 帆+ r ) 2 。 当n t 最大时，d n _ _ l ：0 ，此时 d t 塑。k 生监 ( 2 2 0 ) d t o r t + n r ) 由此可见，当牵引功率为最大时，此函数处于上升阶段( d d q r 为j t _ n ) ，此 时生产率q 并非晟大( 见图2 - 2 ) 。 当q 最大时，d d o 丁；。，此时 蜥 吐+ 生蟹：盟；o r + r ) 2 ( v r 丁+ n r ) 2 d t 由此可见，当生产率q 具有最大值 时，函数，= f ( t ) 必然处于下降区段 ( 竺1 为负值) ，此时牵引功率，并非 1 图2 5 乖引功率n ，和生产率o 随 最大( 见图2 5 ) 牵引力t 而变化的函数关系 因此，对于推土机这样按循环作业 方式工作的机械来说，保证最大牵引功率的匹配点是不相一致的。当驱动轮功率 一定时，履带行走机构最大生产率的工作点显然落在最大牵引效率的工作点和最 大附着力的工作点( 履带1 0 0 滑转) 之间。 研究表明，对于工业履带拖拉机最典型的土壤条件，这一工作点约在滑转 率6 = 1 2 。因此，对工业履带拖拉机来说，取与最大生产率相应的滑转率作为 额定滑转率，即6 。= 1 2 1 5 是合理的。 根据以上分析，为了使机器获得最大的生产率，合乎逻辑的结论是应该使 发动机的最大功率工况与行走机构的最大生产率工况相一致。这就是说，当发动 机在最大功率下工作时，履带行走机构应在最大生产率工况下工作。这样，当发 d墨； 堕 一 盟打 卿 长安大掌硕士掌位论文 动机在额定功率的工况下工作时，拖拉机行走机构将在额定滑转率工况下工作 ( 6 。= 1 2 - 1 5 ) ，此时由发动机功率决定的额定牵引力与行走机构额定滑转 率决定的牵引力应相等，亦即 巧= ( 2 - 2 2 ) 如利用牵引特性曲线来表示这一匹配条件，则 图2 6 上的a a 线与b - b 线应该重合，而代表 最大牵引效率工况的c - c 线则应在它们的左 方。这就是为什么当总体参数匹配合理时，拖 拉机的最大牵引功率总是出现在i i 挡的缘故 ( 在i l 挡上，发动机的额定功率大体上与行走 机构的最大牵引功率工况相应) 。 拖拉机在这样的匹配条件下工作时，牵引 力稍大于额定牵引力n ( 例如1 2 左右) ，即 会引起履带完全滑转，这就便于司机掌握切 图2 - 6 利用牵引特性来评价参数匹 土深度，使拖拉机尽可能地在接近额定牵引力 配的合理性 的范围内作业。此时额定牵引力相当于整个作业过程中的平均最大牵引力，而作 业过程的平均牵引力将低于额定牵引力，并大体上与发动机扭矩的最佳负载值相 当。 2 1 3 全液压推土机滑转率研究 l 、理论分析 全液压推土机较机械式和液力机械式推土机的主要区别在于传动方式上和 控制方式上的区别，但其牵引性能方面的研究是一致的。因此履带式机械和液力 机械式推土机滑转率的选取同样适合于全液压推土机，即全液压推土机的额定滑 转率为1 2 1 5 。 2 、样机的滑转率分析 3 7 1 1 3 8 1 ( 1 ) 国内外典型履带式推土机滑转率统计分析 表2 - 1 给出了黄河t s l 8 0 型湿地推土机牵引力一滑转率试验数据，其总重量 为2 2 7 3 6 0 n ；表2 2 给出了日本小松d 4 1 p 型湿地推土机牵引力一滑转率试验数据， 其总重量为1 0 4 0 7 6 n 。由于有效牵引力在小于额定滑转率下的有效牵引力时，滑 转率d 一般和妒，近似呈线性关系，我们在进行系统性能分析的时候，也是在这 段曲线上进行分析。所以为了后面的计算分析方便，所以我们对这些实验数据进 长安大学硕士掌位论文 行线性拟和处理，可得出6 一吼关系式。若要进行额定滑转率的确定，则可将吼 的值代入式( 2 - 7 ) 获得。 对表2 1 提供的数据进行线性拟合，得到关系为 6 = o 1 1 4 印：一o 0 0 5 3 ( 2 2 3 ) 对表2 2 提供的数据进行线性拟合，得到关系为 6 0 1 1 7 2 吼+ 0 0 0 5 0 ( 2 - 2 4 ) 为了使得到的关系更准确，对于式( 2 - 2 3 ) 、( 2 - 2 4 ) 及整个实验数据进行总 体拟合处理，得到： 6 = 0 1 0 9 4 妒。+ o 0 0 1 ( 2 2 5 ) 黄河t s l 8 0 型湿地推土机牵引力滑转率试验数据表2 一l 牵引力( k g )滑转率( )牵引力( k g )滑转率( )牵引力( k g )滑转率( ) 2 5 4 3 31 2 97 9 4 6 92 8 6 1 2 1 3 1 44 7 5 3 0 9 8 6 1 6 9 8 4 8 0 5 2 6 8 1 2 1 3 1 45 4 1 4 4 8 51 9 l9 3 2 74 1 7 1 3 0 3 7 46 4 7 4 92 1 49 5 8 33 5 81 3 1 7 1 35 3 1 4 8 8 81 8 81 0 2 5 24 6 81 4 2 5 3 75 9 3 5 0 0 6 62 9 l1 0 6 3 64 5 41 5 2 3 7 57 8 4 5 6 0 9 62 4 81 0 6 9 1 14 2 71 5 8 2 6 27 4 8 5 6 3 2 3 2 8 91 1 4 3 8 24 0 8 1 7 7 4 1 87 9 2 6 4 4 8 12 21 1 8 0 7 94 7 9 1 8 5 9 0 61 0 0 6 7 0 4 6 33 4 71 2 1 0 0 64 7 52 0 2 5 3 11 0 7 1 口牟小松d 4 1 p 型湿地推土机牵引力一滑转率试验数据表2 - 2 牵引力( n )滑转率( )牵引力( n ) 滑转率( ) 牵引力( n ) 滑转率( ) 6 7 7 7 0 4o 7 92 6 5 0 0 7 32 25 7 0 7 0 4 18 6 1 4 2 6 7 5 81 2 22