（机械工程专业论文）2m铣刨机行走液压控制系统的研究与设计.pdfVIP

摘要 随着我国公路交通事业的发展，以大型铣刨机为主要设备的机械养护作业方式已经 在我国的高速公路上广泛采用。铣刨机的行走系统一般都采用四轮独立液压驱动，而路 面的损坏程度、路面材料的硬度、铣削层的深度以及刀具的情况等都会对行走液压驱动 系统产生影响。 为了提高铣刨机的使用性能和工作可靠性，保证铣刨机具有较高的生产率和作业质 量，使铣刨机具备良好的经济效益，推动铣刨机性能的全面提升。本文对2 米铣刨机的 行走液压控制系统进行了分析研究与设计。 本文在对2 米铣刨机的整机性能要求与行走系统工况进行详细分析的基础上，确定 了2 米铣刨机的总体参数；进行了履带式铣刨机的运动学和动力学分析；对行走系统和 铣刨转子系统分别进行了功率分析。根据2 米履带式铣刨机的运动学、动力学规律以及 铣刨机行走系统的要求，设计了符合铣刨机施工特点的行走液压系统及功率自动分配控 制方案；确定了液压系统的主要控制方式；分析并确定了行走液压系统与发动机的匹配 参数；进行了行走液压系统主要参数的设计计算，并进行了必要的校核。 通过对2 米铣刨机的性能检测试验，证实了其行走液压控制系统的设计是正确可行 的，完全符合设计要求，具有工业化应用条件，目前该机型已经投入批量生产。 关键词：履带式铣刨机，行走系统，液压控制系统，设计 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc h i n e s er o a dt r a n s p o r t ，t h em e c h a n i c a lm a i n t e n a n c eo p e r a t i o n s ， u s i n gl a r g em i l l i n gm a c h i n ea st h em a i ne q u i p m e n t ，h a v eb e e nw i d e l yu s e do nt h eh i g h w a y t h em o v i n gs y s t e mo fm i l l i n gm a c h i n ei sg e n e r a l l yf o u r - w h e e li n d e p e n d e n th y d r a u l i cd r i v i n g t h ed a m a g ee x t e n to ft h er o a d s ，t h eh a r d n e s so ft h er o a d ，t h ed e p t ho ft h em i l l i n ga n dt h e c o n d i t i o no ft h et o o l sw i l lh a v ea ni m p a c to nt h em o v i n gh y d r a u l i cd r i v i n gs y s t e m i no r d e rt oi n c r e a s et h eo p e r a t i o np e r f o r m a n c ea n dr e l i a b i l i t yo fm i l l i n gm a c h i n e ，e n s u r e t h em i l l i n gm a c h i n ew i t hh i g h e rp r o d u c t i v i t y , o p e r a t i o nq u a l i t ya n de c o n o m i cb e n e f i t ， i n c r e a s et h ep e r f o r m a n c eo fm i l l i n gm a c h i n e ，t h em o v i n gs y s t e mo f2 - m e t e rm i l l i n gm a c h i n e h a v eb e e nd i s c u s s e da n dd e s i g n e di nt h i sp a p e r o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h ep e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t so ft h e2 - m e t e rm i l l i n gm a c h i n e a n dm o v i n gs y s t e mc o n d i t i o n s ，t h eo v e r a l lp a r a m e t e r so ft h e2 - m e t e rm i l l i n gm a c h i n eh a v e b e e nd e t e r m i n e d ；k i n e m a t i c sa n dd y n a m i c sa n a l y s i so ft h et r a c km i l l i n gm a c h i n eh a v eb e e n d o n e ；p o w e ra n a l y s i so ft h em o v i n gs y s t e ma n dm i l l i n gr o t o rs y s t e mh a v e b e e nd o n e a c c o r d i n gt ot h er u l e so fk i n e m a t i c s ，d y n a m i c so f2 - m e t e rt r a c k e dm i l l i n gm a c h i n ea n dt h e r e q u i r e m e n t so fm i l l i n gm a c h i n em o v i n gs y s t e m ，t h eh y d r a u l i cm o v i n gs y s t e ma n da u t o m a t i c p o w e rd i s t r i b u t i o nc o n t r o lp r o g r a m m ew h i c h m e e tt h eo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h em i l l i n g m a c h i n eh a v eb e e nd e s i g n e d ；t h em a i nc o n t r o lp r o g r a m m eo fh y d r a u l i cs y s t e ma n dt h em a t c h p a r a m e t e r sb e t w e e nh y d r a u l i cm o v i n gs y s t e ma n de n g i n eh a v eb e e nd e t e r m i n e d ；t h em a i n p a r a m e t e r sc a l c u l a t i o na n dn e c e s s a r yv e r i f i c a t i o no ft h eh y d r a u l i cm o v i n gs y s t e mh a v eb e e n d o n e t h ep e r f o r m a n c et e s t sc o n f i r m e dt h a tt h ed e s i g no ft h eh y d r a u l i cm o v i n gs y s t e mi sc o r r e c t a n dp o s s i b l e ，a n di si n f u l lc o m p l i a n c ew i t ht h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s t h e2 - m e t e rm i l l i n g m a c h i n eh a st h ei n d u s t r i a l i z e da p p l i c a b l ec o n d i t i o n s n o w , t h i st y p eo fm i l l i n gm a c h i n ei si n b a t c hp r o c e s s k e y w o r d s ：t r a c km i l l i n gm a c h i n e ，m o v i n gs y s t e m ，h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m ，d e s i g n i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文 中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 跨应弧 2 3 年f 上月z 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 上叫g 年，上月2 日 艮安大学硕 ：学位论文 1 1 铣刨机综述“2 明 第一章绪论 铣刨机是通过机械传动或液压传动使铣刨工作装置旋转，由升降装置完成铣削深度 的控制，由液压行走驱动装置使机器运行，完成铣刨作业进给和行驶的一种自行式路面 机械。它主要用于公路、城镇道路、机场、货场、停车场等面层的开挖翻修；可以高效 地清除路面拥包、油浪、网纹、车辙等，开挖路面坑槽及沟槽，还可用于水泥路面的拉 毛及面层错台的铣平等。由于该设备作业效率高、施工工艺简单、铣削深度易于控制、 操作方便灵活、机动性好和铣削下来的旧料可回收利用等特点，故广泛用于沥青路面的 养护作业中，现己成为沥青路面养护施工机械的主要设备之一。 1 1 1 铣刨机的用途 采用沥青铣刨机可迅速的切除路面的各种病害，并剥离均匀，不伤路基，易于重新 铺筑：铣刨后形成整齐、平坦的铣刨面和齐直的铣刨边界，为重新铺设沥青混合料或混 凝土创造条件，修复后新老铺层衔接良好，接缝平齐。切下来的沥青混合旧料可以直接 用于路面表层的铺设，与新的沥青加温拌和后，再重新铺筑高质量的面层。采用铣刨机 可对摩擦系数低的路面进行拉毛作业来提高路面的摩擦系数，达到设计的要求。 由于铣刨机工作效率高，施工工艺简单，铣削深度易于控制，操作方便灵活，机动 性能好，铣削的旧料能直接回收利用，因此广泛地用于沥青路面的维修养护施工之中， 尤其在高速公路养护施工中成为现代化养护施工机械必不可少的主要机械之一。 1 1 2 铣刨机的分类 沥青路面铣刨机按铣刨工艺的不同，它分为冷铣式和热铣式两类。冷铣式铣刨机是 在常温下直接对旧的路面或需要养护路段面上进行铣削作业。冷铣刨机切削的料粒均 匀，适应性广，但切削刀齿磨损较快，是厂拌沥青再生设备的主要辅助机械。冷铣刨机 具有使用成本低、深度范围广及不污染环境等优点。热铣式铣刨机是在铣刨机上加装远 红外或其它利用液化气、丙烷气燃烧器，将路面预热到一定的温度后再进行铣削作业。 由于有加热装置，机构复杂，一般用于路面再生作业。按行走方式的不同可分为轮胎式、 履带式和履带轮子混合式；轮胎式铣刨机具有机动灵活，方便转场、适宜狭小区域作业 第一章绪论 等优点，主要用于中小型铣刨机，而履带式铣刨机虽然机动性稍差，但是它附着力大， 自找平性能良好。履带轮子混合式是近几年出现的机型，它综合了两者的优点，并且两 者可以互换，提高了机器的适用性和使用性能。 按转子的位置可分为后悬式、中悬式与后桥同轴式。后悬式铣刨转子悬挂于机器后 桥的尾部，中悬式即铣刨转子在前后桥之间。后桥同轴式铣刨转子与后桥同轴布置。 按铣削转子工作时转向的不同，铣刨机可分为顺铣式和逆铣式，转子工作时转向与 机器行走的方向相同的为顺铣，相反为逆铣。顺铣时刀头刚接触路面就面对较厚的切削 量，易产生冲击负荷；逆铣时刀头刚接触路面就面对较薄的切削量，且随着铣削继续进 行切削层由薄变厚，负荷相对平缓，这对铣刨机作业非常重要，这也是大多数的铣刨机 都采用逆铣的原因。 根据铣削宽度，可分为小型铣刨机、中型铣刨机和大型铣刨机。小型铣刨机铣削宽 度在3 0 0 8 0 0 m m ，整机功率是2 5 7 0 k w , 转子的传动方式一般为机械式；中型铣刨机 宽度1 0 0 0 - 2 0 0 0 m m ，整机功率是8 0 1 8 0 k w ，转子的传动方式多为液压式；大型铣刨机 铣削宽度在2 0 0 0 m m 以上。整机功率高达6 7 0 k w 。 随着机、电、液一体化高新科技成果不断应用到铣刨机上，近2 0 多年来，冷铣刨 机在国外得到迅速发展。宽度从0 5 4 2 m ，类型从机械式到全液压式，品种规格繁多， 并形成完整的系列。目前国内外生产和使用的基本上都是冷铣刨机，因此在名称上己习 惯简称为沥青路面铣刨机。 1 1 3 铣刨机的主要结构 一般铣刨机是由发动机、机架、铣刨转子、集料输送装置、喷水系统、铣削深度 控制装置、自动找平系统、液压驱动行走系统及辅助系统等组成，如图1 1 。 ( 1 ) 发动机 冷铣刨机的发动机一般选用柴油机，它的体积小、质量轻、油耗低、动力性能好， 在缺水的地方也不会影响使用。 ( 2 ) 机架 一般为刚性整体结构，由厚钢板仿形切割，焊接制造，具有足够的刚度和强度。 机架是整机的承重构件，同时要求机架有足够的重力以减少工作时整机的震动。 ( 3 ) 铣削转子 2 长安大学硕士学位论文 它是铣刨机的主要工作部件，它由铣刨转子轴、铣刨刀座和铣刨刀头等组成，直接 与路面接触，通过其高速旋转的铣刀进行工作而达到铣削的目的。铣刨转子分为固定宽 度和可变宽度；铣刨刀座按一定的螺旋线排列焊接在铣刨转子轴上，刀头安装在铣刨刀 座的座孔中，刀具的排列左右对称以单头或多头螺旋线分布，以便消除部分铣削转子的 受力，保证铣刨机工作时将铣刨下来的旧料抛向轴的中间部分，使得旧料集中成堆。 铣削转子的驱动有机械驱动和液压驱动两种。机械驱动是由发动机输出动力后，经 皮带轮传送到铣刨毂里面的行星齿轮减速器，再驱动铣刨转子。液压驱动有两种形式， 一是发动机直接驱动液压泵，液压泵来驱动铣刨毂液压马达，通过减速器在驱动转子； 另一种发动机通过联轴器将动力传送到专门的分动箱，再由分动箱驱动液压泵来驱动铣 刨毂液压马达，再由减速器驱动转子。 艘舒竹止机构挑架链侧量l 构竣带输送静幽 图1 1 铣刨机的外形结构图 ( 3 ) 液压系统 液压系统是铣刨机的主要组成系统，它可驱动铣刨机的铣削转子、整机的行走、 风扇驱动、辅助装置的工作如各种油缸的动作等等。一般多为多泵相互独立的液压系统， 工作时互不干扰，可靠性较高。铣刨机行走驱动基本都采用全轮液压驱动系统，完成铣 刨机的前进、后退等功能。 ( 4 ) 集料输送装置 一般大中型铣刨机度带有旧料回收装置，它由集料装置、两级输料皮带等组成。 通过集料装置可以将铣刨下来旧料集中并传送至运输卡车上。一级皮带下端可以自由升 降，二级皮带前端的高度可以调节并可左右摆动0 至4 5 度，可适用各种运输卡车。整 个皮带输送装置采用密封结构，以防粉尘飞扬。 ( 5 ) 自动调平装置 3 第一章绪论 铣刨机上设有自动调平装置，以铣削转子两侧浮动板作为铣刨基准面，通过控制 的两个液压缸，使所给定的铣削深度保持恒定。有的铣刨机根据需要安装倾斜调整器， 用来控制转子的倾斜度。 ( 6 ) 深度控制系统 铣刨机配置了一套纯电子的铣削深度控制系统，它由连接在侧档料板上的拉绳深 度传感器和数字控制器组成，使机器的铣削深度可准确至毫米。 ( 7 ) 喷水系统 铣刨机上配有水箱，在铣削过程中向转子喷水，可降低切削刀头的温度，也抑制 了粉尘飞扬。 铣刨机规格、型号不同，其结构、布置也略有区别，但基本工作原理相同或相似。 1 2 国内外沥青路面铣刨机的发展概况及趋势“儿5 7 1 0 1 1 1 2 1 国内沥青路面铣刨机的发展概况 国内铣刨机的发展比较晚，自2 0 世纪8 0 年中期起步，主要结构形式有两种一种是 在农用轮式拖拉机上加装铣削装置构成简易型冷铣刨机，其结构简单，适用于中等强度 以下的沥青路面铣削。如：湖北襄樊公路机械厂以铁牛5 5 型拖拉机为底盘，研制了一 种简易的1 m 铣刨机。1 9 8 7 年江苏镇江路面机械厂参照国外的铣刨机机型研制出宽为 0 5m 铣刨机。铣刨深度为6 0 m m ，行走为液压驱动，工作装置为机械驱动，1 9 9 0 年天津 道桥处机修厂也研制出了l x 一1 0 0 0 铣刨机，宽度为1 m ，深度8 0i n t o ，行走和工作均采用 机械驱动。 到2 0 世纪9 0 年代，由于高速公路的建设和快速发展，路面的养护也愈来愈迫切， 高效率高质量的机械化养护设备日益成为公路交通行业关注和研究的课题，作为主要养 护设备之一的铣刨机在近几年得到了飞速的发展。 1 9 9 9 年，镇江华晨华通路面机械有限公司在吸收国外先进技术和经验的基础上， 开发和研制出l x z y l 0 0 0 铣刨机，宽度1 m ，全液压驱动。一年后，有开发出国内第一台 l m 带回收皮带的铣刨机，填补了国产铣刨机物回收装置的空白。 大约从2 0 0 0 年开始，国内才开始设计和制造具有现代化液压技术和电子控制技术 的大型路面铣刨机，国产铣刨机更多地借鉴了欧洲铣刨机的技术和经验。在动力、液压 4 长安大学硕l j 学位论文 和控制系统上均采用了国际化的配置，从系统配置上可以说我国的铣刨机达到了国际先 进水平。如西安筑路机械有限公司的l x 2 0 0 铣刨机、陕西建设机械股份有限公司的 c m 2 0 0 0 和西安宏大交通科技有限公司生产的c m 2 2 0 0 、m 1 9 0 0 和c m l 2 0 0 ，不但拥有完 整的知识产权，且在整机系统、制造工艺等方面已达到了国际先进技术水平。 目前，国内的生产厂家已经有十几家，主要有西安筑路机械有限公司、镇江华晨华 通路面机械有限公司、徐工、中联重科、陕西建设机械股份有限公司、西安宏大交通有 限公司、沈阳北方交通有限公司、上海市政工程机械有限公司等。在产品技术方面，国 内厂家在同样机型实现的功能是大同小异。像铣刨宽度为2 m 的铣刨机，工作转子驱动 多采用机械传动；行走系统多为四履带独立液压驱动，液压马达采用双速马达，能实现 功率自适应；带有二级皮带铣削料回收装置；具有机动灵活的转向方式：前轮、后轮、 全轮转向及蟹行转向；铣削深度自动控制，精度可达毫米级，并可数字显示。 1 2 2 国外沥青路面铣刨机的发展概况 国外路面铣刨机的发展和工程应用具有较长的历史，积累了丰富的经验。主要的生 产厂商有德国维特根( w i r t g e n ) 、美国的r o a d t e c h 公司、c m i 公司、c a t e r p i l l a r 公司。 国外生产的铣刨机已形成系列产品，生产率达到1 5 0 - 2 0 0 0 m 3 h ，一次铣削深度为 6 0 3 2 0 m m 。 2 0 世纪5 0 年代，日本研制了国产1 号电热式铣刨机，它是在平地机上安装了一个 加热装置，后部装备铣刨器，边加热边铣刨，加热宽度为2 m ，铣深只有2 0 m m ，工作速 度也只有0 1 2 k m h 。2 0 世纪6 0 年代，同本又在平地机上改装成了世界上第一台冷式铣 刨机，铣刨宽度2 m ，铣刨深度3 0 - - 一5 0 m m 。 2 0 世纪7 0 年代以来，随着沥青路面旧料再生技术的发展，德国、美国、瑞典、意 大利等国家也相继开发了沥青路面铣刨机。其中德国维特根( w i r t g e n ) 作为以生产沥青 路面铣刨机的专业公司，1 9 7 1 年该公司开发的装有红外线路面预加热系统的小型铣刨 机，它的出现开创了道路养护施工新纪元，并很快为承包商所接受。到1 9 7 0 年代中期， 全欧洲已有一百多台这样的铣刨机在使用。十年后，维特根公司又开发了带直接收集旧 料装置的小型冷铣刨机，并迅速推广。1 9 9 0 年代初，维特根公司的铣刨机的大型化、系 列化、液压及控制技术得到显著提高，迄今为止，已发展成为全球产量最大、品种最齐 全、技术水平最高的铣刨机专业厂商，并以铣刨机为基础，开发了沥青路面冷、热再生 5 第一章绪论 设备，其中w 2 2 0 0 代表了当今冷铣刨机技术的最高水平。发动机是卡特彼勒4 2 1k w 动力强劲生产率高；四条履 带，驱动系统可以无级调速 而不必在行走档和工作档之 间切换，二级输送带可液压 折叠，使得整机长度减短， 运输方便：采用快速换刀系 统，可减少更换刀具的时 间；采用f c s ( f l e x i b l e c u a e rs y s t e m ) 系统，可改变 图1 2 维特根铣刨机的外形图 铣刨宽度；转向通过手柄控制，有四种转向模式：控制系统采用c a n o p e n 总线技术， 可靠性提高：人机界面叫以随时提供发动机所有运行参数吼及本机运行状态的其它主要 信息；装有w i d i s 诊断及维护系统，实现故障自动报警。 荧国的c m i 公司、意大利的b i t e l l i 公司、m a r i n i 公司，c a t e r p i l l a r 公司均在1 9 9 0 年代初开发了自己的冷铣刨机，尤以意大利b i t e l l i 公司的技术水平发展最快，它的s f 系列产品在技术与性能方面几乎叮完全与w i n g e n 公司的产品媲美；而美国的c m i 公司 白1 9 7 6 年生产了世界上第一台专业的路面铣刨机以柬，根据本国9 3 的路面为沥青混 合料路面的特点，开发了从2 0 0 h p 的小型市政用机型到全世界最大的1 2 0 0 h p 机型。铣 刨宽度由o3 m 和42 m ，铣刨深度由2 5 m m 至4 5 0 m m ，尤以大型冷铣刨机在同类铣刨设 备中独领风骚。该公司的产品大多为三履带驱动，特别是大型冷铣刨机：输料装置的二 级输料皮带可摆动到6 0 。 戴纳派克公司从1 9 7 8 年丌始生产铣刨机，通过不断的改进与创新，p l 2 0 0 0 s 可代 表该公司的最新水平。该机采用康明斯发动机功率为4 4 8k w ，配有全套电子发动机控 制装置；整机只有一个操作台，操作台可在驾驶台宽度范田内左右移动；采用四履带驱 动，每条履带都安装了电子比例调速器和防滑控制装罱；控制器是专利设计的p l c 控 制器和c a n b u s 总线控制系统完成对整机的控制和故障诊断：可选配摄像监控系统， 可提高设备操作的安全性，使得驾驶员独立一人也可方便的进行操作。美国r o a d t e e h 公司开发了铣刨宽度为o3 m , - 42 m 的铣刨机，其铣刨机产品铣刨宽度为2 5 0 0 m 以下的 长安大学硕 ：学位论文 全部采用三履带驱动，而其它机型则采用四履带驱动；所有的铣刨机都配备双向操作， 使其在反向行走时也可铣刨；有些机型上配备适应侧向铣刨的不同宽度的铣刀及其附 件，使得r o a d t e c h 公司的铣刨机使用更加灵活。r o a d t e c h 公司铣刨机的铣刨毂用 v c s ( v a r i a b l ec u t t e rs y s t e m ) 系统，该系统的功能与维特根f c s ( f l e x i b l ec u t t e rs y s t e m ) 系统相同，即不用卸掉铣刨毂组件就可以改变铣刨宽度，可以实现一机多用，使铣刨机 具有较高的性价比。 意大利的b i t e l l i 公司从上世纪8 0 年代起就开始生产铣刨机。铣刨宽度为 0 6 m - 2 0 1 m ，该公司的最新机型是该公司的最新机型是s f 2 0 0 r 铣刨机。该机型是 s f 2 0 0 l 机型的发展和改进之作，不仅继承了s f 2 0 0 l 机型同样的特征，s f 2 0 0 r 选用戴 姆勒克莱斯勒公司的o m 5 0 2 l a 全电控发动机，功率比s f 2 0 0 l 的大1 0k w 。 美国的c a t e r p i l l a r 公司从上世纪9 0 年代开始生产铣刨机，主要有p m 一4 6 5 、p m 5 6 5 b 两种机型。c a t e r p i l l a r 公司的铣刨机严格按照c a t e r p i l l a r 的工艺标准采用原厂的发动机 和可靠的电控系统。履带系统及涨紧轮采用技术成熟的原厂小型推土机d 3 级d 4 的履 带组件。 纵观各个生产厂商，虽然各个参数不尽相同，但是在铣刨宽度差不多的情况下，相 应主要的参数数值还是比较接近，见表1 1 示。目前全世界冷铣刨机的年产量大约为 2 0 0 0 多台，铣刨宽度在1 5 0 0 以上的冷铣刨机占总量3 0 以上，维特根公司的铣刨机产 量最大，约占总量的5 5 以上：其次为c m i 公司，约占1 3 以上；其余的被上述其他公 司所分配。 1 3 提出课题的意义与研究的主要内容 2 0 世纪，随着我国公路交通事业的快速发展，公路养护工作也愈来愈迫切繁重，现 代化的机械养护作业方式是势在必行。以大型铣刨机为主要设备的机械化养护作业方式 已经在我国的高速公路上广泛采用，中小型铣刨机也将成为二级以上公路和城市道路的 主要养护设备之一。根据我国公路发展的统计，未来公路养护对各类现代化机械设备的 需求会越来越大。高速公路大修期的到来，公路交通行业和城市管理部门对现代化养护 方式逐渐重视，对路面的铣刨机的需求逐年增加，并将以很快的速度增长。 我国铣刨机的发展起步较晚，尽管取得了许多成就，关键部件采用国际化采购，甚 7 第一章绪论 至有些产品接近或达到了国外同类产品的技术水平，但许多关键技术仍未突破，使得产 品的稳定性、可靠程度等大打折扣。 扣 w 2 0 0 02 0 0 0 d cs f 2 1 0 0p l 2 0 0 0 ss f l 0 0 lm p 2 0 0 0p r 4 5 0 最大铣削 宽度 2 0 0 02 0 1 0 2 1 0 02 0 1 02 0 0 02 0 1 01 9 0 5 ( m m ) 铣削深度 0 3 2 00 3 0 0 o 1 5 00 , - , 3 2 00 3 2 00 - 3 2 00 2 5 4 ( n l n l ) 行驶速度 0 5 0 50 50 , - 4 50 - 4 70 3 2 ( k m h ) 工作速度 o 3 00 3 l0 4 00 3 0o 3 30 - 5 4 ( m m i n ) 刀头数 1 6 21 5 41 6 61 5 4 1 5 6 1 4 4 ( 个) 功率( k w ) 4 2 l2 9 73 5 54 4 83 7 0 3 6 43 3 6 行走方式 履带式履带式履带式 履带式履带式履带式 铣削方式 冷铣冷铣 热铣冷铣冷铣冷铣冷铣 整机质量 2 9 0 0 02 3 1 0 02 2 8 0 03 8 0 0 02 8 7 0 02 7 0 0 02 4 9 5 0 ( 蚝) 生产厂家维特根维特根维特根戴纳派克 必泰利玛莲尼卡特彼勒 表1 1 国外铣刨机的技术性能参数 8 长安人学硕上学位论文 1 3 1 课题研究的意义 国内外大部分大中型铣刨机的行走系统都采用四轮独立液压驱动，而路面的损坏程 度、路面材料的硬度、铣削层的深度及刀具的情况等都会影响行走液压驱动系统。合理 的设计和应用行走液压系统，是一项必要的研究工作。根据现代铣刨机的用途，铣刨机 的工作环境较恶劣，铣刨机需适应各种复杂的工况，这样就要求性能优越行走液压系统 能与其相适应，以提高铣刨机的使用性能和工作可靠性，优化工作速度与发动机负荷的 匹配，保证铣刨机有较高的生产率和作业质量，使铣刨机具有良好的经济效益。通过对 铣刨机行走液压驱动系统的研究，推动铣刨机性能的全面提升，使铣刨机能够适应各种 恶劣工况，合理有效的分配发动机功率，达到高性能、高可靠性和养护效率及养护质量 的统一，这样将具有重要的现实意义。 1 3 2 课题研究的主要内容 针对以上分析，提出2 m 铣刨机行走液压系统的研究与应用课题，主要包括以下内 容： 1 铣刨机整机性能要求与工况分析。 包括铣刨机的整机性能要求，总体参数的设计及确定和铣刨机的工况要求等。 2 铣刨机行走机构的动力学分析及行走系统的功率分析。 3 铣刨机的行走液压系统与控制系统分析。 包括铣刨行走系统的基本要求及相应的控制上的要求等。 4 铣刨机行走液压系统性能参数设计计算、校核。 主要包括行走液压系统的设计计算及参数的校核。 5 铣刨机行走液压系统的调试及整机试车。 9 第_ 二章铣刨机整机性能要求与- t 况分析 第二章铣刨机整机性能要求与工况分析 2 1 铣刨机整机性能要求 在广泛调研国内外2 m 铣刨机机型的基础上，本文2 m 铣刨机充分吸收国外铣刨机 先进技术，并结合中国道路施工的特点，定位于高端技术水平，性价比较优的设计思想， 要求通过采用最先进电子控制技术和液压传动技术，及国际化配套采购，不仅要有先进 性、可靠性，又具有实用性和经济性。 2 m 铣刨机整机性能要求具体如下： 1 机器应有足够的质量且分配合理。铣刨机的工作质量影响履带与地面的附着力，同 时整机质量分配合理，在最大工况下不会出现打滑现象，保证铣刨的效果。 2 操纵台应操纵方便。要求针对机器的所有操作都可以通过主控制台实现。同时，由 于铣刨机的作业宽度要求为2 米，为了方便操作，对工作过程中随时需要调节、动作的 元件，要求位于主驾驶位置的主操纵台，左右两侧各布置一个。为方便机器操作手在地 面对机械进行调节操作，要求在机器的前后左右四角设计有专门的控制开关；并要求有 紧急停车按钮开关，若遇到异常情况，随时按下会终止机器的所有动作。 3 要有强劲的铣刨能力和转场驱动能力。发动机选用道依茨发动机，工作可靠，操作 方便，动力强劲。 4 高效的铣刨能力及高质量的铣刨效果。 5 精确的自动找平和深度控制，可以保证铣刨机的铣刨质量。 6 在工作档工作时，具有功率自动分配功能，即可以根据发动机负荷自动调节行走速 度，从而保证机器始终处于最大生产率状态。 7 全液压驱动的四履带行驶系统，有高速档和低速档，且在两档中能实现无级变速。 该机前后各两个行驶履带，全电控、独立的转向，前后转向动作组合，能实现前轮、 后轮、四轮、蟹形、s 形等转向方式。履带总成要有自动停车制动器，刹车可靠。 8 要带有自动收料装置。现代的施工机械要求自动化程度较高，不影响交通的正常运 行或道路封闭时间短，故要求铣刨机带有自动收料和卸料装置，且可以左右摆动4 5 度；卸料高度可自行调节，适应不同的运输卡车。 9 3 5 。的爬坡能力，以方便在无吊车的情况下可以自如爬上平板车。 1 0 长安人学硕上学位论文 2 2 铣刨机工况分析 铣刨机同大多数的工程机械一样，有两种典型工况：作业工况和转场运输工况。在 作业工况中，铣刨转子是在铣刨机的行走系统的带动下，主要是依靠自身的传动系统来 驱动旋转，完成施工作业，铣刨转子的驱动消耗着整个车辆的主要功率，一般占 8 0 0 旷8 5 左右。铣刨机运输工况是在转场时可以高速的行驶，快速地转移场地。 对于铣刨机的行走系统来说，在作业和运输两种工况的要求：工作时要求低速和较 大的牵引力，而转场运输时则希望快速( 运行时的速度0 1 0 k m h ) ，如遇到坡道仍需 要较大的牵引力。对这两种工况，铣刨机的行走系统采用变量泵和变量马达组成的闭式 液压系统可以适应不同的速度要求。 2 m 铣刨机的工作环境较恶劣，故采用履带行走机构，附着力好，牵引力大；传动 方式采用液压传动：四轮独立驱动。由高压柱塞变泵和变量马达组成的容积调速闭式液 压系统，通过控制泵的排量和油液的方向来进行速度无级调节和换向，可实现铣刨机的 前进、后退、制动等功能；马达选用双速马达，可以实现高低的切换，而且闭式系统具 有结构紧凑、传动平稳，油液不易污染等优点，适合于铣刨机在各种恶劣的工况环境下 工作。 2 3 铣刨机总体设计及主要参数的确定 铣刨机的总体设计主要是根据使用情况确定主参数生产率，即单位时间内铣削 路面物料的体积。主要根据主参数即可确定工作宽度、外形几何尺寸等基本参数。在具 体设计时要注意贯彻系列化、通用化、标准化的原则，对已有的同类产品作充分的调查 研究，并尽可能采用新技术、新材料、新工艺、新结构。同时还应兼顾其经济性、可靠 性耐久性、安全性及维修的方便性和操作的舒适性。 铣刨机在设计时可采用类比或经验法来确定有关参数。 2 3 1 铣刨功率只2 1 铣刨功率只主要取决于铣刨机的宽度b 和铣刨深度日的大小，亦即铣刨的横截面 积4 。 a = b h ( 2 1 ) 第一二章铣刨机整机性能要求j 工况分析 式中： 彳铣刨的横截面积，。 b 铣刨机的宽度，m 。 日铣刨深度，m 。 根据经验，铣刨功率只： 只= f a ( 2 2 ) 式中： 经验参数，一般取9 0 0 1 2 0 0k w m 2 。 2 3 2 整机功率 整机功率由铣削功率b ，工作牵引功率p g 和辅助装置功率p i 组成。一般经验b 占整机功率的8 0 0 , 0 , - - 8 5 ，乓占整机功率的1 0 1 5 ，毋占整机功率的5 左右。 只= 只+ p g + 哆 ( 2 3 ) 式中： b 铣刨转子系统，k w ； 忍铣刨机的行走系统，k w ； 毋铣刨机辅助系统功率，k w ； 若整机带有集料输送装置，只占整机功率的1 0 左右“1 。 参照国内外2 m 铣刨机和经验公式，取整机功率只为4 0 0k w ，则铣削功率只为3 2 0 k w 左右，行走系统为4 0 k w 左右。 2 3 3 工作速度和行驶速度“1 铣刨机的工作速度也与机型的大小及行走机构形式有关，一般中小型机为 0 1 2 m m i n ；大型机为0 3 0 m m i n 。 行驶速度可根据需要及行走机构的形式确定，一般为0 1 0 k m h 。 2 3 4 整机质量 铣刨机整机质量m z 与整机功率只由一定的比例关系“1 ，即 1 2 长安大学硕上学位论文 m ：= 必 ( 2 4 ) 式中： k 经验系数，一般中小型机取1 1 0 - 1 3 0 k g k w ，大型机取7 5 - 9 0k g k w 。 2 m 铣刨机k 根据经验取为7 7 5 ，带入( 2 4 ) 式的整机质量为3 1 吨。 通过以上的综合分析，最后提出2 m 铣刨机的整体技术参数，如下表2 1 。 表2 12 m 铣刨机整机性能参数 技术参数单位数值 整机质量 t3 l 铣刨宽度m m2 0 1 0 铣刨深度 m m0 3 0 0 工作速度 m m i n o 3 3 行驶速度 k m h 0 - 5 爬坡能力 p )3 5 发动机功率k w4 0 0 最小离地间隙 加m3 3 0 铣刨鼓倾斜角度 ( o )5 输料皮带宽度 ，竹m 8 0 0 最大卸料高度m m4 9 0 0 铣刨转子刀具数量个 1 6 8 铣刨转子的直径 j ，z 刀，1 0 7 0 行走驱动方式 独立驱动 四轮液压马达驱动 回收废料输送能力 t h3 3 0 外形尺寸( 长宽x 高) 优，l13 0 0 0 2 5 5 0 3 3 0 0 1 3 第三章铣刨机的动力学和行走功率的分析 第三章铣刨机的动力学和行走功率的分析 3 1 铣刨机行走驱动形式1 4 1 大中型铣刨机液压回路较多，属于多泵多回路复合液压回路，多选用发动机通过联轴 器接分动箱将动力分流，驱动方式如图3 1 ，这样各个液压系统互不影响。小型铣刨机为 了降低成本，多选用发动机直接驱动方式如图3 2 。两种驱动方式的优缺点是：直接驱动 是将几个同轴驱动的泵串联起来驱动，结构简洁，成本较低。其缺点是串联泵中的某一个 泵发生故障会影响其它泵的工作，维修不方便。从成本来讲，由于泵与发动机同速运转， 发动机额定转速往往低于泵额定转速而使泵的转速能力得不到充分发挥，通过选用较大排 量的泵来达到功率匹配会使机器成本增加；加之串联泵之间的过渡连接件有相当的成本， 综合起来直接驱动方式的成本并非一定低于分动箱驱动成本。分动箱驱动方式各泵互不干 扰，结构合理，可通过齿轮传动速比的调节来选择性能与成本综合指标最高的泵。目前， 分动箱生产厂商与发动机和泵之间的接口均已标准化，无需自制任何零件，质量好、工作 可靠、使用方便。当选用增速齿轮传动，可用小排量泵的低成本来补偿分动箱增加的成本。 圃一圈一团一圈咂亘圃 上 匝亟匦囹 图3 1 发动机间接驱动路线 团一匮圈岖区圆一圆 上 圆羽一匝因吨垂量圈 图3 2 发动机直接驱动路线 2 m 铣刨机采用发动机间接驱动形式，驱动路线如图3 1 示。发动机通过分动箱，将整 机功率进行分流，这样铣刨机各个液压系统如行走液压系统、输料液压系统、风扇驱动、 辅助液压系统等互不影响，可提高铣刨机的可靠性。 3 2 履带式铣刨机的运动学与动力学分析“2 “坩1 5 1 3 2 1 铣刨机行驶系统的运动学分析 2 m 铣刨机采用四履带行走机构( 根据调研，大型铣刨机均采用履带式行走机构) ，履 带行驶机构是由驱动链轮和链轨组成，并且一般在低速工况下运行，它的运动情况具有低 1 4 长安大学硕士学位论文 速链传动的特性。在履带车辆行驶时，若履带在地面上作无滑转行驶时，履带车辆的理论 行驶速度在数值上等于链轮与链轨传动时的动力半径的圆周速度，如下式： v t = 2 n n t r k ( 3 1 ) 或 ，r = z k ， ( 3 2 ) 式中： ，7 铣刨机理论行驶速度，m s ； m 驱动轮转速，r m i n ； 以驱动轮动力半径，掰； z ：广驱动轮每转卷绕的履带板块数，即啮合齿数； 卜链轨的节距，m 。 履带行走机构的实际行驶速度v ，是履带的滑转速度和台车架对接地链轨的相对速度 的合成速度。实际行驶速度可以用滑转率表示为： v = v r ( 1 一0 3 ( 3 3 ) 或 1 ，= z f n 胃t 0 一万) ( 3 4 ) 式中： 艿履带对地面的滑转率，通常取o 0 3 。 由线速度和角速度的关系可得马达转速公式： = 3 0 v i m 兀r k ( 3 5 ) 式中： f 驱动轮终端减速比； 2 m 铣刨机的驱动链轮的最高转速与工作时的转速将以下参数分别带入公式( 3 5 ) ：驱 动链轮直径为0 4 31 2 m m ，工作速度为3 3m m i n ，行驶速度为8 3m m i n ( 5 k i n h ) ，计算出链 轮的转速分别为：行驶时的链轮转速为6 2r m i n ，工作时的链轮转速为2 4r m i n 。 3 2 2 履带式铣刨机动力学分析 履带式铣刨机在水平地面上等速直线行驶时的动力学：履带式铣刨机在工作时，其上 作用着抵抗车辆前进的各种外部阻力和推动车辆前进的驱动力一切线牵引力。而切线牵引 力本身则由驱动链轮上的驱动力矩所产生。 1s 第三章铣刨机的动力学和行走功率的分析 当履带式铣刨机在等速稳定工况下工作时，存在着以下两种平衡关系： f = 取 f k = ，1r m x r k 式中： f 各种外部阻力总和， r 铣刨机切线牵引力，； 刁，履带驱动段效率，取0 9 6 - 0 9 7 ； m k 驱动力矩，n m ： “驱动轮动力半径，所： 在稳定行驶的工况下，作用在铣刨机上的外部阻力，这些外部阻力包括如下： ( 3 6 ) ( 3 7 ) f = 弓+ e + c ( 3 8 ) 式中： r 滚动阻力， 卜铣刨机坡道阻力，； b 铣刨机工作阻力，； 而滚动阻力、铣刨机坡道阻力如下各式： ( 1 ) f ，= f 6 c o s a ( 3 9 ) 式中： 俨铣刨机运动表面对水平面的倾角，度； g 一铣刨机的重量，； ( 2 )f = + g s i n a ( 3 1 0 ) 式中，正号表示上坡，负号表示下坡，其它同上。 ( 3 ) 铣刨机工作阻力r 疋主要包括工作装置铣削转子的阻力、转子后门的阻力和铣刨机两侧的浮动板的 阻力等，铣刨机两侧的侧板上的密封板的阻力相对比较小可忽略不计。铣刨机工作阻力 通常根据经验来确定。下面公式为铣刨机水平工作阻力f h 的计算公式： 1 6 长安大学硕 学位论文 以= k l b a 。v u + k 2 b a b y ( n ) ( 3 1 1 ) 式中： r 广_ _ 铣刨机水平工作阻力，； 局与沥青路面材料以及铣刀有关的参数； b 铣刨宽度，聊： 口。铣刨厚度，m ； v 行走速度，m s 。 一般取工作阻力系数为o 0 5 。 取最大坡道a 为3 5 度，带n 。( 3 8 ) 式，可得作用在2 m 铣刨机上的各种外部阻力之和为 2 4 0 7 】7 5 n 。 3 3 附着条件决定的最大切线牵引力 由附着条件决定的最大切线牵引力，的公式如下： 巴= 瞩g ( 3 1 2 ) 式中： 广履带式铣刨机在沥青路面上的附着系数，约为0 7 ； g 广铣刨机的附着质量，k g ： g 重力加速度，取9 8 m s 2 ； 计算最大切线牵引力f ，将9 取0 7 ，嘞取3 1 0 0 0k g ，g 为9 8 m s 2 ，f 。可得2 1 2 6 6 0 n 。 3 4 行走系统功率分析 对于某一台铣刨机来讲，在等速稳定运转的工况下，行走系统的驱动扭矩为： m = r ( 3 1 3 ) 式中： r 铣刨机切线牵引力，； n 驱动轮动力半径，m l 行走系统消耗发动机的功率为： 1 7 第三章铣刨机的动力学和行走功率的分析 图3 3 行走功率如与行走速度矿的曲线 3 5 铣刨转子的功率分析“酣 铣刨机的功率主要消耗在工作装置铣刨转子系统、行走系统及