（机械制造及其自动化专业论文）工程机械多功能试验台方案分析与关键技术研究.pdf

p r o g r a ma n a l y s i sa n dk e yt e c h n o l o g yr e s e a r c ho f t h em e c h a n i c a lm u l t i - - f u n c t i o ne x p e r i m e n t a lp l a t f o r m ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e df o r t h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：y i nj u n x i a s u p e r v i s o r ：p r o f y a n gs h i m i n c h a n g a nu n i v e r s i t y , x i a n ，c h i n a 8 3眦00 3叭7iiiiii叭y 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己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 融俊文 矽f 。年j 月1 7 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) 2 0 o年j 月7 7 日 7 1 01 0 年，月t g 日 摘要 工程机械多功能试验台是工程机械工作装置与作业介质相互作用研究的重要实验设 备。本文结合“工程机械多功能试验台 的研制项目，在了解和综合国内外工程机械试 验设备的研究状况与发展趋势的基础上，对工程机械多功能试验台的主要功能、性能要 求进行了分析，对试验台的总体方案和各部分的实施方案进行了研究、探讨。 论文首先根据工程机械试验研究的需要，提出了对试验台的总体要求。根据试验台 应该实现的具体功能，对系统的构建方案进行了分析，对总体结构进行了必要的计算和 校核，认为试验台的总方案是切实可行的，基本上能够满足今后的试验要求。 论文根据试验台预期要进行的试验项目，进行了工程机械工作装置和牵引台车的合 理匹配，在分析四种工作装置的性能特点基础上，进行了一系列计算与校核，确定了工 作装置的主要性能参数，并提出了对工作装置的性能指标的要求，为试验台工作装置的 配置提供了可靠依据。 论文分析研究了试验台的传动系统方案和原理，认为试验台采用液压一机械传动方案 是切合实际并符合总体方案要求的。在进行传动功率、牵引力和牵引速度及各传动参数 计算的基础上，得出结论，认为试验台的牵引速度范围基本能满足今后试验的要求。同 时也提出了传动方案的不足之处。 论文对试验台的控制和测试系统进行了探讨，对系统的工作原理进行了分析，对一 些元器件的参数和性能要求及选用，提出了合理建议。论文认为采用二次调节静液加载 系统实现试验台的加载功能有很多优点，同时也指出二次调解加载系统要实现动态加 载，必须正确处理惯性力和轮胎滑移率的影响，在控制算法上应进一步完善。 本文所做的工作为工程机械多功能试验台的进一步完善和合理使用提供了可靠的依 据。 关键词：试验台铣刨转子振动轮加载螺旋分料器 a b s t r a c t m u l t i - f u n c t i o ne x p e r i m e n t a lp l a t f o r m ( m f e p ) o fc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r yi sai m p o r t a n t e x p e r i m e n t a le q u i p m e n t ，w h i c hs t u d i e st h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nw o r k i n gd e v i c eo f c o n s t r u c t i o nm a c h i n e r ya n do p e r a t i n gm e d i u m b a s e do nt h em f e p , b yu n d e r s t a n d i n g r e s e a r c hs t a t u sa n dd e v e l o p m e n tt r e n do ft h ec o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y se x p e r i m e n t a lp l a t f o r m d o m e s t i ca n df o r e i g n ，t h i sp a p e ra n a l y z e sm a j o rf u n c t i o na n dp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t so ft h e m f e p , a n ds t u d i e st h eo v e r a l lp r o g r a mo nm f e pa n dt h ei m p l e m e n t a t i o np l a no ft h ep a r to f m f e p f i r s t l ya c c o r d i n gt ot h en e e d so fc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r ye x p e r i m e n t a ls t u d y , t h i sp a p e r p r e s e n t st h e o v e r a l lr e q u i r e m e n t so ft h em f e eb a s e do nt h es p e c i f i cf u n c t i o nw h i c ht h e e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mn e e d ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h ec o n s t r u c t i o np r o g r a mo ft h em f e ea n d i nt h es a m et i m e ，b yc a l c u l a t i n ga n dc h e c k i n gt h eo v e r a l ls t r u c t u r e ，t h et o t a lp r o j e c ti s f e a s i b l ea n dc a l lb ea b l et om e e tf u t u r et e s tr e q u i r e m e n t s b a s e do nt h ee x p e c t e de x p e r i m e n tp l a no nt h em f e p , ar e a s o n a b l em a t c hb e t w e e n w o r k i n gd e v i c eo fc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r ya n dt r a c t i o nt r o l l e yw a sc a r d e do u ti nt h i sp a p e r b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ep e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ef o u rw o r k i n gd e v i c e ，b y c a l c u l a t i n ga n dc h e c k i n g ，t h i sp a p e ri d e n t i f i e st h em a i np a r a m e t e r so fw o r k i n gd e v i c e s ，a n d p r o p o s e st h ep e r f o r m a n c er e q u i r e m e n tf o rt h ew o r k i n gd e v i c e a l la b o v ew o r kp r o v i d ea r e l i a b l eb a s i sf o rc o n f i g u r a t i o no fm f e p sw o r k i n gd e v i c e b ya n a l y z i n gt h ep r i n c i p l e sa n dt h ep l a no fd r i v i n gs y s t e m ，t h i sr e s u l t s h o w st h a t m f e p sh y d r a u l i c m e c h a n i c a ld r i v ep r o g r a mi s p r a c t i c a la n dc o n s i s t e n tw i mt h e o v e r a l l p r o g r a mr e q u i r e m e n t s b yc a l c u l a t i n gt h et r a n s m i s s i o np o w e r , t r a c t i o na n dt r a c t i o nd r i v e s p e e da n do t h e rt r a n s m i s s i o np a r a m e t e r s ，t h i sp a p e rc o n c l u d e st h a tt h er a n g eo ft h et r a c t i o n s p e e do ft h em f e pc a nb a s i c a l l ym e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h en e x tt e s t t h i sp a p e ra l s o r e q u i r e m e n t sa n ds e l e c t i o no fs o m ec o m p o n e n t s ，a n dp r o p o s e sr e a s o n a b l es u g g e s t i o n s t h i s p a p e rs h o w st h a tt h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r mh a sm a n yg o o da d v a n t a g e sw h e nl o a d i n gb y s e c o n d a r yr e g u l a t i o nh y d r o s t a t i cl o a d i n gs y s t e m a n dt h i sp a p e ra l s os h o w st h a tf o rt h e s e c o n d a r yr e g u l a t i o nh y d r o s t a t i cl o a d i n gs y s t e m ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ei n e r t i af o r c e a n dt i r es l i pr a t i os h o u l db ec o r r e c t l yh a n d l e da n dt h ec o n t r o la l g o r i t h ms h o u l db ef u r t h e r i m p r o v e d t h ew o r ki nt h i sp a p e rp r o v i d e sar e l i a b l ea n db a s i sf o rt h ed e v e l o p m e n ta n dr e a s o n a b l e u s eo f t h em f e p k e y w o r d s ：e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mm i l l i n gr o t o r v i b r a t i o nw h e e ll o a d a u g e r 目录 第一章绪论1 1 1 工程机械试验研究的作用与意义1 1 1 1 现场试验1 1 1 2 室内试验2 1 2 国内外工程机械试验研究的现状3 1 3 室内试验设备课题的提出及课题的意义4 1 4 论文主要研究内容6 第二章工程机械多功能试验台总体方案分析7 2 1 工程机械多功能试验台主要功能的确定7 2 1 1 总体要求和主要功能7 2 1 2 工程机械多功能试验台系统的构建方案8 2 2 牵引( 负荷) 台车行走系统方案一8 2 2 1 牵引( 负荷) 台车方案的总体思路8 2 2 2 台车架及辅助装置方案l l 2 2 3 牵引台车的性能指标分析1 2 2 3 横移车方案分析1 3 2 3 1 横移车方案的总体思路1 3 2 3 2 横移小车方案1 4 2 4 工程机械多功能试验台的工作装置方案分析1 6 2 4 1 铣刨机铣刨转子16 2 4 2 推土机铲刀方案l8 2 4 3 摊铺机螺旋分料器方案1 9 2 4 4 压路机振动轮2 l 2 5 本章小结2 3 第三章工程机械多功能试验台液压一机械传动方案分析2 4 3 1 液压传动系统的性能要求2 4 3 2 行走( 加载) 液压驱动系统分析2 5 3 2 1 系统基本原理2 5 3 2 2 系统功能及参数分析2 7 3 3 工作装置液压驱动系统分析2 8 3 4 辅助液压驱动系统分析2 9 3 5 对工作装置液压驱动系统和辅助液压驱动系统的要求3 0 3 6 工程机械多功能试验台机械传动系统3 0 3 6 1 机械传动方案的总体思路3 0 3 6 2 机械传动具体方案及传动元件分析3 1 3 6 3 各传动元件的减速比分析3 2 3 7 本章小结3 3 第四章工程机械多功能试验台电气控制系统分析3 4 4 1 调速恒速控制系统分析3 4 4 1 1 单泵单马达系统控制方案3 5 4 1 2 单泵双马达系统( m c 6 控制器控制) 方案3 7 4 2 推土机切深自动控制系统分析3 8 4 2 1 位移控制方案3 8 4 2 2 土壤切削力控制方案3 8 4 3 自动过载保护系统分析。3 9 4 4 本章小结。4 0 第五章工程机械多功能试验台测试系统分析4 1 5 1 测试系统的功能与组成4 1 5 1 1 测试系统功能4 1 5 1 2 测试系统组成4 l 5 2 测试系统的元器件性能参数分析4 1 5 3 本章小结4 6 结论与展望4 7 参考文献4 9 致谢5 2 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 工程机械试验研究的作用与意义 近年来，我国的公路建设一直在迅速的发展，特别是我国目前正在努力进行声势浩 大的西部大开发，要把占我国国土面积7 1 4 、人口为3 5 亿的西部地区发展起来，逐 渐与东部发达地区相接轨，最首要的问题之一就是交通问题，而要解决交通问题就得修 建大量的公路，这就使工程机械需求量也迅速增加，所以工程机械面临前所未有的机遇 及技术挑战。在施工过程中，施工机械很容易受到外界因素的影响，如施工时的天气、施 工时的环境等方面的影响，给施工质量和进度造成一定的影响。例如：在高原作业的工 程机械就必须在现有基础上加以改进以适应高原地区大气压力低、空气稀薄含氧量低、 冻土层厚、气候干燥、风沙尘土大等特殊环境。我国对公路质量要求的提高也对现有的 工程机械提出了挑战。因此，必须对工程机械做技术性改进，让其既能适应各种复杂多 变的工作环境又能满足高质量公路的要求。对工程机械的技术改进应该以大量试验为依 据【3 9 l 。 1 1 1 现场试验 我们可以通过现场试验的方法对工程机械的各项技术性能进行研究，而使机器在现 场作业的条件下进行试验并且直接测定并记录能够反映机器动态性能的各项参数的时 域函数的试验就是现场试验。 现场试验的优点是，试验是在实际工作条件和实际工况下进行的，这样做出的试验 结果将会最为真实地反映机器的实际作业性能。而且由于不需要很复杂的模拟加载装 置，所以现场试验所要求的试验手段就会相对简单的多。 现场试验的缺点是，现场试验条件恶劣会限制某些精密仪器的使用；因为各种试验 的条件很难达到完全相一致，所以其结果的可比性及重复性也就相对比较差。为了解决 这个问题，我们在要求保持各种试验条件一致性的同时，又要尽可能保证重复多次进行 同一的试验过程。而保证土质条件的一致性和机器的作业方法得模型化则是为了保持各 种试验条件的一致性，这个可按图1 1 所示之作业模型进行工作。在图中整个工作循环 被分解为铲刀切入、定深集土、铲刀退出、水平运土、卸土、倒退等工序组成。在推土 机作业时，各工序所占有的水平距离应尽可能保持规定之数值，推土过程应尽量保持满 铲作业和最大的运土量，各工序之速度档位应保持一定【8 】。 第一章绪论 图1 1履带推土机的作业模式 然而就算严格控制使各种实验条件尽可能一致，但是对于现场试验来说它的随机性 仍很大这是由于现场条件下这样或那样等偶然因素的影响还是相当大的。所以，如果采 用现场方法就必须多次重复同一的试验过程，以便于能从概率统计特性的角度来描述机 器的动态牵引性能。在利用这一方法时，一个重复的问题是：确定最少需要多试验样本， 才能显示出试验总体的概率统计性质。显然，这是一个随机过程的平稳性检验问题。 尽管我们在现场试验条件下所取得的试验数据会给实验结果带来离散性，但是使同 一试验过程重复多次进行还是可以从概率统计特性得出结论，这也将为我们人工模拟机 器的负荷工况提供原始的数据和依据，以便在实验室条件下进行更为深入的实验研究。 从对现场试验优缺点的分析中我们可以得出，现场试验并不能完全满足工程机械工 作装置的试验要求，所以有必要进行室内试验，并研制室内实验设备。 1 1 2 室内试验 因为现场试验无法克服的缺陷，所以现代实验技术的一个显著的发展特征就是要求 有相应的试验台可以将现场试验移至实验室来加以重复实现。模拟加载的特点是一方面 可以使同一的试验条件可以重复出现多次，另一方面又能保证试验条件的随机性，因而 完全相同的随机作用可以作用于不同的机器，这将使试验结构的可比性在很大程度上得 到改善。 室内试验能够很好的保证同一的负荷工况和试验条件且能使其重复出现这是室内 实验的明显优点；室内试验可以使精密的仪器设备得到很好的使用，而在现场试验中， 由于恶劣的环境所以使得精密仪器的使用受到很大的限制3 】；而且在室内试验我们可以 保持某些因素不变，而人为的变动其他因素，这样可以更好的分析某个特定的因素对机 器性能的影响。 室内试验的缺点是实验室试验不可能做到完全复现现场作业时的使用条件和负荷 2 长安人学硕上学位论文 工况，特别是行走机构与地面之间的相互作用。此外，实验室试验通常需要复杂的试验 台架和昂贵的设备投资3 1 。 1 2 国内外工程机械试验研究的现状 为了改进工程机械的性能和提高作业质量，要求对工程机械进行模拟试验研究，另 外，当今出现的许多路面施工新技术，例如r c c 路面的铺筑技术，沙漠道路施工机械、 双滚筒烘干拌和、烘干筛分组合技术、振动拌和技术、新的振荡压实和冲击碾压技术、 路面再生技术等等，都需要从工作装置与介质相互作用的试验研究中获得理论上的支 持，以便更好地掌握它，并进一步改进和发展，使之应用到工程技术中去。 国内早期进行实验用的机器动态性能试验台，既可以是供整机试验用的也可以是部 件的( 例如变速箱、发动机等) 的试验台架。动态性能是指机器在动态工作载荷不断变 化的条件下所显示出来的燃料经济性和动力性。而供整机试验来用的台架，最常见的形 式是履带式或转鼓式试验台。这种试验台是按相对运动的可逆性原理制成的。机器在试 验台上将停着不动，而地面则以行驶着的转鼓或履带的形式向机器的后方移动。为了保 持机器不向前运动，在水平面内通过测力计将它固结在不动的机架上。机器的有效牵引 力即由这一测力计感受，而在转鼓或履带链轮的输出轴上则装有制动装置，可进行加载 和测功。机器行驶时的风阻力可以利用风洞来模拟，气候条件可以通过人工气候室来实 现。但是不好人工模拟行走机构与地面间的滑转和附着状态是这类试验台架的共同缺 点。此外，由于履带和转鼓的巨大惯量，所以想要很好的模拟变化迅速的负荷工况也是 非常困难的。所以，进行相对较稳定的牵引性能试验时我们采用整机性能试验台，而用 总成试验台架来研究机器的动态性能。 研究工程机械工作装置与介质相互作用过程的物理、力学本质是工程机械设计和使 用的理论基础，对于强化机器的作业过程、提高生产效益、工作性能和作业质量，以及 创造全新的工作过程是十分重要的。因此，长期以来一直是国内道路施工机械科学技术 进步的一个重要研究方向。 多年来工程机械动态性能研究主要集中在铲土运输机械的牵引作业过程，但对于许 多工程机械来说机器的加速、制动、转向的动力学过程同样具有重要意义。此外，某些 工程机械，例如对路面铺筑机械来说，工作阻力的波动主要并不在于影响机器的生产率 或功率利用，而更重要的是对作业质量的影响。工程机械工作装置与介质相互作用机理 和作业质量控制是研究机器作业过程中工作装置与介质相互作用的规律、工作装置作业 3 第一章绪论 参数的优化和作业质量的控制方法与技术。工程机械工作装置与作业介质相互作用的研 究作为原有动态性能研究的延续、扩展和深化，一方面可在研究铲土运输机械动态特性 的基础上将某些成果移植至其它工程机械上去，另一方面可根据不同机械的工作特点作 出进一步的发展，并开拓出一系列新的研究课题来【2 j 。 国外对工程机械试验也很重视。例如日本建设机械化研究所，它是日本建设机械化 协会的下属组织，成立于1 9 6 4 年l o 月。该所是为建设工程机械化健康发展而设立的制 造厂家与用户共同的试验机关，负责建设机械与机械化施工的综合性实验研究。该所最 初以建设机械的性能试验为业务中心，随着时间的推移业务内容逐渐扩展，最近已扩大 到建设机械化的全部领域。研究所在实施研究过程中，将理论计算与现场计测、模拟试 验与实体试验j 野外作业与室内分析等手段相结合同步进行。为了便于开展实型试验， 该所拥有包括周长为8 0 0 m 的实验跑道、岩石试验场地、松软地基试验场地等试验厂区。 前苏联在2 0 世纪7 0 年代中期以国立拖拉机研究所为主，开始大力加强农业拖拉机 牵引动力学之理论和试验方法的研究。这一新的研究方向向工程机械领域的扩展，首先 涉及像自动平地机那样的连续作业式铲土运输机械。对于这些机械来说，比较容易借助 于农业拖拉机牵引动力学研究的许多结果。对于像推土机那样的循环作业或铲土运输机 械，由于作业方式存在着一系列不同于连续作业机械的特点，机器的动态过程也有着许 多不同于后者的特殊性。因此，直接引用农业拖拉机在这一领域的某些现成结论，显然 是不适宜的。这就需要很好地研究推土机实际作业动态过程的特点。关于循环作业铲土 运输机械牵引动力学和动态性能方面的系统研究，在国外是2 0 世纪8 0 年代初才开始的， 在这方面我国的研究工作开展得也不晚，并已取得了一些初步的结果。 因为液压技术及可更换连接装置的诞生使现在工程机械的发展趋势在朝着系列化、 特大型化发展的同时，已进入多用途、微型化的发展阶段。而且电子化与信息互动也被 更多的应用于工程机械中。为了进行这方面的试验研究，所以这就要求工程机械室内试 验及装备必须能满足这方面的要求。 1 3 室内试验设备课题的提出及课题的意义 我校拥有国内最大的室内土槽试验室( 1l o m 7 8 m 2 5 m ) ，该土槽试验室可以进行 原型试验或工程机械模型试验这在国内也是少有的，该土槽试验室能进行各种工程机械 工作装置与工作介质相互作用过程的实验，利用该土槽试验室已完成多项省部级重大科 4 长安大学硕士学位论文 研项目，其研究成果在国内处于领先水平，所以今后应该继续充分利用该土槽试验室。 随着科学研究层次的逐步深入和研究范围的不断扩大，实验室原有的工程机械工 作装置模拟试验设备已不能满足需要，其原因是原试验设备的动力仅为2 0 k w ，远远不 能满足目前大功率工程机械试验的需要；原试验设备为电力传动，受其速度特性和动力 特性的限制，无法模拟当今流行的工程机械全液压传动，无法实现无级变速控制，速度 稳定性及动力自适应性差；受机重、功率及行走机构形式的限制，其牵引力无法满足大 负荷铲土运输机械工作过程模拟的需要；该设备所附设的能进行试验的工程机械工作装 置种类太少，目前仅有振动振荡压实轮和拌和铣刨转子两种，远远不能满足多种工程机 械工作装置与工作介质相互作用过程研究的需要。目前需要增加公路施工的常用工作装 置，尤其是要增加特殊土壤压实装置和随车密实度检测系统；原设备机架横梁刚度不够， 运行时变形抖动较大，无法承受大负荷工作装置的工作阻力。 为了更好的进行工程机械动态牵引性能研究、地面力学与行驶理论研究、工作装置 与介质相互作用理论研究、作业质量控制研究等，为了使我校可以一直处于领先水平在 这一领域继续，非常有必要研制工程机械多功能试验台。而且试验台车应该具有以下几 大功能：可以提供动力源为多种工作装置；可以悬挂多种工程机械的工作装置，并可以 对工作装置的性能参数及作用机理进行研究及优化：可以作为负荷台车作用于各种牵引 车，且能施加各种牵引负荷对各工程车辆。 建立和研制工程机械多功能试验台具有非常重要的意义。首先，工程机械各工作装 置与其作业介质( 如材料、土壤) 的作业质量控制、性能参数的选择、作业机理都是一 个拥有着广阔市场前景且具有很高的学术价值的研究领域，但这在国内同行的研究中并 不多见；其次，为了使我校的工程机械专业继续位于国内先进的水平，就必须关注工程 机械行业新的技术发展，紧跟世界先进水平；再次更是资源的再次利用：我们学校拥有 的室内试验土槽( 1 l o r e 7 8 m x 2 5 m ) 是亚洲最大的，是国内少有的能进行各种工程机械 模型或原型试验的基地；此试验台可以进行大多数工程机械工作装置( 如铣刨转子、铲 刀、摊铺机熨平板、压实滚轮) 的整机性能参数匹配试验及作业机理，同时可以为新产 品的设计开发提供一定的理论依据，更为培养优秀的研究生提供一个很好的试验平台。 解决试验台的模拟加载是对试验台进行动态性能研究时要解决的核心问题。以下是 一个理想的模拟加载设备应该满足的要求： 1 ) 使测量数据的自动显示、记录及整理便于实现； 第一章绪论 2 ) 试验过程的闭环控制便于实现： 3 ) 功率范围较宽； 4 ) 可以满足对转矩、功率、温度、油压、转速等测量值的精度要求； 5 ) 其它如成本合理、调整方便、工作可靠等。 6 ) 具有高的响应速度和小的转动惯量。 1 4 论文主要研究内容 结合我校“工程机械多功能试验台的建设工作，论文主要进行了以下研究： 1 ) 参与了“工程机械多功能试验台”的研制工作； 2 ) 研究试验台的总体方案，并进行分析计算及校核等工作； 3 ) 提出试验台工作装置的方案，并进行计算及校核等工作； 4 ) 对试验台的液压机械传动方案进行分析和论证； 5 ) 对试验台的电气控制系统进行分析和研究； 6 ) 对试验台测试系统进行分析和研究。 6 长安大学硕士学位论文 第二章工程机械多功能试验台总体方案分析 2 1 工程机械多功能试验台主要功能的确定 2 1 1 总体要求和主要功能 我们所研究的工程机械过功能试验台安装在动力学实验室的( 1 0 7 m x 7 8 m x 2 5 m ) 大 土槽上。根据实验室进行相关科学研究的需要，我们对试验台提出的总体要求是，可以 用做负荷台车对多种牵引车，来进行牵引性能试验；可以牵引多种工程机械的工作装置 进行试验；可悬挂多种工程机械的工作装置，研究铣拌、铲切、冲击振动、压实等工作 装置的性能参数的选择及优化和其作用原理：能作为动力源为多种工作装置及其他装置 提供动力；对于负荷台车、各种工作装置及牵引台车的各项参数进行检测并对各参数进 行数据采集、实时处理及打印输出；可以对土槽中的土壤进行刮平、压实及翻松等整理 工作；同时还具有自动控制功能，可以对多种工作装置进行模拟自动控制。 通过对工程机械多功能试验台进行研究分析，确定它的主要功能是进行下列实验： 1 ) 偏载时车辆可以直线行驶的控制实验； 2 ) 地面与胶轮间的附着性能实验( 改变地面土壤的种类或配重) ； 3 ) 液压系统的启动冲击实验( 包括换挡冲击、行走起步与振动器起振) ； 4 ) 行走机构的恒速控制实验在牵引载荷作用下，； 5 ) 振荡( 振动) 压路机及振动夯的实验； 6 ) 冲击式压路机实验( v m 戤= 8 驯办) ； 7 ) 稳定土拌合机和铣刨机试验； 8 ) 随车检测压路机压实密实度试验； 9 ) 推土机铲刀在振动切土时的试验； 1 0 ) 推土机铲刀在自动切深控制时的试验； 1 1 ) 稳定土摊铺及自动找平试验； 1 2 ) 平地机自动找平试验； 1 3 ) 液压传动系统的动态性能试验( 可以通过对其工作装置进行加载，如冲击式压 路机) 。 1 4 ) 各类工程车辆的牵引性能试验； 7 第二章工程机械多功能试验台总体方案分析 1 5 ) 摊铺机螺旋分料器试验； 2 1 2 工程机械多功能试验台系统的构建方案 我们所研究的工程机械多功能试验台由液压机械传动系统、机械结构系统、测试 系统、电控系统组成。其中液压传动系统中的核心部件我们研究决定选用力士乐公司的 产品。试验台的机械结构系统由工作装置、横移车和牵引( 负荷) 台车行走机构组成。 试验台中的工作装置包括振动压实装置、铣刨机铣刨滚筒、螺旋分料器、推土机铲刀。 测试系统按要求应该具有的功能为流量、压力、扭矩、速度、温度、位移、加速度、拉 压力等过程参量的采集、处理、分析、显示和输出。试验台的电控系统由由c a n b u s 组成的现场总线综合控制系统、电机启动及控制系统、各种现场控制器和m c g s 界面 的上位控制机等组成。 工程机械多功能试验台的机械结构系统，按其结构组成可分为工作装置、横移车和 牵引( 负荷) 台车三部分。如图2 1 所示。 横移车 工作装 图2 1 试验台结构示意图 2 2 牵引( 负荷) 台车行走系统方案 牵引( 负荷) 台车 2 2 1 牵引( 负荷) 台车方案的总体思路 牵引( 负荷) 台车即可作为试验台的行走机构和驱动装置，而且又可以作为加载装 置对试验台进行加载。我们采用机械加液压传动在牵引台车上。我们采用单马达( 单泵) 系统对于液压系统，恒压变量柱塞液压泵也就是一次元件我们采用1 3 2 k w 的直流单机 进行驱动，闭式恒压回路由马达( 马达我们选用二次元件) 与液压泵组成，蓄能器组安 装在回路的高压侧，可以使恒压回路中的油压保持稳定，以减弱因压力急剧变化而对液 r 长安大学硕：t 学位论文 压器件的冲击。蓄能器组( 含压力保护组件) 选用德国贺德克公司的产品。该系统的流 量调节我们是通过两个并联的两位三通阀进行来实现的，而加载和恒速控制我们则是用 二次元件控制器来实现的。由两台变量柱塞马达组成台车上的辅助驱动装置，辅助驱动 装置的传递路线是先通过两个齿轮减速机进行减速，然后再通过台车上的轮边传动减 速机构将动力传递至车轮，最后驱动台车向前行进。而恒压变量柱塞液压泵( 即一次元 件) 可以为辅助驱动装置提供所需的动力，同时动力也可由电磁液压变量泵提供，而它 则是安装在横移小车上的。而在辅助驱动装置进行正常工作时，主驱动装置的传动轴上 的电磁离合器将主驱动装置与车轮和轮边传动减速机构脱开。 本实验台中的关键环节是二次元件+ 压变量液压泵，同时也是本设备研制中的难点。 其中二次元件可以在四象限内进行工作，在本设备中二次元件也将会把此项功能发挥到 极致。这是本设备元器件选用上新的的突破与尝试。目前只有德国力士乐公司能够生产 此类二次元件，而国内对其有过实际接触的单位也就只有三四家而已。所以我们在本设 备中对其进行实际的应用也是为国内以后再此方面进行再次应用而积累宝贵的经验。 ， ； 我们采用风冷+ 油箱散热器的散热形式来对系统进行散热，而油箱中的油液则是通 过由交流电机驱动齿轮泵驱动的风冷散热器来进行循环的，而散热器则是通过电机驱动 风扇来进行冷却的。我们研究决定选用由德国贺德克公司生产的电机+ 风冷+ 油箱散热器 的组合件，因为该组合件具有外形尺寸小、散热效果好、噪音低、能耗少、油液阻力小、 可靠性好等优点。散热量4 0k w 冷却器流量1 3 0l m i n 。过滤器也设在散热组合件上， 在对油液进行冷却的同时又可以清洁油箱中的油液，我们选用精度为l o 微米的过滤器， 其上还带有堵塞发讯器。同时还会将油温传感器安装在油液回路中，这样即可动态的监 控油温，同时还可很方便的启停冷却组件。 牵引台车在马达输出轴后，通过3 档变速箱、万向传动轴、力矩传感器、电磁离合 器、联轴器、伞齿轮减速箱、伞齿轮传动箱和轮边减速齿轮组进行传动，最后驱动试验 台左右两侧的车轮的行进。液压马达的转速为2 2 0 0 r p m ，我们选用双输出轴结构的伞齿 轮减速箱，它可将动力同时传递给前后两组驱动桥。变速方式我们采用圆柱齿轮滑移 离合器，手动停车换挡，三轴结构形式的3 档变速箱。其中i 档的传动比为4 ( 行驶速 度o 一- 2 k m h ) ；i i 档传动比为2 ( 行驶速度o 5 k m h ) ；i i i 档传动比为1 ( 直接档，行驶 速度o 8k m t , ) 。电磁离合器我们研究决定选用台资上海飞霆公司生产的e c s 2 0 0 型， 9 第二章工程机械多功能试验台总体方案分析 动态工况下最大传递扭矩为1 8 0 0n m 。选用最大承载能力大于1 0 0 0 0n m 的伞齿轮 传动箱，其伞齿轮模数为m = 1 8 ，传动轴的直径为1 2 0 1 4 5m m ，选用高强度合金材料 3 0 c r m o t i 进行制造因为此材料的抗拉强度为1 2 0 0 n m m 2 。采用稀油油浴对传动箱、减 速、变速进行冷却润滑。 电磁制动器安装在主驱动装置中的变速箱上，它可使台车快速制动在台车需要停车 时。另外，我们还将一只电磁离合器安装在主马达即二次元件输出轴上，它可将主马达 脱开在辅助驱动装置通过主传动轴使左右两侧车轮同步时。 我们安装两只力矩传感器在主传动轴上，用来测量主马达传递给左右两侧轮组的驱 动力矩，同时力矩传感器还可测量传动轴的速度。力矩传感器我们研究决定选用北京三 晶公司生产的j n 3 3 8 型，其额定载荷为5 0 0 n m ；另外，我们还在主轴驱动马达上均装 有转速传感器。动力传递路线如图2 2 所示。 厂 l 可逆变流器i i _ j 图2 2动力传动路线示意图 我们决定采用8 个实心胶轮( 每侧四个) 应用在牵引台车上，相距应为3m 左右在 最后面的胶轮和最前面的胶轮间。胶轮轮宽为3 0 0 m m 左右，直径为5 0 0 m m 左右( 其中 轮毂直径为3 0 0 m m 左右) ，其上不带花纹。平均每个胶轮可承受2 2 5 k n 的最大切向力， 可承受5 2 3k n 的垂直负荷，拥有5 6 2 5n m 的最大驱动力矩。我们研究决定采用齿式 轮毂，为确保挂胶强度将橡胶层连接到齿式轮毂。为满足胶轮接地均匀，四个摆动桥由 每侧的4 个轮子两两组成，两组摆动桥之间的纵向间距设计为2 3 0 0 m m ，其中左右各设 一个行走摆动桥，为了模拟两侧轮边独立驱动车辆的牵引性能，通过辅助驱动马达和传 动齿轮将摆动桥的输入轴进行联结，此时可通过电磁离合器将变速箱的动力脱开。台车 的每个车轮上均安装有一只圆柱齿轮，车轮的驱动则是通过与摆动桥中心同轴的齿轮来 实现的。在台车两侧的桥箱内安装的是摆动桥和车轮。 牵引台车的导向问题是一个很重要的问题，我们利用台车下方的8 个水平导向轮( 钢 轮) 和原土槽内侧的导向轨道来进行导向，而每个导向摆动桥则是由2 个导向轮组成的， 1 0 长安大学硕士学位论文 同时也可上下调整摆动桥的位置，我们靠弹簧力来将每个导向轮紧贴于导向轨上，由两 侧导向轨道的轨距偏差值来决定弹簧的最大压缩量。在试验台行走过程中，导向轮可以 进行自动导向以防走偏，且当单侧牵引负荷大于9 0 k n 时有停车保护功能。导向轮安装 在距台车架最近的部位，共4 处，以减少悬臂带来的受力不利。导向轮每二个组成一个 摆动桥，摆动桥上下位置安装时要一次性调好。每个导向轮的压紧力都应可调，使每个 导向轮的压紧力在3 0 - - 5 0 k n 之间。对于导向摆动桥来说纵向相隔距离应为4 m 左右， 在安装时要对原土槽内侧的导向轨道进行重新较平，使偏差值小于l o m m ，而每个导向 轮则可承受5 0 k n 左右的径向力。 横梁与两侧的台车箱设计成积木式安装，采用螺栓连接，便于调整胶轮的变形量。 为了控制牵引台车的行走我们在其上还设计有牵引台车控制台( 即驾驶台，在南侧行走 台车箱上) 。应有过载保护系统应用于试验台，可以自动停车在单侧牵引负荷大于9 0 k n 时。可以由由力矩传感器提供过载保护信号，而进行分析判断控制则应用p l c 来实现。 在南台车箱上安装有直流电机控制柜和配电柜，在北台车箱上安装有直流电机+ 主油泵、 风扇散热器及驱动液压系统的油箱。 牵引台车采用二次调节系统进行加载时就可作为负荷台车用，此时可以回收功率至 电网，为了使负荷能够分级加载，可以通过负荷加载控制系统，这样也可使其按一定的 规律变化，而且最大加载负荷为1 8 0 k n 对试验台进行供电我们使用四排暗滑触线，其中一排用于地线。滑线接触器安装支 架则安装在北台车箱上。滑触线及附属装置选用无锡永大滑导电器厂生产的 d h h 4 0 0 6 3 0 型滑触线，它的额定载流量为6 3 0 a 。通过采用有效的措施，台车设计具 备完善的电力安全控制系统及报警系统。 试验台的最大水平载荷则会出现在试验台在进行牵引试验和推土机铲刀切土试验 时。这时外加载荷通过安装架先传递给横移车再通过车导向和承载装置传给台车框架横 梁，经过试验台车纵梁和8 个实心橡胶轮最终到达地面。我们用1 4 m m 厚钢板焊成 5 0 0 r a m x 5 0 0 m m 的矩形方梁作为大车横梁，用同厚钢板焊成方箱作为台车轮组箱，再与 矩形方梁焊接成框架。加强则是用型钢和钢板做成的加强筋来实现的。 2 2 2 台车架及辅助装置方案 台车架是牵引台车的主体，包括横移小车在内的所有设备都坐落在上面，下方通过 摆动桥车轮着地。台车架也是牵引台车的主要受力件，除有2 8 5 吨自重外，还受行驶时 第二章工程机械多功能试验台总体方案分析 侧向载荷的外力，各种试验的行驶阻力和力矩，以及各种内部的外部的冲击负荷等，因 此它不仅需保证强度，还需保证刚度。 在牵引台车的西北角，有5 5 m 高的滑线架，用6 3 和5 0 的角钢焊接而成，底部面 积为8 0 0 5 0 0