全液压推土机传动系统与发动机匹配.doc

全液压推土机传动系统与发动机匹配 三一重工股份有限公司 欧阳联格 全液压推土机由于其左右驱动轮分别由“液压马达减速器”驱动，免去繁杂的传动系统，机械结构大为简化。转向时两侧履带都由动力驱动，因此可实现坡道转向和转向时推土，若两侧马达正反转即可实现推土机原地转向。由于可方便地简化操纵程序，提高操作自动化程度，理论上静压传动推土机的生产率最高。国际上最具权威的全液压推土机制造商公司曾对同功率等级的全液压推土机和液力机械传动推土机进行对比试验，前者可节能，传动效率和生产率分别提高和。国内一些企业在怎样提高传动效率和作业效率、如何降低整机油耗、提高可靠性等方面作了大量的研究和大胆的尝试，并取得可喜的成果。本人主持开发的全液压推土机取得了成功。 泵与发动机的功率匹配原理发动机的输出功率：= /9 549 （1）式中：发动机输出功率（kW）发动机转矩（Nm） 发动机转速（r/min）泵的输出功率为： /60 /60 000 （）式中：泵的输出功率（kW）泵出口压力（MPa）泵出口流量（L/min）泵的排量（mL/r）泵的转速（r/min）泵与发动机直接连接，有=。由传动关系知，与又满足：= （3）式中 1泵与发动机之间的传动效率，泵与发动机直接连接时取为1，泵与发动机通过分动箱相连时取为0.97 2泵自身的效率 ，由于泵一般为变量柱塞泵，当泵的排量、转速、压力变化时，效率也随之变化，因此，泵的效率值由供应商提供。当发动机期望工作在某一最佳工作点时，其输出转矩为一常值，所以泵与发动机功率匹配，有关系式： /2常值 （4） 式中：泵的吸收转矩Nm 因此，当负载变化时，通过调节泵的排量使得泵的输出转矩不变，就实现了泵与发动机之间的功率匹配，发动机的转速为设定的最佳工作点处的转速。从而得出结论：当发动机在设定的最佳工作点运行时，欲实现泵与发动机匹配，则要求泵具有恒功率特性，图所示。恒功率泵可采用机械控制或微控器控制，机械控制的恒功率变量是靠不同的弹簧组合来近似实现恒功率的，在其恒功率区段能实现泵与发动机的匹配，但是有调节不方便、存在误差等不足。而当采取微控器（如控制器）控制时，能实现泵与发动机的精确匹配，而且调节方便。图1 柴油机最佳工作点的选取图是发动机的外特性转矩曲线图，曲线是发动机的全负荷速度特性，斜线、为不同油门位置时的调速特性。点、分别是对应的最大功率输出点。因为一个油门位置对应一个最大功率输出点，所以最大功率（，）是油门位置的函数，即：（，）（） （5）所以只要调节油门的位置，就可选择不同的功率模式。发动机在工作时，其所受的转矩为自变量，转矩的大小取决于后接负载的大小，而发动机转速是因变量，所以：（） 因为发动机正常工作时，后接负载往往低于该油门位置时的最大负载，所以发动机工作时往往工作在调速特性阶段，而调速特性段的功率低于该油门位置时的最大功率，因此发动机在正常工作时其效能往往未能得到充分发挥。要想得到最大的工作效率，发动机应始终工作在最大功率点。在不同的油门位置下，虽然都可以工作在最大功率点，但是在有些最大功率点（如图中的、点）抗过载能力很差，容易导致发动机熄火，所以在不同油门位置下，最大功率点的设定应如图中的、点，使得在每一个最大功率点都留有一定的过载余量如 ，而不至于导致发动机熄火， 大小视不同油门位置时的具体工作特性而定，其趋势如图中的曲线，因此实际工作时设定的最大功率点应落在 曲线上。图2由图的柴油机外特性曲线可以看出（见图中曲线）：发动机飞轮转矩的增加会引起发动机转速的下降（掉速），当发动机转速下降至最大转矩点时?熏发动机输出转矩开始下降，此时发动机工作不稳定，转速急剧下降直至熄火，为了防止发动机熄火和充分利用发动机功率，只有及时减小液压泵的排量，降低发动机的负荷。从图可以看出，只有当发动机工作在（ ， ） r/min区段时即可兼顾发动机输出功率与转矩均在较大且比油耗最小状态。 泵与发动机匹配的实现对于全液压推土机，泵与发动机匹配的实现，一般采用极限负荷调节法。由图可以看出，由于变量柱塞泵具有恒功率的特性，所以实现恒功率控制是一种最理想的状态。但在实际应用中，恒功率控制是非常难图3以实现的，比较成功的一种办法是实现发动机的恒转速控制。采用极限负荷调节法，使发动机工作在最佳转速范围内。 如图，发动机和变量泵刚性联接在一起，变量泵输出的高压油液经高压油管使行走马达旋转输出动力，输出的动力经减速后传给履带。操作油门操纵杆，会同时拉动油门位置传感器产生电信号传给微控器，所有信号可以通过仪表板显示出来。图41.仪表板 2.转速传感器 3.行驶手柄 4.变量泵 5.MC微控器 6.履带 7.高压油管 8.行走马达 9.发动机 10.油门杆 11.油门位置传感器当机器在铲掘工况时遇到大负荷，行走马达的负载转矩增加；在行走闭式系统的流量、马达转速不变的情况下，马达的排量也会保持不变。但由于负荷的增加，高压油管内的压力就会升高。这样使得变量泵的负载转矩增加，由于发动机和变量泵直接连接在一起，泵的负载增加导致发动机飞轮转矩增加。在负载的作用下，发动机转速下降。 此时，微控器根据由转速传感器传来的信号，计算出此时实际转速与对应油门开度下的设定转速的差值，经数据处理和运算后，调节变量泵的比例阀电流，以减小变量泵的排量而使其吸入转矩减小，由于负载的减轻，发动机转速回升；反之亦然。这样使发动机工作在最佳转速范围内。图为极限负荷调节过程的原理图。 马达与泵的匹配从理论上讲，马达与泵并无特殊的匹配关系。但是在推土机的实际设计过程中，马达与泵有排量上的匹配关系，根据匹配经验，一般马达的排量应为泵排量的1.62.2倍，否则，会出现行走系统压力过高、行驶速度波动过大、马达转速过高、发动机出现掉速和作业效率低等故障。一般来说，马达排量越大越好，但马达排量越大，会使制造成本过高。 马达排量和推土机发动机的飞轮功率也有一个匹配关系。当发动机的飞轮功率用马力表示时，马达排量为飞轮功率的0.81.1倍合适。全液压推土机的匹配计算时，应考虑充分利用液压泵和马达的的效率，影响马达效率的因素有转速、压力和排量，这个方面必须综合考虑。根据、和三大著名液压元件厂商提供的资料，变量柱塞泵和马达有以下特点：图5 （）泵的工作高效区。假设行走泵工作的额定压力为，额定转速为，最大排量为，当行走闭式系统工作压力在0.20.85 、泵工作转速在0.30.85 、泵的排量在0.701.0 变化时，泵的效率变化不明显，此范围内泵的总效率可达以上。 （）马达工作高效区。马达的高效区同泵的高效区有相似性，假设马达工作额定压力为，额定转速为，最大排量为，当行走闭式系统工作压力在0.40.85 、马达工作转速在0.10.45 、马达排量在0.801.0 变化时，效率变化不明显，此范围内马达的总效率可达以上。根据上述特点，在进行总体匹配时，要将推土机的切土和运土工况匹配在上述区域，在高速返回工况，也要尽量匹配在高效区。 传动系统速比的选择传动系统速比是全液压推土机匹配中一个非常关键的参数，它对推土机的作业效率和可靠性有很大影响。传动系统的速比与主机总体设计时所需的最大牵引力和最大行驶速度有关。速比的选取首先应保证推土机的最大理论牵引力。根据设计经验，全液压推土机最大理论牵引力为机重的1.151.30倍较为合适。过小会出现最大牵引效率段的速度过低，影响作业效率，行走液压系统的压力过高，易出现爆管，发动机易掉速。过大会出现生产成本过大，系统压力过低，泵和马达在低压力下机械效率偏低。其次，速比的选取还应考虑最大行驶速度，最大倒车空驶速度一般应为1011 km/h，一般不应低于9.0 km/h，否则会影响作业效率。设计时应保证推土机在切土工况时的速度为23 km/h，运土工况的行驶速度为46 km/h。 速比的选择应综合考虑，为降低减速器齿轮的搅油损失，提高马达和减速器的使用寿命，应控制马达的最高转速在马达许用转速的0.60.8 之间。 结束语（1）全液压推土机传动系统与柴油机匹配时，要将正常工作的工况匹配在最大功率、低油耗区，并防