《液压系统设计》研究生试题2

1、同济大学研究生专业课程考试考查试卷 A卷20112012 学年第 1 学期专业 学号 姓名 成绩 课程名称 液压系统设计 课程编号 2030215 考试（ ）、考查（ ）主考教师（签名） 教研室主任（签名） 题目：全液压平地机传动系统设计计算与评价（100分）已知条件：全液压平地机发动机为康明斯柴油机，型号：6CTA8.3-C215,额定功率为160Kw/2300 rpm ；最大扭矩转速：880Nm/1500rpm。平地机使用重量为15500Kg；采用后桥、平衡箱、轮胎驱动，后桥至轮胎间的总传动比为20.99，允许最大输入扭矩7488Nm，最大桥荷12000Kg；轮胎型号：14.00-24；平

2、地机作业速度（前进或后退）为3.5-4.5km/h，二档6km/h左右，最大自行运输速度为40km/h左右。要求实现8个前进挡、8个后退挡。其他条件可以根据同类型液力机械式平地机的要求自主确定。要求：根据已知的条件，相关的液压或液力传动平地机方面的参考文献资料和本课程的基本知识，进行全液压平地机传动系统参数计算、匹配和必要的系统原理设计，并作出性能评价。1全液压平地机传动系统方案设计平地机是一种装有以铲土刮刀为主，配有其它多种可换辅助作业装置，进行土地平整和整形的连续作业的筑路机械，被广泛用于公路、铁路、机场、停车场等大面积场地的整平作业，也被用于进行农田整地、路堤整形及林区道路的整修等作业。

3、此外，平地机还可配置多种作业机具（例如除雪犁、压路滚子等），以完成特殊要求的作业项目。目前，市场上使用的平地机传动系统主要有3种：纯机械式、液力机械传动和液压传动。纯机械式平地机由于作业时急剧变化的负荷会直接作用于发动机，因此容易出现发动机突然熄火，运转不稳定等不正常情况，严重地影响到发动机的使用寿命。液力变矩器自调节可以在一段区域内缓解发动机这一不稳定状态，使发动机在某一功率内仍能满足施工需要。但液力变矩器的高效速度范围较窄，而平地机不可能一直工作在其高效范围内，这样液力变矩器的存在使得平地机油耗和效率在某一速度区段必然降低。同时，平地机要求工作速度平稳，施工精密，液力变矩器速度特性的非线性

4、不能很好得满足其施工要求。液压传动主要是由发动机驱动的液压泵、液压马达和液压自动控制装置等组成，可以使机器的操纵性能更进一步提高，可以在很大的速度范围内实现无级变速。但是由于我国的精密制造技术相对国外落后，使得某些液压元器件的制造精度低，密封性差，这样很多液压元器件和控制软件都依赖进口，使得全液压机械成本相对提高，从而使得全液压平地机的市场小，不能很好的满足生产需要。本文平地机采用的传动方案为机械-液压复合传动，这种传动方式不仅发挥了液压传动的优点，还兼顾了机械传动的特点及其相对的低成本优势，车辆零部件通用性强，实现了平地机分段无级变速控制和传动系统的高效率（相对于液力机械传动），在一定程度上

5、有效地提高了工程车辆的行驶性能，操作简单舒适。图1为该方案的传动原理框图。该方案采用单变量泵+单变量马达+2档变速箱+后桥驱动的变速驱动方案，其中变量泵和变量马达通过管路管件连成的闭式变量液压系统。动力传动路线为发动机通过联轴器带动变量泵，经过变量马达后，传递至动力换挡变速箱，再经后桥减速后驱动左、右平衡箱，最后由平衡箱内的串联传动装置将动力传递给驱动轮，使机器行走。2档变速箱可以使马达输出的转矩和转速范围进一步扩大，这样车辆能够发挥的牵引力和牵引速度的范围也可进一步扩大。本传动方案采用的车速换挡方案为变速箱换挡+液压系统换挡。变速箱换挡选择2档变速箱，液压系统换挡通过马达排量的改变实现，对应

6、于不同的车速档位设计马达相应的排量位置。在平地机行驶过程中，通过改变变量泵斜盘倾斜的方向来实现平地机行驶方向（前进或倒退）的改变；通过改变变量马达斜盘（或斜轴）倾斜角度的大小和2档变速箱的档位来实现平地机车速档位的变换；通过改变液压泵斜盘倾斜角度的大小来实现各个车速档位下的无级调速。图1 传动方案原理框图2. 全液压平地机传动系统参数计算匹配发动机、液压泵、液压马达、行走机构组成一个负荷驱动系统时，它们之间既相互联系又相互制约。整个系统的最佳的动力输出不仅取决于各元件本身，而且取决于各元件性能参数之间的合理配置，这一配置要同时兼顾元件的工作寿命与制造成本。在这一负荷驱动系统中，已知平地机整机使

7、用重量、发动机参数、后桥传动比参数、车辆驱动轮参数和工作速度范围及行驶速度范围。根据这些已知参数合理选择复合传动系统中变量泵和变量马达的工作压力、型号、转速和变速箱的各档传动比，以及在此基础上，匹配车辆整机各档位的行驶速度和牵引力，以达到整机牵引性能的合理匹配。已知条件：（1）发动机型号为：康明斯6CTA8.3-C215，主要性能参数如下表。表1 所选发动机的性能参数额定功率（kw）额定转速（rpm）额定扭矩（Nm）最大扭矩（Nm）最大扭矩转速（rpm）扭矩适应性系数160230066488015001.33表中发动机额定扭矩计算式为：.（2）平地机使用重量为15500Kg；最大桥荷为1200

8、0Kg。（3）后桥至轮胎间的总传动比为20.99，允许最大输入扭矩7488Nm。（4）轮胎型号：14.00-24，故取轮胎动力半径。（5）平地机作业速度（前进或后退）为3.5-4.5km/h，二档6km/h左右，最大自行运输速度为40km/h左右。要求实现8个前进挡、8个后退挡。2.1 确定整机参数1） 确定由地面附着条件决定的各牵引力和阻力：由地面附着条件决定的最大牵引力（附着力）和最大切线牵引力：式中：车辆的切线牵引力最终由发动机经传动系统传至轮胎上的最大驱动力和由地面条件决定的极限附着力决定，取两者中的较小值，即车辆切线牵引力为。对于连续作业的轮式平地机：额定滑转率工况与最大牵引效率工况

9、一致。平地机额定滑转率取。额定牵引力：；额定切线牵引力：滚动阻力：式中：表2 平地机由地面条件决定的各牵引力值和滚动阻力值使用质量附着质量附着力最大切线牵引力滚动阻力额定牵引力额定切线牵引力155001200082.3294.0815.1957.6260.0969.3871.85注：表中质量单位为kg，各牵引力单位为KN.2） 根据牵引比确定最大切线牵引力： 由车辆理论知，最大切线牵引力与车辆重量的比值是相对固定的，该比值称为牵引比。查书行走机械液压传动与控制第76页的表6.2车辆最小牵引比要求，如表3所示。表3 车辆最小牵引比要求车辆类型工作条件最小牵引比功能及地面条件工作坡度（%）重载空载

10、平地机平整湿地150.65平地机最大切线牵引力为：驱动轮轮最大扭矩：3） 根据速度等比原则确定各档车速：1档车速在车速-牵引力等功率曲线上对应的切线牵引力应大于等于最大切线牵引力，则1档工作速度可按下式初步确定，尽量取等号：式中理论切线牵引效率：牵引元件的理论牵引功率在发动机有效输出功率中所占的百分比。理论牵引效率的可根据经验初步确定：发动机驱动辅助装置的功率消耗：风扇、水泵、转向系统、工作装置控制系统等占0.050.10，考虑到还有工作泵、补油泵等的消耗，所以取0.10，。传动系统中泵、马达效率、取：0.860.88；分动箱、后桥传动效率取：0.950.97；机械变速箱传动效率取：0.97。

11、则传动系统总传动效率约为： 则：最高档行驶速度由已知条件给出，2档车速初取为6 km/h，最后根据速度等比原则确定各档车速，见下表。表4 平地机的各档车速工作速度(km)/h行驶速度(km/h)1档2档3档4档5档6档7档8档3.668.211.215.321.028.840.02.2 行驶液压驱动系统压力的确定对于液压传动型机械来说，系统的工作压力是设计计算中重要的参数之一，压力的合理选用与匹配不但能保证液压组件具有期望的工作寿命与可靠性，以及组件的工作能力能被充分利用而有低的成本，而且能保证液压系统有较高的传动效率从而有效地发挥机器的动力性与经济性。因此对液压系统工作压力的确定是十分必要和

12、关键的。在液压传动中，工作压力取决于外负荷。为保证液压组件的工作寿命与可靠性，一般的系统压力设定方法是确定机器的最大负荷压力和平均持续负荷压力，并使这两个压力均不超过组件的最高标定压力和额定压力。元件的最高标定压力为元件的可靠寿命和泄露所允许的最高间断压力，最高压力通常不超过全部工作时间的1%2%。工程机械的载荷循环中频频出现高压，为避免元件在最高压力下工作时间过长而影响寿命，有必要降低最高压力使用值。载荷平均压力由载荷状态、元件的最高压力和额定压力之间的关系（两者比值，类似于发动机扭矩适应性系数）、要求的工作寿命等确定。为了提高元件的工作寿命并降低噪声，通常取载荷平均压力小于元件的额定压力，

13、即。但是在实际当中，工程机械的载荷波动过大并且高压频繁出现，尽管已按进行了参数匹配，但仍可能使最高压力作用时间超过整个工作时间的1%2%，或使载荷峰值压力超过，从而使元件中的旋转组件寿命降低。这种情况下，应进一步降额配置或采用其他对动态高峰载荷有抑制作用的滤波措施。1） 液压系统额定匹配压力的确定对工程机械行走液压元件额定压力以最高压力为基准，取为：2） 液压系统最高匹配压力的确定由于液压元件与柴油机共同组成一个动力驱动装置，两者有相同的载荷形式和寿命要求，将反映发动机载荷波动程度的扭矩适应性系数模拟成反映液压元件压力波动程度的压力适应性系数（为液压元件最高压力与额定压力的比值）。由于发动机参

14、数已经确定，即发动机的扭矩适应系数已知，取，则工程机械行走液压元件最高压力，以额定压力为基准，取为：本文平地机行驶液压系统中的液压元件选择力士乐公司A6VM系列马达和A4VG系列泵。查找该型号液压元件的样本，可得液压元件的额定压力和最高压力，见下表：表5 液压元件压力表背压454024338由上述匹配原则可得：初步确定额定匹配压力和最高匹配压力如下：则初步确定的液压系统压力值如下表所示：表6 液压系统压力表背压3525233232.3 马达的选型根据马达角功率与车辆角功率相吻合的原则来选定马达的排量规格。2.3.1 车辆角功率的计算角功率是一种极限状态的描述指标，它不是通常能够获得的功率，但是

15、它有效地综合性地反映了对传动装置规格和速比的要求，即反应了传动装置的功率容量和变换能力。因此是设计过程中极为重要的参数。角功率是最大驱动扭矩与最高转速的乘积。一个实际机器的动力装置是由有限功率的动力源（发动机）与传动装置（液压传动装置等）组成的，传动装置的任务就是根据外负荷变化来调节动力源的有限功率中扭矩与转速两者之比例，使驱动扭矩与负荷扭矩相平衡，使驱动扭矩与负荷扭矩相平衡。显然，对一个有限功率值而言，扭矩大时则转速小，两者不可能同时达到其极值，因此角功率是不可能实际实现的。但是，一个传动装置如果具备了机器要求的角功率能力，则在其扭矩和转速两参数的调节变换过程中，总能找到一个满足机器要求的最

16、大扭矩点和另一个满足机器要求的最高转速点，并且这两个点均在传动装置所允许的工作范围内。角功率的意义正在于此：将扭矩和转速两参数匹配转化为角功率单参数匹配，问题简化。角功率计算公式如下：式中： 对于具有多档位的变速箱的传动系统，必须根据每变速箱一档位的工作范围（输出参数）来计算车辆角功率，且将其中最大的角功率作为马达选型的根据。下图为8档平地机不同档位行驶速度在等功率曲线上的分布以及变速箱各档位对应的角功率。图2 不同档位行驶速度在等功率曲线上的分布各档车速已初步确定，如表4所示。变速箱档的最大切线牵引力等于变速箱档的最高车速（即车辆4档车速）对应的切线牵引力，该切线牵引力可由下式计算：档角功率

17、：档角功率：车辆角功率取两者中的较大值，。2.3.2 马达型号确定由机器角功率计算要求的马达的角功率： 式中：马达与驱动轮间传动效率，取0.94。马达角功率计算出后，确定了能够满足机器工作要求的最小规格的马达，则所选的马达排量应大于等于这个最小值，即根据下列公式来选择马达排量：式中：马达最高匹配转速，对变量马达为最小排量时的最高匹配转速，取小排量下的额定转速作为其的目标值。查找A6VM系列马达的样本，如表7所示。可选满足要求的规格最小的马达为160马达。也可选择200、250马达。但通常较小排量规格的元件有较低的成本，为降低成本，选用160马达。表7 A6VM 160马达的技术参数表全排量(m

18、l/r)全排量下最高转速(rpm)小排量下最高转速(rpm)160310049002.4 变速箱各档传动比的确定变速箱应同时满足最大输出扭矩、速比和最大输入转速的要求。1）变速箱档传动比应满足变速箱最大输出扭矩的要求：式中：取。2）变速箱档传动比的确定： 应满足减速装置最大输入转速的要求，使车辆达到最高行驶速度：式中：取。3） 减速装置的最高输入转速、最大输出扭矩和持续输出扭矩均不得超过许可值。减速装置允许的持续扭矩约为最大扭矩的1/31/2，最高不超过75%。最大负荷扭矩发生在液压系统最高匹配压力与马达为最大排量时对应的工况下，由于额定匹配压力为工作机械“满铲平均压力”，机器整个工作循环中的

19、平均负荷要低于“满铲平均负荷”，因而减速装置的负荷持续扭矩小于额定匹配扭矩，不会超过负荷最大扭矩的70%，因此，按最大扭矩条件校核之后，持续扭矩可以不必校核。减速装置的最高允许输入转速可以作为最高持续输入转速使用。后桥最大输入扭矩为：2.5 泵的选型泵参数计算满足马达流量的要求，根据下列式子泵的排量规格： 式中：马达、泵的容积效率，均取0.95；泵的匹配转速，马达最大排量对应的最高匹配转速。查找A4VG系列泵的样本，选择满足要求的规格最小的泵为125泵，技术参数如下表。表8 A6VM 125泵的技术参数表全排量(ml/r)最高转速(rpm)12528502.6 校核（1） 泵匹配转速液压泵的校

20、核工况选择车辆液压系统制动工况进行校核：校核式中：制动工况时泵的转速；泵最大排量下的最高标定转速。，满足。（2） 马达匹配转速的校核变量马达应对下列两种工况下的工作速度分别考核：1）马达全排量的制动工况，校核式为：2）马达最小使用排量的制动工况，校核式为：校核式中：、制动工况下马达最大和最小使用排量时转速；、马达最大和最小使用排量时的最高标定转速；马达最小使用排量。的计算式为：式中：马达最小排量时要求的最高匹配转速，。最小排量比应满足以下条件：，满足。，满足。，满足。2.7 确定各档车速与牵引力闭式液压系统流量： 式中：可得马达转速：车辆的理论行驶速度为： 式中：马达的输出扭矩：驱动轮上的切线

21、牵引力： 式中：（1）首先确定车辆1档和5档的车速和切线牵引力：1档和5档时，设置马达排量为全排量（）。代入数值计算1档（传动比）和5档（传动比）的车速和切线牵引力，结果如下：1档：5档：可计算得此时车辆理论牵引效率为。（2）确定车辆8档的车速和切线牵引力：平地机处于最高档位8档工作时，马达排量比为。8档：（3）确定车辆4档的车速和切线牵引力：根据变速箱档输出的最大切线牵引力大于等于变速箱档最高车速时车辆能够发挥的最大切线牵引力这一条件确定4档车速。对应于液压系统最高匹配压力和马达最大排量时的工况，对应于平地机4档车速时的切线牵引力。即：确定此时马达排量为，可计算得4档的车速和切线牵引力为：4

22、档：（4）根据1档和4档的车速，由速度等比原则确定2、3档车速；同理，根据5档和8档的车速，由速度等比原则确定6、7档车速。通过计算可得：2档（）：3档（）：6档（）：7档（）：2.8 匹配结果表9 匹配结果参数泵全排量马达全排量马达最小使用排量125ml160ml74.13ml液压系统额定匹配压力差液压系统最高匹配压力差23Mpa33Mpa变速箱1档传动比变速箱2档传动比4.730.99表10 平地机的牵引性能参数表变速箱档位车辆档位马达排量比额定匹配压力下的工况最高匹配压力下的工况车速切线牵引力车速切线牵引力档1档13.8882.422.70118.322档0.6505.9753.584.

23、1676.913档0.4638.3938.165.8454.784档0.312.9324.739.0135.50档5档118.5317.2512.9124.766档0.77523.9213.3716.6619.197档0.65029.5211.2119.8616.108档0.463407.9927.8811.473. 性能分析目前市场上国外平地机供应商主要包括卡特彼勒、小松、沃尔沃等公司。与国内品牌平地机同类产品相比，其产品可靠性较高。因此，对比研究这些公司的平地机产品的性能，找出国内平地机产品存在的性能不足，可以进一步改进产品，进行合理的传动系统性能匹配提出指导性原则。由于本文研究的平地机功

24、率为160kw，所以选择与这一功率相近机型进行计算比较。以下为各品牌机型的选择情况。表11 所选对比平地机型号厂家平地机型号平地机发动机功率卡特彼勒160K154kw沃尔沃G940160kw三一PQ190CA149kw卡特彼勒和沃尔沃平地机为纯机械式传动，即发动机直接与动力换挡变速箱联接；三一平地机为全液压传动，取消了变速器和驱动桥，由液压马达直接带动平衡箱驱动。表11、表12、表13为根据平地机样本中提供的主要参数进行牵引特性的反算得到的性能参数。 表11 卡特160K平地机前进档牵引性能计算参数表额定功率点最大扭矩点档位车速切线牵引力车速切线牵引力1档4.197.642.05158.222档5.572.792.75117.953档852.92481.094档1140.325.558.975档1726.098.538.166