工程机械液压行走系统的设计与理论深度剖析：原理、创新与应用

工程机械液压行走系统的设计与理论深度剖析：原理、创新与应用一、引言1.1研究背景与意义工程机械作为现代建设、制造、农业生产和交通运输等领域不可或缺的关键设备，在国民经济发展中占据着举足轻重的地位。其广泛应用于建筑施工、水利水电工程、道路桥梁建设、矿山开采、港口作业以及农业生产等众多行业，是推动基础设施建设和各产业发展的重要力量。从高耸入云的摩天大楼到纵横交错的高速公路，从广袤无垠的农田到繁忙有序的港口，工程机械的身影无处不在，它们极大地提高了生产效率，降低了人力成本，为社会的发展和进步做出了巨大贡献。在工程机械中，液压行走系统作为核心动力系统之一，对设备的性能提升起着关键作用。液压行走系统主要由液压泵、液压马达、控制阀、管路以及油箱等部分组成。液压泵将机械能转换为液压能，为系统提供高压油液；液压马达则将液压能再转换为机械能，驱动工程机械的行走装置；控制阀用于调节油液的流量、压力和方向，以实现对行走速度、转向和制动等的精确控制；管路负责传输油液，连接各个液压元件；油箱则储存液压油，为系统提供充足的油液供应。与其他传动方式相比，液压行走系统具有诸多显著优势。在传动效率方面，液压传动能够实现较高的功率传递效率，有效减少能量损耗。以某型号挖掘机为例，其采用的液压行走系统在满载工况下的传动效率可达80%以上，相比传统机械传动方式，效率提升了15%-20%，使得发动机输出的功率能够更有效地转化为行走动力，降低了燃油消耗。在调速性能上，液压行走系统可实现无级调速，能够根据不同的作业工况和行驶条件，精确地调整行走速度。在挖掘作业时，操作人员可以根据挖掘深度、土壤硬度等因素，通过控制液压系统的流量，实时、精准地调节挖掘机的行走速度，确保作业的高效和安全。其在低速大扭矩输出方面表现出色，能够为工程机械在重载、爬坡等恶劣工况下提供强大的驱动力。在矿山开采中，装载机车需要频繁地在坡度较大的道路上行驶并装载重物，液压行走系统能够轻松应对这种工况，输出稳定且强大的扭矩，保证装载机的正常运行。随着科技的飞速发展和市场需求的不断变化，工程机械行业正朝着智能化、高效化、绿色化的方向迈进。这对液压行走系统提出了更高的要求。智能化方面，需要液压行走系统具备更精准的传感器和更先进的控制算法，以实现自主导航、智能避障等功能，提高工程机械的作业安全性和智能化水平。高效化要求液压行走系统进一步优化设计，提高能量利用率，减少功率损失，从而提升工程机械的整体工作效率。绿色化则促使液压行走系统采用环保型液压油，降低对环境的污染，同时减少能源消耗，符合可持续发展的理念。深入研究工程机械液压行走系统具有重要的现实意义和理论价值。从技术创新角度来看，通过对液压行走系统的研究，可以推动液压技术与电子技术、计算机技术、控制技术等多学科的深度融合，开发出更先进的液压元件和控制系统，如新型的变量泵、高精度的传感器以及智能控制算法等，为工程机械的技术升级提供有力支持。在产业发展方面，高性能的液压行走系统能够提升工程机械的整体性能和市场竞争力，促进工程机械产业的结构调整和优化升级，推动我国从工程机械制造大国向制造强国转变，增强我国在国际市场上的话语权。1.2国内外研究现状随着工程机械行业的快速发展，液压行走系统作为关键技术，受到了国内外学者和企业的广泛关注。国内外在该领域的研究在设计理论、关键技术等方面均取得了显著进展，同时也存在一些不足，并呈现出明确的未来发展方向。在设计理论方面，国外的研究起步较早，德国、日本和美国等国家处于领先地位。德国的博世力士乐（BoschRexroth）公司在液压系统设计理论研究中，运用先进的数字孪生技术，建立了高精度的液压元件和系统虚拟模型，实现了对液压行走系统性能的精确预测和优化。通过虚拟模型，能够在设计阶段对系统的流量、压力、效率等关键参数进行模拟分析，提前发现潜在问题并进行改进，大大缩短了产品研发周期，降低了研发成本。日本的川崎重工在液压挖掘机行走系统设计中，深入研究了负载敏感技术与发动机的匹配理论，提出了基于负载自适应的发动机-液压泵联合控制策略。该策略能够根据挖掘机的实际工作负载，实时调整发动机的输出功率和液压泵的排量，使发动机始终工作在高效区间，有效提高了整机的燃油经济性和工作效率。美国的卡特彼勒（Caterpillar）公司则在装载机液压行走系统设计中，引入了多目标优化理论，综合考虑了系统的动力性、经济性、可靠性等多个目标，通过遗传算法等优化算法，对系统的结构参数和控制参数进行优化，取得了良好的优化效果，提升了装载机在不同工况下的作业性能。国内在液压行走系统设计理论方面的研究近年来也取得了长足进步。国内众多高校和科研机构，如浙江大学、华中科技大学等，在液压系统动态特性分析、节能控制策略等方面开展了深入研究。浙江大学的科研团队基于现代控制理论，提出了一种自适应鲁棒控制算法，应用于液压行走系统的速度控制中。该算法能够根据系统的运行状态和外部干扰，自动调整控制参数，有效提高了系统的抗干扰能力和速度控制精度，使工程机械在复杂工况下也能保持稳定的行走速度。华中科技大学在液压系统可靠性设计理论研究中，采用故障树分析（FTA）和失效模式与影响分析（FMEA）等方法，对液压行走系统的潜在故障模式进行了全面分析，建立了可靠性模型，并提出了相应的可靠性优化设计方法，提高了系统的可靠性和使用寿命。关键技术研究上，国外在液压元件制造技术方面具有明显优势。德国的哈威（HAWE）公司在柱塞泵的制造工艺上，采用了先进的高精度加工技术和表面处理技术，使柱塞泵的容积效率和机械效率得到了显著提高，降低了泄漏和磨损，延长了使用寿命。日本的不二越（Nachi）公司在液压马达的研发中，运用新型材料和结构设计，提高了液压马达的低速稳定性和高扭矩输出能力，满足了工程机械在复杂工况下的动力需求。在电液控制技术方面，美国的派克汉尼汾（ParkerHannifin）公司开发了先进的数字式电液比例阀和伺服阀，具有响应速度快、控制精度高、抗污染能力强等优点，广泛应用于高端工程机械液压行走系统中，实现了对系统的精确控制和智能化操作。国内在关键技术研究方面也在不断追赶。在液压元件国产化方面取得了一定成果，部分国产液压元件已经能够替代进口产品，应用于中低端工程机械中。例如，恒立液压在液压油缸的制造技术上取得了突破，其生产的液压油缸性能稳定，质量可靠，在国内市场占据了一定的份额。在智能控制技术研究方面，国内积极开展了对人工智能、物联网等技术在液压行走系统中的应用研究。一些企业通过在液压行走系统中安装传感器和智能控制器，实现了对系统运行状态的实时监测和远程控制，提高了设备的管理效率和维护便利性。利用物联网技术，将工程机械的运行数据实时传输到云端，通过数据分析和挖掘，能够提前预测设备故障，实现预防性维护，降低设备故障率和维修成本。尽管国内外在工程机械液压行走系统研究方面取得了丰硕成果，但仍存在一些不足之处。在设计理论方面，目前的研究大多集中在单一工况下的系统优化，对于复杂多变工况下的系统综合性能优化研究还不够深入。不同工况之间的切换对系统的动态响应和稳定性影响较大，如何建立更加准确的多工况联合仿真模型，实现系统在全工况范围内的最优设计，是亟待解决的问题。在关键技术方面，虽然液压元件的性能有了显著提升，但与国外先进水平相比，仍存在一定差距，尤其是在高端液压元件的可靠性和耐久性方面。此外，智能控制技术在液压行走系统中的应用还处于初级阶段，智能化程度有待进一步提高，如何实现更加精准的智能控制和故障诊断，也是当前研究的重点和难点。展望未来，工程机械液压行走系统的研究将呈现出以下几个方向。在设计理论上，多学科交叉融合将成为发展趋势，结合机械、液压、控制、材料等多学科知识，开展协同设计和优化，以提高系统的综合性能。同时，基于大数据和人工智能的设计方法将得到更广泛的应用，通过对大量工程数据的分析和学习，实现系统的自主设计和优化。在关键技术方面，液压元件将朝着高性能、高可靠性、小型化和轻量化的方向发展，不断提高元件的效率和寿命。智能控制技术将进一步深化应用，实现液压行走系统的高度智能化和自动化，如自主导航、自适应控制等功能的实现，将极大地提高工程机械的作业效率和安全性。绿色环保技术也将成为研究热点，开发节能型液压系统和环保型液压油，减少能源消耗和环境污染，符合可持续发展的要求。1.3研究内容与方法本研究旨在深入剖析工程机械液压行走系统，从系统组成、工作原理到设计流程与关键技术，再到实际应用案例分析，全面且细致地展开研究，同时综合运用多种研究方法，确保研究的科学性与可靠性。在研究内容上，首先对工程机械液压行走系统的组成进行详细分析。深入探讨液压泵、液压马达、控制阀、管路以及油箱等核心部件的结构、类型和工作特性。在液压泵方面，研究不同类型如齿轮泵、叶片泵、柱塞泵的结构特点，包括齿轮泵的简单紧凑结构、叶片泵的高流量均匀性以及柱塞泵的高压适应性等；分析其工作原理，如齿轮泵通过齿轮啮合与脱离实现吸油和压油过程；探究其在不同工况下的性能表现，像在高压力需求工况下柱塞泵的高效稳定输出。对于液压马达，研究常见类型如齿轮马达、叶片马达、柱塞马达的结构，分析其将液压能转化为机械能的工作原理，以及在不同负载条件下的扭矩和转速输出特性，如柱塞马达在低速大扭矩工况下的良好表现。对控制阀、管路和油箱等部件，也分别从结构、功能和性能影响等方面进行深入研究，以全面掌握系统组成要素。其次，对工程机械液压行走系统的工作原理进行深入研究。详细阐述系统中能量转换与传递的过程，从发动机输出机械能驱动液压泵工作，将机械能转化为液压能，到液压油通过管路传输至液压马达，液压马达再将液压能转化为机械能驱动行走装置。深入分析系统的控制原理，包括速度控制、转向控制和制动控制等。在速度控制方面，研究通过调节液压泵的排量或改变液压马达的排量来实现无级调速的原理；转向控制中，探讨采用不同的转向方式，如差速转向、铰接转向等的工作原理；制动控制上，分析机械制动、液压制动和电磁制动等方式的原理和应用场景。还将分析系统在不同工况下的工作特性，如在重载、爬坡、转弯等工况下的压力、流量变化以及各部件的协同工作情况。再者，对工程机械液压行走系统的设计流程进行全面研究。从需求分析出发，详细阐述如何根据工程机械的作业要求、工作环境以及性能指标等因素，确定液压行走系统的设计参数，如系统的工作压力、流量、扭矩、转速等。在方案设计阶段，研究多种可行的设计方案，包括开式系统与闭式系统的选择、定量泵与变量泵的搭配、不同类型液压马达的应用等，并通过技术经济分析进行方案的比较与优化。在元件选型环节，依据设计参数和系统要求，精确选择合适的液压泵、液压马达、控制阀、管路等元件，考虑元件的性能参数、可靠性、成本等因素。进行系统的集成与调试研究，探讨如何将各个元件合理安装和连接，组成完整的液压行走系统，并进行调试和优化，确保系统的性能达到设计要求。另外，对工程机械液压行走系统的关键技术进行深入研究。研究节能技术，如负载敏感技术、功率匹配技术、能量回收技术等的原理和应用效果。负载敏感技术通过实时感知负载需求，调节液压泵的输出流量和压力，实现节能；功率匹配技术确保发动机与液压泵的功率匹配，提高能源利用率；能量回收技术在制动等过程中回收能量并储存再利用。研究智能控制技术，包括电液比例控制、电液伺服控制、基于传感器和控制器的智能控制系统等。电液比例控制通过控制电信号实现对液压参数的连续调节；电液伺服控制能够实现高精度的位置、速度和力控制；智能控制系统利用传感器采集数据，通过控制器进行分析和决策，实现系统的智能化运行。还将研究可靠性技术，如系统的故障诊断与预测、冗余设计、液压油的污染控制等，以提高系统的可靠性和使用寿命。最后，对工程机械液压行走系统的应用案例进行分析。选择典型的工程机械，如挖掘机、装载机、推土机等，详细介绍其液压行走系统的设计特点、工作原理和实际应用情况。分析这些案例中液压行走系统在不同工况下的性能表现，如挖掘机在挖掘作业时的行走稳定性和动力输出，装载机在装卸物料时的速度控制和转向灵活性等。通过实际案例分析，总结液压行走系统在应用中存在的问题和改进方向，为系统的优化设计提供实践依据。在研究方法上，本研究将采用多种方法相结合的方式。文献研究法，广泛查阅国内外相关的学术文献、技术报告、专利等资料，全面了解工程机械液压行走系统的研究现状、发展趋势以及存在的问题，为后续的研究提供理论基础和研究思路。通过对大量文献的梳理和分析，掌握国内外在液压行走系统设计理论、关键技术等方面的研究成果，明确研究的重点和难点。理论分析法，基于液压传动原理、机械设计原理、控制理论等基础理论，对工程机械液压行走系统的工作原理、设计流程和关键技术进行深入的理论分析和推导。建立系统的数学模型，运用数学工具进行计算和分析，预测系统的性能和特性，为系统的设计和优化提供理论依据。案例研究法，选取具有代表性的工程机械液压行走系统应用案例，进行详细的调查和分析。通过实地考察、与工程技术人员交流、获取实际运行数据等方式，深入了解案例中液压行走系统的实际应用情况，总结经验教训，发现问题并提出改进措施。仿真实验法，利用专业的液压系统仿真软件，如AMESim、MATLAB/Simulink等，对工程机械液压行走系统进行建模和仿真分析。通过设置不同的工况和参数，模拟系统的运行过程，分析系统的性能指标，如压力、流量、转速、扭矩等，验证理论分析的结果，优化系统的设计方案。同时，搭建实验平台，进行物理实验，对仿真结果进行验证和补充，提高研究结果的可靠性和准确性。二、工程机械液压行走系统基础理论2.1系统组成与工作原理2.1.1主要部件构成工程机械液压行走系统主要由液压泵、液压马达、控制阀、油箱以及管路等部件构成，这些部件相互协作，共同实现系统的正常运行。液压泵作为系统的动力源，承担着将机械能转化为液压能的关键任务。其工作原理基于容积变化，通过内部部件的运动改变密封容积大小，实现油液的吸入与排出。常见的液压泵类型包括齿轮泵、叶片泵和柱塞泵。齿轮泵结构简单、工作可靠，通过齿轮的啮合与脱离，使得密封容积周期性变化，从而实现吸油和压油过程，常用于对压力和流量要求相对不高的场合，如一些小型工程机械的辅助系统。叶片泵具有流量均匀、运转平稳、噪声低等优点，它依靠叶片在转子槽内的滑动，改变密封容积来实现吸油和排油，适用于对流量稳定性要求较高的系统，如部分中型起重机的液压行走系统。柱塞泵则凭借其高压、大流量和高效率的特点，在大型工程机械中广泛应用，它通过柱塞在缸体孔内的往复运动，使密封容积发生变化，完成油液的吸排，例如大型挖掘机的液压行走系统，就需要柱塞泵提供强大的液压动力。液压马达是将液压能转化为机械能的执行元件，它的输出轴能够产生旋转运动，为工程机械的行走提供动力。常见的液压马达类型有齿轮马达、叶片马达和柱塞马达。齿轮马达结构简单、成本低，但扭矩较小，适用于对扭矩要求不高的小型设备行走驱动，如小型叉车的液压行走系统。叶片马达具有转速较高、转动惯量小的特点，能够实现快速启动和停止，常用于对速度响应要求较高的场合，如一些轻型工程车辆的转向助力系统。柱塞马达则以其高扭矩、高效率的优势，成为大型工程机械行走驱动的首选，它能够在低速大扭矩工况下稳定运行，满足大型挖掘机、装载机等设备在重载作业时的动力需求。控制阀是液压行走系统的控制核心，主要包括方向控制阀、压力控制阀和流量控制阀。方向控制阀用于控制油液的流动方向，从而实现液压马达的正反转，以满足工程机械前进、后退和转向的需求。例如，换向阀通过改变阀芯的位置，切换油液的通路，使液压马达的进出油口改变，实现其旋转方向的改变，广泛应用于各种工程机械的行走控制中。压力控制阀用于调节系统的压力，保证系统在安全、稳定的压力范围内工作。溢流阀是常见的压力控制阀，当系统压力超过设定值时，溢流阀开启，将多余的油液溢流回油箱，防止系统压力过高，保护系统元件，在大型起重机的液压行走系统中，溢流阀起到了至关重要的安全保护作用。流量控制阀则用于调节油液的流量，进而控制液压马达的转速和工程机械的行走速度。节流阀通过改变节流口的大小，控制油液的流量，实现对液压马达转速的调节，常用于对速度控制精度要求不高的场合；调速阀则结合了节流阀和定差减压阀的特点，能够在负载变化时保持流量稳定，实现更精确的速度控制，在对速度稳定性要求较高的工程机械，如摊铺机的液压行走系统中得到应用。油箱是液压行走系统中储存液压油的部件，同时还具有散热、沉淀杂质和分离油液中空气的作用。它为系统提供充足的油液供应，确保系统能够持续稳定运行。油箱的容量根据系统的大小和工作要求确定，一般应满足系统在正常工作条件下的油液需求，并考虑一定的余量。为了保证油液的清洁度，油箱通常配备有过滤器，用于过滤油液中的杂质，防止杂质进入系统，损坏液压元件。此外，油箱还设有通气装置，保持油箱内与大气相通，避免油箱内形成真空或压力过高，影响系统的正常工作。管路是连接液压系统各个部件的通道，用于传输液压油。它的材质和规格选择对系统的性能和可靠性有着重要影响。常见的管路材质有钢管、铜管和橡胶管。钢管具有强度高、耐高压、耐腐蚀性好的特点，适用于高压、大流量的液压系统，如大型挖掘机的主油路。铜管则具有良好的柔韧性和耐腐蚀性，易于弯曲和安装，常用于中低压系统和一些对安装空间要求较高的场合，如小型工程机械的部分油路。橡胶管具有柔韧性好、耐振动和耐冲击的优点，常用于连接有相对运动部件的油路，如液压马达与减速器之间的连接管路。管路的规格应根据系统的流量和压力要求进行选择，确保油液在管路中能够顺畅流动，同时要保证管路的密封性，防止油液泄漏，以免影响系统性能和造成环境污染。2.1.2工作原理详解工程机械液压行走系统的工作原理基于帕斯卡定律，即密闭液体上的压强，能够大小不变地向各个方向传递。在这个系统中，能量的转换与传递是实现行走功能的核心。发动机输出的机械能首先传递给液压泵。以柱塞泵为例，发动机带动泵的传动轴旋转，使柱塞在缸体的柱塞孔内做往复运动。当柱塞向外运动时，柱塞腔的容积增大，压力降低，油箱中的油液在大气压的作用下，通过吸油管路进入柱塞腔，完成吸油过程；当柱塞向内运动时，柱塞腔的容积减小，油液受到挤压，压力升高，油液通过排油管路被输送出去，从而将机械能转化为液压能，输出具有一定压力和流量的高压油液。高压油液通过管路被输送到液压马达。液压马达的工作原理与液压泵相反，当高压油液进入液压马达的进油口时，油液的压力作用在马达的转子或柱塞上，产生扭矩，使转子或柱塞旋转，从而将液压能转化为机械能，输出旋转运动。例如，在柱塞式液压马达中，高压油液进入柱塞腔，推动柱塞向外运动，柱塞的运动通过连杆带动转子旋转，实现机械能的输出。在系统中，控制阀起着关键的控制作用。以速度控制为例，当需要调节工程机械的行走速度时，可以通过调节流量控制阀来实现。如调节节流阀的开度，改变油液的流量。当节流阀开度增大时，进入液压马达的油液流量增加，液压马达的转速升高，工程机械的行走速度加快；反之，当节流阀开度减小时，进入液压马达的油液流量减少，液压马达的转速降低，工程机械的行走速度减慢。转向控制则通过控制液压油的流向来实现。对于采用差速转向的工程机械，如一些小型挖掘机，当需要转向时，通过操作方向控制阀，使流向左右两侧液压马达的油液流量不同。例如，向左转向时，减少左侧液压马达的进油流量，同时增加右侧液压马达的进油流量，使得右侧车轮的转速高于左侧车轮，从而实现向左转向。对于采用铰接转向的工程机械，如装载机，通过控制铰接部位的液压缸的伸缩，改变前后车架的相对角度，实现转向。此时，方向控制阀控制油液流向铰接液压缸，推动活塞运动，使车架发生偏转。制动控制也是系统的重要功能之一。当需要制动时，通过控制制动阀，使液压马达的进油口与回油口相通，液压马达失去动力，同时利用机械制动装置或液压制动装置对车轮进行制动。机械制动通常采用制动器，通过摩擦力使车轮停止转动；液压制动则利用液压油的压力推动制动活塞，使制动片压紧车轮，实现制动。在一些大型工程机械中，还会采用电磁制动等方式，通过电磁力实现制动，提高制动的可靠性和响应速度。以挖掘机为例，其液压行走系统在实际工作中充分体现了上述工作原理。在正常行走时，发动机驱动液压泵工作，液压泵输出的高压油液分别输送到左右两侧的液压马达。通过操作驾驶室中的行走操纵杆，控制方向控制阀的阀芯位置，改变油液的流向，实现挖掘机的前进、后退和转向。当需要加速或减速时，通过调节流量控制阀，改变进入液压马达的油液流量，从而调整液压马达的转速，实现行走速度的控制。在遇到需要爬坡等重载工况时，系统会根据负载情况自动调节液压泵的输出压力和流量，以提供足够的动力。当需要制动时，操作制动阀，使液压马达停止工作，并启动制动装置，使挖掘机平稳停车。在整个工作过程中，液压行走系统的各个部件紧密配合，实现了挖掘机高效、灵活的行走功能。2.2系统分类与特点2.2.1开式系统开式系统是工程机械液压行走系统中较为常见的一种类型。在开式系统中，液压泵从油箱吸油，经过换向阀等控制阀组后，将高压油液输送至液压马达，驱动工作机构实现行走功能。完成工作后的油液，经换向阀再流回油箱。这种系统的结构相对简单，各部件之间的连接关系较为清晰，易于理解和维护。以某小型装载机的开式液压行走系统为例，液压泵通过吸油管路从油箱中吸取液压油，然后将其加压后输送到换向阀。当操作人员操作操纵杆时，换向阀切换油路，使高压油液进入液压马达，驱动装载机的车轮转动，实现前进、后退和转向等动作。工作完毕的油液则通过换向阀的回油通道流回油箱，完成一个工作循环。开式系统具有诸多优点。由于系统工作完的油液回油箱，油箱能够发挥散热和沉淀杂质的重要作用。液压油在工作过程中会吸收系统产生的热量，回到油箱后，通过油箱的大面积散热表面，能够将热量散发到周围环境中，从而有效控制油液温度，保证系统的正常工作温度范围。油箱还能使油液中的杂质沉淀下来，避免杂质进入系统，对液压元件造成磨损和损坏，延长液压元件的使用寿命。开式系统的结构简单，成本相对较低。相比于一些复杂的闭式系统，开式系统不需要配备复杂的补油和散热装置，减少了系统的硬件成本。其控制原理和操作也相对简单，对于操作人员的技术要求较低，降低了使用和维护的难度。在一些小型工程机械中，如小型挖掘机、小型装载机等，开式系统因其成本优势和简单易维护的特点而得到广泛应用。开式系统也存在一些不足之处。由于油液常与空气接触，使空气易于渗入系统，这会导致系统的工作稳定性受到影响。混入油液中的空气在压力变化时会产生气泡，这些气泡在高压区会破裂，形成气蚀现象，对液压元件造成损坏，同时也会引起系统的振动和噪声，降低系统的工作效率和可靠性。为了防止空气渗入和保证系统的正常工作，开式系统通常需要在回油路上设置背压阀。背压阀的作用是在回油管路中产生一定的压力，阻止空气进入系统。然而，背压阀的设置会引起附加的能量损失，因为油液通过背压阀时需要克服一定的阻力，这会使系统的油温升高，进一步影响系统的性能和效率。在开式系统中，工作机构的换向借助于换向阀实现。当换向阀换向时，除了会产生液压冲击外，运动部件的惯性能将转变为热能，使液压油的温度升高。在挖掘机快速转向时，换向阀突然切换油路，液压油的流动方向急剧改变，会产生较大的液压冲击，对系统管路和元件造成冲击，同时运动部件的惯性也会使系统产生额外的能量损耗，转化为热能使油温升高。2.2.2闭式系统闭式系统在工程机械液压行走系统中也占据着重要地位，其具有独特的结构和工作原理。在闭式系统中，液压泵的进油管直接与执行元件（通常为液压马达）的回油管相连，工作液体在系统的管路中进行封闭循环。以某大型起重机的闭式液压行走系统为例，液压泵输出的高压油液直接进入液压马达，驱动马达旋转，从而带动起重机的行走机构。液压马达排出的油液则直接返回液压泵的进油口，形成一个封闭的循环回路。在这个过程中，工作液体始终在系统内部循环，不与外界油箱相通。闭式系统的变速和换向方式与开式系统不同，它主要靠调节泵或马达的变量机构来实现。通过改变泵的排量，可以控制进入液压马达的油液流量，从而实现液压马达转速的变化，达到调速的目的。当需要改变行走方向时，通过调节泵的斜盘角度，改变油液的流动方向，进而实现液压马达的反转，完成换向操作。这种通过调节变量机构实现变速和换向的方式，避免了开式系统中换向阀换向时所出现的液压冲击和能量损失，使系统的工作更加平稳、高效。在起重机进行起吊作业时，需要根据不同的工况精确调整行走速度和方向，闭式系统能够通过精准调节变量机构，实现平稳的速度变化和无冲击的换向，确保作业的安全和高效。闭式系统具有明显的优势。由于其结构较为紧凑，工作液体在封闭的管路中循环，与空气接触机会较少，空气不易渗入系统，故传动的平稳性好。在一些对工作平稳性要求较高的工程机械中，如摊铺机，闭式系统能够保证其在作业过程中行走平稳，从而保证摊铺路面的平整度。闭式系统在制动时有功率回收的效果。当工程机械需要制动时，液压马达会处于泵的工况，将机械能转化为液压能，使系统高压腔的高压油液通过特定的装置回收能量，储存起来供后续使用，提高了能源利用率，降低了能耗。闭式系统也存在一定的局限性。由于闭式系统工作完的油液不回油箱，油液的散热和过滤条件较开式系统差。为了补偿系统中的泄漏，通常需要一个小容量的补液泵进行补油和散热，这增加了系统的复杂性和成本。补液泵需要定期维护和保养，以确保其正常工作，否则会影响系统的正常运行。闭式系统的设计、安装调试以及维护都有较高的难度和技术要求。对系统的密封性要求极高，一旦出现泄漏，会影响系统的正常工作，甚至导致系统故障。在安装调试过程中，需要专业的技术人员进行操作，确保各个部件的安装位置和连接方式正确无误，以保证系统的性能和可靠性。2.3相关基础理论2.3.1液压传动原理液压传动的基本原理是基于帕斯卡原理，即加在密闭液体任一部分的压强，必然按其原来的大小，由液体向各个方向传递。在工程机械液压行走系统中，帕斯卡原理得到了充分的应用。液压泵作为系统的动力源，通过其内部的机械结构，如柱塞泵中的柱塞在缸体孔内的往复运动，使密封容积发生变化。当密封容积增大时，压力降低，油液在大气压的作用下被吸入泵腔；当密封容积减小时，压力升高，油液被排出泵腔，从而将机械能转化为液压能，输出具有一定压力的油液。这种基于帕斯卡原理的液压泵工作方式，为整个液压行走系统提供了稳定的动力来源。在系统的能量传递过程中，帕斯卡原理同样起着关键作用。液压油通过管路将液压泵输出的压力能传递到液压马达。液压马达内部的结构，如柱塞式液压马达中的柱塞，在高压油液的作用下，受到均匀的压强，从而产生向外的推力。这些推力通过连杆等机械结构，转化为使转子旋转的扭矩，实现了液压能向机械能的转换，驱动工程机械的行走装置运转。在这个过程中，帕斯卡原理保证了油液压力在系统中的均匀传递，使得液压马达能够稳定、高效地工作。以挖掘机的液压行走系统为例，当挖掘机需要行走时，液压泵将发动机输出的机械能转化为液压能，输出高压油液。这些高压油液通过管路被输送到左右两侧的液压马达。根据帕斯卡原理，液压油在管路和液压马达内均匀传递压力，使得液压马达的柱塞受到相同的压强，从而产生足够的扭矩驱动车轮转动。在挖掘机转弯时，通过控制左右两侧液压马达的进油流量和压力，利用帕斯卡原理实现两侧车轮不同的转速，进而完成转向动作。在挖掘机爬坡等重载工况下，液压泵输出更高压力的油液，根据帕斯卡原理，这些高压油液在液压马达内产生更大的推力，转化为更大的扭矩，以满足爬坡所需的动力要求。2.3.2流量与压力控制理论流量与压力控制是工程机械液压行走系统的关键环节，对系统的性能有着至关重要的影响。流量控制直接关系到系统的速度调节，通过控制进入液压马达的油液流量，可以精确地调节液压马达的转速，从而实现工程机械行走速度的控制。在挖掘机进行挖掘作业时，需要根据挖掘的深度、土壤的硬度等工况，实时调节行走速度，以保证挖掘作业的高效进行。通过调节流量控制阀，如节流阀或调速阀的开度，可以改变进入液压马达的油液流量，进而实现对挖掘机行走速度的精确控制。压力控制则主要用于确保系统的安全运行和满足不同工况下的动力需求。系统中设置的溢流阀，当系统压力超过设定值时，溢流阀开启，将多余的油液溢流回油箱，防止系统压力过高，保护系统中的液压元件不被损坏。在装载机进行装载作业时，当遇到较大的阻力，导致系统压力升高时，溢流阀会及时开启，限制系统压力，避免液压泵、液压马达等元件因过载而损坏。系统还可以根据不同的工况，通过压力控制阀调节系统的工作压力，以提供足够的动力。在推土机进行推土作业时，需要较大的推力，此时通过调节压力控制阀，提高系统的工作压力，使液压马达输出更大的扭矩，满足推土作业的动力需求。常用的流量控制方法包括节流调速、容积调速和容积节流调速。节流调速是通过调节节流阀的开度，改变油液流经节流口的阻力，从而控制流量。这种方法结构简单、成本低，但能量损失较大，效率较低，常用于对速度稳定性要求不高、功率较小的场合，如小型工程机械的一些辅助系统。容积调速是通过改变液压泵或液压马达的排量来调节流量，这种方法效率高、发热少，但变量机构的结构复杂，成本较高，常用于对效率要求较高、功率较大的场合，如大型挖掘机的液压行走系统。容积节流调速则结合了节流调速和容积调速的优点，通过变量泵和节流阀的配合使用，实现流量的调节，这种方法在保证一定效率的同时，也能较好地满足系统对速度稳定性的要求，适用于一些对性能要求较高的工程机械，如摊铺机的液压行走系统。常见的压力控制方法有溢流控制、减压控制和顺序控制。溢流控制通过溢流阀实现，如前文所述，用于限制系统的最高压力，保护系统安全。减压控制通过减压阀实现，它可以将系统的高压油液减压后，输出稳定的低压油液，为系统中需要低压的部分提供动力，如某些工程机械的控制油路，就需要通过减压阀将主油路的高压油液减压后使用。顺序控制则通过顺序阀实现，它根据系统中压力的变化，按照预定的顺序控制各执行元件的动作，在一些需要多个执行元件按特定顺序工作的工程机械中，如起重机的起升、变幅和回转等动作的控制，顺序阀起到了重要的作用。三、液压行走系统设计流程与要点3.1设计需求分析3.1.1工程机械工况分析不同类型的工程机械在作业环境和工况特点上存在显著差异，这些差异对液压行走系统的设计提出了特定要求。挖掘机作为一种常见的工程机械，广泛应用于建筑施工、矿山开采等领域。在挖掘工况下，挖掘机需要频繁地进行挖掘、回转和卸料等动作，液压行走系统要能够提供稳定的动力支持，以保证挖掘作业的高效进行。挖掘时，挖掘臂会承受巨大的阻力，这就要求液压行走系统能够根据挖掘阻力的变化，自动调整液压泵的输出压力和流量，确保挖掘动作的顺利完成。在装卸工况中，挖掘机需要将挖掘的物料装载到运输车辆上，此时液压行走系统需要具备良好的速度控制和转向性能，以便精确地将物料放置到指定位置。在狭小的施工场地内，挖掘机需要频繁地进行小半径转向，液压行走系统的转向灵活性和稳定性至关重要，否则可能会导致施工效率低下，甚至发生安全事故。装载机主要用于物料的铲装和短距离运输，其作业工况具有重载、频繁启停和转向等特点。在铲装物料时，装载机的铲斗会承受很大的冲击力，液压行走系统需要能够迅速响应，提供足够的扭矩，以克服物料的阻力，完成铲装动作。装载机在运输物料过程中，需要根据路况和作业要求，频繁地启停和转向。在堆满物料的施工现场，道路条件复杂，装载机需要随时停车避让其他设备，或者转向驶向不同的卸料点，这就要求液压行走系统的制动和转向控制要灵敏可靠，以确保作业的安全和高效。推土机常用于土地平整、推土和松土等作业，其工作特点是需要在较大的阻力下持续稳定地工作。在推土作业时，推土机的推土板会与土壤产生强烈的摩擦力，液压行走系统需要提供强大的推力，以推动推土机前进，这就要求液压泵能够输出足够高的压力和流量，以满足推土作业的动力需求。在松土作业中，松土器需要深入土壤，破碎坚硬的土层，液压行走系统需要根据土壤的硬度和阻力，精确地控制松土器的下降深度和工作力度，以保证松土效果。压路机主要用于道路施工中的压实作业，其作业工况对液压行走系统的平稳性和速度控制精度要求较高。在压实过程中，压路机需要保持匀速行驶，以确保路面压实的均匀性。液压行走系统需要能够精确地控制压路机的行驶速度，避免速度波动对压实质量产生影响。压路机在转向时，需要保证转向的平稳性，避免出现急转向或转向不灵活的情况，否则会导致路面压实不均匀，影响道路的使用寿命。在斜坡上进行压实作业时，液压行走系统还需要具备良好的爬坡能力和稳定性，以确保压路机能够安全、高效地完成作业。3.1.2性能指标确定明确工程机械液压行走系统需满足的性能指标是系统设计的关键环节，这些指标直接影响系统的工作性能和可靠性。速度性能是液压行走系统的重要指标之一，它直接关系到工程机械的作业效率。对于不同类型的工程机械，其速度要求各不相同。挖掘机在作业时，行驶速度通常在0-5km/h之间，以满足其在施工现场的灵活移动和精确操作需求；装载机在短距离运输物料时，行驶速度一般在10-30km/h左右，以提高运输效率；而压路机在压实作业时，行驶速度则需要严格控制在一定范围内，如2-6km/h，以保证压实质量的均匀性。液压行走系统的速度调节范围和精度也至关重要。系统应具备无级调速功能，能够根据作业工况的变化，实时、精确地调节速度。在挖掘机进行精细挖掘作业时，需要能够精确地控制行走速度，以确保挖掘的准确性；在装载机进行装卸作业时，也需要根据物料的装卸情况，灵活地调整速度。扭矩性能是液压行走系统的另一个关键指标，它决定了工程机械在不同工况下的动力输出能力。在重载工况下，如挖掘机进行挖掘硬土或岩石、装载机铲装大块物料、推土机推运大量土方时，液压行走系统需要输出较大的扭矩，以克服巨大的阻力，保证工程机械的正常作业。不同类型的工程机械在不同工况下所需的扭矩大小差异较大，因此在设计液压行走系统时，需要根据具体的作业要求，精确计算所需的扭矩，并选择合适的液压马达和液压泵，以确保系统能够提供足够的扭矩输出。效率性能是衡量液压行走系统能源利用效率的重要指标。高效的液压行走系统能够降低能源消耗，减少运行成本，同时也符合节能环保的发展趋势。在系统设计中，应采用先进的节能技术，如负载敏感技术、功率匹配技术等，以提高系统的效率。负载敏感技术能够根据负载的变化，实时调整液压泵的输出流量和压力，使系统在不同工况下都能保持较高的效率；功率匹配技术则通过优化发动机与液压泵的匹配关系，使发动机的输出功率能够得到充分利用，避免能量的浪费。可靠性和稳定性是液压行走系统正常运行的重要保障。工程机械通常在恶劣的工作环境下运行，如高温、高湿、多尘、振动等，这对液压行走系统的可靠性和稳定性提出了严峻挑战。系统应具备良好的密封性能，防止液压油泄漏，避免因泄漏导致的系统故障；应具有可靠的散热措施，保证系统在长时间运行过程中油温在正常范围内，防止油温过高对系统性能和寿命造成影响。系统还应具备一定的抗干扰能力，能够在复杂的工作环境下稳定运行，减少故障发生的概率，提高工程机械的作业可靠性和连续性。3.2关键部件选型与计算3.2.1液压泵选型液压泵作为液压行走系统的动力源，其选型至关重要。选型时需综合考虑系统的流量和压力需求，以及不同类型液压泵的特点。在流量需求计算方面，以某型号装载机为例，其在满载工况下，行驶速度为15km/h，车轮直径为1m，传动系统效率为0.9。根据公式Q=\frac{v\times\pi\timesd^2\timesn}{4\times\eta}（其中Q为流量，v为行驶速度，d为车轮直径，n为车轮转速，\eta为传动系统效率），可计算出系统所需的流量。首先计算车轮转速n=\frac{v}{\pi\timesd}=\frac{15\times1000}{60\times\pi\times1}\approx79.6r/min，代入公式可得Q=\frac{15\times\pi\times1^2\times79.6}{4\times0.9}\approx1047L/min。在压力需求计算上，假设该装载机在爬坡时，坡度为30°，整机质量为10t，滚动阻力系数为0.05，根据公式P=\frac{F\timesv}{\eta\timesQ}（其中P为压力，F为牵引力，v为行驶速度，\eta为系统总效率，Q为流量），先计算牵引力F=G\times(\sin\alpha+f)（其中G为整机重力，\alpha为坡度角，f为滚动阻力系数），G=mg=10\times1000\times9.8=98000N，F=98000\times(\sin30°+0.05)=53900N，假设系统总效率为0.8，代入公式可得P=\frac{53900\times\frac{15}{3.6}}{0.8\times1047}\approx26.3MPa。常见的液压泵类型有齿轮泵、叶片泵和柱塞泵。齿轮泵结构简单、成本低，但其流量脉动较大，噪音较高，一般适用于对流量和压力要求不高的场合，如小型工程机械的辅助系统。叶片泵流量较均匀，噪音较低，但抗污染能力相对较弱，常用于中低压系统，如一些中型起重机的液压行走系统。柱塞泵则具有压力高、流量大、效率高的优点，能够满足大型工程机械在重载工况下的高压力和大流量需求，如大型挖掘机的液压行走系统通常选用柱塞泵作为动力源。综合考虑该装载机的流量和压力需求，以及工作环境和可靠性要求，选用柱塞泵较为合适。在具体选型时，还需参考泵的额定流量、额定压力、转速范围、容积效率、机械效率等参数。例如，可选用某型号柱塞泵，其额定流量为1200L/min，额定压力为31.5MPa，转速范围为1500-2000r/min，容积效率大于95%，机械效率大于90%，能够满足该装载机液压行走系统的工作要求。同时，还需考虑泵的品牌、质量、售后服务等因素，选择质量可靠、信誉良好的产品，以确保系统的稳定运行和维护便利性。3.2.2液压马达选型液压马达作为将液压能转化为机械能的执行元件，其选型需根据负载和转速要求，精确计算排量、扭矩等参数。负载扭矩的计算是选型的关键步骤之一。以某型号挖掘机为例，其在挖掘硬土时，斗齿的切削力为50kN，斗杆的长度为2m，斗齿到回转中心的距离为3m，假设传动效率为0.9。根据公式T=F\timesL\times\eta（其中T为负载扭矩，F为切削力，L为力臂，\eta为传动效率），力臂L=3\sin\theta（假设挖掘时斗杆与地面夹角\theta=45°），L=3\sin45°\approx2.12m，可得负载扭矩T=50000\times2.12\times0.9\approx95400N·m。转速要求则需根据挖掘机的作业速度来确定。假设挖掘机在作业时的最大行驶速度为5km/h，驱动轮直径为0.8m，根据公式n=\frac{v}{\pi\timesd}（其中n为转速，v为行驶速度，d为驱动轮直径），可得转速n=\frac{5\times1000}{60\times\pi\times0.8}\approx33.2r/min。根据负载扭矩和转速要求，可计算液压马达的排量。假设系统工作压力为30MPa，机械效率为0.9，根据公式q=\frac{2\piT}{\Deltap\times\eta_{m}}（其中q为排量，T为负载扭矩，\Deltap为工作压差，\eta_{m}为机械效率），可得排量q=\frac{2\pi\times95400}{30\times10^6\times0.9}\approx0.0022m³/r。常见的液压马达类型有齿轮马达、叶片马达和柱塞马达。齿轮马达结构简单、成本低，但扭矩较小，转速较高，适用于对扭矩要求不高、转速要求较高的场合，如小型叉车的液压行走系统。叶片马达具有转速较高、转动惯量小的特点，能够实现快速启动和停止，常用于对速度响应要求较高的场合，如一些轻型工程车辆的转向助力系统。柱塞马达则以其高扭矩、高效率的优势，适用于大型工程机械的行走驱动，能够满足挖掘机在挖掘硬土等重载工况下的大扭矩需求。综合考虑该挖掘机的负载和转速要求，选用柱塞马达较为合适。在具体选型时，需选择额定扭矩大于计算负载扭矩、额定转速满足作业速度要求、排量与计算排量相近的液压马达。例如，可选用某型号柱塞马达，其额定扭矩为100000N・m，额定转速为40r/min，排量为0.0025m³/r，能够满足该挖掘机液压行走系统的工作要求。同时，还需考虑马达的密封性、耐久性、抗冲击能力等因素，确保其在恶劣的工作环境下能够稳定可靠地运行。3.2.3其他部件选择控制阀作为液压行走系统的控制核心，其选型需综合考虑系统的控制要求、工作压力、流量等因素。方向控制阀用于控制油液的流动方向，实现液压马达的正反转，常见的有换向阀、单向阀等。在选择换向阀时，需根据系统的工作压力和流量，确定其额定压力和额定流量，同时要考虑其换向精度、响应速度等性能指标。对于工作压力为30MPa、流量为1000L/min的液压行走系统，可选用额定压力为35MPa、额定流量为1200L/min的电磁换向阀，以确保其能够满足系统的控制要求，实现快速、准确的换向操作。压力控制阀用于调节系统的压力，常见的有溢流阀、减压阀、顺序阀等。溢流阀主要用于限制系统的最高压力，保护系统元件安全，其设定压力应略高于系统的工作压力。减压阀则用于将系统的高压油液减压后，输出稳定的低压油液，供系统中需要低压的部分使用，其出口压力应根据实际需求进行设定。在某工程机械的液压行走系统中，为了保护系统在异常情况下不超压，选用了设定压力为32MPa的溢流阀；同时，为了给控制油路提供稳定的低压油液，选用了出口压力为5MPa的减压阀。流量控制阀用于调节油液的流量，实现对液压马达转速的控制，常见的有节流阀、调速阀等。节流阀通过改变节流口的大小来控制油液流量，结构简单，但流量稳定性较差；调速阀则结合了节流阀和定差减压阀的特点，能够在负载变化时保持流量稳定，实现更精确的速度控制。在对速度控制精度要求较高的工程机械液压行走系统中，如摊铺机，通常选用调速阀来控制液压马达的转速，以保证作业的平整度和稳定性。油管的选择需考虑系统的工作压力、流量、安装空间等因素。常见的油管材质有钢管、铜管和橡胶管。钢管具有强度高、耐高压、耐腐蚀性好的特点，适用于高压、大流量的液压系统，如大型挖掘机的主油路。在选择钢管时，需根据系统的工作压力和流量，确定其管径和壁厚，以确保其能够承受系统的压力，并且油液在管内的流速符合要求。对于工作压力为30MPa、流量为1000L/min的液压系统，可选用管径为50mm、壁厚为5mm的无缝钢管。铜管具有良好的柔韧性和耐腐蚀性，易于弯曲和安装，常用于中低压系统和一些对安装空间要求较高的场合，如小型工程机械的部分油路。橡胶管具有柔韧性好、耐振动和耐冲击的优点，常用于连接有相对运动部件的油路，如液压马达与减速器之间的连接管路。在选择橡胶管时，需注意其耐压等级和耐油性能，以确保其能够满足系统的工作要求。油箱的选择主要考虑其容量、结构和散热性能。油箱的容量应根据系统的大小和工作要求确定，一般应满足系统在正常工作条件下的油液需求，并考虑一定的余量。通常，油箱的容量可根据系统中液压泵的流量来确定，一般为液压泵每分钟流量的3-5倍。对于流量为1000L/min的液压泵，可选用容量为3000-5000L的油箱。油箱的结构应合理设计，以保证油液的清洁度和散热效果。油箱内应设置隔板，将吸油区和回油区分开，避免回油直接进入吸油区，同时有助于杂质沉淀和空气分离。油箱还应配备过滤器，用于过滤油液中的杂质，防止杂质进入系统，损坏液压元件。为了提高油箱的散热性能，可在油箱表面设置散热片，或采用风冷、水冷等辅助散热方式。在一些大型工程机械的液压行走系统中，由于系统发热量较大，还会采用专门的冷却器来降低油温，保证系统的正常运行。3.3系统原理图设计3.3.1基本回路设计换向回路在工程机械液压行走系统中起着关键作用，其主要功能是控制液压油的流向，从而实现液压马达的正反转，以满足工程机械前进、后退和转向的需求。常见的换向回路采用换向阀来实现换向功能。电磁换向阀是一种常用的换向阀，它通过电磁力驱动阀芯移动，改变油液的通路。在某型号装载机的液压行走系统中，电磁换向阀安装在液压泵与液压马达之间的管路中。当电磁换向阀的电磁铁通电时，阀芯移动，使液压油进入液压马达的不同油口，从而实现液压马达的正转或反转，进而控制装载机的前进或后退。手动换向阀则通过手动操作来改变阀芯位置，实现换向。在一些小型工程机械中，由于操作频率较低，对自动化程度要求不高，常采用手动换向阀。手动换向阀结构简单、成本低，操作人员可以根据实际需要灵活地控制换向。调速回路是控制工程机械行走速度的重要组成部分，其工作原理是通过调节进入液压马达的油液流量，来实现对液压马达转速的控制，从而调节工程机械的行走速度。常见的调速方法有节流调速、容积调速和容积节流调速。节流调速回路通过调节节流阀的开度，改变油液流经节流口的阻力，从而控制流量。在某小型挖掘机的液压行走系统中，采用了节流调速回路。节流阀安装在液压泵与液压马达之间的油路上，当节流阀开度增大时，进入液压马达的油液流量增加，液压马达转速升高，挖掘机行走速度加快；反之，当节流阀开度减小时，进入液压马达的油液流量减少，液压马达转速降低，挖掘机行走速度减慢。这种调速方法结构简单、成本低，但能量损失较大，效率较低，常用于对速度稳定性要求不高、功率较小的场合。容积调速回路通过改变液压泵或液压马达的排量来调节流量。在大型装载机的液压行走系统中，常采用容积调速回路。通过调节变量泵的排量，可实现对进入液压马达油液流量的精确控制，从而实现对装载机行走速度的无级调节。当装载机需要快速行驶时，增大变量泵的排量，使进入液压马达的油液流量增加，液压马达转速升高，装载机行走速度加快；当装载机需要缓慢行驶或进行精细作业时，减小变量泵的排量，使进入液压马达的油液流量减少，液压马达转速降低，装载机行走速度减慢。容积调速回路具有效率高、发热少等优点，但变量机构的结构复杂，成本较高，常用于对效率要求较高、功率较大的场合。容积节流调速回路结合了节流调速和容积调速的优点，通过变量泵和节流阀的配合使用，实现流量的调节。在摊铺机的液压行走系统中，采用了容积节流调速回路。变量泵根据负载需求提供大致的流量，节流阀则对流量进行微调，以保证在负载变化时，进入液压马达的油液流量稳定，从而实现对摊铺机行走速度的精确控制，保证摊铺作业的平整度和稳定性。这种调速方法在保证一定效率的同时，也能较好地满足系统对速度稳定性的要求。平衡回路的主要作用是在工程机械停止运动或在斜坡上作业时，防止因重力作用导致执行元件（如液压马达驱动的行走装置）自行下滑，确保系统的安全和稳定运行。常见的平衡回路采用平衡阀来实现平衡功能。在某型号起重机的液压行走系统中，平衡阀安装在液压马达的回油路上。当起重机在斜坡上作业时，由于重力的作用，液压马达有自行下滑的趋势，此时平衡阀的控制口感受到液压马达进油口的压力变化，通过内部的阀芯动作，调节回油口的开度，使回油产生一定的背压，与重力产生的作用力相平衡，从而防止液压马达自行下滑。当起重机需要行走时，液压泵输出的高压油液克服平衡阀的背压，推动液压马达正常运转。单向顺序阀也可用于平衡回路，它由单向阀和顺序阀组合而成。单向阀允许油液正向流动，顺序阀则在系统压力达到一定值时开启，控制油液的反向流动。在一些小型工程机械的液压行走系统中，采用单向顺序阀组成的平衡回路，当工程机械停止运动时，顺序阀关闭，防止油液倒流，从而保持执行元件的位置；当工程机械需要运动时，液压泵输出的高压油液打开单向阀，使油液正常流动，驱动执行元件工作。3.3.2完整系统图绘制在绘制工程机械液压行走系统的完整系统原理图时，需要将各个基本回路有机地整合在一起，形成一个完整、高效的系统。以某大型挖掘机的液压行走系统为例，系统原理图中主要包括液压泵、液压马达、各种控制阀（如换向阀、溢流阀、节流阀、平衡阀等）、油箱以及连接这些部件的管路。液压泵作为系统的动力源，通常采用柱塞泵，其将发动机输出的机械能转化为液压能，输出高压油液。在系统原理图中，液压泵的符号用一个带有箭头的圆圈表示，箭头方向表示油液的输出方向。液压泵通过吸油管路从油箱中吸取液压油，吸油管路通常用较粗的线条表示，以确保足够的油液流量。液压马达是将液压能转化为机械能的执行元件，用于驱动挖掘机的行走装置。在系统原理图中，液压马达的符号用一个带有箭头的圆圈表示，箭头方向表示输出轴的旋转方向。液压马达的进油口和回油口分别与换向阀的相应油口相连，通过换向阀控制油液的流向，实现液压马达的正反转，从而控制挖掘机的前进、后退和转向。换向阀是控制油液流向的关键部件，采用电磁换向阀或手动换向阀。在系统原理图中，换向阀的符号用一个方框表示，方框内的箭头表示阀芯的不同位置和油液的通路。当电磁换向阀的电磁铁通电时，阀芯移动，切换油液的通路，使液压油进入液压马达的不同油口，实现液压马达的换向。溢流阀用于限制系统的最高压力，保护系统元件安全。在系统原理图中，溢流阀的符号用一个带有三角形的圆圈表示，三角形指向油液的流动方向。当系统压力超过溢流阀的设定压力时，溢流阀开启，将多余的油液溢流回油箱，防止系统压力过高。节流阀用于调节油液的流量，实现对液压马达转速的控制。在系统原理图中，节流阀的符号用一个带有箭头的细线条表示，箭头方向表示油液的流动方向。通过调节节流阀的开度，可以改变进入液压马达的油液流量，从而调节液压马达的转速，控制挖掘机的行走速度。平衡阀用于防止液压马达在停止运动或在斜坡上作业时自行下滑。在系统原理图中，平衡阀的符号用一个带有控制口的方框表示，控制口与液压马达的进油口相连。当液压马达有自行下滑的趋势时，平衡阀的控制口感受到压力变化，通过内部阀芯动作，调节回油口的开度，产生一定的背压，与重力相平衡，防止液压马达下滑。油箱用于储存液压油，同时起到散热、沉淀杂质和分离油液中空气的作用。在系统原理图中，油箱的符号用一个长方形表示。油箱通过吸油管路与液压泵相连，为液压泵提供油液；通过回油管路与换向阀、溢流阀等部件相连，接收系统工作后的回油。连接各个部件的管路在系统原理图中用线条表示，不同类型的管路可以用不同粗细或颜色的线条区分，以便于识别。在绘制系统原理图时，还需要标注各个部件的型号、规格和参数，如液压泵的额定压力、额定流量，液压马达的额定扭矩、额定转速，控制阀的额定压力、额定流量等。这些参数对于系统的设计、安装、调试和维护都具有重要意义。通过清晰、准确地绘制完整系统原理图，并标注相关部件和参数，可以为工程机械液压行走系统的设计、分析和优化提供重要依据，确保系统的正常运行和性能的实现。3.4系统性能验算3.4.1压力损失计算在工程机械液压行走系统中，压力损失主要来源于管路和阀件，准确计算这些压力损失对于评估系统性能至关重要。管路压力损失包括沿程压力损失和局部压力损失。沿程压力损失是由于油液在管路中流动时与管壁的摩擦而产生的，其计算公式为\Deltap_{f}=\lambda\frac{l}{d}\frac{\rhov^{2}}{2}，其中\Deltap_{f}为沿程压力损失，\lambda为沿程阻力系数，l为管路长度，d为管路内径，\rho为油液密度，v为油液流速。以某装载机液压行走系统为例，其主油路管路长度l=10m，内径d=50mm，油液密度\rho=850kg/m^{3}，流速v=5m/s，假设沿程阻力系数\lambda=0.03，则沿程压力损失\Deltap_{f}=0.03\times\frac{10}{0.05}\times\frac{850\times5^{2}}{2}=63750Pa=0.06375MPa。局部压力损失是由于管路中的弯头、接头、阀门等局部装置使油液流速和方向发生变化而产生的，计算公式为\Deltap_{j}=\zeta\frac{\rhov^{2}}{2}，其中\Deltap_{j}为局部压力损失，\zeta为局部阻力系数。在该装载机系统中，设有一个90°弯头，其局部阻力系数\zeta=0.75，则该弯头处的局部压力损失\Deltap_{j}=0.75\times\frac{850\times5^{2}}{2}=79687.5Pa=0.0796875MPa。阀件的压力损失与阀的类型、开度以及通过的流量等因素有关。不同类型的阀件压力损失特性各不相同。换向阀在换向时，由于油液流动方向的急剧改变，会产生较大的压力损失。节流阀在调节流量时，通过改变节流口的大小来控制油液流量，节流口处的液流收缩和扩张会导致压力损失。溢流阀在系统压力超过设定值时开启溢流，其压力损失主要与溢流流量和阀的结构有关。对于某型号电磁换向阀，在额定流量为1000L/min时，其压力损失为0.5MPa；某节流阀在开度为50%，流量为500L/min时，压力损失为0.3MPa。压力损失对系统性能有着多方面的影响。过大的压力损失会导致系统的工作压力下降，使液压马达的输出扭矩减小，影响工程机械的动力性能。在挖掘机进行挖掘作业时，如果压力损失过大，液压马达无法输出足够的扭矩，会导致挖掘动作缓慢，甚至无法正常挖掘。压力损失还会使系统的能量损失增加，转化为热能，导致油温升高。油温过高会使油液的粘度下降，增加泄漏，进一步降低系统的效率和性能，同时还会加速油液的老化和变质，缩短油液的使用寿命。在装载机长时间工作时，若压力损失导致油温过高，可能会使密封件老化变形，引起油液泄漏，影响系统的正常运行。因此，在系统设计和调试过程中，应尽量减小压力损失，优化管路布局和阀件选型，以提高系统的性能和可靠性。3.4.2效率分析工程机械液压行走系统的效率分析涵盖了系统各部件以及整体的效率评估，这对于系统的优化和性能提升具有重要意义。液压泵作为系统的动力源，其效率包括容积效率和机械效率。容积效率\eta_{v}主要取决于泵的密封性能和内部泄漏情况，计算公式为\eta_{v}=\frac{Q_{实际}}{Q_{理论}}，其中Q_{实际}为泵的实际输出流量，Q_{理论}为泵的理论流量。某柱塞泵的理论流量为1200L/min，由于内部泄漏等原因，实际输出流量为1140L/min，则其容积效率\eta_{v}=\frac{1140}{1200}=0.95。机械效率\eta_{m}则与泵的机械结构、摩擦等因素有关，计算公式为\eta_{m}=\frac{P_{输出}}{P_{输入}}，其中P_{输出}为泵的输出功率，P_{输入}为泵的输入功率。若该柱塞泵的输入功率为500kW，输出功率为460kW，则其机械效率\eta_{m}=\frac{460}{500}=0.92。泵的总效率\eta_{泵}=\eta_{v}\times\eta_{m}=0.95\times0.92=0.874。液压马达的效率同样包括容积效率和机械效率。容积效率\eta_{vM}反映了马达内部泄漏对效率的影响，计算公式为\eta_{vM}=\frac{Q_{输入}-Q_{泄漏}}{Q_{输入}}，其中Q_{输入}为进入马达的实际流量，Q_{泄漏}为马达的泄漏流量。某柱塞式液压马达，进入的实际流量为1000L/min，泄漏流量为30L/min，则其容积效率\eta_{vM}=\frac{1000-30}{1000}=0.97。机械效率\eta_{mM}与马达的机械结构、摩擦等因素有关，计算公式为\eta_{mM}=\frac{T_{输出}}{T_{理论}}，其中T_{输出}为马达的实际输出扭矩，T_{理论}为马达的理论扭矩。若该液压马达的理论扭矩为100000N・m，实际输出扭矩为93000N・m，则其机械效率\eta_{mM}=\frac{93000}{100000}=0.93。马达的总效率\eta_{马达}=\eta_{vM}\times\eta_{mM}=0.97\times0.93=0.9021。系统的整体效率受到各部件效率以及管路损失等多种因素的综合影响。系统的总效率\eta_{总}=\frac{P_{输出总}}{P_{输入总}}，其中P_{输出总}为系统输出的总功率，即液压马达输出的功率；P_{输入总}为系统输入的总功率，即液压泵输入的功率。假设液压泵输入功率为500kW，液压马达输出功率为400kW，考虑到管路等其他损失，系统的总效率\eta_{总}=\frac{400}{500}=0.8。为提高系统效率，可采取多种有效措施。在节能技术应用方面，采用负载敏感技术，能够使液压泵的输出流量和压力与负载需求实时匹配，减少溢流损失，提高系统效率。在某挖掘机液压行走系统中应用负载敏感技术后，系统效率提高了10%-15%。采用功率匹配技术，优化发动机与液压泵的匹配关系，使发动机的输出功率得到充分利用，避免能量浪费。合理设计管路，减小管路的沿程阻力和局部阻力，降低压力损失，也能有效提高系统效率。选用低阻力的管路材料，优化管路的走向和布局，减少弯头和接头的数量，可降低管路压力损失，从而提高系统的整体效率。定期维护和保养系统，确保各部件的良好工作状态，也是提高系统效率的重要保障。及时更换磨损的密封件，清洗过滤器，保证油液的清洁度，可减少泄漏和摩擦损失，提高系统的效率和可靠性。3.4.3发热与温升计算在工程机械液压行走系统的运行过程中，发热与温升是不可忽视的重要因素，它们对系统的性能和可靠性有着显著影响，因此需要进行精确计算并采取有效的散热和温控措施。系统的发热主要来源于能量损失，这些能量损失包括液压泵和液压马达的机械损失、容积损失，以及管路和阀件的压力损失等。这些损失的能量最终都转化为热能，使系统油温升高。液压泵在工作时，由于机械摩擦和内部泄漏，会产生一定的能量损失。机械摩擦损失是由于泵的运动部件之间的摩擦而产生的，如柱塞与缸体之间、配流盘与缸体之间的摩擦等。容积损失则是由于泵的内部泄漏导致实际输出流量小于理论流量而产生的能量损失。管路和阀件的压力损失也是发热的重要来源，油液在管路中流动时与管壁的摩擦以及通过阀件时的节流作用都会导致能量损失，进而转化为热能。系统发热功率的计算可以通过各部件的能量损失来确定。假设某工程机械液压行走系统中，液压泵的输入功率为P_{泵入}=500kW，总效率为\eta_{泵}=0.85，则液压泵的发热功率P_{泵热}=P_{泵入}(1-\eta_{泵})=500\times(1-0.85)=75kW。液压马达的输入功率为P_{马达入}=450kW，总效率为\eta_{马达}=0.88，则液压马达的发热功率P_{马达热}=P_{马达入}(1-\eta_{马达})=450\times(1-0.88)=54kW。管路和阀件的压力损失导致的发热功率可通过压力损失和流量来计算，假设管路和阀件的总压力损失为\Deltap=2MPa，系统流量为Q=800L/min，则管路和阀件的发热功率P_{管路阀件热}=\Deltap\timesQ/60=2\times10^{6}\times\frac{800}{60\times1000}\approx26.7kW。系统的总发热功率P_{总热}=P_{泵热}+P_{马达热}+P_{管路阀件热}=75+54+26.7=155.7kW。油温升高会对系统产生诸多不良影响。油温过高会使油液的粘度下降，导致泄漏增加，系统的容积效率降低，进而影响系统的性能和工作精度。在挖掘机的液压行走系统中，油温过高可能导致液压马达的输出扭矩不稳定，影响挖掘作业的效率和质量。油温过高还会加速油液的氧化和变质，缩短油液的使用寿命，增加维护成本。高温下油液中的添加剂会分解失效，使油液的润滑性能和抗磨损性能下降，加速液压元件的磨损，降低系统的可靠性。油温过高还可能使密封件老化、变形，导致密封性能下降，引起油液泄漏，进一步影响系统的正常运行。为了控制油温升高，需要采取有效的散热和温控措施。在散热措施方面，可加大油箱的散热面积，如在油箱表面设置散热片，增加油箱与空气的接触面积，提高散热效率。对于一些大型工程机械的液压行走系统，还可以采用风冷或水冷的方式进行强制散热。风冷是通过风扇将空气吹过散热器，带走热量；水冷则是利用水作为冷却介质，通过热交换器将油液的热量传递给冷却水，从而降低油温。在某大型装载机的液压行走系统中，采用了水冷散热器，在工作过程中，油温能够稳定控制在合理范围内，保证了系统的正常运行。还可以通过温控元件来实现油温的精确控制。安装温度传感器实时监测油温，当油温超过设定的上限值时，温控元件自动启动散热装置，如开启风扇或水泵，加强散热；当油温低于设定的下限值时，可采取加热措施，如使用电加热器，确保油液在适宜的温度范围内工作。在一些高端工程机械的液压行走系统中，采用了智能化的温控系统，能够根据油温的变化自动调节散热和加热功率，实现油温的精准控制，提高了系统的可靠性和稳定性。四、液压行走系统关键技术4.1变量控制技术4.1.1泵的变量控制泵的变量控制在工程机械液压行走系统中起着至关重要的作用，它能够根据系统的实际需求，灵活地调节泵的输出流量和压力，从而提高系统的效率和性能。常见的变量控制方式包括恒功率控制、恒压力控制和负载敏感控制，它们各自具有独特的工作原理和应用效果。恒功率控制是一种常见的变量控制方式，其工作原理基于功率恒定的原则。在恒功率控制中，泵的输出功率保持恒定，即泵的压力与流量的乘积为常数。当系统的负载增加，压力升高时，泵的流量会相应减小；反之，当负载减小，压力降低时，泵的流量会增大。这种控制方式的优点在于能够根据负载的变化自动调节泵的输出，使发动机的功率得到充分利用，避免了能量的浪费。在挖掘机进行挖掘作业时，当遇到坚硬的岩石等大负载工况时，系统压力升高，泵的流量自动减小，以保证发动机不会过载；而在挖掘较软的土壤等小负载工况时，系统压力降低，泵的流量增大，提高了作业效率。根据相关研究和实际应用数据，采用恒功率控制的液压行走系统，在不同工况下的平均能源利用率相比非恒功率控制的系统提高了15%-20%，有效降低了能耗。恒压力控制则是使泵的输出压力保持恒定。当系统压力达到设定值时，泵的排量会自动调整，以维持压力不变。这种控制方式适用于对压力稳定性要求较高的工况，如起重机在起吊重物时，需要保持稳定的压力来确保重物的平稳起升和下降。在某型号起重机的液压行走系统中，采用恒压力控制后，在起吊过程中压力波动控制在±0.5MPa以内，保证了起吊作业的安全性和稳定性。负载敏感控制是一种较为先进的变量控制技术，它能够实时感知负载的需求，并根据负载的变化调节泵的输出流量和压力。负载敏感控制的核心是通过负载敏感阀来实现的，负载敏感阀能够检测负载的压力变化，并将负载压力信号反馈给泵的变量机构，使泵的输出压力始终略高于负载压力，且输出流量与负载需求相匹配。这种控制方式能够最大限度地减少溢流损失，提高系统的效率。在装载机的液压行走系统中应用负载敏感控制技术后，系统的溢流损失减少了30%-40%，系统效率显著提高。同时，负载敏感控制还能使系统的响应速度更快，动作更加灵敏，提高了工程机械的操作性能。不同的变量控制方式在不同的工程机械液压行走系统中有着广泛的应用。恒功率控制适用于负载变化较大的工况，如挖掘机、装载机等；恒压力控制适用于对压力稳定性要求高的场合，如起重机、液压机等；负载敏感控制则在对节能和响应速度要求较高的工程机械中得到了越来越多的应用，如新型的智能工程机械。在实际应用中，还可以根据具体的工况和需求，将多种变量控制方式结合使用，以实现系统性能的最优化。例如，在一些大型挖掘机中，采用恒功率控制和负载敏感控制相结合的方式，既能保证发动机功率的有效利用，又能实现对负载变化的快速响应，进一步提高了系统的性能和节能效果。4.1.2马达的变量控制马达的变量控制在工程机械液压行走系统中同样具有重要意义，它能够根据系统的运行需求，灵活调整马达的输出特性，从而提升系统的整体性能。马达变量控制的原理主要基于改变马达的排量来实现对输出扭矩和转速的调节。以常见的柱塞式液压马达为例，通过改变斜盘的倾斜角度，可以改变柱塞在缸体中的行程，进而改变马达的排量。当斜盘倾斜角度增大时，柱塞行程增加，马达排量增大，在相同的输入流量下，输出扭矩增大，转速降低；反之，当斜盘倾斜角度减小时，柱塞行程减小，马达排量减小，输出扭矩减小，转速升高。这种通过改变排量来调节输出特性的方式，使马达能够适应不同的工况需求。在工