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1、同济大学研究生专业课程考试考查试卷同济大学研究生专业课程考试考查试卷 A 卷卷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题目：全液压平地机传动系统设计计算与评价（100100分）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
2、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。三三一一重重工工股股份份有有限限公公司司品品质质改改变变世世界界三三 一一 重重 工工三三 一一 重重 工工SANY全全 液液 压压
3、 平平 地地 机机全全 液液 压压 平平 地地 机机世世界界首首创创的的静静液液压压驱驱动动平平地地机机1 1全液压平地机传动系统方案设计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。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
4、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
5、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
6、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
7、（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2.2. 全液压平地机传动系统参数计算匹配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
8、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MK160230066488015001.33表中发动机额定扭矩计算式为：.60000 2eH eH eHNTn（2）平地机使用重量为 15500Kg；最大桥荷为 12000Kg。（3）后桥至轮胎间的总传动
9、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。630krmm（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：FkF()kFG gFf G g式中： Gf 机器的附着质量, 此例中为后桥最大桥荷；行走机构与地面的附着系数，取0. 7；滚动阻力系数，取0. 1。车辆的切线牵引力最终由发动机经传动系统传至
10、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。min(,)kkF F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一致。平地机额定滑转率取。10% 15%H额定牵引力：；(0.7 0.73)HFF额定切线牵引力：(0.7 0.73)KHHFFfGf G滚动阻力：fsFfG式中：G 机器的使用质量。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
11、，各牵引力单位为 KN.2） 根据牵引比确定最大切线牵引力： pkmaxkF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。maxk p sFkG g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工作条件最小牵引比pk车辆类型功能及地面条件工作坡度（%）重载空载平地机平整湿地150.65平地机最大切线牵引力为：max0.65 15500 9.898.735kpsFk G gKN驱动轮轮最大扭矩：maxmax98.735 630622203.05kkkMFrN m3） 根据速度等比原则确定各档车速：
12、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：1 max3.6ZekNvF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Z百分比。理论牵引效率的可根据经验初步确定：Z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，。0.9F传动系统中泵、马达效率、取：0.860.88；分动箱、后桥传动效率取：bm0.950.97；机械变速箱传动效率取：0.97。则传动系统总传动效率约为： 0.68m则：0.62
13、ZFm110.62 1603.63.62/98.7353.6/vkm hvkm h取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maxvmax40/vkm h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
14、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。mPHP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
15、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，即。但是在实际当中，工程机械的载cpHPP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cpHPP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mP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：HPmP=0.50.6HmPP（）2） 液压系统最高匹配压力的确定 由于液压元件与柴油机
16、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MK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） 。pKpK由于发动机参数已经确定，即发动机的扭矩适应系数已知，取，则工程MKpMKK机械行走液压元件最高压力，以额定压力为基准，取为：mPHP=mpHPK P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mPHP背压mPHP454024338由上述匹配原则可得：(0.5 0.6)(22.5 2
