平地機輔助轉向液壓系統設計

鄧經緯，曹楚君

(1. 湖南高速鐵路職業技術學院鐵道機電系，湖南衡陽421002;2. 湖南三一路面機械研究院，湖南長沙410100)

平地機一般配有鉸接轉向和前輪轉向兩種轉向功能［1］。鉸接轉向主要是在工作場地受限制的情況下使用，可以減小平地機的轉彎半徑。前輪轉向普遍由方向盤帶液壓轉向器控制，是平地機主要的轉向方式。

文中所涉及的轉向液壓系統與作業液壓系統實際上是同一個液壓系統，它由一個變量柱塞泵供油，通過優先閥、梭閥與多路閥等元件控制，形成優先轉向負載敏感液壓系統［2］。該系統最大的優勢是節能，系統動作響應快;同時也存在不足，在轉向時，作業裝置油缸不能執行動作。為彌補該系統的不足，也提升作業時轉向的操控性，增加一種輔助轉向功能，確保在轉向時，能執行作業裝置油缸。這樣，在平地機不作業或轉場跑車時，采用方向盤轉向;在平地機作業時，采用輔助轉向，勢必會提高平地機工作效率。

1 轉向液壓系統原理圖

在控制作業液壓系統的多路閥中增加一片閥片用于輔助轉向。新轉向作業液壓系統為方向盤優先轉向，作業與輔助轉向可同步進行的負載敏感液壓系統［3－4］。

1.1 系統組成

轉向液壓系統原理見圖1。該系統主要由負載敏感柱塞泵、過濾器、動態負載信號優先閥、壓力開關、梭閥、負載敏感多路閥、平衡閥、轉向油缸、負載敏感轉向器等液壓元件組成。其中，多路閥包括了作業系統部分閥片，如圖1 中虛線框中部分。

1.2 工作原理

柱塞泵的壓力油經過濾器到優先閥CF 口，優先提供給轉向器。當轉向器無流量需求時，壓力油經優先閥EF 口供給多路閥。當操作電控手柄時，多路閥電磁鐵Y1 或Y2 得電，前輪開始轉向;松開手柄時，電磁鐵Y1 和Y2 失電，停止轉向。

圖1 中，梭閥選擇轉向器與多路閥中負載大的壓力反饋給柱塞泵，泵根據反饋壓力建立相應的系統壓力滿足負載要求。平衡閥起車輪方向保持、防止車輪竄動作用。在松開轉向手柄時，車輪能按當前方向行駛。壓力開關SK1 保證方向盤轉向與手柄轉向只能同時一種有效。當方向盤轉向時，SK1 得電，同時切斷控制器到多路閥電磁鐵Y1 和Y2 之間的通道。即使在方向盤轉向，誤操作了轉向手柄，也不會產生誤動作。

圖1 中多路閥為負載敏感多路閥，它與負載敏感柱塞泵組成負載敏感系統。多路閥換向部分是電比例控制，它根據手柄提供電流的大小控制流量的大小，從而控制轉向速度。

圖1 轉向液壓系統原理圖

2 輔助轉向液壓系統設計計算

輔助轉向液壓系統設計主要是系統壓力要滿足最大轉向力要求;系統流量則按照最快操作方向盤轉向、前輪從一端轉到另一端所用時間來設計。

2.1 輔助轉向系統壓力計算

轉向壓力與前輪實際負重、輪胎寬度、轉向油缸與前橋結構有關。需要先計算總轉向扭矩ML與轉向力F，才能得出轉向壓力。

(1)總轉向扭矩ML

計算公式［5］:

式中:Gs為前輪負重(N);

e 為輪胎中心到轉向節銷軸之間的偏心距(mm);

B 為輪胎寬度(mm);

μ 為輪胎與地面摩擦因數。

根據已知數據，前輪負重Gs=63 000 N;偏心距e=170 mm;輪胎寬度B =375 mm;摩擦因數μ =0.8。由式(1)得出總轉向扭矩為3 649 N·m。

(2)轉向力F 計算

計算公式［5］:

式中:ML為總轉向扭矩(N·m);

r 為轉向油缸的最小有效半徑(mm)。

根據已知數據，最小有效半徑r =138 mm。由式(2)得出轉向力F=26 439 N。

(3)轉向壓力p 計算

轉向油缸采用兩支雙作用油缸差動聯接方式。轉向壓力的計算方式［5］:

式中:F 為轉向力(N);

D 為轉向油缸缸徑(mm);

d 為轉向油缸桿徑(mm);

根據已知數據:轉向油缸缸徑D = φ63 mm;桿徑D=φ40 mm。由式(3)得出轉向壓力p=5.31 MPa。

實際設置的輔助轉向系統壓力為21 MPa，系統壓力滿足轉向要求。

2.2 輔助轉向系統流量計算

利用方向盤轉向時，從前輪一端轉到另一端所需圈數為3 ～5 圈。而人操作方向盤，最高轉速在100 r/min以內。據此得出前輪一端轉到另一端最快的時間為1.8 s。

(1)轉向油缸在兩極限位置之間轉動所需的油液量計算公式［5］:

式中:D 為轉向油缸缸徑(mm);

d 為轉向油缸桿徑(mm);

s 為轉向油缸行程(mm)。

根據已知數據，轉向油缸缸徑D = φ63 mm;桿徑D=φ40 mm。轉向油缸行程s=273 mm。由式(4)得出油液量V=1 359 mL。

(2)實際流量q 的計算

計算公式［5］:

根據前文中所得出的數據，由式(5)得出最大實際流量q=45.3 L/min。多路閥中輔助轉向控制閥片的設計流量為55 L/min，流量滿足需求。

3 輔助轉向時限速保護

3.1 限速保護目的

采用輔助轉向需要進行限速保護，主要目的是:

(1)平地機在作業時速度通常比較低，推土作業時速度在10 km/h 以內;平地作業時速度在5 km/h以內。在滿足作業時速度的前提下，可以限制平地機在輔助轉向時的行駛速度。

(2)方向盤操作轉向中，帶有人力轉向功能，遇到緊急情況，如在高速行車過程中發動機突然失去動力，可以進入人力緊急轉向。而手柄操作轉向不帶應急轉向功能，限速保護可以保證行駛的安全。

3.2 限速保護措施

平地機由8 個電磁換向閥來分別控制8 對變速箱離合器的接合與脫離。8 對離合器的動作可以產生14個擋位。每個擋位、速度與離合器接合狀態的關系如表1。

表1 擋位、速度與離合器關系

從表1 可以看出:當K8 不接合時，平地機行駛速度均在10 km/h 以內。因此，在采用輔助轉向時，只需要限制控制K8 離合器接合的電磁閥得電就可以進行保護。當不采用輔助轉向時，解除限制。

4 結論

提出一種平地機輔助轉向液壓系統，采用電控手柄操作轉向，相對操作方向盤，操作手柄的操縱力較小，更加舒適。增強了平地機的操控性能與平地機工作適應性。并對在采用輔助轉向時，提出了限速保護措施。該輔助轉向系統具有較強的實用性。

［1］楊學峰，蔡志剛，方明，等．工程機械車輛的轉向形式及其特點［J］．建筑機械，2013(7):67－72．

［2］景軍清，徐新躍．雙泵合/分流負荷傳感型全液壓轉向系統的應用［J］．建筑機械，2005(1):91－92．

［3］尹國會，趙向陽，景軍清，等．負荷傳感轉向系統［J］．流體傳動與控制，2005(1):44－45．

［4］鄧斌，王國志，劉桓龍，等．裝載機負荷傳感轉向液壓系統［J］．筑路機械與施工機械化，2006(3):47－49．

［5］Rexroth Bosch Group．行走機械液壓:第三冊［M］．博士力士樂(中國)有限公司，2004，RC11868/07．03．