新型平地機鏟刀回轉機構及其回轉力矩計算

苗國華+崔元福+王永+等

摘要：為了提高平地機的作業效率，提高鏟刀帶載回轉的能力，提出了一種新型平地機鏟刀回轉結構，即雙油缸加回轉閥擺動的回轉結構，并闡述了這種回轉結構的工作原理。通過分析回轉過程中回轉油缸各工作象限作用關系，推導出新結構回轉力矩的計算方法，并基于上述方法獲得回轉周期內回轉力矩理論值。這種設計可為平地機回轉結構設計和回轉力矩計算提供參考。

關鍵詞：作業效率；雙油缸；回轉閥；回轉力矩

中圖分類號：U415.51文獻標志碼：B

Abstract： In order to improve the working efficiency of the motor grader and the ability of the blades to carry the load， a new kind of rotary mechanism for the blade of motor grader with double cylinders and swinging rotary valve was proposed， and the working principle of the rotary mechanism was expounded. The calculating method of rotary torque of the new mechanism was deduced by analyzing the working quadrant relationship of the rotary cylinder in the rotary process. Based on the above formula， the theoretical value of the rotary torque was obtained. This design can provide reference for the design of rotary mechanism and calculation of rotary torque.

Key words： working efficiency； double cylinders； rotary valve； rotary torque

0引言

目前絕大多數平地機采用擺線馬達、渦輪減速機、回轉架的回轉結構，這種結構通過操作手柄控制多路閥閥芯位置，從而使高壓液壓油進入擺線馬達A口或B口驅動擺線馬達旋轉，再由擺線馬達來控制舊轉架動作，實現鏟刀的360°回轉。

擺線馬達啟動過程中的容積效率低、啟動扭矩小、啟動功率小，在鏟刀帶有負載的情況下，不能操作鏟刀回轉，大大降低了平地機的作業效率，并限制了其工作范圍。

針對上述缺點，為使鏟刀具備帶載回轉能力，本文闡述一種新型平地機鏟刀回轉機構——雙回轉油缸加回轉閥擺動回轉結構，并推導出新型鏟刀回轉機構回轉力矩的計算方法。

1新型鏟刀回轉機構及其工作原理

新型鏟刀回轉機構如圖1所示。回轉油缸在360° 回轉過程中，當回轉油缸缸底支點、活塞桿端支點及回轉臂回轉中心點處在一條連線上時，回轉油缸與回轉臂會形成2個死點位置，此時回轉油缸無法驅動回轉臂回轉[13]。為避免2個回轉油缸在回轉過程中同時出現死點位置，從而發生回轉架及鏟刀不能回轉的情況，左回轉油缸與右回轉油缸設計成90° 相位關系。

如圖2所示，回轉閥AA與BB兩個油口分別與平地機多路閥回轉控制片閥的2個工作油口連接；回轉閥油口AA通過回轉閥殼體的環油槽、回轉閥芯的軸向通油孔和徑向油道始終與回轉閥芯的半月槽D相通；回轉閥油口BB通過回轉閥殼體的環油槽、回轉閥芯的軸向通油孔和徑向油道始終與回轉閥芯的半月槽E相通。回轉閥的油口1與左回轉油缸的活塞端連接，油口2與右回轉油缸的活塞端連接，油口3與左回轉油缸的活塞桿端連接，油口4與右回轉油缸的活塞桿端連接[47]。

以鏟刀順時針回轉為例，初始位置左回轉油缸處于死點，液壓系統高壓油通過AA油口進入回轉閥，再通過殼體環油槽與回轉閥芯軸向、徑向通油孔到達回轉閥芯的半月槽D區域，經回轉的油口4進入右回轉油缸的活塞桿端，推動右回轉油缸回縮，從而帶動右回轉臂逆時針回轉，右回轉油缸活塞端的液壓油經過回轉閥的油口2和回轉閥芯的半月槽E至油口BB回油。此時左回轉油缸的活塞端、活塞桿端通過回轉閥的油口1、3與回轉閥芯徑向節流小孔互通。右回轉臂帶動右驅動齒輪逆時針回轉，從而驅動回轉架順時針回轉，同時帶動左驅動齒輪及左回轉臂逆時針回轉，使左回轉油缸通過死點位置；與此同時，回轉架順時針回轉帶動回轉閥驅動齒輪逆時針回轉，從而帶動回轉閥芯逆時針同步回轉[89]。在進一步回轉過程中，當右回轉油缸出現死點位置時，因為回轉閥芯的同步回轉，回轉閥芯半月槽A與回轉閥油口1連通，此時高壓油經AA油口、回轉閥芯半月槽D、油口1到左回轉油缸活塞端，左回轉油缸伸出，帶動左回轉臂進一步逆時針回轉，從而帶動右回轉油缸通過死點位置，以此類推從而實現雙油缸加回轉閥回轉機構的連續回轉，反之依然。

2新型鏟刀回轉力矩計算方法

由以上分析可知，在連續回轉過程中，回轉閥芯驅動齒輪，實現同步回轉；在整個回轉過程中左右回轉油缸活塞端、活塞桿端高低壓油連續規則地切換，保證了回轉的連續性。

以回轉驅動齒輪順時針旋轉為例，回轉臂回轉過程中的位置關系如圖3所示。

式中：K為回轉臂長度（mm）；L為回轉油缸缸底支點與回轉臂回轉中心兩點間的距離（mm）；θ為回轉油缸與缸底支點和回轉臂回轉中心2點連線的夾角（rad）；β為回轉油缸與回轉臂之間的夾角（rad）；Lc為回轉油缸回轉力臂（mm）。

考慮到回轉驅動齒輪與回轉架齒輪之間存在嚙合間隙、回轉閥驅動齒輪與回轉架齒輪存在嚙合間隙、各齒輪的制造誤差、回轉閥芯的偏差以及回轉架與牽引架等裝配誤差等原因，回轉油缸在死點切換時有一定空行程角度。假設回轉油缸在死點附近±7.5° （即弧度±0.13）為死點空行程區域。為保證回轉油缸回轉過程的連續性，左、右回轉油缸相位差設置為90° ，結合公式（1）～（3）可得雙油缸加回轉閥的回轉力矩計算公式

以某機型回轉機構為例，回轉油缸缸底支點與回轉臂回轉中心2點間的距離L=644 mm，回轉臂長度K=120 mm，回轉油缸缸徑D=63 mm，回轉油缸活塞桿桿徑d=35 mm，回轉油缸工作壓力P=18 MPa，回轉架齒數Z2=55，驅動齒輪齒數Z1=6。不考慮回油背壓、回轉油缸高低壓油路切換過程中的沖擊，則其理論回轉力矩見圖4。

由理論計算可知，在回轉油缸驅動回轉臂回轉的過程中，回轉驅動力矩隨回轉臂曲柄角度發生周期性變化。在左回轉油缸回轉臂曲柄角度為45° 時，總回轉力矩達到最大值89 kN·m；在左回轉油缸回轉臂曲柄角度為173° 、263° 時，總回轉力矩達到最小值41 kN·m。因為油缸的工作效率達到095且不受油缸速度等的影響，其油缸作用力只受限于液壓系統設定的工作壓力，啟動力矩僅受限于系統設定工作壓力，不存在擺線馬達低速啟動時容積效率低、啟動扭矩小以及啟動功率低等缺點，故回轉油缸加回轉閥的回轉機構可以帶載回轉，大幅提高了平地機鏟刀的工作效率和工作范圍。

4結語

（1）闡述了一種新的平地機鏟刀回轉結構的工作原理，基于左、右回轉油缸在各工作象限內的關系，推導出新回轉結構回轉力矩的計算方法，并基于此方法計算出新型回轉機構回轉力矩理論值。

（2）回轉油缸在死點區域切換高、低壓油和工作象限時會有一定的沖擊，后續還需進一步研究液壓沖擊的影響因素和改善措施。

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[責任編輯：杜衛華]