全液壓四輪轉向在自上料混凝土攪拌車上的應用

崔宗可，饒偉強，冷陸游，龔磊

（徐州徐工施維英機械有限公司，江蘇 徐州 221004）

0 引言

自上料攪拌車主要用于道路鋪設、水壩、基礎設施建設等相關工程，以及城鎮化建設中的小型工程。自上料攪拌車有類似裝載機的裝載功能，可實現自主裝料到攪拌筒，能夠計量各種物料及水的配比，最終攪拌出符合要求的混凝土。由于部分工況的特殊性，面對狹小的施工空間，對自上料攪拌車的靈活性要求較高。自上料采用四輪轉向，能夠實現三種轉向模式，各種轉向模式之間通過儀表按鍵切換。現對液壓轉向原理進行分析，并對轉向系統中油缸、轉向機等進行設計計算，以提供理論支撐。

1 液壓轉向系統組成和原理

自上料攪拌車轉向系統原理圖如圖 1 所示。

圖 1 自上料攪拌車轉向系統原理圖

圖 1 中，液壓轉向系統主要由定量齒輪泵、液壓轉向器、電磁換向閥、電磁轉向控制閥以及先導溢流閥組成。其中液壓轉向器采用負載傳感式，內部有動態信號優先流量控制閥保證供給轉向器的流量始終等于方向盤轉速與轉向器排量的乘積。

（1）前輪轉向模式下（圖 2），電磁轉向控制閥7 處于中位，流向后輪轉向油缸的液壓油被控制閥 7 截止，此時處于前輪轉向，當轉向器轉動時，油泵高壓油一部分經負荷傳感轉向器 5 進入轉向油缸 9，實現轉向功能，一部分流向鏟斗回路。當轉向負載突然加大，則負荷傳感轉向器 5 中的動態信號優先流量控制閥通過感應回路中壓差的變化，控制閥芯移動，使得流向轉向器高壓油流量增大，實現動態控制。

（2）四輪轉向模式下（圖 2），當電磁轉向控制閥 7 右側通電，閥芯被推向右側，此時前后輪轉向油缸推向相反，即實現四輪轉向。特點是轉向角小，能適應狹小施工空間。

（3）楔形轉向模式下（圖 2），當電磁轉向控制閥 7 左側通電，閥芯被推向左側，此時前后輪轉向油缸推向相同，即實現楔形轉向。

（4）自上料攪拌車轉向機安裝在駕駛室轉向臺上，工作時可以轉動轉向臺 180°，方便作業。但是旋轉 180° 后使得原有轉向駕駛習慣改變，現增加電磁換向閥 6，當駕駛員方位改變時，可以切換駕駛模式，從而不改變駕駛習慣。

圖 2 轉向模式示意圖

2 液壓轉向系統計算與選型

2.1 轉向阻力矩計算

液壓轉向系統匹配設計，先應計算轉向阻力矩。一般地，轉向阻力矩分為原地轉向阻力矩和行駛轉向阻力矩，考慮到原地轉向阻力矩是行駛轉向阻力矩的 2～3倍，自上料攪拌車轉向系統應按滿足實現原地轉向力矩要求進行設計。影響汽車轉向阻力矩的因素有汽車前軸負荷、輪胎與地面之間的摩擦系數、輪胎氣壓等。目前常用的經驗計算公式：

式中：Mr1——轉向阻力矩，N·m；

f ——輪胎與地面摩擦系數，取 0.7；

G1——車輛轉向軸軸荷，N；

P——車輛輪胎胎壓，kPa。

自上料攪拌車最大單軸軸荷 75000N，正常工作胎壓 550kPa，代入數值可得 Mr1= 6462N·m。

2.2 轉向油缸選型及校核

轉向系統設計需要考慮兩種情況，第一種情況，轉向油缸隨車橋確定，且受結構限制不能隨意改變，此刻應計算轉向橋載荷，通過調整整機質心，使轉向橋載荷在合適的范圍內，同時對轉向油缸進行校核計算。第二種情況，轉向橋所受載荷已確定，需要對轉向油缸進行選型設計，使之符合轉向要求。目前自上料攪拌車選用林德 10t 車橋，油缸性能參數已經確定，先需要對油缸進行校核，參數見表 1。

表 1 油缸參數

轉向油缸最大推力為

代入數值，可得 Fmax=76302N

自上料攪拌車車橋轉向油缸的轉向作用力臂隨轉向角的關系曲線如圖 3 所示。車橋最大轉向角為 32°，由圖可知最小力臂 Rmin＝125mm。根據轉矩公式：Fmax= Mr2/ (Rminη)

圖 3 力臂隨轉角變化曲線圖

式中：Rmin——最小力臂，mm；

η——轉向機械效率，取 0.8；

Mr2——轉向力矩，N·m。

代入數值，可得 Mr2=7630.2N·m

根據計算結果 Mr2＞Mr1，滿足使用要求。

2.3 轉向器排量的確定

當轉向輪從一個極限位置到另一個極限位置，方向盤轉過的圈數 n，既要滿足行駛工況，防止車輪轉向過大導致車身穩定性差，又要滿足有較少的作業循環，提高操作便利性。一般設計中，n=3～5 圈。

轉向油缸全行程油液體積：V=SA

式中：S——活塞行程，mm；

A——油壓作用面積，mm2。

代入數值，得出 V=858mL

先選取 n=4，則轉向器排量為 V/n=858/4=214，對照轉向器廠家樣本，選用排量為 200mL/r 型號的轉向器。

2.4 齒輪泵排量的確定

轉向系統流量：Q=qn

式中：q——轉向器排量，mL/r；

n——方向盤轉速，取 0.8r/s。

代入數值，得出 Q=160mL/s

按照發動機怠速狀態下分析，齒輪泵排量

qc=60Q/(ndη)

式中：nd——發動機怠速轉速，取 750r/min；

η——轉向泵效率，取 0.95。

代入數值，得出 qc=13.5mL/r

現選用齒輪泵排量為 16mL/r，滿足使用要求。

3 結束語

全液壓四輪轉向系統具有布置方便、轉向靈活的特點，目前在輪式挖掘機上有普遍應用。本文從液壓轉向原理著手，對四輪液壓轉向在自上料攪拌車上的應用做了詳細介紹，并通過計算分析，對轉向油缸的強度、排量進行校核，確定轉向器及齒輪泵的排量，為液壓轉向系統設計提供一種參考。